黏結性粗顆粒流動與流態化的研究進展

李娜，王嘉駿，馮連芳，顧雪萍

（浙江大學化學工程與生物工程學系，化學工程聯合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

黏結性粗顆粒通常是指顆粒間具有黏附性且粒徑處于毫米級及以上的顆粒，區別于傳統的Geldart C類[1]微米甚至納米級的黏性顆粒，在噴霧造粒[2]、水泥熟料煅燒[3]、生物質流態化燃燒[4]、烯烴氣相聚合反應[5]等工業化過程中都會遇到黏結性粗顆粒的流態化操作。在這類流態化反應器中，黏結性使床內顆粒物料聚團，傳熱與傳質不均，造成設備頻繁發生堵塞，進一步影響流化床的穩定運行，甚至會造成死床[6]。因此研究黏結性粗顆粒的流動混合行為，并獲得其流態化規律，具有非常重要的理論意義和工業實際應用價值。

顆粒之間的作用力有很多，如范德華力、靜電力、液體橋力、固體橋力等。對于Geldart C類黏性顆粒，范德華力是主要的作用力[7]。而對于黏結性粗顆粒，液體橋力、固體橋力已遠遠大于范德華力[8]，因此需要對液體橋力和固體橋力的黏結機理進行研究，得到其黏結規律。本文主要綜述了黏結性粗顆粒的黏結機理、實驗與數值模擬的進展，并介紹了改善黏結性粗顆粒流化性能的措施。

1 黏結性粗顆粒的黏結機理

1.1 液體橋力

液體橋力存在于發生黏結的濕顆粒間，液橋形狀如圖1所示。液體橋力由兩部分組成：一部分是毛細管力，亦稱靜態液橋力，由表面張力系數決定；另一部分是由于液體黏性流動產生的動壓力，稱作動態液橋力，受液體黏性系數和顆粒相對運動速度控制[6]。

靜態液橋力與液橋形狀有關，而液橋形狀與兩個顆粒的間距有關。早期液橋的輪廓建立在環形近似的基礎上[6，9-10]，然而隨著顆粒間距增大，這種方法的精確度降低，所得結果比實際情況要小得多[6，11]。重力影響可以忽略時，液橋的幾何形狀滿足拉普拉斯方程。Lian等[6，12]將液體橋的表面張力等于氣液兩相界面的壓差，運用拉普拉斯方程計算液橋的近似形狀。

圖1 相對運動的兩球之間的液橋

計算靜態液橋力有3種方法[13]：第一種為靜壓力按液橋與固體顆粒相接觸的位置求解；第二種為靜壓力按最窄截面處求解；第三種為表面張力按最窄截面處切向運算，而靜壓力按最窄截面處面積運算。與靜態液橋力的數值解相比，在顆粒間距較小時，方法一明顯估計過高；在顆粒間距較大時，方法二估計偏低，且隨著顆粒間距增大，這種趨勢更加顯著；方法三隨顆粒間距增大精確度基本不變[14]。

相對來說，動態液橋力更加復雜。對于兩剛性球的法向運動，其動態液橋力已經研究得比較透徹[15-16]。對于兩球平動或相對旋轉運動引起的動態液橋力，則研究不夠充分。李紅艷[13]、蘇旭彬[17]等根據 Reynolds潤滑理論推導出顆粒相對滑移時黏性阻力和阻力矩方程（圖1）。

以上都是基于理論分析。Olivier等[18]通過在兩運動球體間加入少量液體，實驗研究黏度對液體橋力的影響，測量作用于兩顆粒之間的靜態及動態液橋力，得到了可作用于較寬顆粒距離及速度范圍的計算公式。

綜上所述，液橋形狀和計算方法是影響靜態液橋力的主要因素；而動態液橋力由于其復雜性，其研究還需要進一步完善。

1.2 固體橋力

固體橋力存在于以下情況[6]：一是液體橋含有溶解質并干燥；二是顆粒間發生化學反應；三是溫度升高造成固體顆粒表面產生黏性。固體橋力由脖頸半徑x與脖頸抗拉強度σneck決定，其大小可由公式 F=πx2σneck計算。脖頸半徑受床層溫度、顆粒接觸時間和粒徑的影響（圖2）。隨接觸時間增加和溫度升高，脖頸半徑均增大[19-20]。因為固體橋力產生的黏結本質與冶金工業中的燒結一致，所以燒結理論能夠很好地解釋固體橋力的脖頸成長，其適用性已經得到驗證[6，21]。

對于固體橋力抗拉強度的研究較少。王希[6]針對高黏度飛灰結渣過程，發現固體表面能及材料流變性是影響固體橋力的主要參數。通過引入衡量材料流變性的針入度參數，建立了可以用到其他材料的脖頸抗拉強度求解公式。

圖2 顆粒固體橋顯微圖像

可以看出，固體橋力抗拉強度的求解是對固體橋力研究面臨的主要問題。

2 黏結性粗顆粒流動及其流態化

2.1 實驗研究

Hsiau等[22-24]在一個二維剪切實驗裝置中研究了濕顆粒流的傳遞和混合性質。通過研究濕含量對剪切顆粒流傳遞性質的影響，發現隨液體含量增加，液體橋力增大，進而削弱顆粒的運動。同時液體黏度增大會增強液體橋力，使得顆粒流動性減弱。通過將實驗結果與擴散機理進行比較，發現在剪切流動中黏性顆粒的混合是受擴散機理控制的。

對于黏結性粗顆粒的流態化，McDougall等[25]研究發現液體黏度和接觸角是黏結形成的重要影響參數。在低接觸角時，只有高黏度液體才會使顆粒黏結；在高接觸角時，液體總會使顆粒黏結，黏度對黏結形成影響很小。

寧新宇等[26]采用小型鼓泡流化床實驗裝置，以石英砂為床料，研究生物質流化床燃燒床料的黏結機理。結果顯示，溫度是影響床料黏結的重要因素。堿金屬的存在形態為判斷床料是否發生黏結的重要依據。Ca元素為構成黏附物的重要組分，會影響床層發生結團。

對于黏結性粗顆粒流化異常的預警，鄭會曉[27]采用壓力信號的S吸引子比較法對床內顆粒黏結動態過程進行監測。通過研究石蠟材料在一定溫度下的流化黏結行為，發現其黏結規律（圖3），且S值在不同工況下均能將黏結程度與黏結發展趨勢準確預測，故能用其判斷流態化過程中顆粒流態化質量。此外，陽永榮等[28]利用聲發射信號對臥式釜聚丙烯結塊進行監測。

圖3 石蠟顆粒流態化黏結過程

2.2 模擬研究

顆粒流模擬可以選擇連續或離散模型。連續模型通過對顆粒相建立質量和動量平衡方程將其看成一個連續相，并建立本構方程用以封閉方程。但將黏結力加入到本構方程中是困難的。與之相比，由于離散模型是通過對單個顆粒建立動量平衡方程而確定顆粒的運動，將黏結力加入到離散模型是可行的。離散單元法（DEM）逐漸成為模擬黏結性粗顆粒的重要工具。

為了研究液體橋力對二維振動床中濕顆粒流的影響，Hsiau等[29-30]采用DEM模擬加入液體對顆粒對流的影響。對于干燥顆粒，摩擦力決定顆粒對流的強度；而對于濕顆粒流，摩擦力和液體橋力控制顆粒對流強度，其中液體橋力變化來源于表面張力和填隙流體黏度不同。并且發現混合程度與自擴散系數緊密相關，均受填隙流體體積的影響。

Radl等[31]采用DEM對立式四槳葉混合器中的顆粒流進行數值模擬。研究結果顯示，干燥顆粒和濕顆粒的平均速度場和速度脈動完全不同。對于濕顆粒容易形成顆粒堆，因此垂直方向速度脈動更明顯。并且發現濕顆粒相比干燥顆粒有更高混合效率。

對于黏結性粗顆粒的流態化，Mikami等[32]建立基于軟球模型的離散單元法，并成功用于對濕粉流化的模擬。干燥顆粒和濕顆粒表現出完全不同的鼓泡行為（圖4和圖5）。對于濕顆粒，成功地模擬出黏結團的形成，并且濕顆粒的最小流化速度要高于干燥顆粒。

Rhodes等[33]利用DEM考察了B、D類粗顆粒間黏結力對氣固流化床流化性能的影響。通過模擬發現，粗顆粒被賦予黏結力后會表現出類似A類顆粒的特征，最明顯的就是在顆粒的最小流化速度和最小鼓泡速度之間存在一段非鼓泡流態化區。

圖4 離散單元法模擬干燥顆粒的流化行為

圖5 離散單元法模擬濕顆粒的流化行為

Mansourpour等[34-35]數值模擬研究了聚乙烯氣固流化床。模擬顯示隨入口氣速和操作壓強的增大，顆粒溫度降低。通過顆粒溫度可以預測聚乙烯反應器中熱點和黏結團的形成的可能性，但此模型中沒有考慮黏結力的作用，不能深入解釋操作壓強對黏結團形成的影響。為了完善模擬，在模型中進一步引入黏結力，其計算采用基于時間依賴的固體橋力模型[35]。結果顯示隨著操作壓力的增加，顆粒之間的碰撞減少，但顆粒之間形成更強的固體橋力，流態化異常現象推遲。

以上都是針對顆粒與顆粒之間的黏結作用，蘇旭彬[17]通過將一個顆粒的半徑放大無限大，分析顆粒相對塔壁滑移的模型，得到顆粒黏壁規律：①液橋在一定范圍內顆粒干燥程度增大時顆粒黏壁減輕；②而液橋超出此范圍時顆粒干燥程度較小影響顆粒黏壁；③塔壁粗糙度降低時容易清除黏壁的顆粒；④高黏度液體較之低黏度液體對顆粒的黏附行為影響相對較大。

3 改善流化

對于改進黏結性粗顆粒的流態化，主要有以下進展。

王希[6]通過改造布風措施來改善黏性粗顆粒流態化黏結行為。與正常進風相比，采用貼壁風或旋流進風方式均能有效降低床內顆粒的黏結。貼壁風能延緩黏結出現，但旋轉進風會提前黏結起始時刻。綜合考慮貼壁風比旋轉進風能更有效改善床內黏性粗顆粒流態化黏結現象。

楊魁等[36]提出了粗顆粒流態化水泥熟料煅燒工藝。在此基礎上，段然[37]分析了高溫黏結等問題的原因，提出降低黏結發生概率的以下措施：采用包裹料球工藝；為了及時破壞已形成的料球間黏結，合理增大流化床內的操作風速；優化裝置結構。進一步分析并改造原有裝置，主要通過以下方式：增加流化床的高度；冷卻帶的優化改造。實驗結果顯示改造后的實驗裝置可以維持短時間的穩定運行，但依然存在許多缺陷。

寧新宇等[38]以河砂、白云石、黏土和石煤灰作為床料，進行玉米秸稈成型燃料燃燒黏結機理實驗研究。結果表明，對于生物質流化床燃燒黏結現象，本文所采用的4種床料均能夠有效地控制；床料中含有的Al、Fe、Mg以及Ca元素會和含堿金屬元素的化合物反應形成高熔點物質，進而覆蓋在結團的表面，避免結團顆粒進一步增大，從而可以控制床料黏結和結團。

日本三井石油化學公司開發的丙烯氣相聚合的新工藝中，通過在流化床聚合反應器內加入特殊攪拌裝置，有效避免聚合物的黏壁[39]。王嘉駿等[40-41]通過向流化床中加入框式攪拌槳改善D類顆粒流態化，研究結果顯示D類顆粒在攪拌的作用下會產生類似A類顆粒的散式流態化特性，且氣泡尺寸變小，流態化質量明顯提高，但研究中所用的是無黏結性D類顆粒。

4 結 語

對于黏結性粗顆粒，液體橋力和固體橋力是主要的黏結力。靜態液橋力主要受液橋的形狀影響，動態液橋力則計算較復雜。對于固體橋力，燒結機理可以很好地解釋脖頸的成長過程，但脖頸的抗拉強度還沒有系統的理論分析。

對于黏結性粗顆粒的實驗及模擬研究，當液體橋力為主要黏結力時研究較多，對固體橋力的研究較少。通過對黏結性粗顆粒的實驗研究，得到了濕含量、液體黏度、溫度等對其流動及流態化的影響，并且已經提出比較準確的流態化異常預警方法。采用離散單元法DEM，可耦合不同黏結力模型，數值模擬能夠預測操作參數對黏結性粗顆粒流動與流態化的影響。

目前改善黏結性粗顆粒流態化的主要措施，有提高操作風速、裝置改造、改變床料、加入攪拌機構等。

由于黏結性粗顆粒間的作用力非常復雜，無論實驗研究還是數值模擬都是非常困難和挑戰性的工作。目前固體橋力方面的研究非常缺乏，其在工業中的應用受到限制。而新的顆粒間作用力數學模型的開發，以及與離散單元法的耦合，預測復雜顆粒流動與流態化過程，是具有重要實用價值的基礎研究方向。

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