非均勻布風流化床內大顆粒停留時間特性

田鳳國，朱田，孔德正，雷鳴

（東華大學環境科學與工程學院，上海201620）

引 言

因具有較好的傳熱傳質性能和蓄熱能力，流化床廣泛應用于礦物焙燒、生物質氣化、垃圾焚燒等能源化工過程[1-2]。所處理的顆粒系統往往包含多種組分，它們之間的物理、化學性質有較大的差異。這就需要新鮮給料混合均勻、有效成分充分反應，并及時排出產品顆粒或無效成分，以防止床層分層與底部非流化狀態[3-6]。為此人們提出多種型式的內循環流化床，以提高對大尺寸物料的移除能力，如傾斜布風板[7]、定向風帽[8]、非均勻布風[9-11]等。傾斜布風板非均勻布風內循環流化床因結構簡單，備受關注。

非均勻布風內循環流化床氣泡動力學與傳統鼓泡流化床顯著不同。田文棟等[10]、劉典福等[9]以及尹斌等[12]通過可視化測量發現，高風速區內的上升氣泡橫向移動，將物料攜帶至低風速區；與此同時，低風速區物料沿傾斜布風板向下游高風速區移動，床內存在有規律的顆粒循環流動。文獻[11]利用離散單元法模擬量化描述了高低風速區域之間的顆粒循環通量，并闡述了床內物料的微觀混合機制。

更為重要的是，內循環流化床往往涉及復雜顆粒系統的流化、混合與分離。給料尺寸通常是床料的1～2個數量級，且密度分布較廣。當前，流態化物料混合特性研究大多關注屬性相同或相近的物料種類[13-16]，類似大尺寸物體的運動特性研究僅偶有提及[17-19]。Weinell 等[18]曾 以單個尺寸為15 mm 的輕質放射性顆粒為示蹤粒子，考察床料在循環流化床內部不同區域內的運動特性。Sanderson 等[19]則觀察到了大塊輕質示蹤物在常規鼓泡床內局部“上升-下降”的環流現象。李峰[20]研究了單個異形大顆粒(最大外形尺寸16 mm)在常規鼓泡床內的排出特性。有關內循環流化床內大尺寸顆?；旌咸匦缘难芯繄蟮垒^少。本課題組[21]曾試驗研究了不同運行工況下，多種大塊物沿流化床高度的濃度分布規律。Yin 等[22]、Cai 等[7]先后探討了密度、尺寸和風速對大尺寸示蹤物在內循環流化床內停留時間分布特性（residence time distribution，RTD）的影響方式。Cai 等[23]還對固定在傾斜布風板上方的球殼進行了計算流體力學模擬，初步分析了大尺寸物料的受力行為。這些工作加深了人們對內循環流化床內大尺寸顆粒運動機制的理解。

RTD 是微觀混合過程的宏觀統計表現。不同組分在流化床內的反應過程和生存時間各不相同，掌握各個組分的RTD 特性是實現多個過程同步進行的前提[24-28]，相關研究依然較少。尤其是針對非均勻布風這一關鍵特征，系統探討高、低風速區流化風速以及排渣管風速等關鍵參數對大顆粒RTD影響規律的報道較為欠缺，這也是本文的重點。此外，還將探討形狀、尺寸等顆粒屬性的影響。所得結果對于內循環流動的機理探索、多組分流化床的應用設計和生產運行具有一定的借鑒意義。

1 RTD試驗

1.1 試驗裝置

圖1 為試驗系統。流化床高2000 mm，寬400 mm，深50 mm。本體采用有機玻璃制成。傾斜布風板與水平面夾角為20°，開孔率為4%。高低風速區各設獨立風箱，非均勻供風。大顆粒物料給料口位于床體右側上方。排渣管上部連接位于傾斜布風板低端處的排渣口，下部連接渣倉。排渣管橫截面為45 mm×45 mm。渣倉高200 mm，寬300 mm，深300 mm；由厚度為15 mm 的有機玻璃制作而成，以便于觀察排渣過程。排渣系統密閉良好。

1.2 試驗材料

床料為樹脂顆粒，物性參數見表1。臨界流化風速umf根據常規流化床壓降曲線測定所得。如表2所示，選取多種示蹤顆?？疾煳镄詤祵Υ箢w粒物料在床內的混合與停留時間分布特性的影響。

表1 床料物性參數Table 1 Physical parameters of bed material

1.3 試驗簡述

試驗過程中，氣流經風箱進入床內，使小顆粒床料流化。圖1 中灰色區域表示乳化相，白色區域表示氣泡相。通過高、低風速區配置，實現小顆粒床料在床內的內循環流動。

表2 大顆粒物性參數Table 2 Physical parameters of large particles

圖1 內循環流化床RTD試驗臺Fig.1 RTD test rig of internally circulating fluidized bed

保持排渣管內氣體流量足夠高，由給料口注入示蹤顆粒。穩定運行一段時間后，逐漸降低排渣管風速。在排渣口處，小顆粒床料所承受氣體曳力一直大于其重力，被吹回床內；然而，當排渣管風速降至一定數值后，大顆粒所受氣體曳力小于其重力，落入排渣管。定義開始出現連續排渣時的風速為該示蹤物的臨界排出風速。對不同示蹤粒子的臨界排出風速進行了標定，為運行調整提供依據，見表2。因其尺寸均勻和良好的可得性，后續試驗以綠豆為基準示蹤物。

給料口即為所考察示蹤物的RTD 空間起點，渣倉則為終點。首先，設定排渣管、高風速區、低風速區各區域的氣體流量。其次，待內循環流化床穩定運行后，由給料口注入示蹤物，時刻記為0 s。此后，每隔一定時間就通過電子天平測量并記錄已到達渣倉的示蹤物數量和所對應時刻t。

2 RTD函數

RTD 為表征流化床內氣固混合過程的關鍵參數之一[29]。假設在時刻t=0 s，瞬時注入示蹤物。停留時間分布密度函數E(t)表示示蹤物在出口處的分率，亦即在床內中停留ti-1+Δti之間的示蹤物分率，本文采用百分比形式。

式中，F(t)為停留時間分布累積函數；MRT(mean residence time)為示蹤顆粒的平均停留時間；ti和Δti分別為第i 次記錄所對應的時刻以及該次記錄所對應的計樣時間間隔；N(Δti)為Δti內所排出示蹤物的數量；n為所記錄間隔的總次數。

示蹤試驗大體上可分為脈沖、階躍和周期三類注入方式[30]。脈沖試驗的優點是輸出響應就等于停留時間分布密度函數E(t)。但它需要迅速注入示蹤物來實現脈沖效應，并且很難做到對低濃度的精確測量。階躍法易于實現，但是其數學模型不如脈沖試驗精確。周期輸入則會引起示蹤物濃度的波動。本文采取較為常用的脈沖法。

3 結果與討論

3.1 示蹤物注入量的影響

圖2展示了示蹤物注入量對停留時間分布密度函數E(t)曲線的影響。高、低風速分別為6umf、1.2umf；排渣管風速為8.64 m/s，示蹤物為綠豆。圖2(a)表明，一方面，雖然絕對排出質量分布曲線峰值隨注入量增加而增加，但這些波峰出現的時刻大致相同。這一趨勢在歸一化后的E(t)曲線更為明顯，見圖2(b)。另一方面，注入量又會影響E(t)曲線的穩定性。注入量低至25 g時，E(t)波動十分明顯。注入量由25 g增至150 g時，E(t)曲線逐漸光順。分析認為，注入量減少意味著樣品數目相應減少，排出過程具有一定的隨機性，導致E(t)曲線的波動。注入量的增加有助于提高RTD 的統計規律，E(t)曲線變得更為光順。

圖2 示蹤物注入量對RTD的影響Fig.2 Effect of tracer amount on RTD

圖2(b)表明注入量過高又會引起拖尾。這是由于受排出速度限制，部分示蹤粒子滯留時間延長。及至后期，滯留于床內的示蹤粒子濃度已經很低，分離過程具有較為明顯的隨機性，E(t)曲線出現波動。圖2(c)給出了示蹤物平均停留時間MRT對注入量的依賴關系。25、50、100 g 三種較低注入量的MRT 比較接近，MRT 對注入量的敏感程度較低；當注入量增至150 g 時，E(t)曲線拖尾效應導致MRT 變長，給測量帶來不確定性。

因此，示蹤物注入量的確定需要考慮到兩個因素：①顆粒數要足夠多，確保取樣具有連續統計性；②數量又不能太多，否則會有拖尾現象。綜合考慮到其他示蹤粒子的尺寸與密度等，以及試驗的可比性，后續試驗中取注入量為100 g。

3.2 排渣管風速的影響

圖3(a)給出了不同排渣管風速下的E(t)曲線。高、低風速區內的風速分別為6umf、1.2umf，示蹤粒子為綠豆。在所有排渣管風速下，大部分示蹤粒子都能夠離開床層，并且幾乎沒有床料進入渣倉。但是，隨著排渣管風速的增加，E(t)曲線形狀發生顯著變化。排渣管風速為6.91 m/s 時，E(t)曲線峰值高達30%。這意味著在t 在10～20 s 之間的10 s 內，就有多達30%總注入量的示蹤物排出。圖3(b)顯示風速增加到9.34 m/s 時，E(t)峰值顯著降低，拖尾現象十分明顯，平均停留時間MRT達160 s。

排渣管風速升高，氣固曳力變強，示蹤顆粒很容易被送回床內，顯著延長了在床內的停留時間。持續提高排渣管風量，示蹤物排出速率快速降低，直至排不出。在較低排渣管風速段內，6.91～8.64 m/s，MRT 變化不大，這為實際運行提供了較寬的操作窗口。

還可以發現一個有趣的現象，排渣管風速越低，E(t)波動小。低排渣管風速下，排渣口處的氣固曳力較小，分離過程比較順利，停留時間波動較小，RTD接近平推流模型。高排渣管風速工況下，排渣口處的氣固曳力比較強烈，示蹤顆粒容易返回床內，重新參與床內的混合過程，導致E(t)曲線波動劇烈。排渣管風速為9.34 m/s時，RTD接近于全混流模型。

3.3 高風速區風速的影響

圖4 展示了RTD 隨高風速區風速的變化規律。低風速區風速、排渣管風速分別保持在1.2umf、7.78 m/s 不變。隨著高風速區流化風速的增加，示蹤物的平均停留時間MRT 先是變短、后又延長，見圖4(a)。這是兩種能力平衡的結果。一是在重力和下降顆粒流的作用下，示蹤物沿傾斜布風板由低風速區輸送至高風速區的能力；二是在高風速區上升氣泡的橫向運動作用下，示蹤物離開高風速區返回低風速區的能力。風速升高，這兩種能力均得到提高；二者對RTD 的影響特征則取決于誰占主導地位。風速由2umf增加到6umf的過程中，輸送能力強于返混能力，MRT 變短。風速由6umf增加到10umf的過程中，返混能力占主導地位，MRT 變長。因此，當前的流化床存在一個適宜于分離的高風速區流化風速運行窗口，過高或過低都會降低分離速度。

圖3 排渣管風速對RTD的影響Fig.3 Effect of discharging velocity on RTD

圖4 高風速區風速對RTD的影響Fig.4 Effect of gas velocity in high-flow-velocity-zone on RTD

對比圖4(b)中初始階段的E(t)曲線可以發現，隨著高風速區風速的降低，對示蹤物的輸送能力變弱，波峰延后，峰值增高。

3.4 低風速區風速的影響

圖5 考察了低風速區風速對示蹤物RTD 的影響；排渣管風速、高風速區風速分別為8.24 m/s、6umf。與高風速區風速的影響方式不同，隨著低風速區流化風速的升高，平均停留時間MRT 單調增加，見圖5(a)；還體現為E(t)曲線的波峰延后、峰值變小、波動加大，如圖5(b)所示。低風速區流化風速升高會增強示蹤物的混合能力，進入排渣口的大顆粒初始份額降低；同時，床內顆粒循環流動減弱，示蹤物向高風速區轉移的速度變慢，停留時間變長，且排出過程不穩定。

3.5 示蹤顆粒形狀的影響

圖6 對比了煤粒和綠豆的停留時間分布特征。高低風速區風速、排渣管風速分別保持在6umf、1.2umf、6.91 m/s。煤粒RTD 初期峰值要比綠豆小得多，且曲線平緩，后期排出份額較高。統計顯示，煤粒在床內的平均停留時間MRT 長達83.0 s，而綠豆僅為34.3 s。由表2 可知煤粒比綠豆重、比綠豆大。分析認為，示蹤物的形狀成為主導因素。在示蹤物沿傾斜布風板下滑的過程中，將受到布風板的阻力。綠豆與煤粒的差異在于：①綠豆球形度高、表面光滑，因此，它受到的是基于點接觸的滾動摩擦阻力，且摩擦系數低；②煤粒則大不相同，形狀不規則，表面十分粗糙，相應地，煤粒受到的是基于面接觸的滑動摩擦阻力，且摩擦系數高。所以，煤粒受到阻力要比綠豆大得多，滯留時間更長。

圖5 低風速區風速對RTD的影響Fig.5 Effect of gas velocity in low-flow-velocity-zone on RTD

圖6 綠豆與煤粒E(t)曲線的比較Fig.6 Comparison of E(t)curves between green bean and coal particle

本研究還分別觀測了不同排渣管風速下煤粒和綠豆的RTD 特征。高排渣管風速時，拖尾嚴重、波動強烈，不同條件下的E(t)曲線交錯重疊。為便于比較，圖7 給出了停留時間分布累積函數F(t)曲線。與E(t)曲線不同，F(t)曲線能直觀反映給定時間內示蹤物的排出程度。首先，排渣管風速相同時綠豆的排出速度要遠高于煤粒，且基本都能排凈。煤粒拖尾明顯，排渣管風速為8.64 m/s時，500 s時間內僅有30%的煤粒排出。其次，排渣管風速對煤粒F(t)曲線的影響程度要遠遠大于對綠豆F(t)曲線的影響。如排渣管風速由6.91 m/s增至7.78 m/s時，煤粒由350 s內100%排出變為500 s內僅有70%排出。對綠豆而言則是均為100%排出，只是時間有135 s延長至175 s。并且所延長的40 s 主要集中在排出份額很少的后期拖尾階段，見圖7(b)。綜上所述，形狀能夠影響到示蹤物在傾斜布風板附近的受力狀態，從而影響其分離過程。

3.6 示蹤顆粒尺寸的影響

黃豆的直徑約為6.5 mm，綠豆的直徑約為3.8 mm，見表2。除此以外，二者物性比較相近：如球形度高、粒徑均勻，密度相差很小。在一定程度上，二者對比可以反映出尺寸對RTD 的影響，見圖8。黃豆E(t)曲線波峰陡峭，大多數示蹤顆?；灸茉?0 s內從流化床分離出來。相比較而言，綠豆的E(t)曲線扁平些，拖尾更為明顯。統計表明，黃豆平均停留時間為26 s，綠豆則為34.3 s；綠豆更容易與床料混合。

圖7 停留時間分布累積函數F(t)Fig.7 Accumulated function of RTD

圖8 示蹤物尺寸對RTD的影響Fig.8 Effects of tracer size on RTD

但是，還不能說尺寸越大停留時間越短。試驗過程中，還嘗試觀測木塊的RTD。然而由于密度太小，木塊全部參與到床內混合過程，不能進入排渣系統。本課題組前期研究工作[21]發現，木塊尺寸越大越容易上升到床層上部，而非下沉至排渣口。尺寸的影響方式與密度相關。結合Yin 等[22]和Cai 等[7]的觀測，可以認為對于重質示蹤物，尺寸越大，停留時間越短；對于輕質示蹤物，尺寸越大，停留時間反而變長。

3.7 示蹤顆粒密度的影響

試驗還研究了密度的影響。所用示蹤物包括如泡沫、木塊等輕質材料，以及玻璃塊、灰渣等重質材料。對于灰渣、玻璃塊而言，重力成為決定性因素。它們沿傾斜布風板快速進入排渣系統，平均停留時間通常小于15 s。排出過程集中、沒有拖尾現象，屬于典型的平推流模型。試驗過程中，重質示蹤物對電子天平沖擊很大，所得數據波動劇烈。與此相反，對于木頭等輕質物品而言，浮力效應明顯[31]，很難進入排渣系統。

4 結 論

本文較為系統地研究了大顆粒物料在內循環流化床內的停留時間分布特性，著重考察了非均勻布風配置對示蹤物RTD的影響。主要結論如下。

(1) 停留時間分布密度函數E(t)曲線的諸多特征，如曲線形狀、波峰時刻與峰值等，與示蹤物在床內的內循環流動與混合過程密切相關。波峰時刻越早、峰值越高，曲線越光順，意味著示蹤物分離趨勢占優，RTD 較為接近平推流模式。反之，則以混合為主，RTD接近全混流模式。

(2)大顆粒RTD 特性主要取決于兩種能力的平衡。一是重力和下降顆粒流將示蹤物沿傾斜布風板由低風速區輸送至高風速區的能力，利于分離；二是高風速區氣泡夾帶示蹤物返混低風速區的能力，利于混合。

(3)就非均勻布風配置而言：排渣管風速增高，E(t)曲線變平，波動增加，平均停留時間MRT 呈指數增長，存在一個比較低的排渣管風速操作區間;隨著高風速區風速的增加，先是輸送能力占優，逐漸轉變為返混能力占優,MRT先減后增，存在一個適宜于分離的高風速區流化風速運行窗口；低風速區風速升高，輸送能力漸弱、混合能力增強，MRT變長。

(4)就示蹤物性質而言，示蹤物球形度越高、表面越光滑，越有利于分離，MRT 變短。而尺寸的影響則與密度相關，對于重質示蹤物，尺寸增加，MRT變短；而對于輕質示蹤物，尺寸變大，MRT應變長。

符 號 說 明

E(t)——停留時間分布密度函數，%

F(t)——停留時間分布累積函數，%

i——記錄編號

N(Δti)——Δti時間間隔內的所排出示蹤物數量，g

n——總的記錄間隔次數

ti——第i次記錄所對應的停留時間，s

Δti——第i次記錄所對應的時間間隔，s