含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

彭昕，王亦飞，位宗瑶，陈福田，于广锁



含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

彭昕，王亦飞，位宗瑶，陈福田，于广锁

（华东理工大学洁净煤技术研究所，煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海 200237）

采用改进的直接取样法，在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内，同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率，对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明：以下降管出口截面为界，洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区，其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成，下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成；在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下，轴向固含率呈现波动分布；环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动，促进气体的径向扩散；操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变，径向固含率分布出现波动；在气相扰动和回流作用下，二次流动区呈现环状流动，流体和颗粒的“壁面效应”使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。

细长颗粒；洗涤冷却室；多相流；相分布；轴向；径向；湍流

引 言

洗涤冷却室作为高温合成气的洗涤冷却装置，在激冷式气流床煤气化技术中发挥着重要作用。多喷嘴对置式水煤浆气化炉洗涤冷却室采用喷淋和环隙鼓泡相结合的复合型鼓泡床[1]。经激冷降温的气体与固态渣沿下降管进入洗涤冷却室液池，在穿越液池的过程中完成气体的洗涤净化和气液固三相分离的工作。洗涤冷却室内部流体流动复杂，涉及气-液-固三相体系的流动、分离及热质传递等诸多复杂的科学问题。

有关洗涤冷却室的实验研究工作多集中在气液分离[2-5]、降膜流动[6-10]以及内构件流体力学[11-13]等方面，但对洗涤冷却室液池内的固相流动特性的研究却鲜有涉及。贺必云[14]以煤渣和石英砂为模拟物对洗涤冷却室内的固相浓度分布进行了实验研究，将固体流动划为3个区域：沉降区、扩散区和悬浮区。吴晅[15]则利用数值模拟对前者的实验结果进行了验证，数值计算结果与实验结果的总体趋势一致；在洗涤冷却室内，颗粒浓度在轴向上呈波动形式分布，由下而上呈下降趋势。吴晅等[16]对气固两相流穿越液池过程中的颗粒在三相体系中的微观运动过程及分布规律进行了研究，与Euler-Lagrange框架下的数值模拟结果基本一致。付碧华等[17]采用高清摄像仪和压差传感器对洗涤冷却管出口处射流深度和液池内气液界面波动特性进行研究发现，随着表观气速的增大，射流深度呈指数式增大；洗涤冷却管出口处液面波动对床层内气液两相环流脉动的影响较为显著。龚晓波等[18]通过气液两相的数值模拟，量化分析了出口动量与最大下降深度和夹层内侧出口气含率的关系。

上述学者采用球状颗粒进行了相关实验和模拟工作，然而洗涤冷却室液池内的灰渣颗粒多为非球形颗粒。与球形颗粒相比，非球形颗粒在流体中运动时的阻力系数存在差异[19]，而阻力系数的差异将导致颗粒运动特征的改变。非球形颗粒一般具备各向异性的性质，其中最为典型的是具有一定长径比的细长颗粒。Gore等[20]发现，两相流中颗粒的粒径对流体的湍动强度有一定影响，小颗粒会削弱湍流强度而大颗粒则会使湍流强度增强。林建忠等[21]对含柱状固粒的两相流模拟发现，粒子对流场的湍动特性起着抑制作用。而在气化炉运行过程中发现，具有一定的长径比的纤维状颗粒会在气化炉洗涤冷却室的破泡板上桥接、沉积，造成洗涤冷却室内液位不稳定，合成气带灰、带液等问题，严重影响气化炉的正常运行。因此，对纤维状细长颗粒在洗涤冷却室内的流体力学特性研究具有深刻的理论意义和实际应用价值。

本实验在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内进行。采用改进的直接取样法，同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率s和气含率g，分析其变化规律；研究细长颗粒在洗涤冷却室液池内的分布特性和其对流体湍动的影响，为含细长颗粒的洗涤冷却室内的流体力学特性研究提供借鉴和指导。

1 实验装置、材料和方法

实验装置如图1所示，洗涤冷却室由有机玻璃制成，液池内径为200 mm，下降管内径为70 mm，外径为80 mm。实验中采用空气-水-尼龙短纤作为气液固三相，短纤由直径分别为0.1 mm和0.15 mm的PA6长丝采用特殊工具裁剪为3 mm和5 mm而成。空气由罗茨鼓风机送至洗涤冷却室气体顶部入口，流量由转子流量计控制。水由水泵从水槽打出，将尼龙短纤固体颗粒与水混合后由进水口注入液池内，并采用下部鼓泡的方式预混。距出水口143、193、243、293、383、423、473、523、618 mm处的位置，由下至上布置9个取样口。

1—fan；2,12—valve；3—flow-meter；4—air inlet；5—air outlet； 6—downcomer；7—bubble-break plate；8—sample tap；9—water inlet；10—water pump；11—bubble tube；13—water outlet

参照文献[22-24]设计了图2所示的取样装置，取样管和取样器进口内径均为8 mm，取样口锥形角角度为45°。取样时，拉动手柄至取样管出口处，同时抽动带标尺的取样器至固定刻度。通过取样器上的刻度直接读取气相所占体积，得到局部气含率g（体积比）。将取样器内的固体过滤、烘干、称重并换算得到局部固含率s（体积比）。

1—handle；2—O-rings；3—sampling tube inlet；4—sampling tube outlet；5—sampler inlet；6—sampler

在初始静态液位540 mm的条件下，分别测量不同环隙气速g（0.29、0.44、0.59 m∙s-1）、固相体积分数s（0.0094%、0.0281%、0.044%）和长径比r（20、30、50）时轴径向局部固含率s和气含率g。

2 实验结果与讨论

2.1 不同环隙气速g下的轴径向多相分布

2.1.1 轴向局部固含率和气含率分布 图3是不同环隙气速下洗涤冷却室内轴向固含率和气含率分布。从图3可以看出，以下降管出口截面为分界线，洗涤冷却室可以分为两部分区域：以气液两相湍流为主体的上部气液固混合区和受气相影响的下部固液流动区。在环隙气速较低的情况下，上下两区域的固含率分布较为均匀；随着环隙气速的增加，轴向固含率呈现梯度分布。由于气相的携带作用导致上部固含率略有增加。如图4所示，下部固液区主要以垂直于轴向方向的环状流动为主，环隙气速的增加势必导致下部固液流动区的回流增强。下降管出口处为负浮力的逆压力梯度突扩流动，在主流和回流流动的影响下会引发洗涤冷却室底部的二次流动[18]。二次流动强度增大，既增大了颗粒间的相互碰撞概率，又加速了颗粒的横向漂移和沉降，因此在固液混合区上部出现了低气速固含率大于高气速固含率的现象，而随着轴向高度的减小，二次流动的影响减弱，固含率的增加主要以沉降为主，且环隙气速越大沉降越快。

如图3所示，随着环隙气速的增大，气含率呈现先增大后减小的趋势，在破泡板附近的气含率变化尤其剧烈。383 mm采样点处，环隙气速增加，局部气含率略有增大。这是由于下降管表观气速的增大使下降管突扩射流深度增大，进而导致下降管出口处气含率增大。如图5所示（白色曲线为气体的轮廓线，黑色直线为下降管外壁），在负浮力和逆压力梯度作用下，气体在下降管外壁聚集并沿边缘上升，形成羽状流动，下降管出口处形成的气泡较大，测量具有一定误差，气含率的变化并不明显。

而在423 mm测量点之后，气含率的变化则较为明显，一方面由于破泡板的作用，大气泡破碎成大量小气泡；另一方面气体沿下降管外壁反折向上流动的同时存在径向扩散。因此，气含率的变化在破泡板截面形成了转折点。环隙气速增大，位于破泡板下部和下降管出口上部区域，由于气泡破碎和回流的作用气含率大幅增加。而破泡板上部区域气含率的减小则是由于气速的增大增加了气体对液体的扰动，导致该部分的气垫层高度增加，气体带液量增大，出现气含率减小，含液量增大的现象。

2.1.2 径向局部固含率和气含率分布 图6是g= 0.29 m∙s-1时的不同轴向高度的径向固含率和气含率分布。对液池中心到近壁面的径向距离做了量纲1处理。

由图6可以看出，383 mm采样点位于下降管出口正下方，此位置气相剧烈湍动，固含率较低；293 mm采样点处于气相体积和流体流速分布不均匀引起的回流区，呈现下降管外壁附近固含率高，近壁面固含率低的变化；243、193、143 mm采样点则处于由主流和回流引发的二次流动区，该处固含率总体基本呈现中心高边壁低的趋势。流体在近壁处的流速大于床层内部，壁面附近的空隙率大于床层内部，流动阻力较小，该区域呈环状流动，形成流体的“壁面效应”。此外，细长颗粒是一类具有主轴的细长体，根据细长体理论，当流体运动方向和细长体颗粒的主轴不在同一方向上时会引起细长体的转动，这种转动有使细长体远离壁面的趋势，形成细长体的“壁面效应”[25-28]。两种“壁面效应”的协同作用导致243 mm处边壁处的固含率低于中心处固含率。而随着轴向距离减小，环状流动对颗粒的作用减弱，细长颗粒是一类具有主轴的颗粒，其在沉降过程中存在横向的漂移，这种漂移是脉动的、不规律的，因此导致193和143 mm两个采样点处的径向固含率变化的规律性较差，但总体趋势基本呈现出中心高边壁低。

从图6中径向气含率随轴向高度的变化可知，下降管出口处，由于流道突扩导致气流在床层内分布不均，气体主要沿着下降管外壁向上流动；破泡板截面处，由于破泡作用和对气流的反折作用，边壁处气含率显著增大，但气流还是主要集中在下降管外壁面一侧；如图7所示，气垫层区处于湍流发展的充分段，该区域主要是气泡的聚并和破碎，径向气含率略有波动，变化较小。

因此，可将固液流动区分为3个区域：气相湍动作用区、回流区和二次流动区。气液固混合区则分为下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区。

图8为不同环隙气速下不同区域的径向固含率分布。从图中可看出，气相湍动作用区和回流区处于负浮力浅层突扩射流区，其径向固含率变化波动较大。在气相作用区，环隙气速较小时，突扩射流段较短，气相主要沿轴向扩散，中心区域的固含率较高；随着环隙气速的增大，下降管突扩射流深度增大，中心区域固含率急剧减小。在较强的气相湍动作用下，气相径向扩散范围增大，气相的携带使得固相从中心向壁面扩散，导致边壁处附近的固含率较高；当气速增大到0.59 m∙s-1时，气相引起的液相回流的范围和强度增大，表现出壁面附近的固含率大幅减小，近下降管区域的固含率显著增加。在回流区，气速较低时，液相回流强度较小，径向固含率分布差异较小；随着环隙气速增大，回流范围和强度增大，表现出中心和近下降管壁面区域固含率减小的趋势；环隙气速继续增大时，气相引起的液相回流更强，壁面附近的固含率大幅减小，近下降管区域的固含率则显著增加。根据径向固含率变化，回流区径向范围从下降管中心至反应器壁面。在243 mm采样点处，则出现了完全不一样的固含率分布，从下降管中心至壁面处逐渐减小。环隙气速增大同样导致近壁面处固含率减小，但与前两块区域不同，流体和细长颗粒的“壁面效应”起主要作用。环隙气速的增大，必然导致二次流动区的环状流动增强，近壁面处的流体流速也随之增大。流体的剪切作用使得纤维状颗粒在壁面附近的周期性转动幅度加大，更难达到稳定取向状态，更易于产生“pole vaulting”现象，因此环隙气速的增大对近壁面处固含率的减小更为明显。

不同环隙气速下不同区域的径向气含率分布如图9所示。由下降管出口区至气垫层区，径向气含率的差异逐渐明显。在下降管出口区，由于负浮力突扩射流的特性，仅有/= 0.4和0.5两点的径向气含率具有较为明显的差异。可以看出，随着环隙气速增大，气含率显著升高，而/= 0.4处差异较为不明显的原因在于该位置的气泡直径较大，取样具有一定误差。在破泡板作用区，环隙气速增加时，气相的径向扩散略有增大，这是由气相折返和液相回流共同作用的结果。在气垫层区，随着环隙气速增大，床层的湍流强度增强，气含率呈较为明显的中心峰分布[29]。

2.2 不同固相体积分数s下的轴径向多相分布

2.2.1 轴向局部固含率和气含率分布 图10为g= 0.29 m∙s-1条件下，不同固相体积分数下的固含率和气含率轴向分布。细长体颗粒群的溶液按照浓度不同分为3种：稀释溶液、半稀释溶液和浓溶液[30-31]。在本实验中< (pp)2，属于稀释溶液，其中为细长体颗粒的体积分数，p为直径，p为长度。在稀释溶液中，任一个细长体颗粒与其周围颗粒间的距离均大于p，颗粒间的作用几乎可以忽略。但考虑到流体中纤维之间的动力学相互作用，即使浓度比较低，颗粒也会受到邻近颗粒的阻碍效应[31]。

由图10可看出，固相体积分数增加对上部气液固混合区的固含率变化基本无影响，此区域气液扰动剧烈，固含率分布的差异不明显。而下部固液混合区由于阻碍效应的影响，固含率的变化则较为明显。浓度较低时，阻碍效应不明显，固相分布较均匀；随着浓度增大，颗粒间相互碰撞的概率增大，纤维的交织效应促使纤维团聚，颗粒间的絮凝现象加重。纤维聚集后沉降速度增大，因此在293、243、193 mm测量点间的固含率变化较大。颗粒间的阻碍效应会随着浓度的增大而增大，最终导致颗粒的沉降速度减小，因此193和143 mm间的固含率变化明显减小。这与Kumar等[32]以及Herzhaft等[33]的发现基本一致。

气含率则表现出下降管出口区和破泡板作用区的气含率随固相浓度增大而增大，气垫层区气含率随固相浓度增大而减小的特点，与环隙气速增大时的变化一致，这说明细长颗粒浓度的增大使气相的湍动增强。根据Gore等[20]的理论，粒子的大小对两相流流场的湍流强度有着较大影响。以

为界，p/e< 0.1的粒子会使流场湍流强度降低，p/e> 0.1的粒子则会使流场湍流强度增强。根据经验公式式(2)～式(4)[34-35]可得式(5)，计算可得在本实验条件下p/e= 0.00200.0029 < 0.1，属于小的柱状粒子，但与上述理论相反，细长颗粒的增加反而使流场的湍动强度增强。其原因可能在于，首先与Gore等[20]的两相流实验条件不同，本实验在含有内构件的气液固三相流中进行，流场结构复杂，湍流强度的变化受多种因素共同影响。其次，与Gore等[20]采用的球形颗粒不同，本实验采用的细长颗粒具有各向异性，细长颗粒上的涡脱落会增加涡量的扩散，增大含能涡的湍动，进而增强气相的湍动强度。且颗粒体积分数越大，涡脱落越明显，对气相的扰动越大，流场越易失稳。此外，浓度增大导致颗粒间的相互作用增强，对颗粒的取向有很大影响，由颗粒取向随机分布导致的剪切正应力的扰动则对流场的失稳具有一定的促进作用。

= 0.07(2)

(4)

(5)

式中，为湍动能，m2∙s-2；为湍动能耗散率，m2∙s-3；为湍流长度尺度，m；为水力直径，可用式(6)计算，m；C为经验常数，取0.09；p为颗粒直径，m；e为含能尺度，m。

=-out(6)

式中，为洗涤冷却室内径，m；out为下降管外径，m。

2.2.2 径向局部固含率和气含率分布 不同固相体积分数下不同区域的径向固含率分布如图11所示。随着浓度增大，气相湍动作用区的近壁面固相浓度有增高的趋势。细长颗粒在运动时存在平动和转动，均会受周围颗粒的影响。既有其他颗粒通过流体施加的水动力长程影响，又有颗粒间的短程影响，本实验颗粒间的短程影响可以忽略。颗粒间的相互作用对于漂移速度有(1) 量级的影响，极易导致颗粒分布的不均匀性[36]，该区域径向固含率的变化可能是由于浓度增大影响颗粒间长程作用，导致颗粒横向漂移速度的改变。同时，随着细长颗粒体积浓度的增大，颗粒间的阻碍效应增强，颗粒间的絮凝现象变得严重，在气相突扩射流的卷吸作用下使得近下降管壁面的固含率逐渐增大。浓度由0.0094% 增大到0.028% 时，回流区的径向固含率在/= 0.4处出现先减小后增大的转折，浓度继续增大时该趋势保持不变，这应该是液相回流和颗粒间相互作用共同影响该处颗粒横向漂移的结果。同样，颗粒漂移速度的变化导致了二次流动区中心处和近壁面处的固含率差异随浓度增大而增大。

图12是不同区域的径向气含率随固相体积分数的变化。随着浓度增高，在下降管出口区，径向气含率在/= 0.4和0.5处差异较大；而在破泡板作用区和气垫层区，整个床层的径向气含率分布较为一致。对比气含率的轴相分布可知，随着轴向高度的增加，固相体积分数增加时，不同位置的气含率分布趋于一致，导致473和618 mm处的径向气含率分布差异不明显。细长颗粒的体积分数的增加增强了下降管出口处气体的湍动，使上部床层气体径向扩散强度增大，径向差异较为明显。

2.3 不同长径比r下的轴径向多相分布

2.3.1 轴向局部固含率和气含率分布 在g= 0.29 m∙s-1，s= 0.0094% 的条件下，图13为不同长径比下固含率和气含率轴向分布。其中r= 20和r= 30的细长颗粒具有相同的3 mm长度，r= 30和r= 50则具有相同的0.1 mm直径，三者单个颗粒的体积为30<50<20。由于气体更易携带细小粒子，因此上部气液固混合区的固含率呈现r= 30最大，r= 50次之，r= 20最小的情况，下部液固混合区的固含率变化则比较复杂。

细长颗粒在流体中沉降时强烈依赖取向分布，当颗粒主轴方向与重力方向相同时，沉降最快，与重力方向垂直时，沉降最慢。随着长径比增大，最大沉降速度与最小沉降速度之差增加。Herzhaft等[37]对大长径比颗粒的沉降研究发现，颗粒沉降时会结块，平均沉降速度比单个垂直颗粒时的情况更大，沉降时具有非常大的各向异性的脉动速度。因此，在二次流动区上部，r= 50颗粒的固含率最小，随着轴向高度减小，固含率逐渐增大到最大。考虑到颗粒本身的惯性，r= 20的颗粒沉降较r= 30快，在二次流动区的固含率较低。而在回流区，随着长径比增加固含率减小，这可能是颗粒取向变化引起沉降速度的变化所致。

由图13可知，气含率表现出下降管出口区和破泡板作用区的气含率随长径比增大而增大，气垫层区气含率随长径比增大而减小的特点，这说明细长颗粒长径比的增大使气相的湍动增强。造成这种现象的原因可能是由于长径比增加，颗粒的长程水动力作用增大，增强了湍流中的大尺度结构，增大了含能涡的湍动，进而提高了对流场的扰动。

2.3.2 径向局部固含率和气含率分布 图14是不同长径比下不同区域的径向固含率分布。在气相湍动作用下，随着长径比增大，边壁附近的固含率逐渐增高，这说明颗粒在气相的作用下，随长径比的增加，颗粒更易于向边壁处横向漂移。对比3个长径比不同的单个颗粒的体积可看出，气相更易于携带r= 30和50的颗粒，因此二者的固含率较高。而r= 30颗粒的固含率更大则是由于该颗粒的惯性小，对流体的跟随性好，颗粒更易发生聚集。在回流区，随着长径比的增大/= 0.4处的固含率逐渐减小，与近壁面附近的固含率差距逐渐缩小，对比气相湍动作用区的径向固含率变化可知，这主要是由于液相回流所引起的。由于颗粒自身的惯性影响，r= 20的颗粒对流体的跟随性较差，同r= 30和50的颗粒的固含率变化出现了较大差异。在二次流动区，大长径比的颗粒的“壁面效应”更加明显，中心与近壁面的固含率差异较大，且由于沉降时的漂移速度脉动，径向固含率的变化波动较大。

图15是不同长径比下不同区域的径向气含率分布。由图中可看出，随着长径比加大，气垫层区的气含率在径向变化上尤其明显。长径比的增大同样增强了气体在床层中的扩散，这种流场的失稳可能与颗粒取向随机分布而导致的剪切正应力的扰动和颗粒间长程水动力作用的增加有关。

3 结 论

（1）根据洗涤冷却室内的轴向相分布变化，可将洗涤冷却室分为两个区域：上部气液固混合区和下部固液流动区。上部气液固混合区可分为：下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区；下部固液流动区可分为：气相湍动作用区、回流区和二次流动区。

（2）细长颗粒的沉降与颗粒取向分布密切相关。细长颗粒的阻碍效应会减小颗粒的沉降速度，而颗粒的团聚则会加大平均沉降速度，轴向固含率呈现波动分布。

（3）环隙气速、固相体积分数和长径比的增大均会增强床层的湍动程度，促进气体在床层中的径向扩散。

（4）颗粒间的长程水动力作用影响细长颗粒的横向漂移速度，进而影响颗粒在床层中的径向分布；在气相湍动作用区和回流区，由于气相和液相回流的共同作用，径向固含率的波动较大，在床层中的分布不均匀。

（5）二次流动区为环状流动，流体和细长颗粒的“壁面效应”显著影响二次流动区的径向固含率分布，呈现中心区域高壁面附近低的特点。

符 号 说 明

ar——长径比 c——细长颗粒在溶液中的体积分数，% cs——固相体积分数，% D——洗涤冷却室内径，m dout——下降管外径，m dp——细长颗粒直径，m k——湍动能，m2∙s-2 L——水力直径，m l——湍流长度尺度，m le——含能尺度，m lp——细长颗粒长度，m ug——环隙气速，m∙s-1 ε——湍动能耗散率，m2∙s-3 εg——气含率，% εs——固含率，% 下角标 g——气相 s——固相 p——颗粒相

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Slender particle-containing multi-phase distribution characteristics in scrubbing-cooling chamber

PENG Xin, WANG Yifei, WEI Zongyao, CHEN Futian, YU Guangsuo

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In order to study multi-phase distribution characteristics of slender particles in scrubbing-cooling chamber, an improved direct sampling method was used to simultaneously measure locally axial and radial distribution of solid concentration and gas holdup in a cold model apparatus at various operating conditions. The cold model apparatus was scaled down according to geometric dimensions of scrubbing-cooling chamber of industrial gasification system. The results showed that scrubbing-cooling chamber could be divided into two zones of the upper gas-liquid-solid mixing zone and the lower solid-liquid flowing zone with boundary at cross-section of the downcomer outlet. The gas-liquid-solid mixing zone was consisted of downcomer outlet, bubble-break plate and gas cap regions, while the solid-liquid flow zone was consisted of gas phase turbulence, recirculation, and secondary flow regions. Due to compounded effects of particle hindrance (slowed down sedimentation) and agglomeration (accelerated sedimentation), the axial distribution of solid concentration exhibited wavy fluctuations. The increase of annular gas velocity, solid volume concentration and aspect ratio of length over diameter enhanced bed turbulence and promoted radial gas dissipation. Change of operating conditions altered particle drifting velocity and resulted in fluctuation of radial solid concentration distribution. Under the effects of gas turbulence and recirculation, the secondary flow region showed circular flow where the “wall effect” of fluids and particles forced solid concentration higher at center but lower near wall.

slender particles; scrubbing-cooling chamber; multi-phase flow; phase distribution; axial; radial; turbulence flow

10.11949/j.issn.0438-1157.20170480

TQ 021

A

0438—1157（2017）09—3368—12

2017-04-27收到初稿，2017-06-19收到修改稿。

王亦飞。

彭昕（1989—），男，博士研究生。

2017-04-27.

Prof.WANG Yifei, wangyf@ecust.edu.cn