气-固循环流化床底部密相区研究进展

刘宝勇，魏绪玲，张 斌，王良成，杨 西

（1.兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国石油石油化工研究院兰州化工研究中心，甘肃 兰州 730060）

化学工程

气-固循环流化床底部密相区研究进展

刘宝勇1，魏绪玲2，张 斌1，王良成1，杨 西1

（1.兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国石油石油化工研究院兰州化工研究中心，甘肃 兰州 730060）

循环流态化技术在过程工业中广泛应用。循环流化床底部密相区对整个流化床的流体动力学特性、传热、化学反应及污染物脱除意义重大。本文总结了底部密相区固含率轴向分布和径向分布，概述了底部密相区颗粒速度的径向分布，并详细介绍了底部密相区的流动形态，包括鼓泡流态化、湍动流态化及最新研究结果，同时也描述了循环流化床底部密相区的固体混合及传热。最后，展望了今后的研究方向。

循环流化床；流体动力学；流域；底部密相区；传热

流态化技术是化学工程的一个重要分支，迄今已有60多年的发展历史[1]。循环流态化是指表观气速较高，并伴有固体颗粒内外循环的流态化系统。作为一种新型高效无气泡气固反应器，循环流化床在煤燃烧与气化、石油催化裂化（FCC）、矿物加工、化学品生产、材料制备、生物质利用和环境保护等许多泛化学工业中得到广泛应用[2]。

循环流化床提升管内典型的轴向平均固含率分布呈现上稀下浓的特点，即提升管主要由上部稀相区和底部密相区构成。与上部稀相区相比，对于底部密相区的研究少很多，而且不同学者的研究结果甚至存在很大差别。

循环流化床底部密相区是气固两相接触的初始区域，固体颗粒受到气体曳力作用而加速，气固两相的流动既受到装置构型结构及入口结构的影响[3]，也受到物料返混和颗粒内循环的影响[4]，综合表现为流动情况复杂多变，固含率和压力瞬时脉动剧烈，研究工作存在很大困难需要克服；而且，底部密相区固含率大，很多测试手段的使用受到限制。

虽然手段有限，但仍亟需加强对底部密相区的流体动力学特性的研究。原因有三，首先，这是确定整个循环流化床流体动力学特性的需要，因为上部稀相区乃至整个床层的流动都会受到底部密相区的影响；其次，流体流动状况会对热量传递产生重大影响[5]；再次，化学反应过程（包括污染物的脱除）和催化剂催化效果都会受到底部密相区的影响[6-7]。因此，循环流化床底部密相区的研究在理论上和工程上均有迫切需要。

1 流体动力学特性

针对循环流化床底部密相区的研究主要包括试验研究和数值模拟两个方面。循环流化床中瞬时颗粒浓度和瞬时压力均处于剧烈波动状态。时均固含率在轴向和径向均存在不均匀的分布规律。

1.1 固含率轴向分布

循环流态化状态的特点是表观气速高（通常2～12 m·s-1）和颗粒通量大[通常10～1000 kg·(m2·s)-1]，装置中可能存在快速流态化、密相气力输送和稀相气力输送等流动形态。快速流态化的特征是存在底部密相区，当表观气速小于输送速度utr时，上部稀相区和底部密相区之间界面明显，超过该气速，界面变得弥散。utr通过下式确定[8]：

式中k和n为常数，典型数值见文献[8]。

就整个提升管而言，平均固含率呈上稀下浓的宏观分布，而与颗粒类型及是否为混合颗粒无关。底部密相区平均固含率的轴向分布受分布板以上轴向位置和操作条件的影响很大。当颗粒循环速率小于气体饱和夹带量时，密相区底部固含率随轴向高度增加而减小；当颗粒循环速率超过气体饱和夹带量后，空隙率呈S型分布，底部密相区固含率达到其饱和值，形成浓度恒定的底部密相段，若继续增大颗粒循环速率，底部密相区高度会增加，但固含率保持不变。

Bai等[9]通过归纳整理公开发表的文献数据得到了底部密相区固含率的关联式：

当GS＜GS*时：

当GS≥时：

此外，进气口几何形状和方向在底部区域的相当高度内会直接影响固含率的轴向分布。底部密相区的高度随提升管压降增大、颗粒循环速率增大而增高，而随表观气速的增大而减小。二次风的注入位置也会影响底部密相区的高度。

Teplitskii等[10]依据相似理论，在计算床层阻力的基础上提出的底部密相区高度的关联式为：

1.2 固含率的径向分布

底部密相区的气-固流动结构是不均匀的[11]。对于固含率的径向分布，普遍的研究结论是存在与上部稀相区类似的环-核结构。环-核结构的基本概念是将气-固流动沿床层截面径向划分为两个区域，即中部核心区（简称中心区）和边壁环隙区（简称边壁区）。上部稀相区径向存在环-核结构，底部密相区也有类似结构，改变操作条件对边壁区影响大。

环-核结构的存在不受循环流化床提升管截面形状的影响。Schlichthaerle等[12]、Malcus等[13]、刘宝勇等[14]均在圆形截面循环流化床提升管中发现底部区域存在边壁区浓、中心区稀的环-核径向分布。

Zhou等[15]在0.146 m×0.146 m×9.14 m的正方形截面循环流化床中利用光纤探头测量了砂子的空隙率分布，底部密相区存在明显的径向固含率分布。Guo等[16]在矩形截面的循环流化床中发现水平方向和侧向均存在环-核结构。

Wei等[17]发现空隙率（即1-固含率）沿床层径向分布符合Boltzman函数分布：

<< 。

该式适用范围：0.68ε0.95

Hartge等[18]利用两流体模型进行CFD模拟的结果也表明循环流化床底部密相区存在环-核结构。

1.3 颗粒速度

迄今为止，关于循环流化床底部密相区颗粒速度的研究还很少。在循环流化床中既存在向上运动的颗粒，也存在向下运动的颗粒，在循环流化床内存在颗粒的内循环。就整个循环流化床而言，边壁区颗粒以向下运动为主，中心区颗粒以向上运动为主。上部稀相区和底部密相区颗粒速度的径向分布规律不同。

Zhu等[19]研究发现，在同一位置，相同颗粒循环速率和操作气速条件下，时均颗粒向上运动速度和颗粒向下运动速度是离提升管轴向中心距离的函数。在整个底部区域，均有向上运动和向下运动颗粒，但两者的径向分布不同。颗粒向上运动速度由中心向边壁减小，最大值出现在中心位置，中心区域减少缓慢，边壁区减少剧烈。在所有试验操作条件下，边壁处颗粒向上运动速度均大致为0.8m·s-1。在底部区域，颗粒向下运动速度随径向位置变化不明显。操作气速恒定，增加颗粒循环速率，对颗粒下降速度影响不大。这表明在底部区域，颗粒向下运动受到颗粒-颗粒相互作用的支配，同时也会受到边壁区高密度的进一步阻碍。

1.4 流化形态(流域)

由于研究对象的复杂性，试验过程中采用的固体颗粒性质不同，循环流化床设备几何构型和分布板型式不同和数据采集测量位置的不同，不同研究者的研究结论不尽一致，甚至差别很大。

1.4.1 鼓泡流化状态

鼓泡流化状态特征是存在粒子聚集的浓相区和气泡为主的稀相区。流化过程中存在气泡的相互作用、聚并及破碎。

Svensson等[20]发现循环流化床锅炉中存在“单气泡”和“爆炸性气泡（exploding bubbles）”。 “爆炸性气泡”对应于高流速和大分布板压降，气流不连续，气泡在床层表面喷出。刘石等[21]利用迭代法ECT对循环流化床底部密相区固含率进行了测量，发现存在大面积的气泡。这些特征表明流态为鼓泡流态化。

在Chalmers 大学的CFB锅炉中，当采用低压降分布板时，可能发生喘振，气室的压力波动会直接影响底部区域，成为湍动的一个来源，并引起“爆炸性气泡”[22]。在进行循环流化床模拟时，也有学者认为底部区域处于鼓泡状态。

1.4.2 湍动流化状态

提高流化气速，气泡破碎趋势将超过聚并趋势，床层内大气泡破碎为小气泡占主导地位，进入湍动流态化状态。湍动流化状态特征是压力脉动在宏观上小于鼓泡流态化，脉动幅度受存在条件影响小，呈基本恒定状态。

Bai等[23]利用固体动量探头研究Ф97 mm×3 m循环流化床，根据波动情况认为底部密相区处于湍动流态化状态。同时发现当循环流化床提升管轴向浓度呈S型分布时，表现出强烈湍动流化状态。

通过提高分布板压降或在底部区域安装水平管，可以实现底部区域向湍动流态化的转变。一些研究者在建立循环流化床流体动力学模型时，也采用了底部密相区处于湍动流态化的结论。

1.4.3 最新研究结果

近年来，循环流化床的研究手段、方法和思路不断进步，有关底部密相区流体动力学特性的研究也趋于精细化，对边壁区和中心区分开描述。

Schlichthaerle等研究不同径向位置固含率随时间的变化趋势，并与其他研究者得到的湍动和鼓泡流态化特征相比较，发现边壁环隙区处于湍动流化状态，中间区域处于鼓泡流化状态。

Zhu等通过比较循环流化床底部区域与湍动流化床和鼓泡流化床的流动结构，包括颗粒浓度的径向分布及相应标准偏差、颗粒速度和概率密度分布的径向分布，结果表明边壁环隙区处于湍动流化状态，中间区域处于均匀稀相流动状态。

1.5 固体混合

循环流化床中多相流动规律复杂，就颗粒而言存在颗粒的加速、夹带、扬析、返混及返料等不同情况，停留时间分布不均。循环流化过程中，较大颗粒倾向于运动至底部密相区[24]。颗粒直径是底部密相区固体混合的关键影响因素之一。

固体颗粒的混合包括竖直和水平两个方向。Schlichthaerle等[25]以干冰为示踪颗粒研究发现，在底部区域竖直方向混合程度高，可视为理想混合。水平方向颗粒混合有限，只有将示踪颗粒直接加入底部区域，才存在明显的局部气体浓度和局部温度的梯度。外循环颗粒的返回引起颗粒对流输送，显著改善侧向的颗粒混合。Wilde等[26]通过试验和模拟研究发现，入口构型显著影响颗粒的径向混合。

2 传热

循环流化床应用中的优势之一就是其具有很高的传热系数，系统的热容量大，热稳定性高。循环流化床底部密相区的流体动力学状况会对底部的传热产生重要影响。传热的情况也反映了气固流动情况。

传热系数由底部密相区向上部稀相区增加，受到很多因素的影响，包括气体流量、固体循环速率、固体贮量和颗粒粒径分布[27]。轴向传热系数在底部最大，随轴向高度的增加而减小[28]。气体对流组分对于底部区域的影响比上部区域小。

底部局部瞬时温度与底部的流体动力学特性息息相关。Li等[29]研究循环流化床底部区域发现传热系数在靠近边壁处较大，靠近中心处变小，这与底部环-核结构是一致的。传热系数随操作气速增大而降低，原因是底部颗粒储存量的减少。局部瞬时温度信号的功率谱密度函数是似1/f分布。

3 结论与展望

循环流化床体系是复杂的混沌体系，研究对象的复杂性增加了研究的难度。但随着研究手段的发展和研究思路的扩展及新的数据分析手段的开发，对循环流化床的研究也将越来越深入。循环流化床研究需要多学科协同进行，数学和物理上提出的新思维会对循环流化床研究起到积极的推动作用，一系列非线性的数据分析手段也已经得到重视和应用，但分析结果的物理意义及与颗粒-气体相互作用本质的对应关系还需要进一步明确。

循环流态化应用广泛，流体动力学特性影响具体应用效果。由于返混、流型复杂等原因，针对底部密相区的研究尚不透彻，因此，针对循环流化床底部密相区的流体动力学特性有必要进行系统研究，研究颗粒性质、操作条件和设备构型细节等条件对底部密相区流体动力学特性的影响。底部密相区和上部稀相区为一整体，底部流动不能脱离上部，必须从系统的角度研究整体才能解释上下之间联系和整体宏观结果，并结合上部稀相区的已有研究成果，共同建立整个循环流化床系统的数学模型，为循环流化床工程设计的科学化、规范化和系统化奠定基础。

循环流化床底部密相区的流动特性对传热和化学反应的影响也需进行深入的研究，在针对具体化学反应的基础上得到共性规律。流动特性、传热、化学反应动力学及催化剂催化效果之间的关系的明确将对循环流化床的应用起到极大的推动作用。工业上应用循环流化床时多为高温加压情况，高温加压下的底部密相区研究也应得到应有的重视，这样的研究结果将更具实际指导意义。

符号说明：

英文字母：

Ar——Archimedes数，量纲为1；

D——床层直径，m；

-dp/dh——轴向压力梯度，Pa·m-1；

Fr——Froude数，量纲为1；

g——重力加速度，9.8 m·s-2；

Gs——颗粒循环速率，kg·(m2·s)-1；

——为气体饱和夹带量，kg·(m2·s)-1；

h——分布板以上轴向高度，m；

H0——密相区高度，m；

——无因次净颗粒流量，量纲为1；

r/R——无因次半径，量纲为1；

R——床层半径，m；

Retr——对应于utr的Reynolds数，量纲为1；

ug——操作气速，m·s-1；

up——表观颗粒速度，m·s-1；

utr——输送速度，m·s-1；

希腊字母：

ε——空隙率，量纲为1；

εsd——底部密相区的固含率，量纲为1；

ρp——颗粒密度，kg·m-2；

ρg——气体密度，kg·m-2。

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Research Development of Bottom Dense Phase Zone of Gas-solid Circulating Fluidized Bed

LIU Bao-yong1,WEI Xu-ling2, ZHANG Bin1, WANG Lang-cheng1, YANG Xi1
(1.School of Chemical and Biological Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Lanzhou 730070, China；2.Lanzhou Petrochemical Research Center, Petrochemical Research Institute, PetroChina, Lanzhou 730060, China)

Circulating fluidization technology was widely used in process industry. Bottom dense phase zone of a gas-solid circulating fluidized bed was particularly important for hydrodynamics of the whole fluidized bed, heat transfer, chemical reaction and pollutants removal. Axial and radial solid concentration profiles in the bottom dense phase zone were summarized. Radial particle velocity profile in the bottom dense zone was outlined. The flow regimes in the bottom dense phase zone were discussed in detail, included bubbling fluidization, turbulent fluidization and the latest research results. At the same time, solid mixing and heat transfer were also introduced. The future research was forecasted.

circulating fluidized bed；hydrodynamics；flow regimes；bottom dense phase zone；heat transfer

TQ 021

A

1671-9905(2014)03-0038-05

甘肃省自然科学基金项目（213225），兰州交通大学青年科学基金项目（2013011）

刘宝勇（1981-），男，硕士，讲师，主要从事化学工程的教学及研究工作，电话：13893138207，E-mail：liuby@mail. lzjtu.cn

2013-12-25