變徑組合提升管內團聚物持續時間的分析

吳廣恒，王德武

(1.天津職業大學生物與環境工程學院，天津 300410；2.河北工業大學化工學院)

團聚物的生成與解體是循環流化床內氣固局部流動的典型特征，對床體內氣固作用機制及接觸反應效率等有重要影響。團聚物持續時間是表征團聚物特性的重要參數之一，通過對其進行測量與分析，不僅可以反映團聚物的生成與解體特性，還可以對團聚物其它特性參數進行關聯和預測。因此有許多研究者對等徑提升管內團聚物持續時間進行了研究[1-5]，并得到團聚物平均持續時間的徑向分布趨勢、主要影響因素等，但在持續時間的數值上還存在一定的差異；同時，上述研究者所采用的提升管均為等直徑結構。對于變徑組合提升管，劉丙超等[6-7]對宏觀流動參數進行了詳細測量，Geng Qiang等[8]、Qi Maozhan等[9]對光纖探針測得的微觀瞬態固含率信號進行了深入分析，但對于變徑組合提升管內團聚物持續時間特性如何，還未見有相關的研究報道。

本研究在一套下部小直徑段與上部大直徑段串聯組合的變徑組合提升管冷模試驗裝置上，通過調節表觀氣速與顆粒循環強度構建不同的固氣比，采用小波分解結合中位數閾值的方法詳細測量變徑組合提升管內團聚物持續時間特性，并將團聚物持續時間范圍劃分為7個尺度而對其進行詳細分析。

1 實 驗

1.1 試驗裝置

循環流化床試驗裝置如圖1所示。提升管由下部小直徑段和上部大直徑段組成，小直徑段尺寸為Φ60 mm×1 900 mm，上部大直徑段尺寸為Φ120 mm×5 000 mm，中間采用變徑段過渡，變徑段內設二次補氣設備，提升管總高度為7 500 mm。來自風機的空氣，經轉子流量計計量后分3路分別進入提升管底部、變徑段及伴床底部；顆粒沿提升管小直徑段、大直徑段向上，經轉向型出口進入伴床，伴床內顆粒經循環管返回到提升管小直徑段底部，伴床內氣體夾帶少部分顆粒經旋風分離器及布袋除塵器分離后放空。操作中，提升管小直徑段為固氣比較大的濃相區，大直徑段為固氣比較小的稀相區，通過該結構設置，可實現在相對較寬的固氣比范圍內對變徑組合提升管內團聚物特性進行考察。

圖1 試驗裝置示意1—風機； 2—氣體緩沖罐； 3—轉子流量計； 4—提升管小直徑段； 5—提升管大直徑段； 6—伴床；7—布袋除塵器； 8—旋風分離器； 9—旋風分離器料腿； 10—回料管

1.2 試驗介質及操作條件

試驗以常溫空氣為流化介質，以CRP-1催化裂解催化劑顆粒為固體介質。CRP-1的顆粒密度(ρp)為1 455 kgm3，堆密度(ρb)為875 kgm3，平均粒徑(dp)為75 μ m。

試驗的固氣比[Gs(ρg·Ug)]范圍為2.13～47.95，操作條件如表1所示。

表1 操作條件

1.3 數據采集方法

沿變徑組合提升管軸向從底部向頂部布置5個測量截面，各截面距提升管底部的距離(h)分別為0.4，0.9，1.7，2.6，4.1 m；沿每個截面徑向布置5個局部測量點，各測量點的無因次半徑(rR)分別為0，0.3，0.5，0.7，0.9。

通過中國科學院過程工程研究所研制的PV-6D型光纖探針采集團聚物信號，探針包含發射光和接收光兩束光導纖維，每束光導纖維的面積為1 mm×1 mm，兩束光導纖維中心線之間的距離(L)為1.86 mm。測量中，采樣頻率為100 kHz，單次采樣時間(t0)為1.310 72 s。儀器輸出的電壓信號(U)和固含率信號(εs)之間的標定關系式為：

εs=0.031U2+0.002 9U

(1)

截面平均固含率(εs，a)由局部固含率(εs，r)按面積加權平均計算得到。

1.4 團聚物的分析與識別

針對探針法測得的團聚物，以往研究者[3]多采用局部時均濃度結合標準偏差的方法來識別團聚物，由于探針法所測得的團聚物信號呈現非正態分布與非穩態特征，并且其中包含了大量氣相與單顆粒的信息，該方法不適用于對光纖探針信號的分析，而采用小波分解結合中位數閾值的方法是一種較為有效的方法[10]，故本研究采用小波分解結合中位數閾值的方法。

結合本研究中采樣頻率范圍，選取小波分解后的近似信號Ca3進行分析，近似信號Ca3已去除了單顆粒行為的影響。經小波分解和重構后，圖2給出了本研究中一典型的Ca3近似信號，每組連續高于中位數閾值線的曲線即對應一個團聚物，依此可以確定單次采樣時間內團聚物出現的個數。每個團聚物內的采樣點數乘以采樣時間間隔即為單個團聚物的持續時間(tc，i)。圖2中ni呈現兩個連續的峰值，體現了團聚物持續過程中濃度的動態變化特性，但其濃度變化過程中未完全解體為單顆粒，即仍為一組連續高于中位數閾值線的曲線，故仍判定其為一個團聚物，nj為一個峰值，體現了單個團聚物瞬間的生成與解體過程。

圖2 Ca3近似信號和中位數閾值

2 結果與討論

2.1 提升管內團聚物持續時間的分布

圖3 提升管內團聚物持續時間的分布rR：■—0； ●—0.3； ▲—0.5； ◆—0.9。 —tc，a

圖3為不同固氣比操作條件下提升管內不同徑向位置處的團聚物持續時間(tc，i)分布。由圖3可以看出：在同一截面的同一徑向位置，單個團聚物的持續時間并不相同，而是存在一定的變化范圍，并且這種持續時間分布范圍隨著無因次半徑的增加而越來越寬；進一步分析可見，各徑向位置單個團聚物的最小持續時間基本不變，主要體現在團聚物最大持續時間隨著無因次半徑增加而增加，這說明在提升管中心區主要以較短持續時間的團聚物為主，而在靠近邊壁區既包含較短持續時間的團聚物，又包含較長持續時間的團聚物。隨著無因次半徑及固氣比的增加，團聚物平均持續時間(tc，a)呈增加趨勢，且靠近邊壁區團聚物平均持續時間增加的幅度更大，這與提升管內氣固局部流動特性相對應，靠近中心的區域氣體速度較高，氣體對團聚物的剪切破碎作用較強，對應團聚物平均持續時間較短，而靠近邊壁的區域，氣體速度較低，固含率較高，對應團聚物平均持續時間較長。

眾多研究表明團聚物固含率與其所處位置的時均固含率有關，Yang等[11]通過試驗對團聚物固含率與局部時均固含率進行了如下關聯：

(2)

根據式(2)將本研究中的局部時均固含率(εs，r)與團聚物固含率(εs，c)進行關聯作圖，再對應給出各局部時均固含率下的團聚物平均持續時間(tc，a)，從而可得到本研究條件下團聚物固含率與團聚物平均持續時間的對應關系，如圖4所示。

由圖4可以看出，團聚物平均持續時間隨著局部時均固含率的增加而增加，但本研究中tc，a在0.014 32～0.160 64 s之間，Yang等[11]的研究(Ug=0.91～1.86 ms)中tc，a在0.02～0.08 s之間，曾鑫等[10]的研究(Ug=5.5～11.2 ms)中tc，a在0.003～0.05 s之間，本研究中表觀氣速Ug為1.47～4.67 ms，故表觀氣速不同是造成本研究中tc，a較大的一個原因；另外，上述研究者采用的是等直徑提升管，本研究采用的是變徑組合提升管，變徑組合結構對氣固微觀作用的影響[6-9，12]是造成tc，a較大的另一個原因。

由圖4進一步分析團聚物固含率與團聚物平均持續時間在不同局部固含率下的分布，以團聚物固含率εs，c=0.3為界限，當εs，c<0.3時，依據對應的局部固含率數值可得團聚物平均持續時間tc，a基本在0.014 32～0.064 00 s范圍內，這個范圍與以往研究者的tc，a數值相近；而當εs，c≥0.3時，依據對應的局部固含率數值可得團聚物平均持續時間tc，a基本在0.064 00～0.160 64 s范圍內，這個范圍與以往研究存在較大差異，結合前文分析可見，由變徑組合提升管構型和操作所導致團聚物特性的差異主要體現在濃度較高的團聚物上。

針對上述特征，本研究以“εs，c=0.3、tc，a=0.064 00 s”為界限，將“εs，c<0.3、tc，a<0.064 00 s”的團聚物稱為低濃度團聚物，將“εs，c≥0.3、tc，a≥0.064 00 s”的團聚物稱為高濃度團聚物。

圖4 不同局部固含率下團聚物固含率與平均持續時間的分布■—εs，c； ●—tc，a

圖5給出了本研究條件下所檢測到的全部團聚物中不同持續時間所對應的團聚物數量，其中單個團聚物的持續時間為0.001 28～0.601 60 s。由圖5可以看出，tc，i<0.064 00 s的低濃度團聚物在數量上占據87.7%，而tc，i>0.064 00 s的高濃度團聚物在數量上占據12.3%，由此說明，提升管內團聚物在數量上主要以持續時間小于0.064 00 s的低濃度團聚物為主。

圖5 不同持續時間下團聚物的數量

2.2 高濃度團聚物對平均持續時間的影響

圖6 不同固氣比下高濃度團聚物與低濃度團聚物的持續時間比rR：■—0； ●—0.3； ▲—0.5； ◆—0.9

雖然提升管內持續時間小于0.064 00 s的低濃度團聚物數量占比較大，但單個團聚物持續時間較短，而本研究中存在的高濃度團聚物雖然數量占比較低，但單個團聚物持續時間較長，其對團聚物平均持續時間影響如何還需要詳細考察。圖6給出了在不同固氣比下截面各徑向位置高濃度團聚物與低濃度團聚物的持續時間比(T)。T為某特定空間位置單次采樣時間內檢測到的高濃度團聚物持續時間之和與低濃度團聚物持續時間之和的比值，T<1表明低濃度團聚物持續時間在平均持續時間中所占的比重較大，T>1表明高濃度團聚物持續時間在平均持續時間中所占的比重較大。由圖6可見，隨著無因次半徑增加，T整體呈增加趨勢，這與平均持續時間隨著無因次半徑變化的趨勢一致。同時，在截面平均固含率或固氣比較低[如Gs(ρg·Ug)<7]時，各徑向位置T均小于1，表明該狀態下低濃度團聚物主導各位置團聚物的平均持續時間；隨著固氣比的增加，在rR<0.7的中心區域，T基本仍以小于1為主，并且變化幅度較小，表明該區域仍為低濃度團聚物主導平均持續時間，而在靠近邊壁rR≥0.7的區域，T逐漸大于1，并且隨著固氣比的增加而增加，表明該區域逐漸發展為高濃度團聚物主導平均持續時間。由此可見，高濃度團聚物數量比重雖小，但對團聚物平均持續時間仍存在較大的影響。

2.3 提升管內團聚物持續時間的多尺度劃分與分析

在單個團聚物持續時間跨度上，最小持續時間(tc，min)為0.001 28 s，最大持續時間(tc，max)為0.601 60 s，二者相差470倍；而如前文初步劃分的低濃度團聚物與高濃度團聚物，在數量上和對平均持續時間影響方面又是哪些持續時間范圍的團聚物還不得而知。對此，本研究以單個團聚物最小持續時間為基準，對團聚物持續時間進行七尺度劃分，劃分方法如表2所示。其中，尺度T1～T5對應前文的低濃度團聚物，尺度T6～T7對應前文的高濃度團聚物。

表2 團聚物持續時間的七尺度劃分

圖7給出了各尺度團聚物的個數及各尺度團聚物總的持續時間。由圖7可見：在數量上，T1～T5尺度團聚物占87.69%，T6～T7尺度團聚物占12.31%，各尺度的數量由大到小的順序為T2>T1>T3>T6>T4>T5>T7；而在總持續時間上，T1～T5尺度團聚物占59.95%，T6～T7尺度團聚物占40.05%，各尺度團聚物總持續時間由大到小的順序為T6>T7>T2>T3>T4>T5>T1。由此可以更加清楚地看出：在數量上，提升管內團聚物主要以T1，T2，T3尺度為主，三者之和占據73.02%，即提升管內單個團聚物的持續時間多集中在0.001 28～0.038 40 s；對于高濃度團聚物，單個團聚物持續時間主要集中在T6尺度(0.064 00～0.128 00 s)；在持續時間的構成中，整體上是以T2，T3，T6，T7為主，四者之和占據72.17%，其中，低濃度團聚物主要受T2和T3尺度團聚物持續時間的影響，高濃度團聚物主要受T6尺度團聚物持續時間的影響。

圖7 不同持續時間尺度下的團聚物個數與團聚物持續時間分布

圖8選取了固氣比為5.12和35.78的條件，按七尺度劃分方法，分別計算出每個無因次位置處各尺度團聚物的總持續時間(tc，T)，給出了提升管內局部團聚物持續時間的多尺度分布。由圖8(a)可見，在固氣比或局部時均固含率較低時，在各個徑向位置均存在T1，T2，T3尺度的團聚物，而T4和T5尺度的團聚物并不是所有位置都存在，隨著無因次半徑增大，逐漸出現T6尺度的團聚物，此時基本無T7尺度的團聚物，各位置均是T1～T5尺度范圍的低濃度團聚物主導團聚物平均持續時間。由圖8(b)可見，當固氣比或局部時均固含率較大時，在各徑向位置均存在T6尺度的團聚物，隨著無因次半徑增大，逐漸出現T7尺度的團聚物，同時，在各徑向位置均存在T1～T5尺度之間的團聚物，而T4和T5尺度團聚物同樣并不是所有位置都存在，在無因次半徑0

圖8 提升管局部團聚物持續時間的多尺度分布時間尺度：—T1； —T2； —T3； —T4； —T5； —T6； —T7； ■—T1～T5； ■—T6～T7； □—T1～T7

綜合以上對全部團聚物及局部位置團聚物的多尺度分析可見，低濃度團聚物主要以T1，T2，T3尺度存在，高濃度團聚物主要以T6尺度存在。無論是隨著固氣比的變化，還是隨著局部位置的變化，整體上團聚物呈現出隨著局部時均固含率增加而由低尺度向高尺度轉變的趨勢，但轉換過程中，T4和T5尺度數量較少。

3 結 論

(1)隨著無因次半徑增加，單個團聚物持續時間分布范圍變寬，團聚物平均持續時間增大；單個團聚物持續時間為0.001 28～0.601 60 s，局部位置團聚物平均持續時間為0.014 32～0.160 64 s，以團聚物固含率為0.3及持續時間為0.064 00 s作界限，可將團聚物劃分為低濃度團聚物和高濃度團聚物，在數量上以低濃度團聚物為主。

(2)在固氣比較低時，主要為低濃度團聚物主導平均持續時間；在固氣比較高時，提升管中心區域主要為低濃度團聚物主導平均持續時間，臨近邊壁區域低濃度團聚物與高濃度團聚物共存，主要為高濃度團聚物主導平均持續時間。

(3)低濃度團聚物中，在數量上主要以持續時間在0.001 28～0.038 40 s之間(T1～T3尺度)的團聚物為主，在對平均持續時間的影響上主要以持續時間在0.012 80～0.038 40 s之間(T2～T3尺度)的團聚物為主，持續時間在0.038 40～0.064 00 s之間(T4～T5尺度)的團聚物對二者影響較??；高濃度團聚物中，在數量和對平均持續時間的影響上，主要以0.064 00～0.128 00 s的T6尺度團聚物為主。

符號說明

Gs——顆粒循環強度，kg(m2·s)；

Gs1——小直徑段提升管內顆粒循環強度，kg(m2·s)；

Gs2——大直徑段提升管內顆粒循環強度，kg(m2·s)；

Ug——表觀氣速，ms；

U1——小直徑段提升管內表觀氣速，ms；

U2——大直徑段提升管內表觀氣速，ms；

D1——小直徑段提升管直徑，mm；

D2——大直徑段提升管直徑，mm；

ρg——氣體密度，kgm3；

ρp——顆粒密度，kgm3；

ρb——顆粒堆積密度，kgm3；

dp——顆粒平均粒徑，m；

h——各截面距提升管底部的距離，m；

r——測量點至圓心的距離，mm；

R——提升管的半徑，mm；

rR——無因次半徑；

L——兩束光導纖維中心線之間的距離，mm；

t0——采樣時間，s；

tc——團聚物持續時間，s；

tc，i——單個團聚物持續時間，s；

tc，a——局部團聚物平均持續時間，s；

tc，min——團聚物最小持續時間，s；

tc，max——團聚物最大持續時間，s；

tc，T——團聚物總持續時間，s；

εs——顆粒固含率；

εs，a——截面平均固含率；

εs，r——局部固含率；

εs，c——團聚物固含率；

ni——兩個連續的峰值之間采樣點個數；

nj——一個峰值之間采樣點個數；

T——高濃度團聚物與低濃度團聚物的持續時間比；

下角標

s——固體；

g——氣體；

p——顆粒；

c——團聚物。