中国石油大学（北京）：旋流强化下Geldart C类脱硫灰颗粒在新型环流耦合提升管内稳定流动特性--颗粒学报PARTICUOLOGY

循环流化床（CFB）反应器在烟气脱硫过程中，Geldart C类脱硫灰颗粒易在入口区域发生聚集与堆积，严重制约气固接触效率。针对这一难题，本研究提出了一种新型CFB反应器构型，通过在提升管底部增设环流反应器并采用切向进气方式，利用气体旋流所产生的强剪切作用，强化入口区域的颗粒流化行为与气固接触性能。在表观气速为1.5 – 4.5 m/s的条件下，系统考察了不同进气结构对CFB入口区域环流形成过程及固含率分布的影响。结果表明，切向进气所诱导的旋流显著增强了环流段内的压力脉动与气固湍动强度，有效促进了更多C类颗粒参与环流段的内循环流动，使环流段固含率明显提高；同时，颗粒进入输送段参与外循环的概率亦随之提升，增强了CFB对C类颗粒的处理能力。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 109），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

亮点

1. 反应器结构创新：提出新型环流耦合提升管反应器，区别于传统的施加外力场与颗粒调制方法，通过流化床结构优化实现了Geldart C类颗粒的稳定循环流态化。

2. 进气结构优化：采用切向进气结构替代传统垂直进气与盘管进气，在环流段底部形成气体旋流，获得更高的湍动程度，有效缓解C类颗粒堆积问题，颗粒循环速率提高42.9%。

研究背景

循环流化床（CFB）反应器凭借其优异的传热传质性能和灵活可控的操作条件，已成为催化裂化、CO₂捕集、烟气脱硫等工业过程的核心装备。这类反应器普遍存在反应集中发生于入口区域的特点。Geldart C类超细颗粒因具有更大的比表面积，在CFB反应器中展现出巨大的应用潜力。然而，该类颗粒粒径小、内聚力强、粘性显著，极易在入口区域形成大尺寸聚团，导致流化质量恶化，严重制约反应效率。

针对CFB入口区域气固接触效率提升的问题，研究者们从入口结构优化角度开展了大量探索。图1统计了相关文献的年度分布，可见该方向持续受到学术界的高度关注。然而，现有针对C类颗粒入口区域流化强化的研究多局限于低气速操作（U_g < 0.5 m/s），主要处于起始流化会鼓泡流化状态，少数研究拓展至湍动流化，而高表观气体流速下才能实现的快速流化状态，在目前已报道的文献中还没有被充分研究。本课题组提出了一种新型环流耦合提升管反应器，通过构建内部循环与外部循环协同作用，实现了Geldart C类颗粒的稳定循环流化。然而，单一强化手段的调控能力仍存在一定局限，尤其在颗粒极易堆积的边壁区域，环流反应器所产生的湍流扰动尚不足以充分松动该区域的C类颗粒，流化床入口区域的流动特性仍有待进一步优化。

图1. CFB入口结构研究文献的数量统计

要点精读

1. 不同进气结构下的稳定环流机制

在环流耦合提升管中形成稳定内部环流的关键，在于环流段底部建立颗粒定向流动—该区域固含率最高、流化难度最大，需要在导流筒区底部与环隙区底部之间构建稳定压差，从而形成颗粒由环隙区向导流筒区持续流动的推动力。

实验结果表明，切向进气结构的导流筒气升式环流启动点最为靠前，由环隙气升式向导流筒气升式转变的临界气速为1.10 m/s；而垂直进气与盘管进气的临界气速分别为1.20 m/s和1.25 m/s。盘管进气因主体部分位于环隙区内引入额外阻力，在实现导流筒区气升式环流方面优势不足。

图2. 不同进气结构下环流段底部的压力、压差、流场的变化规律

2. 切向进气和垂直进气下的导流筒区固含率对比

两种进气方式下，环流段内固含率均呈现沿轴向逐渐减小的底部浓、顶部稀分布特征。在相同操作条件下，切向进气结构对应的固含率显著高于垂直进气，表明气体旋流对床层施加了额外的水平剪切作用，促使更多颗粒参与环流过程，从而有效强化了C类颗粒在环流段的流化特性。

图3. 不同进气结构下导流筒区内的固含率轴向分布

3. 切向进气和垂直进气下的颗粒循环速率对比

两种进气结构下，颗粒循环速率均随表观气速与导流筒气速的增大而提高，且在高气速下增幅更为显著。在相同气速条件下，切向进气结构可实现的最大颗粒循环速率远超垂直进气。在U_g = 4.5 m/s，U_g-d = 2.0 m/s的条件下，垂直进气结构下的颗粒循环速率为7 kg/m²s，切向进气结构下可达10 kg/m²s，相比提高42.9%。

图 4. 不同进气结构下的固体循环速率和切向进气结构下的固含率轴向分布

主要结论与展望

本研究提出了一种新型环流耦合提升管反应器，通过在提升管底部增设环流反应器并采用切向进气构建气体旋流，基于结构强化策略实现了Geldart C类颗粒的稳定循环流化。实验结果表明，气体旋流显著增强了环流反应器内的气固湍流强度，有效提升了流化床内的固含率与颗粒循环速率，改善了C类颗粒的流化性能及气固接触效率。该工作为工业CFB处理C类颗粒提供了重要的设计参考与应用依据。

作者简介

李之辉，中国石油大学（北京）化学工程与技术专业博士研究生。主要研究方向为气固流态化、超细颗粒流化性能强化、颗粒聚团动态演化。发表研究论文8篇，其中SCI论文6篇，获发明专利授权1项。

王成秀，中国石油大学（北京）教授、博士生导师。致力于微纳米颗粒技术与流态化的应用基础研究、多相反应过程强化以及新型多相反应器设计与开发。通过实验和数值模拟的手段，开展微纳多相反应过程流动、传热、传质、反应规律的研究。累计发表SCI收录论文63篇。主持国家自然科学基金2项（面上、青年）及企业科研横向10余项，授权国家发明专利10余件，美国专利4件。入选中国石油大学（北京）青年拔尖人才。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Li, Z., Jiao, X., Li, Y., Ma, X., Wang, C., Lan, X., & Gao, J. (2026). Stable flow characteristics of Geldart C desulfurization ash particles in a novel loop-coupled riser under swirling-flow enhancement. Particuology, 109, 219-230. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.01.001

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