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(yè)場合，操作溫度通常在550℃左右，此時反應(yīng)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(zhì)碳氫化合物裂解成輕質(zhì)產(chǎn)物[1-4]，若注入的液體在顆粒中分布不理想將會導(dǎo)致顆粒團聚，阻礙顆粒與反應(yīng)液間的熱量傳遞，減緩裂解過程的反應(yīng)速率[5-9]，因此對流化床團聚黏結(jié)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的增長速率有所增加并呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)形成過程中尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，通過冪律方程建立了團聚結(jié)構(gòu)的直徑和體積分數(shù)之間的關(guān)系式。Ishmael等[12]在絕熱條件下研究了顆粒尺寸以及液體黏結(jié)劑量對顆粒聚團行為的影響，結(jié)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(chǎn)生的團聚結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)聚集結(jié)塊的影響，研究發(fā)現(xiàn)90μm的液滴所引起的聚團效應(yīng)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(jié)特性的影響，發(fā)現(xiàn)團聚結(jié)構(gòu)內(nèi)部液體的蒸發(fā)以及團聚結(jié)構(gòu)表面液體的遷移是造成團聚結(jié)構(gòu)聚結(jié)特性受到破壞的主要原因。雖然人們在顆粒團聚的結(jié)構(gòu)特性、形成機理方面已經(jīng)取得了較多的研究成果，但由于顆粒團聚形態(tài)學黏結(jié)的復(fù)雜性和現(xiàn)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(jié)構(gòu)，通過層疊篩分方法對不同種類團聚結(jié)構(gòu)進行分區(qū)域辨識，選取結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的異質(zhì)共存區(qū)域為研究對象，對團聚結(jié)構(gòu)黏結(jié)過程的結(jié)構(gòu)特性、組織特性進行了詳細的分析，研究結(jié)果有助于進一步揭示流化床內(nèi)顆粒的黏結(jié)機理。

1 團聚結(jié)構(gòu)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(yōu)化流化床的流化質(zhì)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(jīng)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(xiàn)流化氣流速度的實時監(jiān)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(tǒng)圖

向流化床內(nèi)噴射液體的噴嘴采用Base等[16]研制的TEB霧化噴嘴，尺寸結(jié)構(gòu)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(xiàn)噴嘴氣液比ALR的調(diào)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(jīng)測量此時液體以40g/s的流量均勻注入到流化床的內(nèi)部。

圖2 TEB霧化噴嘴結(jié)構(gòu)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(tài)條件下，使用糖水溶液和石英砂來模擬工業(yè)流體煉焦爐中的熱態(tài)瀝青向熱態(tài)焦炭顆粒噴射這一過程。其中McDougall等[17]已經(jīng)證明室溫條件下的糖水溶液、石英砂是熱態(tài)瀝青、焦炭顆粒非常理想的替代物質(zhì)，這是因為在各自對應(yīng)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(shù)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(yè)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(jié)構(gòu)分區(qū)域辨識

為了確保石英砂顆粒在流化床內(nèi)處于均勻分布 的狀態(tài)，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(nèi)不同顆粒的團聚工況，經(jīng)測量各工況注入流化床的水分質(zhì)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(zhì)物性參數(shù)

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(chǎn)生不同種類的團聚結(jié)構(gòu)[11]，分別在各團聚工況下取出質(zhì)量為500g的結(jié)構(gòu)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(wǎng)分別進行結(jié)構(gòu)篩分，下角標j分別代表20個孔徑不同的篩網(wǎng)。團聚結(jié)構(gòu)類似于球形結(jié)構(gòu)，取直徑為結(jié)構(gòu)的特征尺寸，篩網(wǎng)j駐留團聚結(jié)構(gòu)的直徑即等效為篩網(wǎng)的孔徑Dj。

圖4 團聚結(jié)構(gòu)累計尺寸分布曲線

水分質(zhì)量為wi的實驗工況，對駐留在篩網(wǎng)直徑為Dij的團聚結(jié)構(gòu)進行稱重，得到其質(zhì)量占總質(zhì)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(jié)構(gòu)尺寸Dij分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在不同 工況下，累計尺寸分布主要集中在4個區(qū)域。（Ⅰ）即在水分質(zhì)量wi為1.6～2.0kg時，團聚結(jié)構(gòu)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(fā)生聚團。（Ⅱ）在水分質(zhì)量wi為2.4～3.6kg時，團聚結(jié)構(gòu)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(jié)聚團程度不顯著，這部分結(jié)構(gòu)稱為成核聚團，成核聚團是誘導(dǎo)顆粒發(fā)生大規(guī)模黏結(jié)聚團的基本元素[11]。（Ⅲ）水分質(zhì)量wi達到4.0～5.2kg時，團聚結(jié)構(gòu)直徑集中在3～5.5mm，該區(qū)域內(nèi)的尺寸結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的增加，這部分結(jié)構(gòu)即為黏結(jié)聚團。（Ⅳ）當水分質(zhì)量wi增加到5.6～6.0kg時，團聚結(jié)構(gòu)的直徑發(fā)生了階躍性的增加，外觀特性主要表現(xiàn)為黏稠狀糊質(zhì)結(jié)構(gòu)，幾乎不具備抵抗外界應(yīng)力的能力，這部分結(jié)構(gòu)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(jié)聚團、糊狀聚團結(jié)構(gòu)。

4種不同水分質(zhì)量團聚結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分數(shù)測量結(jié)果如圖6所示，在水分質(zhì)量wi為1.6～2.8kg時，原始顆粒不斷減小，對應(yīng)的成核聚團結(jié)構(gòu)逐漸增加，這說明原始顆粒在糖水溶液的作用下相互聚結(jié)形成成核聚團。

當水分質(zhì)量wi大于2.8kg時，可以發(fā)現(xiàn)黏結(jié)聚團結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，隨著水分質(zhì)量的增加不斷增加，此時對應(yīng)的成核聚團結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)隨之減小至7.6%。當水分質(zhì)量wi增加到4.4kg時，成核聚團及黏結(jié)聚團結(jié)構(gòu)迅速開始降低，糊狀聚團結(jié)構(gòu)開始 產(chǎn)生。

以上研究表明水分質(zhì)量可以作為區(qū)別不同階段團聚結(jié)構(gòu)的臨界參數(shù)。將水分質(zhì)量wi控制在2.8～4.4kg時，對應(yīng)原始顆粒、成核聚團和黏結(jié)聚團的共存區(qū)域，團聚結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定[11]，有利于本實驗對團聚結(jié)構(gòu)的水分分布狀態(tài)進行研究。

3 團聚結(jié)構(gòu)黏結(jié)特性研究

3.1 結(jié)構(gòu)特性

提取駐留在篩網(wǎng)j質(zhì)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(zhì)量不變，測量干燥后的質(zhì)量mijs，通過式（1）計算其水分含量wij（即在注入水分質(zhì)量為wi條件下駐留在篩網(wǎng)j每千克干燥團聚結(jié)構(gòu)所含有的水分含量）。

圖5 實驗獲得團聚結(jié)構(gòu)

圖6 不同水分注入量的團聚結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)變化

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

Sij為團聚結(jié)構(gòu)的飽和度，當Sij=1時，式（2）對應(yīng)飽和團聚結(jié)構(gòu)的固體體積分數(shù)如圖7所示，隨著注入水分質(zhì)量的增加，團聚結(jié)構(gòu)固體體積分數(shù)逐漸減小，這說明黏結(jié)導(dǎo)致團聚結(jié)構(gòu)的空隙度逐漸增加。注入的液體逐漸地填充了團聚結(jié)構(gòu)的孔隙，實際團聚結(jié)構(gòu)固體體積分數(shù)曲線與飽和曲線之間的間距逐漸減小，飽和度隨之增加?？梢钥吹疆斪⑷胨仲|(zhì)量wi達到4.4kg時，飽和度接近于1。該工況對應(yīng)糊狀聚團結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界極限，說明過飽和狀態(tài)是糊狀聚團結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的先決條件。

由于液體的注入引起團聚結(jié)構(gòu)直徑的變化如圖7所示。結(jié)合圖7、圖8進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在液體注入過程中，固體體積分數(shù)降低的同時伴隨著團聚結(jié)構(gòu)直徑（粒度四分位即代表累計團聚結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)分別為25%、50%、75%時所對應(yīng)的等效直徑）逐漸增加，這一結(jié)論與Vicsek[19]提出的冪律分布一致，團聚結(jié)構(gòu)增長冪律分布表達式如式（3）所示，公式描述了團聚結(jié)構(gòu)固體體積分數(shù)與直徑之間的 關(guān)系。

圖7 固體體積分數(shù)隨著平均水分含量的變化

圖8 團聚結(jié)構(gòu)直徑隨著平均水分含量的變化

圖9 固體體積分數(shù)隨團聚結(jié)構(gòu)直徑的變化

圖9為實驗測量得到的團聚結(jié)構(gòu)固體體積分數(shù)Φij隨著結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的固體體積分數(shù)與實驗結(jié)果吻合度較好，且不同粒度四分位（Di25，Di50，Di75）的黏結(jié)維數(shù)分別為Df=2.17，Df=2.2，Df=2.23，即黏結(jié)維數(shù)幾乎不受直徑的影響，在成核聚團及黏結(jié)聚團結(jié)構(gòu)共存區(qū)域內(nèi)任何直徑的團聚結(jié)構(gòu)黏結(jié)增長速率均相同。

3.2 組織特性

團聚結(jié)構(gòu)在共存區(qū)域相互黏結(jié)過程中，組織特性會隨之發(fā)生變化，其中水分含量、固體體積分數(shù)是衡量團聚結(jié)構(gòu)組織特性的重要參數(shù)[20]，通過標準差運算可以較好地反應(yīng)團聚結(jié)構(gòu)組織特性參數(shù)與平均值的差異特性。

根據(jù)式（4）、式（5）計算團聚結(jié)構(gòu)的水分含量和固體的體積分數(shù)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(shù)標準差yij隨著結(jié)構(gòu)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(shù)標準差對不同種類的團聚結(jié)構(gòu)具有明顯的尺寸分離特性。如圖10(a)所示，一部分團聚結(jié)構(gòu)的尺寸直徑位于1.5～3mm，前述分區(qū)域辨識研究結(jié)果表明這部分粒度級別的團聚結(jié)構(gòu)屬于成核聚團，可以看到對于成核聚團結(jié)構(gòu)來說，無論注入水分質(zhì)量如何，水分含量均低于平均水分含量，水分質(zhì)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(xiàn)象是由于流化床的均勻流化作用導(dǎo)致水分均勻分布于成核聚團所造成的。另一部分團聚結(jié)構(gòu)的尺寸直徑位于3～5.5mm，這部 分粒度級別的結(jié)構(gòu)屬于黏結(jié)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）?？梢钥吹诫S著水分質(zhì)量的增加，直線的斜率逐漸降低，這是因為注入水分質(zhì)量的增加導(dǎo)致成核聚團逐漸聚結(jié)為黏結(jié)聚團，這一點可以通過圖6加以證實，黏結(jié)聚團在共存區(qū)域所占比例增加，所含有的水分含量與整體團聚結(jié)構(gòu)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(zhì)量標準差(a)和固體體積分數(shù)標準差(b)隨結(jié)構(gòu)直徑變化

如圖10(b)所示，對于成核聚團，體積分數(shù)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(shù)整體高于黏結(jié)聚團。對于黏結(jié)聚團，結(jié)構(gòu)的尺寸位于3～5.5mm，固體體積分數(shù)的標準差為負值，隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增加線性降低，較小的黏結(jié)聚團相比于較大的黏結(jié)聚團更加密實。雖然從如圖6中可以得到，固體體積分數(shù)隨著水分質(zhì)量的增加逐漸降低，然而圖10(b)中成核聚團與黏結(jié)聚團的固體體積分數(shù)標準差卻不受水分質(zhì)量的影響，這說明成核聚團與黏結(jié)聚團的固體體積分數(shù)平均值與固體體積分數(shù)隨著水分質(zhì)量增加以相同的比例降低。盡管共存區(qū)域的團聚結(jié)構(gòu)處于同樣的流化條件下，但是成核聚團與黏結(jié)聚團的組織特性參數(shù)仍具有明顯的差異。

4 結(jié) 論

（1）控制平均水分質(zhì)量在不同的區(qū)間，可以得到不同的團聚結(jié)構(gòu)，當水分含量wi控制在2.8～4.4kg時，對應(yīng)成核聚團與黏結(jié)聚團的共存區(qū)域。當平均水分含量超過飽和水分含量時，糊狀聚團結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生，糊狀聚團結(jié)構(gòu)是過飽和狀態(tài)下的產(chǎn)物。

（2）在成核聚團與黏結(jié)聚團的共存區(qū)域，成核聚團是黏結(jié)聚團產(chǎn)生的基本元素，團聚結(jié)構(gòu)的黏結(jié)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的孔隙度逐漸增加，隨著注入的水分逐漸填充團聚結(jié)構(gòu)的孔隙，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)逐漸趨于飽和狀態(tài)。在成核聚團與黏結(jié)聚團的共存區(qū)域，無論團聚結(jié)構(gòu)的直徑為何值，黏結(jié)增長速率均相同。

（3）在成核聚團與黏結(jié)聚團的共存區(qū)域，盡管團聚結(jié)構(gòu)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(shù)低于平均值，而黏結(jié)聚團結(jié)構(gòu)恰好相反，特性差異較為明顯。

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