流化床液固共存区域团聚结构表观黏结特性

周云龙，杨宁

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林132012）

在流化床流体催化炼焦、流体催化裂解等重要的工业场合，操作温度通常在550℃左右，此时反应液沥青以蒸气的形式喷射进入流化床，将热量供给焦炭催化粒子，进一步将重质碳氢化合物裂解成轻质产物[1-4]，若注入的液体在颗粒中分布不理想将会导致颗粒团聚，阻碍颗粒与反应液间的热量传递，减缓裂解过程的反应速率[5-9]，因此对流化床团聚黏结特性进行分析，对于正确地认识流化床颗粒的团聚机理、防治团聚物的形成具有重要的意义。

Mills等[10]通过研究发现液体的黏度对颗粒聚团的增长速率和扩张机制有着重要的影响，随着液体黏度的增加团聚结构的增长速率有所增加并呈现层状扩张机制。Saad等[11]通过显微镜研究了液体剂量对团聚结构形成过程中尺寸和结构参数的影响，通过幂律方程建立了团聚结构的直径和体积分数之间的关系式。Ishmael等[12]在绝热条件下研究了颗粒尺寸以及液体黏结剂量对颗粒聚团行为的影响，结果表明在注入等量的液体黏合剂条件下，相对较小的颗粒产生的团聚结构具有较高的抗压强度。Thomas等[13]研究了90μm、60μm、30μm共3种尺寸的液滴对团聚结构聚集结块的影响，研究发现90μm的液滴所引起的聚团效应明显地高于其他两种尺寸的液滴。Sara等[14]研究了颗粒形状、尺寸、水分含量等因素对流化床颗粒团聚黏结特性的影响，发现团聚结构内部液体的蒸发以及团聚结构表面液体的迁移是造成团聚结构聚结特性受到破坏的主要原因。虽然人们在颗粒团聚的结构特性、形成机理方面已经取得了较多的研究成果，但由于颗粒团聚形态学黏结的复杂性和现有测试手段的局限 性[15]，目前对其了解仍然较为有限。

本文通过TEB雾化喷嘴制造团聚结构，通过层叠筛分方法对不同种类团聚结构进行分区域辨识，选取结构较为稳定的异质共存区域为研究对象，对团聚结构黏结过程的结构特性、组织特性进行了详细的分析，研究结果有助于进一步揭示流化床内颗粒的黏结机理。

1 团聚结构制造实验

实验装置如图1所示。实验在由有机玻璃加工而成的矩形横截面流化床上进行，流化床主体尺寸为200mm×50mm×1200mm，为了优化流化床的流化质量，在流化床的底部位置装有矩形布风板，布风板上均匀布置3排共29个直径为1cm的半球形 风帽，风帽上均匀的开有8个直径为1mm的风孔，由空气压缩机供给的空气流经球阀、涡街流量计后进入流化床，通过流化床入口位置的涡街流量计可以实现流化气流速度的实时监测，本次实验所采用的流化气流速度为1m/s。

图1 实验装置系统图

向流化床内喷射液体的喷嘴采用Base等[16]研制的TEB雾化喷嘴，尺寸结构如图2所示。喷嘴入口接有液体输送管线和空气输送管线，通过改变液体和空气的流量实现喷嘴气液比ALR的调整。其中气体作为注入液体的输送动力，在实验进行过程中流量保持在1.2g/s，经测量此时液体以40g/s的流量均匀注入到流化床的内部。

图2 TEB雾化喷嘴结构图

TEB喷嘴安装在距离流化床布风板600mm的位置，在流化床冷态条件下，使用糖水溶液和石英砂来模拟工业流体炼焦炉中的热态沥青向热态焦炭颗粒喷射这一过程。其中McDougall等[17]已经证明室温条件下的糖水溶液、石英砂是热态沥青、焦炭颗粒非常理想的替代物质，这是因为在各自对应的试验条件下固体颗粒被液体润湿的特性近乎一致。实验使用的石英砂颗粒和糖水溶液的物性参数见表1，石英砂粒度分布曲线如图3所示，实验选用浓度为8%的葡萄糖溶液是因为在室温条件下该浓度的葡萄糖溶液与工业中沥青的黏度一致，同时溶液中的糖分可以充当液桥保持溶液和沙子接触过程中形成的团聚物的强度。

2 团聚结构分区域辨识

为了确保石英砂颗粒在流化床内处于均匀分布 的状态，在无液体注入的情况下流化2min，随后进入液体注入混合阶段，通过改变液体的注入时间t=40s、50s、60s、70s、80s、90s、100s、110s、120s、130s、140s、150s，制造流化床内不同颗粒的团聚工况，经测量各工况注入流化床的水分质量分别为wi=1.6kg、2kg、2.4kg、2.8kg、3.2kg、3.6kg、4kg、4.4kg、4.8kg、5.2kg、5.6kg、6kg，下角标i分别代表12次液体注入实验。

表1 工质物性参数

图3 石英砂粒度分布曲线

当糖水溶液通过喷嘴全部注入流化床，会产生不同种类的团聚结构[11]，分别在各团聚工况下取出质量为500g的结构样本，利用20个直径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的筛网分别进行结构筛分，下角标j分别代表20个孔径不同的筛网。团聚结构类似于球形结构，取直径为结构的特征尺寸，筛网j驻留团聚结构的直径即等效为筛网的孔径Dj。

图4 团聚结构累计尺寸分布曲线

水分质量为wi的实验工况，对驻留在筛网直径为Dij的团聚结构进行称重，得到其质量占总质量的百分比，如图4所示，为i次液体注入过程的累计团聚结构尺寸Dij分布曲线，可以发现，在不同 工况下，累计尺寸分布主要集中在4个区域。（Ⅰ）即在水分质量wi为1.6～2.0kg时，团聚结构的直径集中在1.0～1.5mm，相比于原始颗粒直径几乎没有增加，颗粒并未发生聚团。（Ⅱ）在水分质量wi为2.4～3.6kg时，团聚结构的直径集中在1.5～3mm时，相比于原始颗粒直径略有所增加，黏结聚团程度不显著，这部分结构称为成核聚团，成核聚团是诱导颗粒发生大规模黏结聚团的基本元素[11]。（Ⅲ）水分质量wi达到4.0～5.2kg时，团聚结构直径集中在3～5.5mm，该区域内的尺寸结构发生了明显的增加，这部分结构即为黏结聚团。（Ⅳ）当水分质量wi增加到5.6～6.0kg时，团聚结构的直径发生了阶跃性的增加，外观特性主要表现为黏稠状糊质结构，几乎不具备抵抗外界应力的能力，这部分结构称为糊状聚团[11]。图5为实验得到的原始颗粒、成核聚团、黏结聚团、糊状聚团结构。

4种不同水分质量团聚结构的质量分数测量结果如图6所示，在水分质量wi为1.6～2.8kg时，原始颗粒不断减小，对应的成核聚团结构逐渐增加，这说明原始颗粒在糖水溶液的作用下相互聚结形成成核聚团。

当水分质量wi大于2.8kg时，可以发现黏结聚团结构开始出现，随着水分质量的增加不断增加，此时对应的成核聚团结构质量分数随之减小至7.6%。当水分质量wi增加到4.4kg时，成核聚团及黏结聚团结构迅速开始降低，糊状聚团结构开始 产生。

以上研究表明水分质量可以作为区别不同阶段团聚结构的临界参数。将水分质量wi控制在2.8～4.4kg时，对应原始颗粒、成核聚团和黏结聚团的共存区域，团聚结构最稳定[11]，有利于本实验对团聚结构的水分分布状态进行研究。

3 团聚结构黏结特性研究

3.1 结构特性

提取驻留在筛网j质量为mij（本实验中为2g）的样本，通过105℃恒温干燥法在烤箱中干燥24h至质量不变，测量干燥后的质量mijs，通过式（1）计算其水分含量wij（即在注入水分质量为wi条件下驻留在筛网j每千克干燥团聚结构所含有的水分含量）。

图5 实验获得团聚结构

图6 不同水分注入量的团聚结构质量分数变化

同样提取驻留筛网质量为mij、mijs干燥前后团聚结构样本，采用等效替代法测量团聚结构固体体积分数Φij[18]，即选用呈有石蜡的量筒，将质量为mij、mijs团聚结构样本分别浸入石蜡，量筒内液面对应的刻度会相应升高，增加的这部分体积即等效为团聚结构干燥前后的体积Vij、Vijs。团聚结构的固体体积分数Φij通过式（2）进行计算，反映了团聚结构的致密程度。

Sij为团聚结构的饱和度，当Sij=1时，式（2）对应饱和团聚结构的固体体积分数如图7所示，随着注入水分质量的增加，团聚结构固体体积分数逐渐减小，这说明黏结导致团聚结构的空隙度逐渐增加。注入的液体逐渐地填充了团聚结构的孔隙，实际团聚结构固体体积分数曲线与饱和曲线之间的间距逐渐减小，饱和度随之增加。可以看到当注入水分质量wi达到4.4kg时，饱和度接近于1。该工况对应糊状聚团结构转变的临界极限，说明过饱和状态是糊状聚团结构产生的先决条件。

由于液体的注入引起团聚结构直径的变化如图7所示。结合图7、图8进行分析可以发现，在液体注入过程中，固体体积分数降低的同时伴随着团聚结构直径（粒度四分位即代表累计团聚结构质量分数分别为25%、50%、75%时所对应的等效直径）逐渐增加，这一结论与Vicsek[19]提出的幂律分布一致，团聚结构增长幂律分布表达式如式（3）所示，公式描述了团聚结构固体体积分数与直径之间的 关系。

图7 固体体积分数随着平均水分含量的变化

图8 团聚结构直径随着平均水分含量的变化

图9 固体体积分数随团聚结构直径的变化

图9为实验测量得到的团聚结构固体体积分数Φij随着结构直径（Dij）的变化。从图中可以看到，式（3）计算所得不同直径团聚结构的固体体积分数与实验结果吻合度较好，且不同粒度四分位（Di25，Di50，Di75）的黏结维数分别为Df=2.17，Df=2.2，Df=2.23，即黏结维数几乎不受直径的影响，在成核聚团及黏结聚团结构共存区域内任何直径的团聚结构黏结增长速率均相同。

3.2 组织特性

团聚结构在共存区域相互黏结过程中，组织特性会随之发生变化，其中水分含量、固体体积分数是衡量团聚结构组织特性的重要参数[20]，通过标准差运算可以较好地反应团聚结构组织特性参数与平均值的差异特性。

根据式（4）、式（5）计算团聚结构的水分含量和固体的体积分数标准差。

图10(a)、(b)分别为水分含量标准差xij和固体体积分数标准差yij随着结构直径的变化曲线，可以看到水分含量标准差和固体体积分数标准差对不同种类的团聚结构具有明显的尺寸分离特性。如图10(a)所示，一部分团聚结构的尺寸直径位于1.5～3mm，前述分区域辨识研究结果表明这部分粒度级别的团聚结构属于成核聚团，可以看到对于成核聚团结构来说，无论注入水分质量如何，水分含量均低于平均水分含量，水分质量标准差保持为负值且恒定，这表明成核聚团的水分含量与平均水分含量保持固定的比例，这一现象是由于流化床的均匀流化作用导致水分均匀分布于成核聚团所造成的。另一部分团聚结构的尺寸直径位于3～5.5mm，这部 分粒度级别的结构属于黏结聚团，水分含量标准差保持为正值随着尺寸的增加而线性增加（xij∝Dij）。可以看到随着水分质量的增加，直线的斜率逐渐降低，这是因为注入水分质量的增加导致成核聚团逐渐聚结为黏结聚团，这一点可以通过图6加以证实，黏结聚团在共存区域所占比例增加，所含有的水分含量与整体团聚结构的平均水分含量更加接近，因此水分含量标准差相对减小。

图10 水分质量标准差(a)和固体体积分数标准差(b)随结构直径变化

如图10(b)所示，对于成核聚团，体积分数标准差始终保持为正值且随尺寸的增加线性下降，较小的成核聚团相比于较大的成核聚团更加密实且固体体积分数整体高于黏结聚团。对于黏结聚团，结构的尺寸位于3～5.5mm，固体体积分数的标准差为负值，随着结构尺寸的增加线性降低，较小的黏结聚团相比于较大的黏结聚团更加密实。虽然从如图6中可以得到，固体体积分数随着水分质量的增加逐渐降低，然而图10(b)中成核聚团与黏结聚团的固体体积分数标准差却不受水分质量的影响，这说明成核聚团与黏结聚团的固体体积分数平均值与固体体积分数随着水分质量增加以相同的比例降低。尽管共存区域的团聚结构处于同样的流化条件下，但是成核聚团与黏结聚团的组织特性参数仍具有明显的差异。

4 结 论

（1）控制平均水分质量在不同的区间，可以得到不同的团聚结构，当水分含量wi控制在2.8～4.4kg时，对应成核聚团与黏结聚团的共存区域。当平均水分含量超过饱和水分含量时，糊状聚团结构随之产生，糊状聚团结构是过饱和状态下的产物。

（2）在成核聚团与黏结聚团的共存区域，成核聚团是黏结聚团产生的基本元素，团聚结构的黏结导致结构的孔隙度逐渐增加，随着注入的水分逐渐填充团聚结构的孔隙，导致结构逐渐趋于饱和状态。在成核聚团与黏结聚团的共存区域，无论团聚结构的直径为何值，黏结增长速率均相同。

（3）在成核聚团与黏结聚团的共存区域，尽管团聚结构处于同样的流化条件下，但是组织特性明显不同，成核聚团的水分含量高于平均值、固体体积分数低于平均值，而黏结聚团结构恰好相反，特性差异较为明显。

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