半干法循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件研究進(jìn)展

黃學(xué)靜，徐文青，魏耀東，汪軍盛，朱廷鈺

（1中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所北京市過程污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100190；2中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院過程裝備實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

半干法循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件研究進(jìn)展

黃學(xué)靜1，2，徐文青1，魏耀東2，汪軍盛1，朱廷鈺1

（1中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所北京市過程污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100190；2中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院過程裝備實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

常規(guī)脫硫反應(yīng)器存在著床內(nèi)氣固流動(dòng)不均勻、脫硫劑利用效率低等問題。安裝內(nèi)構(gòu)件可以破碎氣泡和顆粒團(tuán)聚，改善流化質(zhì)量，強(qiáng)化脫硫反應(yīng)器內(nèi)的氣固傳質(zhì)和反應(yīng)過程，提高脫硫效率。本文介紹了近年來半干法循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的研究現(xiàn)狀，主要介紹了慣性式內(nèi)構(gòu)件、鈍體式內(nèi)構(gòu)件、孔板式內(nèi)構(gòu)件、復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件；闡述了各種內(nèi)構(gòu)件的形式及特點(diǎn)，其中慣性式內(nèi)構(gòu)件能夠強(qiáng)化氣固分離，但不能優(yōu)化流場(chǎng)；鈍體式內(nèi)構(gòu)件能夠增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)氣固湍動(dòng)程度，但對(duì)軸向混合影響不大；孔板式內(nèi)構(gòu)件能夠均布流場(chǎng)，但易堵塞；復(fù)合內(nèi)構(gòu)件能夠改善流化性能，強(qiáng)化氣固接觸，但床層壓降較高。通過對(duì)裝有不同內(nèi)構(gòu)件的循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器中氣固兩相流動(dòng)特點(diǎn)的分析，指明了各類內(nèi)構(gòu)件對(duì)流化床內(nèi)氣固流動(dòng)的作用原理及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合床層壓降及顆粒濃度分布，并根據(jù)現(xiàn)有流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件特點(diǎn)提出了促進(jìn)氣固高效接觸、降低床層壓降等新型內(nèi)構(gòu)件的開發(fā)方向。

循環(huán)；流化床；反應(yīng)器；脫硫；內(nèi)構(gòu)件；傳質(zhì)

循環(huán)流化床半干法脫硫反應(yīng)器一般為空塔設(shè)計(jì)，存在著氣固兩相之間的傳質(zhì)和反應(yīng)不均勻、進(jìn)而導(dǎo)致脫硫劑利用率和脫硫效率低問題。為了強(qiáng)化脫硫反應(yīng)器內(nèi)部脫硫效率，研究者針對(duì)設(shè)備和工藝技術(shù)等方面，一直在不斷進(jìn)行改進(jìn)，主要措施是在脫硫反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件。設(shè)置內(nèi)構(gòu)件改變了脫硫反應(yīng)器的流場(chǎng)，增強(qiáng)流化床的顆粒內(nèi)循環(huán)，從而改善流化床的傳質(zhì)性能和反應(yīng)性能。但各類型內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)不同，作用方式有很大的不同，有的內(nèi)構(gòu)件可抑制并破碎氣泡；有的內(nèi)構(gòu)件可以改善顆粒在床內(nèi)停留時(shí)間分布；還有的內(nèi)構(gòu)件可以造成強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)，提供了連續(xù)的顆粒接觸和顆粒碰撞，使得吸收劑表面的反應(yīng)產(chǎn)物不斷地磨損脫落，避免了吸收劑活性的下降[1-6]。同時(shí)這些內(nèi)構(gòu)件還存在很多的不足，限制了其應(yīng)用的推廣，也還有很大的改進(jìn)空間。因此，對(duì)于內(nèi)構(gòu)件的研究和改進(jìn)，是目前提高流化床半干法脫硫反應(yīng)器性能的主要措施之一。為此，本文對(duì)目前煙氣脫硫反應(yīng)器常用的4種內(nèi)構(gòu)件，即慣性式內(nèi)構(gòu)件、鈍體式內(nèi)構(gòu)件、孔板式內(nèi)構(gòu)件、復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行了分析，提出今后改進(jìn)的方向和措施。

1 慣性式內(nèi)構(gòu)件

圖1 慣性式內(nèi)構(gòu)件

慣性式內(nèi)構(gòu)件大多安裝在流化床上部或頂部，如圖1所示，有漏斗形、擋板形、槽形等結(jié)構(gòu)。操作中脫硫劑上行經(jīng)過慣性內(nèi)構(gòu)件，因慣性作用而分離回落，與上行的煙氣產(chǎn)生氣固湍流接觸，并顯著改善脫硫劑在床內(nèi)的停留時(shí)間分布[7-8]。德國(guó)WULEF公司[9]開發(fā)了RCFB雙循環(huán)脫硫工藝，在流化床頂部安裝了擋板。此擋板具有一定傾角，有預(yù)除塵作用，能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒大量返混，提高了氣固兩相之間的接觸效率，同時(shí)出口煙氣的溫度和露點(diǎn)的平衡均能夠得到有效的控制，維持了脫硫劑持續(xù)的反應(yīng)活性，脫硫效率得到大幅度提高。Mabrouk等[10]針對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床，在反應(yīng)器出口加入V形、∧形板，可以明顯影響顆粒停留時(shí)間分布和顆粒軸徑向分布，強(qiáng)烈地改變了氣固兩相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是加入內(nèi)構(gòu)件之后，流化床床層壓降明顯增大。V形板是優(yōu)化流場(chǎng)的較好選擇，然而在某些表觀氣速下，其壓降和空塔結(jié)構(gòu)差別不大。對(duì)于∧形板，只有其高度離內(nèi)部提升管出口距離較小時(shí)才能發(fā)生較好分離效果。

馬鴻良[11]通過在流化床頂部安裝百葉窗分離器，發(fā)現(xiàn)部分脫硫劑沿壁面發(fā)生回流，強(qiáng)化了內(nèi)部循環(huán)，提高了固體顆粒濃度，有效地減輕了外部除塵設(shè)備負(fù)擔(dān)，同時(shí)可以增大顆粒之間的摩擦，使顆粒表面不斷更新，提高了脫硫劑的利用率。高建民等[12]通過在脫硫器頂部出口附近布置槽形分離器，使出口質(zhì)量流率波動(dòng)幅度呈逐漸平緩趨勢(shì)，維持了流化床內(nèi)的質(zhì)量守恒，并穩(wěn)定了流場(chǎng)。Sung Won Kim[13]在提升管頂部出口安裝了一個(gè)文丘里收縮段，收縮段伸入沖擊箱。在沖擊箱內(nèi)放置擋板分離器，可以攔下上升氣流中的多數(shù)顆粒。對(duì)于此種結(jié)構(gòu)，存在著一個(gè)從密相懸浮上升流到快速流態(tài)化的過渡區(qū)。

由于出口效應(yīng)的影響，流場(chǎng)在流化床頂部會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，張錫梅[14]在流化床反應(yīng)器頂部后墻安裝了一種偏置結(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件，此內(nèi)構(gòu)件呈臺(tái)階狀，如圖2所示，這種偏置內(nèi)構(gòu)件能夠明顯地改變流化床頂部區(qū)域流場(chǎng)的分布，安置此內(nèi)構(gòu)件，流化床頂部流動(dòng)依然呈環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)，然而其核心區(qū)明顯向前墻側(cè)偏轉(zhuǎn)?？拷脙?nèi)構(gòu)件的流動(dòng)區(qū)域，顆粒流動(dòng)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，而且徑向流動(dòng)明顯加劇，這在一定程度上削弱了出口效應(yīng)的影響。

圖2 偏置結(jié)構(gòu)

為了增加氣固流動(dòng)的湍動(dòng)程度，使氣固高效接觸，研究者做了大量工作。楊柳春[15]發(fā)現(xiàn)在流化床反應(yīng)器頂部擴(kuò)大段架設(shè)擋板時(shí)，如圖3所示，流化床密相區(qū)向上轉(zhuǎn)移至擴(kuò)大段底部，氣流攜帶顆粒進(jìn)入流化床擴(kuò)大段后，因?yàn)榻孛鏀U(kuò)大而導(dǎo)致氣速降低，氣流攜帶顆粒能力減弱，在重力作用和擋板的攔截下，上行顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)向，顆粒沿流化床壁面回流，流化床整體呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。Hesrick等[16]在流化床內(nèi)安裝擋板，并且在擋板上開設(shè)氣體分布孔，擋板的開孔率隨流化床的高度不同而不同，從而實(shí)現(xiàn)了氣流在不同高度上的均勻分布，最終達(dá)到了氣固兩相高效接觸的目的。在流化床脫硫反應(yīng)器內(nèi)也可以安裝多層內(nèi)構(gòu)件，如此可以將流化床反應(yīng)器沿軸向有效地分為若干個(gè)區(qū)，而且內(nèi)構(gòu)件之間出現(xiàn)了稀相區(qū)，降低了擴(kuò)散阻力，能夠有效地改善流化床反應(yīng)器內(nèi)氣固間的傳質(zhì)傳熱效果[17-19]。郝志剛[20]通過在流化床頂部安裝多個(gè)水平多孔擋板，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增大擋板間距時(shí)，反應(yīng)器床層壓降增大，雖然顆粒停留時(shí)間稍有增長(zhǎng)，但擋板之間節(jié)涌增強(qiáng)，大小顆粒在床內(nèi)停留時(shí)間差別不明顯，此對(duì)大顆粒反應(yīng)十分不利。而且當(dāng)擋板間距增大時(shí)，床層壓降波動(dòng)明顯增大，流化床內(nèi)氣固流化質(zhì)量變差。當(dāng)擋板間距較小時(shí)，床層壓降波動(dòng)比較較??；當(dāng)擋板間距等于流化床直徑時(shí)，可以形成穩(wěn)定均勻的流化狀態(tài)。

圖3 流化床頂部漸擴(kuò)段架設(shè)擋板

慣性分離裝置安裝在流化床頂部，節(jié)約占地空間。架設(shè)擋板雖然能夠改善流化床反應(yīng)器中氣固傳質(zhì)效果，但是擋板之間顆粒濃度分布具有中間密、兩頭稀的特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步提高傳質(zhì)效果有所限制。而且架設(shè)多層擋板使主床壓降增大，能耗增高。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)脫硫塔的壓力損失主要集中在分離裝置上，因此研究壓降較小的慣性式內(nèi)構(gòu)件具有重要意義。

2 鈍體式內(nèi)構(gòu)件

鈍體內(nèi)構(gòu)件的加入可以使流通截面積發(fā)生改變，如圖4所示，當(dāng)氣固混合物流過鈍體時(shí)，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而使邊壁區(qū)與中心區(qū)的相互作用得到加強(qiáng)，大大提高了流化床反應(yīng)器內(nèi)顆粒的湍動(dòng)程度，使顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度增加4～5倍，提高了氣固傳質(zhì)效果[21-23]。甘寧俊等[21]發(fā)現(xiàn)加入鈍體構(gòu)件之后，可以對(duì)氣流產(chǎn)生明顯的截流作用，使氣固兩相流經(jīng)鈍體構(gòu)件時(shí)加速，在鈍體構(gòu)件尾部，顆粒濃度明顯減小，但是床層安置鈍體構(gòu)件處局部阻力有所增大。固體顆粒流經(jīng)鈍體構(gòu)件后，其運(yùn)動(dòng)慣性開始減小并產(chǎn)生回流，從而消除了傳統(tǒng)流化床內(nèi)近壁面處的顆粒濃環(huán)，使氣固傳質(zhì)效率顯著提高。引入鈍體構(gòu)件后，氣體徑向擴(kuò)散系數(shù)可以提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1000cm2/s，使氣固混合更加均勻。雖然顆粒徑向分布能夠得到改善，但流化床截面顆粒平均濃度卻有所降低，在一定程度上限制了脫硫反應(yīng)速率。

圖4 鈍體內(nèi)構(gòu)件[23]

圖5 對(duì)稱內(nèi)構(gòu)件[22]

為了使氣固重新分布，并維持較高的截面顆粒濃度分布，研究者開始研究多個(gè)鈍體式內(nèi)構(gòu)件組合對(duì)流化床反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響。Wang等[22]為了強(qiáng)化氣固反應(yīng)，在流化床中部安裝了對(duì)稱鈍體內(nèi)構(gòu)件，如圖5所示。此鈍體內(nèi)構(gòu)件可以使邊壁回流的濃顆粒層與流化床壁面發(fā)生脫離，床層截面上沿徑向顆粒濃度趨于均勻，利于反應(yīng)的進(jìn)行。在內(nèi)構(gòu)件上方，截面顆粒濃度明顯增高，顆粒徑向均勻性得到改善；在內(nèi)構(gòu)件下方，內(nèi)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的作用要比在上方弱。當(dāng)內(nèi)構(gòu)件尺寸較大時(shí)，對(duì)氣固兩相流動(dòng)影響較大，不僅能夠增強(qiáng)軸向、徑向氣固混合程度，而且增強(qiáng)了顆粒內(nèi)循環(huán)，局部提高了截面顆粒濃度，改變了濃度場(chǎng)。內(nèi)構(gòu)件尺寸較小時(shí)，雖然對(duì)徑向混合有一定作用，但不能明顯提高床層顆粒濃度。沿流化床反應(yīng)器軸向位置，交叉安裝多個(gè)內(nèi)構(gòu)件，對(duì)流場(chǎng)可以產(chǎn)生波浪性擾動(dòng)，使氣固接觸更加充分。

雖然鈍體內(nèi)構(gòu)件的加入會(huì)改善顆粒濃度和顆粒速度的徑向分布，但劉會(huì)娥[23]發(fā)現(xiàn)加入鈍體內(nèi)構(gòu)件后，如果流化床流通面積過小，會(huì)造成床層阻力過大；如果流通面積過大，則對(duì)氣固流動(dòng)、混合效果不明顯。為了強(qiáng)化氣固混合效果并使床層阻力盡可能小，特設(shè)計(jì)底部為拋物面形鈍體式內(nèi)構(gòu)件，如圖4所示。此鈍體內(nèi)構(gòu)件上段為圓柱體，下段表面為拋物面，能夠減少鈍體底部的磨損，又能使流過鈍體內(nèi)構(gòu)件的流體產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，增加了氣固兩相徑向的混合能力。此鈍體內(nèi)構(gòu)件的加入，可以顯著增強(qiáng)顆粒徑向混合能力，大大提高了顆粒間傳質(zhì)傳熱效果，并且能使顆粒在流化床內(nèi)停留時(shí)間分布曲線有所改變，但不能提高固體顆粒的軸向混合能力。

盡管鈍體式內(nèi)構(gòu)件可以使流化床反應(yīng)器邊壁區(qū)的脈動(dòng)速度增強(qiáng)，破壞反應(yīng)器邊壁區(qū)原有的顆粒濃環(huán)，增強(qiáng)顆粒的徑向混合能力，但并不能從根本上改變流化床床層內(nèi)的空穴-顆粒團(tuán)兩相結(jié)構(gòu)，因而不能提高顆粒軸向的混合能力。加入鈍體式內(nèi)構(gòu)件之后，如何改善流化床反應(yīng)器中顆粒的軸向混合能力，將會(huì)是一個(gè)很有潛力的課題。

3 孔板式內(nèi)構(gòu)件

孔板是常用的布風(fēng)裝置之一，如圖6所示。良好的布風(fēng)裝置，能夠使流體進(jìn)入流化床時(shí)達(dá)到均勻分布，并且能夠加快氣相對(duì)固體顆粒的加速效應(yīng)，縮短流化床反應(yīng)器的入口長(zhǎng)度，從而提高了床層的利用效率。而且良好的布風(fēng)裝置可以消除流化床反應(yīng)器下部的流場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，有利于提高脫硫劑的均勻分布。

李鵬飛等[24]在流化床反應(yīng)器內(nèi)安裝不同的文丘里布風(fēng)裝置，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)在相同的喉口面積下，七孔文丘里布風(fēng)裝置要比一孔、四孔文丘里布風(fēng)裝置床層壓降損耗少。安置七孔文丘里布風(fēng)裝置，流化床內(nèi)顆粒濃度較大，而且流態(tài)穩(wěn)定，流化效果較好。布風(fēng)口處顆粒湍動(dòng)程度加強(qiáng)，顆粒分布更加均勻，流化床內(nèi)顆粒平均濃度穩(wěn)定。流化床床層壓降穩(wěn)定，波動(dòng)較小[25]。彭聚濤等[26]也發(fā)現(xiàn)在流化床反應(yīng)器底部安裝多管文丘里進(jìn)氣裝置，可以明顯降低壓降，而且脫硫器內(nèi)流場(chǎng)達(dá)到均勻分布。王濤等[27]在流化床底部安裝了傾斜布風(fēng)板板，采用非均勻分段布風(fēng)，通過數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)可以造成顆粒內(nèi)部的循環(huán)，能夠改善顆粒在流化床內(nèi)的徑向分布，而且在布風(fēng)板傾斜20°時(shí)可以達(dá)到最優(yōu)效果。

圖6 孔板式內(nèi)構(gòu)件

圖7 3種形式文丘里結(jié)構(gòu)

循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器存在著軸、徑向顆粒分布不均勻等問題，在流化床反應(yīng)器內(nèi)架設(shè)孔板式內(nèi)構(gòu)件，可以有效地改善循環(huán)流化床反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度的軸、徑向分布。鄭傳根等[28]采用孔板式內(nèi)構(gòu)件，改變了氣固兩相流的湍流流型，固體顆粒從流化床邊壁處的大尺度回流變?yōu)榇矊尤孛嫔系男〕叨然亓鳌？装迨絻?nèi)構(gòu)件能夠改變氣體流型，增大流化床邊壁處的顆粒濃度。選用孔板式內(nèi)構(gòu)件，能夠造成顆粒在床層內(nèi)的局部回流。多孔板構(gòu)件若為截面均勻開孔，則流化床中心區(qū)顆粒濃度有所提高，但邊壁處顆粒濃度也很高，而且不均勻度較大，顆粒濃度徑向分布波動(dòng)較大。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，縮小孔板直徑，使孔板與流化床壁面留出一縫隙，則不均勻度能夠改善?？装迨絻?nèi)構(gòu)件對(duì)氣固流動(dòng)特性的影響與操作條件有很大的關(guān)系：給定氣速和顆粒流率，總會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的最佳環(huán)寬，最佳環(huán)寬度隨氣速增加而減小，隨顆粒流率增加而增大[29-31]。

孔板式內(nèi)構(gòu)件的影響范圍基本上在相當(dāng)于循環(huán)流化床床層直徑的范圍內(nèi)，受表觀氣速、顆粒循環(huán)量的影響較小。雖然在流化床反應(yīng)器內(nèi)加入孔板內(nèi)構(gòu)件可以提高床層顆粒平均濃度，但是對(duì)于提高氣固兩相在的徑向傳質(zhì)效果影響不大。而且流化床反應(yīng)器內(nèi)安裝孔板內(nèi)構(gòu)件，由于氣流方向正對(duì)床層，床層易形成溝流，如果孔板開孔較小，則孔板處易發(fā)生堵塞。

4 復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件

傳統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件僅考慮顆粒群分布和氣固傳質(zhì)問題，未考慮內(nèi)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的有效引導(dǎo)。安裝傳統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件，流化床床層壓降波動(dòng)幅度比較大，使流化床的利用效率降低。Hao[32]在文丘里布風(fēng)裝置上增加了旋流片，如圖8所示，使氣流旋-直復(fù)合流動(dòng)。加入旋流片，使流化床反應(yīng)器內(nèi)氣流切向動(dòng)量大為增強(qiáng)，流化床內(nèi)氣流擾動(dòng)強(qiáng)烈，氣固湍動(dòng)程度得到增強(qiáng)，湍流輸運(yùn)能力增強(qiáng)，流化床床層截面流場(chǎng)的對(duì)稱性增強(qiáng)。旋-直復(fù)合流化，使流動(dòng)更加均勻，而且流化床底部能量耗散加快，氣流流動(dòng)達(dá)到均勻狀態(tài)所需的時(shí)間大為減少。采用旋流葉片，可以消除流化床反應(yīng)器水平入口造成的回流，消除了流場(chǎng)在流化床內(nèi)的偏斜。而且脫硫劑在流化床反應(yīng)器內(nèi)高濃度高速度循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，沖刷作用得到增強(qiáng)，傳質(zhì)傳熱能力得到增強(qiáng)，促進(jìn)了液滴干燥，能夠有效地緩解床層內(nèi)黏壁現(xiàn)象。張立強(qiáng)[33]也發(fā)現(xiàn)流化床底部增加旋流結(jié)構(gòu)后，流化床壁面濃度急劇增加，為空塔結(jié)構(gòu)時(shí)的30～50倍。流化床反應(yīng)器的主反應(yīng)區(qū)位于流化床的中下部，積極地促進(jìn)了氣固傳質(zhì)效果，提高了脫硫反應(yīng)效率。

圖8 旋-直復(fù)合結(jié)構(gòu)[32]

為了對(duì)顆粒群進(jìn)行有效擾動(dòng)和對(duì)流場(chǎng)有效引導(dǎo)，朱廷鈺等[34]在流化床反應(yīng)器內(nèi)加設(shè)了一種含導(dǎo)流板和擾流板的復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件，如圖9所示。此內(nèi)構(gòu)件可以防止流化床在高速操作條件下產(chǎn)生氣墊和氣節(jié)，能夠有效促進(jìn)顆粒群在流化床內(nèi)的更新，并能顯著提高氣固兩相的接觸效率，而且減少了固體顆粒對(duì)內(nèi)構(gòu)件的磨損，提升了循環(huán)流化床的操作彈性。

Kim[36]在提升管內(nèi)邊壁安裝螺旋形的圓管內(nèi)構(gòu)件，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)相同的實(shí)驗(yàn)操作條件下，安裝此內(nèi)構(gòu)件的提升管要比光滑提升管氣體上升速度高，在高表觀氣速下，安裝內(nèi)構(gòu)件的提升管顆粒濃度要比光滑提升管低，而且所測(cè)顆粒固含率與滑移通量模型計(jì)算的數(shù)據(jù)十分吻合。張麗等[37]采用脈沖示蹤法，考察了反應(yīng)器內(nèi)流體的停留時(shí)間分布，發(fā)現(xiàn)安裝螺旋形內(nèi)構(gòu)件能夠強(qiáng)化氣固混合效果，使?jié)舛葟较蚍植几泳鶆颉?/p>

圖9 復(fù)合內(nèi)構(gòu)件[34]

圖10 螺旋內(nèi)構(gòu)件

Harris[38]為了準(zhǔn)確測(cè)量顆粒停留時(shí)間分布，在流化床出口橫向安裝了一個(gè)噴射裝置，從而獲得適當(dāng)?shù)倪吔缣卣?。此噴射裝置可以獲得定義良好的測(cè)量邊界，使測(cè)量樣品混合完全，而且測(cè)量粒子不會(huì)沉積在噴射裝置內(nèi)。

復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，并且由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致形成死角，使顆粒堆積阻塞，限制了氣固接觸效率。復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件壓降也比較大，為下游除塵帶來負(fù)擔(dān)。

5 結(jié) 語(yǔ)

從最初的慣性式內(nèi)構(gòu)件，到鈍體式內(nèi)構(gòu)件，再到孔板式內(nèi)構(gòu)件、復(fù)合內(nèi)構(gòu)件，人們都在以破碎氣泡、增加顆?；亓?、改善顆粒停留時(shí)間分布、提高氣固接觸效率為研究目的。對(duì)于慣性式內(nèi)構(gòu)件，雖然可以增加返混并改善脫硫劑在流化床內(nèi)停留時(shí)間分布，但對(duì)氣流不具備引導(dǎo)作用。鈍體型內(nèi)構(gòu)件與慣性式內(nèi)構(gòu)件相比，可以明顯改變顆粒徑向混合能力，使徑向混合能力顯著增強(qiáng)，但對(duì)軸向混合影響不大。孔板式內(nèi)構(gòu)件雖然可以使氣流分布更加均勻，但是容易形成溝流，而且開孔較小時(shí)易發(fā)生堵塞，其增加湍動(dòng)的效果不如其他3種內(nèi)構(gòu)件明顯。復(fù)合型內(nèi)構(gòu)件雖然可以改善流場(chǎng)分布，但由于流通路徑比較曲折，容易發(fā)生堵塞，形成顆粒流動(dòng)的死區(qū)，減少氣固接觸的機(jī)會(huì)，而且床層壓降也較大。因此，強(qiáng)化氣固兩相間接觸仍是今后內(nèi)構(gòu)件研究的重點(diǎn)方向。另外，加入內(nèi)構(gòu)件使床內(nèi)流動(dòng)更加復(fù)雜，有待于充分開展包括綜合床層壓降、徑向、軸向顆粒濃度分布等各種因素影響的實(shí)驗(yàn)及理論研究。

[1]高金龍. 半干法脫硫系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒濃度分布的測(cè)量與優(yōu)化[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2013.

[2]Zhu J X，Salah M，Zhou Y. Radial and axial voidage distribution in circulating fluidized bed with ring-type internals[J].Journal of Chemical Engineering of Japan，1997，30（5）：928-937.

[3]Saha A K，Muralidhar K，Biswas G. Vertex structures and kinetic energy budget in two dimensional flow past a square cylinder[J].Computers & Fluids，2000，29（6）：669-694.

[4]魏飛，楊艷輝，金涌. 內(nèi)構(gòu)件對(duì)于高密度提升管流體力學(xué)行為的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2000，51（6）：806-809.

[5]李少華，孫英博，王虎. 脫硫塔內(nèi)構(gòu)件的布置對(duì)溫度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬分析[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：19-22.

[6]譚金生，黃昌鳳. 循環(huán)流化床脫硫塔流場(chǎng)數(shù)值模擬與入口導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 中國(guó)煤炭，2013，8（7）：89-92.

[7]呂建燚，李定凱，祁海鷹. 影響循環(huán)流化床煙氣脫硫效率的床結(jié)構(gòu)因素分析[J]. 鍋爐技術(shù)，2004，35（6）：35-38

[8]趙旭東，馬春元，董勇，等. 75t/h鍋爐雙循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置研制及應(yīng)用[J]. 中國(guó)電力，2002，35（3）：62-65.

[9]徐賢忠. 高效回流式循環(huán)流化床煙氣脫硫及除塵技術(shù)[J]. 電力環(huán)境保護(hù)，2002，18（2）：30-34.

[10]Mabrouk R. Exit effect on hydrodynamics of the internal circulating fluidized bed riser[J].Powder Technology，2008，182：406-414.

[11]馬鴻良. CFB-FGD塔內(nèi)壁面回流與返混過程的試驗(yàn)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[12]高建民，秦裕琨，高繼慧，等. 循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)及氣固分離特性數(shù)值模擬[J]. 熱能動(dòng)力工程，2006 ，21（5）：487-490.

[13]Sung Won Kim. Flow structure and thickness of annular downflow layer in a circulating fluidized bed riser[J].Powder Technology，2004，142：48-58.

[14]張錫梅. 循環(huán)流化床內(nèi)結(jié)構(gòu)布置對(duì)氣固流動(dòng)特性影響的試驗(yàn)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2010.

[15]楊柳春. 內(nèi)循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置研究[J]. 化學(xué)工程，2006，34（7）：50-53.

[16]Hesrick Brian W，Meadows Rolling，Nguyen Thuy，et al. Stripping process with disproportionately distributed openings on baffles：US，6780308 B1[P]. 2004-08-24.

[17]Wei Xiaolin. Characterizing particle dispersion by image analysis in ICFB[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，49：3338-3342.

[18]Yang Ning. CFD simulation of concurrent-up gas-solid flow in circulating fluidized beds with structure-dependent drag coefficient[J].Chemical Engineering Journal，2003，96：71-80.

[19]Todd Pugsley. Exit effects in circulating fluidized bed risers[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1997，75（6）：1001-1010.

[20]郝志剛. 內(nèi)構(gòu)件流化床內(nèi)顆粒停留時(shí)間分布及壓降的研究[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2006，6（2）：359-363.

[21]甘寧俊，蔣大洲，白丁榮，等. 內(nèi)置鈍體對(duì)快速流化床中顆粒濃度分布的影響[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，1990，4（3）：273-277.

[22]Wang Cuiping. Experimental study of the effect of internals on optimizing gas-solid flow in a circulating fluidized bed[J].Powder Technology，2008，184：267-274.

[23]Liu hui’e. Hydrodynamics and solids mixing behavior in a riser with blunt internals[J].Chinese J. Chem. Eng.，2003，11（4）：371-376.

[24]李鵬飛，章敬泉，朱曉華. 循環(huán)流化床入口結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)化效果影響比較[J]. 環(huán)境工程，2011，24（9）：82-85.

[25]劉玲，盧平. CFB-FGD文丘里管阻力損失與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，6（9）：154-158.

[26]彭聚濤，孫國(guó)剛，朱喆. 循環(huán)流化床煙氣脫硫反應(yīng)器進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)模擬及優(yōu)化[J]. 石油學(xué)報(bào)：石油加工，2013，9（4）：641-646.

[27]王濤，曹長(zhǎng)青. 傾斜板流化床顆粒內(nèi)循環(huán)的直接模擬研究[J]. 青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（4）：382-386.

[28]鄭傳根，董元吉，張文楠，等. 內(nèi)部構(gòu)件對(duì)循環(huán)流化床顆粒徑向分布的影響[J]. 化工冶金，1990，11（4）：296-302.

[29]Zhou Yuegui. Hydrodynamics of gas-solid flow in the circulating fluidized bed reactor for dry flue gas desulfurization[J].Powder Technology，2011，205：208-216.

[30]Xu Jing，Zhu J X. Experimental study on solids concentration distribution in a two-dimensional circulating fluidized bed[J].Chemical Engineering Science，2010，65：5447-5454.

[31]Kaewklum Rachadaporn，Kuprianov Vladimir I. Experimental studies on a novel swirling fluidized-bed combustor using an annular spiral air distributor[J].Fuel，2010，89：43-52.

[32]Hao Xiaowen. Composite fluidization in a circulating fluidized bed for flue gas desulfurization[J].Powder Technology，2012，215：46-53.

[33]張立強(qiáng). 集成內(nèi)循環(huán)雙速流化床脫硫塔內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的試驗(yàn)研究[J]. 電站系統(tǒng)工程，2008，24（1）：24-26.

[34]朱廷鈺，何京東，荊鵬飛. 一種用于循環(huán)流化床反應(yīng)器中的擾流型復(fù)合構(gòu)件：中國(guó)，101293189A[P]. 2008-10-29.

[35]孫丹，劉國(guó)棟，李響，等. 上直-下旋干式循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)器：中國(guó)，101496991A[P]. 2009-08-05.

[36]Kim H Y. Flow pattern and flow characteristics for counter-current two-phase flow in a vertical round tube with wire-coil inserts[J].International Journal of Multiphase Flow，2001，27：2063-2081.

[37]張麗，謝桂蘭，劉云義，等. 復(fù)合擾流柱的螺旋內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器內(nèi)流體的宏觀混合[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2010，10（6）：1071-1075.

[38]Harris A T. Particle residence time distributions in circulating fluidized beds[J].Chemical Engineering Science，2003，58：2181-2202.

Studies on internal componnets in semi-dry circulating fluidized bed desulfurization reactor

HUANG Xuejing1，2，XU Wenqing1，WEI Yaodong2，WANG Junsheng1，ZHU Tingyu1
（1Beijing Engineering Research Center of Process Pollution Control，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2Process Equipment Laboratory，College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing，Beijing 102249，China）

Traditional desulfurization reactors have disadvantages such as nonuniform flow structure and low desulfurizer utilization efficiency. The internals in CFB（circulating fluidized-bed） have advantages of breaking bubbles and particle aggregation，improving the quality of the fluidization，enhancing the mass transferring and the desulphurization process，resulting in higher desulfurization efficiencies. This paper summarized studies on internal components in semi-dry circulating fluidized bed desulfurization reactors，including inertial separator，bluff-body internals，orifice internals and compound internals，and the forms and the characteristics. The inertial internals can intensify the gas-solid separation but have no influences on optimizing the flow field；the bluff-body internals can enhance the turbulence in the reactor but cannot affect the axial mixing；the orifice internals can make the flow field uniform but have disadvantages of blocking；and the compound internals can improve thefluid properties and strengthen the contact of gas-solid phase but make the pressure drop high. The flow characteristics of both gas and solid in fluidized bed with various internals were illustrated，and the advantages and disadvantages of various types of internals were discussed. Considering the variety features of pressure drop and the particles concentration with different internals，the direction such as promoting the gas-solid contact with high efficiency and reducing the pressure drop of the CFB for future development was discussed.

circulating；fluidized-bed；reactor；desulfurization；internals；mass transfer

TQ 050.3

A

1000-6613（2014）10-2540-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.004

2014-03-11；修改稿日期：2014-04-08。

國(guó)家863計(jì)劃（2011AA060802，2012AA062501）、國(guó)家科技支撐課題（2012BAB18B03）及環(huán)保部行業(yè)科研專項(xiàng)（201209005）項(xiàng)目。

黃學(xué)靜（1989—），男，碩士研究生，從事工業(yè)煙氣處理研究。聯(lián)系人：朱廷鈺，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail tyzhu@home. ipe.ac.cn。