涌渗反应器装置及涌渗特性表征方法

本公开涉及流化床和多相流技术领域，尤其涉及一种涌渗反应器装置及涌渗特性表征方法。

背景技术：

固体流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国民经济的很多部门，在化工、石油加工、冶金、能源、材料、轻工、生化、机械、环保等领域中得到了广泛的应用。利用流态化技术实现的流化床，其独特的传热过程，固体颗粒在流化介质的作用下不停地运动，从而不断地与被加热工件进行碰撞，由于颗粒的热容量比气体高得多，使得颗粒与工件之间的传热又快又均匀。正是流化床具有的这种加热均匀、传热系数大、加热速度快等特点使其有了突飞猛进的发展。

对于流化床，增加床层高度，可以增加物料的停留时间，提高反应效率，但是同时气泡在床层内更容易合并长大，形成大的节涌，使气固接触减小。因此，如何设计反应器的内部结构，提高反应器内气固热质传递的效率，保证良好的流化状态和气固混合状态；如何在控制气泡/节涌的情况下，增大固体颗粒在反应器内停留时间，提高燃料反应效率与碳捕集效率，是提高循环流化床反应效率的关键问题，其技术有着广泛的社会效益和工业应用前景。

技术实现要素：

本公开提供了一种涌渗反应器装置及涌渗特性表征方法，其技术目的是提高反应器内反应效率，通过涌渗流态改善反应器内气固混合状态，并提出涌渗特性的表征方法。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种涌渗反应器装置，包括涌渗反应器、旋风分离器和返料器，所述涌渗反应器和所述旋风分离器、所述返料器均连接，所述旋风分离器和所述返料器连接；

所述涌渗反应器包括至少3个自上而下设置的反应腔，相邻的所述反应腔之间设有布风板以隔开相邻的所述反应腔，所述布风板上表面设有风帽，所述布风板下表面设有第一孔，所述风帽上设有第二孔，所述第一孔与所述第二孔连通，所述第一孔的直径大于所述第二孔的直径；

所述涌渗反应器最底部的反应腔的底部设有燃料入口和流化气体入口；

其中，所述涌渗反应器中形成涌渗流态的过程包括：气泡产生、气泡长大、形成节涌、节涌变大推动物料向上形成涌渗、涌渗消失。

一种使用如上述任一所述的涌渗反应装置形成涌渗流态时的涌渗特性表征方法，包括：

s1：获取涌渗反应器冷态运行过程中的气固流动视频；

s2：对所述气固流动视频进行预处理得到以帧为计量单位的图片；

s3：通过数据矩阵对所述图片进行圆滑处理进行阈值矫正，得到二进制黑白图像；

s4：提取所述二进制黑白图像中目标质心、尺寸、密度、上升速度的流动特性。

进一步地，包括：

提取涌渗流态区域与整个区域的面积之比，用于表征涌渗流态密度；

提取相邻两张二进制黑白图像中白色区域质心的距离与一帧时间1/24s之比，表征涌渗流态上升速度。

本公开的有益效果在于：(1)本发明所述的涌渗反应器装置，将单腔室的节涌流化床沿高度方向分隔为若干个独立的涌渗流化床。在流化过程中，下部腔室产生节涌，推动颗粒层渗过中间隔板布风板，进入上层腔室，形成一种先涌后渗的特殊流态。该种流化床结构，将单床中产生的大而剧烈的节涌分解为小而有规律的涌渗，延长了固体颗粒的停留时间，重构了上部腔室的流化状态，减弱返混，改善了反应器内气固混合特性。

(2)本发明所述的涌渗特性表征方法，将涌渗反应器的内部流动状态转化为一帧一帧的二值化图片，可以清晰地得出流化床内从气泡生成到节涌产生直至破裂的状态图，得到气固分布密度、气泡(空气拴柱)运动速度等特征值，有助于分析在不同流化风速下，不同燃料固体颗粒，以及不同反应器结构改变的情况下，涌渗流动状态特性会作何改变，从而优化流化床燃烧装置，提高其运作效率，其技术有着广泛的社会效益和工业应用前景。

附图说明

图1为涌渗反应器装置的示意图；

图2为风帽的示意图；

图3为涌渗反应器内采用不同风帽结构的压力信号频谱图；

图4为不同风帽开孔率下随时间变化的涌渗密度分布图；

图5为不同风帽开孔率下随时间变化的涌渗速度分布图；

图6为涌渗特性表征方法的流程图；

图7为涌渗反应器内涌渗流态过程的原始图像与二值化图像的示意图；

图中：1-涌渗反应器；2-旋风分离器；3-返料器；11-反应腔；12-布风板；13-风帽；14-燃料入口；15-流化气体入口；16-提升管；21-气体出口；22-横管；31-料腿；32-斜管；33-流化气体入口；131-第一圆柱体；132-第二圆柱体；133-第一孔；134-第二孔；135-连通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解地是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，主要用于区分不同的组成部分。

另外，术语“自上而下”、“相邻”、“之间”、“上表面”、“下表面”、“最底部”、“最顶部”、“顶部”、“底部”、“向上”、“右侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

另外，除非另有明确的固定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明所述的涌渗反应器装置的示意图，如图1所示，该装置包括涌渗反应器1、旋风分离器2和返料器3，所述涌渗反应器1和所述旋风分离器2、所述返料器3均连接，所述旋风分离器2和所述返料器3连接。

该涌渗反应器1包括至少3个自上而下设置的反应腔11，相邻的所述反应腔11之间设有布风板12以隔开相邻的所述反应腔11，所述布风板12上表面设有风帽13，所述布风板12下表面设有第一孔133，所述风帽13上设有第二孔134，所述第一孔133与所述第二孔134连通，所述第一孔133的直径大于所述第二孔134的直径；该涌渗反应器1最底部的反应腔11的底部设有燃料入口14和流化气体入口15。

作为具体实施例地，所述涌渗反应器1的最顶部的反应腔11的顶部设有提升管16，所述旋风分离器2顶部设有气体出口21、右侧设有横管22，所述横管22与所述提升管16连接；所述返料器3顶部设有料腿31、底部设有流化气体入口33、右侧设有斜管32，所述斜管32与所述涌渗反应器1最底部的的反应腔11连接。

具体地，从燃料入口14通入冷态实验物料石英砂，从流化气体入口15通入流化气体n2(在热态实验中会分别通入燃料与反应气体)。随着物料的堆积与流化风速的增大，下部反应腔产生节涌，并将物料与气体传递至上部反应腔11；紧接着，上部反应腔亦产生节涌流态化，并逐级向上传递。在节涌传递的过程中，有且仅有一个反应腔发生节涌现象。待物料伴随着气体传递至提升管16，通过横管22进入旋风分离器2，在热态实验中，所生成气体从气体出口21排出，剩余的物料通过返料器3的料腿31进入返料器3，再通过斜管32返回至涌渗反应器1内进行循环反应。

燃料与气体在涌渗反应器流态化重构的情况下能够充分接触，从而延长了物料的反应时间，减弱了物料返混，加强了气固之间的接触，从而促进了化学反应的进行，增大二氧化碳捕集的效率，是一种高效清洁的燃烧装置。

综上可知，在涌渗反应器内，随着流化气速的增大，在涌渗反应器的最底部反应腔内产生节涌，形成的空气拴住推动物料渗透过中间布风板进入上一反应腔，随后，在上一反应腔内产生相同的节涌情况，并依次向上传递，从而形成特殊的涌渗流态。那么，形成涌渗流态的过程就包括：气泡产生、气泡长大、形成节涌、节涌变大推动物料向上形成涌渗、涌渗消失。

图2展示了风帽的具体结构，如图2中(a)所示，风帽13包括互相连接的第一圆柱体131和第二圆柱体132，所述第一圆柱体131设在所述第二圆柱体132的顶部，且所述第一圆柱体131的直径至少是所述第二圆柱体132的2倍。第二圆柱体132为中空圆柱体，其底部开有与所述第一孔133对应的连通孔135，所述第二孔134设在所述第二圆柱体132的上表面并通过所述连通孔135与所述第一孔133连通。由图2(b)可知，风帽13的底部是嵌入布风板12的，因此风帽13底部的连通孔135可以认为也是嵌入到布风板12的第一孔133内，因此连通孔135的直径不大于第一孔133的直径。

另外，第一孔133的直径至少是第二孔134直径的2倍，第二圆柱体132的长度与直径的比值在区间[2,3]内，第二圆柱体132的长度远远大于第一圆柱体131的长度。

图2(b)中箭头所示的路径为气固流动路径，从(b)中可以明显看出，被流化风携带的颗粒通过布风板12上的第一孔133吹入，从风帽13上的第二孔134吹出，吹至上一反应腔。因独特的风帽结构，使得被吹出的固体颗粒很难再通过风帽13上的第二孔134落回至下部反应腔，因此防止了固体颗粒的返混。风帽式布风板的开孔率可以用所有第二孔134面积占布风板12面积的百分比来表示，因此，通过改变风帽13的第二孔134的大小可以改变风帽式布风板的开孔率，其开孔率大小对涌渗流态的产生和涌渗特性具有一定的影响，一般，第二孔134的开孔率在区间[5.3％,8.1％]内。

压力信号在涌渗流化床流化过程中被采集，采样频率为100hz。流化床内的压力波动主要由涌渗产生所致，通过对压力信号的傅里叶变换分析可以得到流化过程中相应的涌渗产生的主频与振幅大小。保持流化数和涌渗反应器内反应腔个数不变，通过改变第二孔大小将风帽开孔率设为5.37％和8.05％，并将无风帽结构的圆孔内构件设为对照组，探讨开孔率对涌渗产生的影响，其压力波动信号的傅里叶变换结果如图3所示。当布风板内不加风帽时，涌渗产生的主频不明显，且频率分布区域大，峰值主要在0.1～0.5hz内波动，说明此时并没有规律的涌渗产生；当使用开孔率为5.37％的小风帽时，主频明显，有涌渗产生，峰值位于频率为0.15hz处；当使用开孔率为8.05％的大风帽中间分布板时，主频峰值明显，对应的频率稍大于开孔率为5.37％的小风帽，大约位于0.16hz处，说明涌渗产生规律，且与小风帽相比频率稍快。大风帽保证了小孔的通流面积，便于b类颗粒顺利通过中间分布板，进入床层上部，同时减少床层压力剧烈脉动，防止颗粒流动受阻。

图4展示了在不同风帽开孔率下随时间变化的涌渗密度分布图，从图中可以看出，开孔率的增大在涌渗产生上升期阶段会明显增大涌渗的密度，但在节涌破裂后其密度值相差不大。图5则展示了在不同风帽开孔率下随时间变化的涌渗速度分布图，从图中可知，尽管涌渗密度略有差异，其上升速度却相差不大。从两图中皆可看出，当风帽开孔率较大时，其涌渗破裂时间会略晚一些，即涌渗流态在腔室中持续的时间会更长一些。因此，在涌渗反应器中选择较大的风帽开孔率会更有利于对气固接触的强化。

图6为涌渗特性表征方法的流程图，具体包括：

s1：获取涌渗反应器冷态运行过程中的气固流动视频。

具体地，涌渗反应器装置为透明材质，床身由光源均匀照明，以消除不需要的阴影。采用高速摄像机拍摄塔式鼓泡流化床燃料反应器冷态运行过程中的气固流动视频。将高速摄像机固定在离塔式流化床大约50厘米的位置，并放置在三脚架上，固定其位置，调节焦距和亮度，选择照片尺寸为1280×1024像素，将拍摄时间设置为1分钟，并进行多次拍摄。这是因为在进行图像处理时，需要分析所有气泡在一定时间内的气体动力学性质，所以采集到的图像需要一定的数量以消除误差。

s2：对所述气固流动视频进行预处理得到以帧为计量单位的图片。

具体地，采用matlab软件自编程序，将获取的视频进行预处理，运用循环语句可以让计算机自动读取视频并存档所有帧。在进行批量裁剪之前，首先确定裁剪图片时所需要的参数，如：旋转角度、裁剪开始的坐标位置、以及裁剪完成后图片的宽度和高度；在单张图片裁剪效果理想后，再进行批量裁剪。其次，不断用数据矩阵对所得图片进行圆滑处理，作为提取床内涌渗形状的标准亮度值。

s3：通过数据矩阵对所述图片进行圆滑处理进行阈值矫正，得到二进制黑白图像。

具体地，将处理过的图片进行阈值处理，获取二进制黑白图像，这样就可以把气泡相从乳化相中分离出来，很好的识别气泡相与乳化相。将气泡相区域赋值为0，将乳化相区赋值为1，将阈值设置为0.6，得到二进制黑白图像(二值化图像)，其原始图像与二值化图像如图7所示。从图7中可以看出，涌渗反应器内先是有小的气泡产生，小的气泡逐渐合并长成大的气泡，当气泡直径达到反应腔的尺寸后，形成空气柱，也就是节涌。空气柱推动物料进入上一反应腔，直至节涌破裂消失。在节涌形成的过程中，可以发现空气柱底部的形状是有变化的，从平底变成圆弧底又变成了平底，这是因为在节涌的过程中还会有气泡生成与破裂，气泡生成时底部是呈圆弧状，气泡破裂时又变成了平底。两个反应腔不会同时产生节涌，涌渗过程不断进行传递。

s4：提取所述二进制黑白图像中目标质心、尺寸、密度、上升速度的流动特性。提取二值化图像中气泡质心与边界后，确定气泡是否具有完整边界，若有完整边界则提取二值化图像中气泡的尺寸与面积，并由此求取涌渗密度和上升速度；若气泡没有完整边界，则重新对该帧图片进行图片降噪和阈值矫正。

具体地，采用matlab软件自编程序，对获取的二值化图像进行分析采集，提取白色区域与整个区域面积之比，表征涌渗密度，如图4所示，可以发现，底部腔室涌渗密度不断波动，且随时间的推移呈逐渐上升的趋势，但节涌破裂后，其密度值又呈减小趋势，最大值出现在节涌破裂之前。提取相邻两张二值化图像的白色区域的质心距离与一帧时间(1/24s)之比来表示涌渗速度，如图5所示，可以发现，涌渗产生速度随着时间的推移基本保持不变，仅有轻微的上下波动，在节涌破裂时速度猛然上升，达到最大值，涌渗消亡的过程中速度依然保持不变。

综上，本发明所述的用于强化气固接触的涌渗反应器装置，可以改善气-固混合，促进气固反应，提高燃烧效率。同时，本发明涉及的涌渗特性表征方法，可以定量地表征涌渗密度、速度等特性，从而可以有效控制流化床内涌渗特性，保证均匀流化，其技术有着广泛的社会效益和工业应用前景。

特别说明，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。