喷嘴收缩角度对射流反应器内颗粒浓度分布及发展的影响

巴忠仁, 赵建涛, 聂 伟, 郝振华, 杨泽涛, 房倚天

喷嘴收缩角度对射流反应器内颗粒浓度分布及发展的影响

巴忠仁1, 2, 赵建涛1, 聂 伟1, 郝振华1, 杨泽涛3, 房倚天1

(1. 中国科学院山西煤炭化学研究所 煤转化国家重点实验室,山西 太原 030001;2. 中国科学院大学 化学工程学院,北京 100049; 3. 北京航天发射技术研究所, 北京 100076)

为了强化气固射流反应器内颗粒弥散和气固混合性能，采用光纤探针对不同喷嘴收缩射流颗粒浓度分布规律及其发展特性进行了研究；
考察了射流速度和颗粒负载率对颗粒浓度分布、质量、动量和回流通量的影响。结果表明，喷嘴收缩效应使颗粒向射流轴线汇聚形成局部浓相区，收缩角的增大使浓相区向喷嘴靠近。回流卷吸和壁面效应的共同作用使颗粒浓度沿径向呈“多段式”分布特征。颗粒在射流轴线的汇聚和边壁区的富集降低了颗粒分布的均匀性。在射流近场，颗粒的质量和动量通量主要发生在射流剪切层；
随剪切层的发展其通量峰值向边壁移动，而近壁区的颗粒回流使质量和动量通量显著增加。

气固两相射流；
喷嘴结构；
颗粒浓度；
颗粒通量

气固射流反应器因其良好的湍流和混合性能被广泛用于化工、能源转化等领域，如粉煤气化炉、燃烧炉、喷动流化床、喷雾干燥机等[1-4]。射流反应器内气固流动和颗粒浓度分布特性与动量、热量和质量传递、化学反应速率、污染物的生成等因素紧密相关，同时也是射流反应器设计和放大所必须的重要参数之一[5-6]。因此有必要掌握射流反应器内颗粒浓度轴径向分布及其发展规律。

气固两相射流经历了由稀相射流到稠密射流、由自由射流到受限射流的研究阶段。早期关于颗粒浓度的研究集中在低负载率(固气质量流量比=q,p/q,g，<1)和无反应器器壁限制的自由射流，如Hayashi等[7](= 0.01～0.05)、Tsuji等[8](= 0.71～2)、Fan等[9-10](= 0.21～0.48)、Aísa等[11](= 0.3)考察了颗粒负载率、颗粒粒径、射流速度等参数对气固两相射流颗粒浓度分布的影响。研究表明射流远场颗粒浓度分布具有相似性，符合高斯函数；
颗粒负载率的增大使射流中心高浓度区上移，增大射流速度使颗粒倾向于聚集在射流中心。随后，研究开始关注射流反应器内颗粒浓度分布。如秦军等[12](= 3.46)发现近壁回流区的卷吸作用使颗粒向壁面富集，并且大颗粒的富集现象更明显。王辅臣等[13-14]以H2为示踪气体，分别考察了射流动量比和旋流对气化炉内气体浓度分布的影响，提出了射流充分发展区无量纲浓度径向分布、无量纲最大浓度和中心混合分数的经验关联式。周志军等[15]以CO为示踪气体，研究了气化喷嘴收缩角度(=60°和64°)对射流反应器内流场和浓度分布的影响。发现回流区和回流量随收缩角增大而增大，收缩角对浓度影响较小。王辅臣等[13-14]和周志军等[15]的研究方法局限于以气体为示踪，并未对气固两相射流进行实验。Lau和Nathan[16-17](= 0.4)研究了颗粒Stokes数对颗粒速度和浓度分布的影响。结果表明随颗粒Stokes数的增大，射流出口颗粒浓度分布由“U”形转变为“A”形，使颗粒浓度的轴线分布出现峰值。近期，颗粒负载量较大的稠密气固射流得到广泛关注。姚敏等[18](= 1.5～2.2)考察了旋流对稠密气固射流颗粒浓度分布的影响。发现射流近场颗粒浓度呈双峰形分布，而射流远场颗粒浓度分布比较均匀，只在近壁面区域出现颗粒富集；
而旋流加速了轴线颗粒浓度衰减。许荣杰等[19]对不同煤粉通道旋转角度和旋流叶片安装角度的气化喷嘴进行了数值模拟。结果表明气化炉内速度场主要受旋流叶片安装角度的影响，煤粉通道旋转角对颗粒浓度影响更为显著；
在煤粉通道旋转角为60o、旋流叶片安装角为30o时，射流颗粒具有更好的弥散和气固混合性能。

综上所述，射流反应器内颗粒浓度分布的研究集中在射流速度、颗粒负载率、颗粒Stokes数等初始工况的影响；
对于喷嘴结构-尤其是喷嘴收缩角度对颗粒浓度分布及其发展特性的研究较少。因此，本研究在气固两相射流大型冷模实验平台上，对不同喷嘴收缩角度的稠密气固射流反应器内颗粒浓度分布及其发展特性进行研究，可望为气固射流反应器的设计、优化及工业应用提供理论支撑。

2.1 实验装置及流程

以石油焦加压中试气化炉为模型[1]，自主搭建了一套气固两相受限射流冷模实验装置，如图1所示。实验中，压缩空气先进入储气罐，经转子流量计计量后再携带固体颗粒垂直向下进入喷嘴直管，直管内径i=50 mm，长=880 mm。直管的末端连接收缩式喷嘴，定义收缩壁面形成的锥顶角为收缩角。喷嘴的出口直径=25 mm恒定，通过改变喷嘴锥体高度，形成不同的喷嘴收缩角度=20°，40°，60°，80°。射流反应器和喷嘴均采用有机玻璃加工而成，其中反应器半径=145 mm，高=1 030 mm。反应器与喷嘴直径比=11.6，为受限射流[20]。反应器内的颗粒在气流的携带下进入旋风分离器，经分离后进入储料罐，未被分离的少量颗粒由布袋捕集。

图1 实验装置及喷嘴结构示意图

1. computer 2. displacement controller 3. photoelectric conversion and amplification circuit module 4. displacement table 5. optical fiber probe 6. screw feeder 7. nozzle 8. jetting bed 9. air flowmeter 10. bag filter 11. cyclone separator 12. storage tank 13. surge tank 14. blower

选择反光性能较好、密度与石油焦接近的硅胶颗粒为实验物料，颗粒密度p=1 024 kg×m-3，平均粒径p=104 µm，堆密度b= 431 kg×m-3。实验前，对单位时间流出螺旋喂料器的颗粒进行称重，获得电机转速和颗粒质量流量间的标定关系。实验在常温、加压(= 0.02 MPa)下进行，喷嘴出口的气体射流速度分别为15.85、24.91、33.97 m×s-1。为降低颗粒摩擦产生的静电影响，物料中添加了质量分数约1% 的抗静电剂，详细实验工况见表1。

表1 气固两相实验参数

2.2 测量方法

采用中国科学院过程工程研究所开发的PV4A和PC6M型光纤探针对颗粒速度和浓度分别进行测量，原理可参考文献[21-22]。参照Zhang等[23]的标定方法，对浓度光纤探针的输出电压-颗粒浓度进行标定实验。为提高测量精度并与射流反应器内实际颗粒浓度相接近，标定最大颗粒浓度为0.1。Zhang等[23]和Matsuno等[24]研究发现，当颗粒浓度较小时，电压与颗粒浓度存在线性关系，因此对标定数据进行线性回归获得标定方程：

=0.0743+52.7948p(1)

式中：为测量电压；
p为固含率。采用固含率来表示颗粒浓度，即颗粒在某一截面气固两相中所占的体积分数。

速度和浓度光纤探针的采样频率分别为100 kHz和1 kHz，采样时间为15 s，连续测量3次，每次20组，测量相对平均偏差小于5%。实验中沿射流轴向共布置14个测量截面，距离喷嘴出口的无因次距离/分别为0，1.25，2，3.8，5，6.2，8，9.8，13.4，17，20.6，24.2，31.4，38.2。每个测量截面选取9个径向测点，距射流轴线的无因次径向距离/分别为0，0.07，0.14，0.28，0.41，0.55，0.69，0.83，0.96。

3.1 颗粒浓度的轴径向分布

图2为不同气体射流速度下颗粒浓度的轴向分布。可以看到，沿射流轴线颗粒浓度先急剧增加后缓慢减小进而趋于稳定，在/= 1～8的射流近场形成明显的浓度凸起，这是由于喷嘴收缩效应使颗粒向射流轴线聚集，形成局部浓相区。当/> 20，颗粒浓度基本保持恒定，说明射流颗粒已完成扩散。整体来看，颗粒浓度随射流速度的增大而降低，说明射流速度增大使颗粒径向扩散能力增强。此外，随射流速度的增大，峰值浓度显著降低，并且峰值浓度的轴向位置向下游移动，这表明喷嘴收缩效应随射流速度的增大而减弱。分析不同收缩射流，发现喷嘴收缩效应对/< 20的射流近场颗粒浓度影响较大，颗粒浓度随喷嘴收缩角的增大而显著增加。喷嘴收缩角增大，浓度峰值位置由/= 8上移至3.8，这是由于收缩角越大，喷嘴收缩效应越强，产生的颗粒径向速度分量增大，颗粒汇聚的轴向距离缩短。

图2 不同射流速度的颗粒浓度沿射流轴线分布

图3为不同轴向截面颗粒浓度径向分布(g,e=24.91 m×s-1，q,p=115.2 kg×h-1)。发现射流反应器内颗粒浓度的径向分布呈“多段式”分布特征，而非指数型分布，这与自由射流存在显著差异[7-11]。在射流近场(/<8.2)，由于卷吸较弱，大量回流颗粒在反应器穹顶部聚集，在/= 0.14～0.41的径向区域形成局部高浓度区，导致颗粒浓度沿径向呈“s”形分布，与文献报道一致[18]。随射流发展(/= 8.2～13.4)，局部高浓度区向边壁移动，同时壁面效应使边壁区颗粒浓度逐渐增加，颗粒浓度沿径向演化为“e”形分布。在射流远场(/> 13.4)，射流中心颗粒浓度分布比较均匀，回流卷吸和壁面效应的共同作用使颗粒在近壁区富集，在/≈ 0.8处颗粒浓度开始激增，颗粒浓度呈现“中心低边壁高”的环核分布，这与提升管径向流动结构相似[25]。对于气化炉而言，此分布特征有利于耐火砖挂渣和延长使用寿命，但同时也会造成灰渣中残炭含量偏高[26]。对比不同收缩射流，发现喷嘴收缩角增大，射流近场局部高浓度区逐渐消失，中心均匀区变宽，边壁区颗粒富集现象加剧。这是由于收缩角的增大使射流近场卷吸能力增强，反应器穹顶的颗粒被重新卷吸进射流流体，更多的颗粒在近壁区发生回流[15]。

图3 不同轴向截面局部颗粒浓度的径向分布

3.2 颗粒浓度分布的不均匀性

为了表征射流反应器内颗粒浓度分布的不均匀性，引入Zhu等[27]提出的径向不均匀指数(radial non-uniformity index，RNI)。径向不均匀指数RNI(p)为

图4为不同工况下径向不均匀指数的轴向分布。发现射流反应器内颗粒浓度分布十分不均匀，随射流发展，RNI(p)分布出现2个峰值。在射流近场，颗粒向轴线的汇聚和反应器顶部的局部高浓度区造成不均匀指数显著增加，在/=3.8～6.2呈现第1个峰值。在射流远场，回流卷吸和壁面效应导致颗粒浓度呈现“中心低边壁高”的径向分布特征，使不均匀指数在/≈20.6出现第2个峰值。但与颗粒循环量和表观气速相同的提升管和下行床反应器相比[28]，射流反应器RNI指数远低于前两者，说明射流反应器在颗粒浓度分布均匀性具有显著优势。如图4所示，射流速度的增大使射流近场RNI(p)显著降低，第1个峰值逐渐消失，这与图3射流近场浓度径向分布波动减小的实验结果一致。而射流远场RNI(p)略有增加，这是因为射流速度的增加使射流中心浓度均匀区增大，边壁颗粒富集区减小，浓度分布的相对均匀性降低。当射流速度恒定，颗粒质量流量的减小使颗粒浓度分布均匀性显著提高。此外，对比不同工况下的径向不均匀指数，发现收缩角的增大使射流充分发展区的RNI略有增大，这可能与收缩角增大，颗粒在近壁区的富集增强有关。

图4 不同射流工况下径向不均匀指数RNI(εp)的轴向分布

3.3 颗粒通量的轴径向分布

颗粒通量是颗粒动力学研究中一个重要参数，反映了颗粒速度和浓度对反应器内气固两相射流的共同作用[29]。根据测得的局部颗粒浓度和颗粒速度，可计算得到局部颗粒质量通量p, l和局部颗粒动量通量p, l：

图5为g, e=24.91 m×s-1、q,p=115.2 kg×h-1工况下不同轴向位置局部颗粒质量通量的径向分布。可见，各截面局部颗粒通量的径向分布存在相似性：各截面正/负颗粒通量并存，沿径向颗粒通量先增加后降低进而趋于稳定。射流中心由于颗粒浓度较小，局部颗粒通量较低；
剪切层内大尺度涡环对回流颗粒的卷吸作用，使局部颗粒通量显著增加。随射流剪切层的发展，颗粒通量峰值位置由/≈ 0.1移动至0.3。在/< 20.6的回流区，各径向位置颗粒通量的差别较小，呈现平缓均匀的径向分布。随射流的发展(/>20.6)，边壁区的颗粒通量开始反向激增，在/≈ 0.9达到最大回流通量。对比不同收缩射流，发现收缩角增大对射流区的颗粒通量影响较小，而使边壁区的颗粒回流通量显著增加，与文献报道一致[15]。可以发现，各截面局部颗粒通量的峰值位置与局部高浓度区一致，说明局部颗粒通量受颗粒浓度的影响较为显著。图6为相同工况下不同轴向位置局部颗粒动量通量的径向分布。可以看到，颗粒动量通量径向分布与质量通量相似，仅在射流剪切层内动量通量激增，其余各径向位置呈现平缓均匀的分布特征。随剪切层的发展，动量通量峰值位置由/≈ 0.1向边壁区移动，说明颗粒动量沿径向传递，也反映了射流反应器内气固两相流的发展情况。在/>20.6的射流远场，颗粒动量通量在/≈ 0.9有一个明显的凸起，体现了颗粒沿壁面回流对动量通量的贡献。

图5 不同轴向位置局部颗粒质量通量的径向分布

图6 不同轴向位置颗粒动量通量的径向分布

将回流区的局部颗粒回流通量进行积分，获得各截面平均颗粒回流通量。图7为g,e=24.91 m×s-1工况下颗粒回流质量通量随轴向距离的变化。随着射流发展，颗粒总回流量随轴向距离呈先线性增加后缓慢减小的特点，在/≈ 20达到最大颗粒回流量，与文献报道一致[2, 15]。以=20o、q,p=115.2 kg×h-1工况为例，最大颗粒回流量为射流量的15.62倍，大量的回流对气化反应和燃烧火焰的稳定性十分有利。当射流速度恒定，颗粒回流量随颗粒质量流量的增加而显著提高。对比不同收缩射流，发现收缩角增大，颗粒回流量分布曲线变陡，回流量增加。这是由于喷嘴收缩角的增大使射流速度提高，射流卷吸能力增强，更多的颗粒在气流的携带下发生回流[15]。此外，颗粒质量流量和喷嘴收缩角对最大回流量的轴向位置影响较小，这可能与实验工况下回流气体未达到饱和夹带量有关。

图7 不同收缩射流颗粒回流质量通量的轴向分布

对不同喷嘴收缩角度(=20o，40o，60o，80o)的射流反应器内颗粒浓度轴径向分布规律及其发展特性进行了研究，主要结论如下：

(1) 喷嘴收缩效应使颗粒浓度沿轴向先增加后降低进而趋于稳定。收缩角的增大使/< 20范围内的颗粒浓度显著提高，局部浓相区由/= 8上移至/= 3.8。

(2) 颗粒浓度沿径向呈“多段式”分布特征：由射流近场(/< 8.2)的“s”形分布演化为过渡区(/= 8.2～13.4)的“ε”形分布；
回流卷吸和壁面效应的共同作用使射流远场(/> 13.4)的颗粒浓度呈“中心低边壁高”的环核形分布。

(3) 颗粒在射流轴线的汇聚和边壁区的富集降低了颗粒分布的均匀性，而喷嘴收缩角的增大加剧了充分发展区颗粒分布的不均匀性。

(4) 在/< 20.6，颗粒动量和质量通量主要集中在射流剪切层。随剪切层的发展，通量峰值由射流中心向边壁区移动。在/> 20.6，边壁区的颗粒回流使回流通量激增。随收缩角和颗粒质量流量的增大，颗粒回流量增加，在/≈ 20达到最大回流量。

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Effects of nozzle contraction angle on particle concentration characteristics and flow development in a confined jet reactor

BA Zhong-ren1,2, ZHAO Jian-tao1, NIE Wei1, HAO Zhen-hua1, YANG Ze-tao3, FANG Yi-tian1

(1. State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China;2. School of Chemical Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076, China)

In order to enhance particle dispersion and gas-particle mixing performances, the distribution and development characteristics of particle concentration were investigated within a jet reactor with different contraction angles. Effects of jet velocity and particle loading ratio on particle concentration distribution, mass flux, momentum and circulation were discussed. Due to the nozzle contraction effect, particles converged towards the jet axis and formed a local dense region. As the contraction angle increases, the local dense region moves towards upstream. The combing interactions of the recirculating entrainment and the wall effect resulted in a multi-staged distribution of particle concentration. The coalescence of particles in the jet axis and the accumulation of particles near the wall both decrease the uniformity distribution of particle concentration in the jet reactor. In the near field, particle mass and momentum fluxes mainly occur in the shear layer. The location of peak fluxes moves towards the wall with the shear layer development, and particle recirculation fluxes increase significantly near the wall.

gas-particle two-phase jet; nozzle configuration; particle concentration; particle flux

1003-9015(2022)06-0815-10

TQ545

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.06.006

2021-09-13；

2021-12-10。

山西省科技重大专项(20201102006)；
山西省重点研发计划(201903D121018)；
国家重点研发计划(2018YFC0808500)。

巴忠仁(1991-)，男，山东滨州人，中国科学院大学博士生。

赵建涛，E-mail：zhaojt@sxicc.ac.cn

巴忠仁, 赵建涛, 聂伟, 郝振华, 杨泽涛, 房倚天.喷嘴收缩角度对射流反应器内颗粒浓度分布及发展的影响 [J]. 高校化学工程学报, 2022, 36(6): 815-824.

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