摘要: 采用三準(zhǔn)則相似理論設(shè)計了循環(huán)流化床煙氣脫硫氣固兩相流動試驗(yàn)臺. 通過對循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器試驗(yàn)裝置內(nèi)沿高度方向阻力分布和不同高度截面上局部顆粒質(zhì)量通量的測量,詳細(xì)地研究了脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動規(guī)律和內(nèi)循環(huán)特性.

關(guān)鍵詞: 循環(huán)流化床; 煙氣脫硫; 氣固兩相流; 阻力特性; 顆粒局部質(zhì)量通量; 非等速采樣

循環(huán)流化床煙氣脫硫作為1 種新型的半干法脫硫技術(shù),具有工藝流程簡單、投資小的優(yōu)點(diǎn),且在較低的Ca/ S 摩爾比下能達(dá)到與濕法脫硫技術(shù)相近的高脫硫效率[1 ] . 高建明等人的研究認(rèn)為:脫硫灰的再循環(huán)對脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣、液、固三相流動起擾動作用,能強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)過程,同時還能減輕脫硫反應(yīng)器內(nèi)壁面結(jié)垢的可能性,使接近絕熱飽和的溫度進(jìn)一步降低,有利于提高脫硫效率[2 ] . 從脫硫反應(yīng)器出來的脫硫灰經(jīng)除塵器分離后,在給料器的控制下返回脫硫反應(yīng)器,構(gòu)成脫硫灰的外循環(huán);脫硫灰在脫硫反應(yīng)器頂部的碰撞和空腔效應(yīng)的作用下直接返回脫硫反應(yīng)器下部,構(gòu)成脫硫灰的內(nèi)循環(huán)[3 ] . 為了提高脫硫反應(yīng)器內(nèi)的顆粒濃度,除了采用固體物料外循環(huán)外,還需強(qiáng)化內(nèi)循環(huán).

循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動特性相當(dāng)復(fù)雜,具體表現(xiàn)為顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒質(zhì)量通量、顆粒速度和氣體速度等參數(shù)在軸向和徑向的不均勻分布. 這種不均勻性的相互關(guān)聯(lián)和影響是循環(huán)流化床氣固兩相流動的重要特征,也是影響其脫硫性能的主要因素[426 ] . 筆者運(yùn)用循環(huán)流化床氣固兩相流動相似模化理論,設(shè)計了1 個冷態(tài)試驗(yàn)裝置,并通過對循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器試驗(yàn)裝置內(nèi)沿高度方向阻力分布和不同高度截面上局部顆粒質(zhì)量通量的測量, 詳細(xì)研究了脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動規(guī)律和內(nèi)循環(huán)特性,為脫硫反應(yīng)器的設(shè)計和放大提供了一定依據(jù).

1 　試驗(yàn)裝置和測量系統(tǒng)

1. 1 　試驗(yàn)裝置設(shè)計

為了真實(shí)地模擬實(shí)際循環(huán)流化床煙氣脫硫的氣固兩相流動,冷態(tài)試驗(yàn)臺除要滿足幾何相似的條件外,還要遵循流體動力學(xué)相似的條件. 決定循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器運(yùn)行工況的參數(shù)有8 個:表觀氣流速度U0 、外循環(huán)顆粒流率Gs 、顆粒粒徑d、顆粒密度 ρp 、煙氣密度ρg 、動力學(xué)當(dāng)量直徑D、氣體粘度μ和重力加速度g . 在循環(huán)流化床氣固兩相流動相似設(shè)計中,有4 種相似準(zhǔn)則可供選用(表1) .

通過比較各相似準(zhǔn)則的設(shè)計結(jié)果(表2) ,筆者發(fā)現(xiàn):采用四準(zhǔn)則和五準(zhǔn)則相似可更好地滿足兩相流體動力學(xué)相似,但當(dāng)采用冷態(tài)空氣模擬熱煙氣時, 要求采用密度更大的循環(huán)物料. 因此本文采用循環(huán)流化床氣固兩相�；Ｓ玫娜郎�(zhǔn)則相似,幾何相似比為1 ∶10. 試驗(yàn)用循環(huán)物料取自上海市吳涇電廠的超細(xì)粉煤灰(平均粒徑為30μm 左右) .

1. 2 　試驗(yàn)系統(tǒng)

循環(huán)流化床煙氣脫硫氣固兩相流動試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1 ,脫硫反應(yīng)器由透明有機(jī)玻璃制成. 引風(fēng)機(jī)從周圍環(huán)境吸入室溫空氣,由標(biāo)定好的靠背管和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入的空氣流量,空氣依次經(jīng)煙道進(jìn)口段、文丘里管進(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)器主體. 經(jīng)空氣流化斜槽返料的固體顆粒在文丘里管擴(kuò)展段與空氣流化混合后進(jìn)入反應(yīng)器主體,然后經(jīng)布袋除塵器進(jìn)行氣固分離. 布袋除塵器的2 個灰斗收集的固體顆粒分別經(jīng)過2 臺變頻葉輪式給料器后,進(jìn)入空氣流化斜槽,在流化斜槽底部采用壓縮空氣流化,并將外循環(huán)量所需的粉煤灰重新返回到循環(huán)流化床反應(yīng)器. 布袋除塵器分離出的空氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣.

1. 3 　測量方法

試驗(yàn)采用壁面靜壓p 和局部顆粒質(zhì)量通量Gs r 來表征脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動特性. 筆者在沿脫硫反應(yīng)器的進(jìn)口、出口和高度方向上布置了若干個壓力測點(diǎn),用于測量脫硫反應(yīng)器的阻力分布.

在脫硫反應(yīng)器高度方向上布置了7 個采樣測孔,采用與文獻(xiàn)[11 ]類似的非等速采樣探針測量固體質(zhì)量通量Gs r ,采樣系統(tǒng)示于圖2. 在真空泵的抽吸作用下,氣流攜帶顆粒進(jìn)入彎鉤探頭,經(jīng)三通閥在收集器內(nèi)發(fā)生氣固分離, 固體顆粒被過濾在收集器內(nèi). 彎鉤探頭尖端的內(nèi)孔成漸縮型, 這種特殊的結(jié)構(gòu)可以保證在較低的入口速度下, 使采樣管內(nèi)獲得較高的氣流輸送速度,以避免粉塵沉積在管壁而導(dǎo)致采樣管堵塞. 測量某一位置的局部固體質(zhì)量通量時,通常將彎鉤探頭向下和向上各測量1 次,得到向上和向下的顆粒質(zhì)量,并通過兩者相減得到凈顆粒質(zhì)量通量,一般每次采樣時間持續(xù)1～3 min. 為了防止采樣管對粉塵的靜電吸附,應(yīng)將采樣管接地, 且每次測量后調(diào)節(jié)三通閥,利用壓縮空氣吹掃采樣管.

已有的文獻(xiàn)研究表明:采用非等速采樣探針測量固體質(zhì)量通量時,在較寬的抽吸速度范圍內(nèi),抽吸速度對測得的局部顆粒質(zhì)量通量影響較小或基本無影響[11213 ] . 預(yù)備性試驗(yàn)結(jié)果(圖3) 表明:在較寬的抽吸速度范圍內(nèi),測得的脫硫反應(yīng)器在不同位置的固相質(zhì)量通量變化較小,因此以循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器平均表觀氣流速度作為抽吸速度是合適的.

2 　結(jié)果分析與討論

2. 1 　阻力特性分析

在設(shè)計工況下,脫硫反應(yīng)器的阻力分布示于圖4. 模擬煙氣經(jīng)過入口的轉(zhuǎn)向和文丘里管的收縮, 使得壁面靜壓逐漸減小. 模擬煙氣進(jìn)入文丘里擴(kuò)展錐后,由于氣流速度變慢,部分動能轉(zhuǎn)化為壓能而使靜壓增大. 模擬煙氣在脫硫反應(yīng)器主體段的靜壓沿高度方向的變化較為平緩. 從整體上看,脫硫反應(yīng)器內(nèi)阻力主要集中在文丘里管段,約占系統(tǒng)阻力的 60 % ,其次是脫硫反應(yīng)器的出口段.

單獨(dú)改變循環(huán)物料流量M·s 和送風(fēng)量Q 時,脫硫反應(yīng)器的阻力變化示于圖5. 在送風(fēng)量不變的情況下,隨著循環(huán)物料流量M·s 的增加,脫硫反應(yīng)器的壓降迅速增加,而且文丘里管段和反應(yīng)器出口段的壓降增加較為明顯(圖5 (a) ) ,說明增加循環(huán)流化床循環(huán)物料流量雖然有利于提高脫硫效率,但卻會使脫硫系統(tǒng)的阻力成倍增加. 由圖5 ( b) 可知:在循環(huán)返料流量不變的情況下,隨著脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣體流量的增加,脫硫反應(yīng)器的阻力也隨之增加,但送風(fēng)量增加引起的系統(tǒng)壓力損失增長的斜率不及增加物料流量的大.

在循環(huán)流化床煙氣脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,通常通過監(jiān)控脫硫反應(yīng)器進(jìn)出口的壓降來控制循環(huán)物料的返料量,以維持反應(yīng)器內(nèi)合適的固體濃度. 床層壓降等于脫硫反應(yīng)器壓降與空塔壓降之差. 在本模型試驗(yàn)臺上,在設(shè)計風(fēng)量為Qo 、循環(huán)物料流量為0～ 532 kg/ h 時,得到反應(yīng)器內(nèi)物料流量M·s ( kg/ h) 與床層壓降ΔpBed (Pa) 的關(guān)系式:

M·s = 0. 937ΔpBed + 54. 4

2. 2 　固體顆粒的局部質(zhì)量通量分布

脫硫反應(yīng)器主體在不同高度截面上的固體顆粒質(zhì)量通量的徑向分布示于圖6. 由于C 型彎鉤探針結(jié)構(gòu)的限制,在每個高度橫截面上只測量了9 個徑向位置的局部固體顆粒質(zhì)量通量. 在每個位置上,C 型探針朝下測得的是上升固體顆粒流的質(zhì)量通量, C 型探針旋轉(zhuǎn)180°朝上測得的是在同一位置的下降固體顆粒流的質(zhì)量通量,凈固體顆粒質(zhì)量通量為各位置向上和向下的局部固體顆粒質(zhì)量通量的代數(shù)和. 試驗(yàn)結(jié)果表明:循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)典型的環(huán)核流動結(jié)構(gòu),即由中心相對稀疏的顆粒向上流動的核心區(qū)和靠近邊壁相對稠密的顆粒向下流動的環(huán)形區(qū)組成,且向下流動的環(huán)形區(qū)內(nèi)固體質(zhì)量通量遠(yuǎn)大于截面平均的固體質(zhì)量通量. 由于卷吸和擴(kuò)散的作用,2 個區(qū)域伴隨有顆粒交換的發(fā)生. 流動過程中的顆粒傾向于團(tuán)聚在一起而不是呈彌散分布. 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后,在脫硫反應(yīng)器主體下部區(qū)域的顆粒分布較為稠密,而上部區(qū)域的顆粒分布較為稀疏. 在稀相區(qū)和密相區(qū)之間,沒有觀察到明顯的分界面,伴隨團(tuán)聚物的破裂,來自于主流區(qū)的顆粒又不斷重新生成團(tuán)聚物,這些顆粒最終被拽入邊壁下降流中.

為了定量比較4 個高度截面脫硫反應(yīng)器內(nèi)環(huán)核流動的狀況,引入固體顆�；亓鞅嚷�. 它由2 個參數(shù)表征:1 個參數(shù)是質(zhì)量內(nèi)回流比率km ,定義為下降環(huán)流的顆粒質(zhì)量流率M·sa 與外循環(huán)顆粒質(zhì)量流率M· s的比值;另一個參數(shù)是面積內(nèi)回流比率kA ,定義為下降環(huán)流面積Aa 與所在截面積A 的比值[11 ] ,如式 (2) 和式(3) 所示.

表3 給出了經(jīng)計算得到的不同高度截面上的質(zhì)量內(nèi)回流比率kA 和面積內(nèi)回流比率k m . 脫硫反應(yīng)器內(nèi)固體質(zhì)量內(nèi)回流比率kA 和面積內(nèi)回流比率k m 隨著反應(yīng)器高度的增加而迅速減小. 在脫硫反應(yīng)器下部,顆粒內(nèi)回流比率較大,下降環(huán)流面積較大,這主要是由于從文丘里喉口出來的氣流速度較快,攜帶進(jìn)入脫硫反應(yīng)器的循環(huán)物料向上運(yùn)動,在文丘里擴(kuò)展段及上部一定區(qū)域由于高速射流的卷吸作用形成回流區(qū),導(dǎo)致大量固體顆粒產(chǎn)生內(nèi)循環(huán). 隨著高度的增加,固體顆粒的內(nèi)循環(huán)減弱. 在脫硫反應(yīng)器出口,由于塔頂盲T 出口結(jié)構(gòu)的影響,向上流動的固體顆粒與塔頂壁面碰撞分離,導(dǎo)致部分固體顆粒沿邊壁下降形成脫硫反應(yīng)器上部的環(huán)核流動結(jié)構(gòu),但其回流質(zhì)量流量明顯減少,回流面積明顯減小. 文丘里擴(kuò)展段以及塔頂盲T 出口結(jié)構(gòu)形成的固體顆粒內(nèi)回流有利于提高脫硫反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒濃度和延長顆粒停留時間,同時對脫硫效率的提高也是有利的.

3 　結(jié)論

(1) 采用循環(huán)流化床氣固兩相流動三準(zhǔn)則相似理論進(jìn)行試驗(yàn)裝置設(shè)計時,除應(yīng)滿足幾何相似外,還應(yīng)最大限度地保證模型和原型的流體動力學(xué)相似.

(2) 循環(huán)流化床煙氣脫硫反應(yīng)器內(nèi)的壓降主要集中在文丘里管段,其壓降占系統(tǒng)總阻力的60 %左右,且隨著循環(huán)物料量和氣流流量的增加,系統(tǒng)壓降顯著增加.

(3) 該循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流動呈典型的環(huán)核流動結(jié)構(gòu),顆粒局部質(zhì)量通量沿徑向方向呈中心小、邊壁大的分布,而在高度方向上則呈現(xiàn)下小上大的分布.

(4) 采用質(zhì)量內(nèi)回流比率km 和面積內(nèi)回流比率k A 2 個參數(shù)來評價循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)的固體顆粒內(nèi)回流特性;固體質(zhì)量內(nèi)回流比率km 和面積內(nèi)回流比率kA 隨著脫硫反應(yīng)器高度的增加而迅速減小.

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