流化床液固共存區域團聚結構表觀黏結特性

周云龍，楊寧

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林132012）

在流化床流體催化煉焦、流體催化裂解等重要的工業場合，操作溫度通常在550℃左右，此時反應液瀝青以蒸氣的形式噴射進入流化床，將熱量供給焦炭催化粒子，進一步將重質碳氫化合物裂解成輕質產物[1-4]，若注入的液體在顆粒中分布不理想將會導致顆粒團聚，阻礙顆粒與反應液間的熱量傳遞，減緩裂解過程的反應速率[5-9]，因此對流化床團聚黏結特性進行分析，對于正確地認識流化床顆粒的團聚機理、防治團聚物的形成具有重要的意義。

Mills等[10]通過研究發現液體的黏度對顆粒聚團的增長速率和擴張機制有著重要的影響，隨著液體黏度的增加團聚結構的增長速率有所增加并呈現層狀擴張機制。Saad等[11]通過顯微鏡研究了液體劑量對團聚結構形成過程中尺寸和結構參數的影響，通過冪律方程建立了團聚結構的直徑和體積分數之間的關系式。Ishmael等[12]在絕熱條件下研究了顆粒尺寸以及液體黏結劑量對顆粒聚團行為的影響，結果表明在注入等量的液體黏合劑條件下，相對較小的顆粒產生的團聚結構具有較高的抗壓強度。Thomas等[13]研究了90μm、60μm、30μm共3種尺寸的液滴對團聚結構聚集結塊的影響，研究發現90μm的液滴所引起的聚團效應明顯地高于其他兩種尺寸的液滴。Sara等[14]研究了顆粒形狀、尺寸、水分含量等因素對流化床顆粒團聚黏結特性的影響，發現團聚結構內部液體的蒸發以及團聚結構表面液體的遷移是造成團聚結構聚結特性受到破壞的主要原因。雖然人們在顆粒團聚的結構特性、形成機理方面已經取得了較多的研究成果，但由于顆粒團聚形態學黏結的復雜性和現有測試手段的局限 性[15]，目前對其了解仍然較為有限。

本文通過TEB霧化噴嘴制造團聚結構，通過層疊篩分方法對不同種類團聚結構進行分區域辨識，選取結構較為穩定的異質共存區域為研究對象，對團聚結構黏結過程的結構特性、組織特性進行了詳細的分析，研究結果有助于進一步揭示流化床內顆粒的黏結機理。

1 團聚結構制造實驗

實驗裝置如圖1所示。實驗在由有機玻璃加工而成的矩形橫截面流化床上進行，流化床主體尺寸為200mm×50mm×1200mm，為了優化流化床的流化質量，在流化床的底部位置裝有矩形布風板，布風板上均勻布置3排共29個直徑為1cm的半球形 風帽，風帽上均勻的開有8個直徑為1mm的風孔，由空氣壓縮機供給的空氣流經球閥、渦街流量計后進入流化床，通過流化床入口位置的渦街流量計可以實現流化氣流速度的實時監測，本次實驗所采用的流化氣流速度為1m/s。

圖1 實驗裝置系統圖

向流化床內噴射液體的噴嘴采用Base等[16]研制的TEB霧化噴嘴，尺寸結構如圖2所示。噴嘴入口接有液體輸送管線和空氣輸送管線，通過改變液體和空氣的流量實現噴嘴氣液比ALR的調整。其中氣體作為注入液體的輸送動力，在實驗進行過程中流量保持在1.2g/s，經測量此時液體以40g/s的流量均勻注入到流化床的內部。

圖2 TEB霧化噴嘴結構圖

TEB噴嘴安裝在距離流化床布風板600mm的位置，在流化床冷態條件下，使用糖水溶液和石英砂來模擬工業流體煉焦爐中的熱態瀝青向熱態焦炭顆粒噴射這一過程。其中McDougall等[17]已經證明室溫條件下的糖水溶液、石英砂是熱態瀝青、焦炭顆粒非常理想的替代物質，這是因為在各自對應的試驗條件下固體顆粒被液體潤濕的特性近乎一致。實驗使用的石英砂顆粒和糖水溶液的物性參數見表1，石英砂粒度分布曲線如圖3所示，實驗選用濃度為8%的葡萄糖溶液是因為在室溫條件下該濃度的葡萄糖溶液與工業中瀝青的黏度一致，同時溶液中的糖分可以充當液橋保持溶液和沙子接觸過程中形成的團聚物的強度。

2 團聚結構分區域辨識

為了確保石英砂顆粒在流化床內處于均勻分布 的狀態，在無液體注入的情況下流化2min，隨后進入液體注入混合階段，通過改變液體的注入時間t=40s、50s、60s、70s、80s、90s、100s、110s、120s、130s、140s、150s，制造流化床內不同顆粒的團聚工況，經測量各工況注入流化床的水分質量分別為wi=1.6kg、2kg、2.4kg、2.8kg、3.2kg、3.6kg、4kg、4.4kg、4.8kg、5.2kg、5.6kg、6kg，下角標i分別代表12次液體注入實驗。

表1 工質物性參數

圖3 石英砂粒度分布曲線

當糖水溶液通過噴嘴全部注入流化床，會產生不同種類的團聚結構[11]，分別在各團聚工況下取出質量為500g的結構樣本，利用20個直徑Dj=1mm、1.05mm、1.1mm、1.15mm、1.2mm、1.5mm、2mm、2.5m、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm的篩網分別進行結構篩分，下角標j分別代表20個孔徑不同的篩網。團聚結構類似于球形結構，取直徑為結構的特征尺寸，篩網j駐留團聚結構的直徑即等效為篩網的孔徑Dj。

圖4 團聚結構累計尺寸分布曲線

水分質量為wi的實驗工況，對駐留在篩網直徑為Dij的團聚結構進行稱重，得到其質量占總質量的百分比，如圖4所示，為i次液體注入過程的累計團聚結構尺寸Dij分布曲線，可以發現，在不同 工況下，累計尺寸分布主要集中在4個區域。（Ⅰ）即在水分質量wi為1.6～2.0kg時，團聚結構的直徑集中在1.0～1.5mm，相比于原始顆粒直徑幾乎沒有增加，顆粒并未發生聚團。（Ⅱ）在水分質量wi為2.4～3.6kg時，團聚結構的直徑集中在1.5～3mm時，相比于原始顆粒直徑略有所增加，黏結聚團程度不顯著，這部分結構稱為成核聚團，成核聚團是誘導顆粒發生大規模黏結聚團的基本元素[11]。（Ⅲ）水分質量wi達到4.0～5.2kg時，團聚結構直徑集中在3～5.5mm，該區域內的尺寸結構發生了明顯的增加，這部分結構即為黏結聚團。（Ⅳ）當水分質量wi增加到5.6～6.0kg時，團聚結構的直徑發生了階躍性的增加，外觀特性主要表現為黏稠狀糊質結構，幾乎不具備抵抗外界應力的能力，這部分結構稱為糊狀聚團[11]。圖5為實驗得到的原始顆粒、成核聚團、黏結聚團、糊狀聚團結構。

4種不同水分質量團聚結構的質量分數測量結果如圖6所示，在水分質量wi為1.6～2.8kg時，原始顆粒不斷減小，對應的成核聚團結構逐漸增加，這說明原始顆粒在糖水溶液的作用下相互聚結形成成核聚團。

當水分質量wi大于2.8kg時，可以發現黏結聚團結構開始出現，隨著水分質量的增加不斷增加，此時對應的成核聚團結構質量分數隨之減小至7.6%。當水分質量wi增加到4.4kg時，成核聚團及黏結聚團結構迅速開始降低，糊狀聚團結構開始 產生。

以上研究表明水分質量可以作為區別不同階段團聚結構的臨界參數。將水分質量wi控制在2.8～4.4kg時，對應原始顆粒、成核聚團和黏結聚團的共存區域，團聚結構最穩定[11]，有利于本實驗對團聚結構的水分分布狀態進行研究。

3 團聚結構黏結特性研究

3.1 結構特性

提取駐留在篩網j質量為mij（本實驗中為2g）的樣本，通過105℃恒溫干燥法在烤箱中干燥24h至質量不變，測量干燥后的質量mijs，通過式（1）計算其水分含量wij（即在注入水分質量為wi條件下駐留在篩網j每千克干燥團聚結構所含有的水分含量）。

圖5 實驗獲得團聚結構

圖6 不同水分注入量的團聚結構質量分數變化

同樣提取駐留篩網質量為mij、mijs干燥前后團聚結構樣本，采用等效替代法測量團聚結構固體體積分數Φij[18]，即選用呈有石蠟的量筒，將質量為mij、mijs團聚結構樣本分別浸入石蠟，量筒內液面對應的刻度會相應升高，增加的這部分體積即等效為團聚結構干燥前后的體積Vij、Vijs。團聚結構的固體體積分數Φij通過式（2）進行計算，反映了團聚結構的致密程度。

Sij為團聚結構的飽和度，當Sij=1時，式（2）對應飽和團聚結構的固體體積分數如圖7所示，隨著注入水分質量的增加，團聚結構固體體積分數逐漸減小，這說明黏結導致團聚結構的空隙度逐漸增加。注入的液體逐漸地填充了團聚結構的孔隙，實際團聚結構固體體積分數曲線與飽和曲線之間的間距逐漸減小，飽和度隨之增加。可以看到當注入水分質量wi達到4.4kg時，飽和度接近于1。該工況對應糊狀聚團結構轉變的臨界極限，說明過飽和狀態是糊狀聚團結構產生的先決條件。

由于液體的注入引起團聚結構直徑的變化如圖7所示。結合圖7、圖8進行分析可以發現，在液體注入過程中，固體體積分數降低的同時伴隨著團聚結構直徑（粒度四分位即代表累計團聚結構質量分數分別為25%、50%、75%時所對應的等效直徑）逐漸增加，這一結論與Vicsek[19]提出的冪律分布一致，團聚結構增長冪律分布表達式如式（3）所示，公式描述了團聚結構固體體積分數與直徑之間的 關系。

圖7 固體體積分數隨著平均水分含量的變化

圖8 團聚結構直徑隨著平均水分含量的變化

圖9 固體體積分數隨團聚結構直徑的變化

圖9為實驗測量得到的團聚結構固體體積分數Φij隨著結構直徑（Dij）的變化。從圖中可以看到，式（3）計算所得不同直徑團聚結構的固體體積分數與實驗結果吻合度較好，且不同粒度四分位（Di25，Di50，Di75）的黏結維數分別為Df=2.17，Df=2.2，Df=2.23，即黏結維數幾乎不受直徑的影響，在成核聚團及黏結聚團結構共存區域內任何直徑的團聚結構黏結增長速率均相同。

3.2 組織特性

團聚結構在共存區域相互黏結過程中，組織特性會隨之發生變化，其中水分含量、固體體積分數是衡量團聚結構組織特性的重要參數[20]，通過標準差運算可以較好地反應團聚結構組織特性參數與平均值的差異特性。

根據式（4）、式（5）計算團聚結構的水分含量和固體的體積分數標準差。

圖10(a)、(b)分別為水分含量標準差xij和固體體積分數標準差yij隨著結構直徑的變化曲線，可以看到水分含量標準差和固體體積分數標準差對不同種類的團聚結構具有明顯的尺寸分離特性。如圖10(a)所示，一部分團聚結構的尺寸直徑位于1.5～3mm，前述分區域辨識研究結果表明這部分粒度級別的團聚結構屬于成核聚團，可以看到對于成核聚團結構來說，無論注入水分質量如何，水分含量均低于平均水分含量，水分質量標準差保持為負值且恒定，這表明成核聚團的水分含量與平均水分含量保持固定的比例，這一現象是由于流化床的均勻流化作用導致水分均勻分布于成核聚團所造成的。另一部分團聚結構的尺寸直徑位于3～5.5mm，這部 分粒度級別的結構屬于黏結聚團，水分含量標準差保持為正值隨著尺寸的增加而線性增加（xij∝Dij）。可以看到隨著水分質量的增加，直線的斜率逐漸降低，這是因為注入水分質量的增加導致成核聚團逐漸聚結為黏結聚團，這一點可以通過圖6加以證實，黏結聚團在共存區域所占比例增加，所含有的水分含量與整體團聚結構的平均水分含量更加接近，因此水分含量標準差相對減小。

圖10 水分質量標準差(a)和固體體積分數標準差(b)隨結構直徑變化

如圖10(b)所示，對于成核聚團，體積分數標準差始終保持為正值且隨尺寸的增加線性下降，較小的成核聚團相比于較大的成核聚團更加密實且固體體積分數整體高于黏結聚團。對于黏結聚團，結構的尺寸位于3～5.5mm，固體體積分數的標準差為負值，隨著結構尺寸的增加線性降低，較小的黏結聚團相比于較大的黏結聚團更加密實。雖然從如圖6中可以得到，固體體積分數隨著水分質量的增加逐漸降低，然而圖10(b)中成核聚團與黏結聚團的固體體積分數標準差卻不受水分質量的影響，這說明成核聚團與黏結聚團的固體體積分數平均值與固體體積分數隨著水分質量增加以相同的比例降低。盡管共存區域的團聚結構處于同樣的流化條件下，但是成核聚團與黏結聚團的組織特性參數仍具有明顯的差異。

4 結 論

（1）控制平均水分質量在不同的區間，可以得到不同的團聚結構，當水分含量wi控制在2.8～4.4kg時，對應成核聚團與黏結聚團的共存區域。當平均水分含量超過飽和水分含量時，糊狀聚團結構隨之產生，糊狀聚團結構是過飽和狀態下的產物。

（2）在成核聚團與黏結聚團的共存區域，成核聚團是黏結聚團產生的基本元素，團聚結構的黏結導致結構的孔隙度逐漸增加，隨著注入的水分逐漸填充團聚結構的孔隙，導致結構逐漸趨于飽和狀態。在成核聚團與黏結聚團的共存區域，無論團聚結構的直徑為何值，黏結增長速率均相同。

（3）在成核聚團與黏結聚團的共存區域，盡管團聚結構處于同樣的流化條件下，但是組織特性明顯不同，成核聚團的水分含量高于平均值、固體體積分數低于平均值，而黏結聚團結構恰好相反，特性差異較為明顯。

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