《Powder Technology》：Solids holdup of Geldart group C particles desulfurization ash in a novel loop coupled circulating fluidized bed riser reactor
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为解决干法烟气脱硫（FGD）中 Geldart C 组脱硫灰因强团聚导致固含率低、脱硫效率不足的问题，研究人员设计环路耦合提升管反应器，探究其在 Ug=4–7 m/s、Gs=25–45 kg/m2s 条件下的固含率分布。结果显示环路结构显著提高固含率（底部达传统反应器 5 倍），建立的经验关联式预测准确，为稳定运行及先进脱硫系统提供参考。
全球气候危机正严峻威胁人类生存环境，温室气体尤其是 CO?的过量排放是主要诱因。在第 28 届联合国气候变化大会（COP28）上，各方代表强调需在 2030 年前将温室气体排放量削减 43%。化石燃料燃烧是 CO?排放的主要来源，2023 年全球火电及重工业过程的 CO?排放量已飙升至 37.4 Gt。碳捕集、利用与封存（CCUS）作为缓解排放的最直接有效策略，其核心环节碳捕集的顺利实施离不开前期的烟气脱硫处理 —— 工业烟气中的硫化合物若未经处理，会腐蚀设备并毒化吸附剂，因此脱硫是碳捕集前的必要步骤。
烟气脱硫（FGD）按脱硫吸附剂的 moisture 状态可分为湿法、半干法和干法。湿法脱硫效率虽高达 99%，却产生难处理的含硫废水且易引发设备腐蚀；半干法无废水排放且效率超 90%，但运行成本高、抗负荷波动能力弱。干法脱硫流程简单且无废水，其中循环流化床（CFB）脱硫效率最高，但因采用钙基吸附剂生成的脱硫灰存在问题而受限。脱硫灰粒径通常小于 20μm，属于 Geldart 分类中的 C 组颗粒（Geldart C particles），这类颗粒因粒径微小，颗粒间作用力强、黏性大，流化时易沟流和团聚，导致反应器内固含率（solids holdup）分布极不均匀，除堆积区外固含率低，气固接触效果差，脱硫率难超 80%，无法满足工业需求。
现有增强 Geldart C 颗粒流化性能的方法存在局限：引入声场、电场等外力场需额外设备，增加工业放大难度和能耗；颗粒调制法虽不受反应器尺寸限制，但可能因颗粒分离不完全影响产品纯度。因此，寻找无需额外外力或添加剂、通过反应器结构优化改善流化性能的方法成为关键。
研究人员设计了一种新型环路强化耦合反应器，旨在提升循环流化床中 Geldart C 组脱硫灰颗粒的流化性能，提高干法脱硫系统效率。该研究成果发表于《Powder Technology》。
为开展研究，研究人员构建了环路耦合提升管反应器实验系统，主要由环路区、输送区、气固分离系统、储罐及辅助组件构成，环路区通过扩大传统提升管下部直径并内置导流筒设计而成，总高 12600 mm。采用压力传感器和光纤探针测量 Geldart C 组脱硫灰在耦合反应器中的流动特性，系统研究了表观气速 Ug=4–7 m/s、固体循环速率 Gs=25–45 kg/m2s 范围内的固含率分布，并与传统提升管对比，探究环路结构的富集机制，最终基于实验数据建立预测环路区固含率的经验关联式。
环路耦合提升管反应器设计特点
该反应器创新性地在提升管底部耦合环路结构，通过内置导流筒将环路区分为导流筒内的中心区和导流筒与反应器壁间的环隙区。通过控制进气量，利用两区密度差和流体高度形成驱动力，使颗粒从环隙区向中心导流筒区形成水平循环流动，与分布器控制区的垂直气体射流协同作用，增强反应器内气固湍流程度。
环路区 Geldart C 颗粒的压力波动特性
压力信号测量是表征循环流化床内气固流动行为的成熟方法，具有简单、稳定、可靠且适用于工业规模的特点。研究通过系统监测环路区导流筒内和环隙区的压力分布及波动特性，确保 Geldart C 组脱硫灰在耦合反应器中实现稳定的环路流动，为后续固含率分析提供基础流动状态验证。
固含率分布特性及环路结构的富集机制
实验结果表明，环路结构显著提高了反应器内 Geldart C 颗粒的固含率，其中底部环路区的富集效果最为明显，固含率可达传统提升管的 5 倍。这是因为环路结构形成的水平循环流动与垂直气体射流共同作用，有效打破了 Geldart C 颗粒因强黏聚性导致的沟流、死区和 slugging 等异常流动模式，增加了参与流化的颗粒数量，改善了整体流动行为。
操作条件对固含率分布的影响
在研究的表观气速（Ug=4–7 m/s）和固体循环速率（Gs=25–45 kg/m2s）范围内，操作参数对不同区域的固含率分布存在影响。整体而言，环路结构在各操作条件下均能维持较高的固含率水平，为反应器的稳定运行提供了操作灵活性。
经验关联式的建立与验证
基于实验数据，研究建立了用于预测环路区 Geldart C 颗粒固含率的经验关联式。该关联式经验证具有良好的预测精度，可为本类反应器的设计优化和操作调控提供定量参考。
本研究通过创新反应器结构设计，成功解决了 Geldart C 组脱硫灰颗粒在干法脱硫循环流化床中因团聚导致的固含率低、气固接触差的关键问题。环路耦合提升管反应器通过内部循环流动强化湍流，显著提高了颗粒固含率，尤其是底部环路区的富集效果显著，为提升脱硫效率奠定了基础。建立的经验关联式为反应器的稳定长期运行和精准调控提供了可靠工具。
该研究不仅深化了对 Geldart C 颗粒流化机理的理解，更突破了现有流化强化技术的局限，无需额外能耗或添加剂即可改善流动性能，为先进烟气脱硫系统的开发提供了重要参考，对推动 CCUS 技术中脱硫环节的优化升级、助力温室气体减排目标的实现具有重要现实意义。
