单组分及双组分颗粒起始流化固含率试验研究

牛 犁，刘梦溪，王海北

（1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.中国石油大学（北京）化学工程与环境学院，北京 102249）

在气固流化床中，颗粒粒径、颗粒密度与气体密度差对颗粒的流化性能有明显的影响。早在1973年，GELDART就通过大量试验研究，根据颗粒粒径及气固密度差的不同把固体颗粒分成A、B、C和D四类，这就是GELDART颗粒分类法。A类颗粒被称为细颗粒，粒度范围为30～100 μm，密度小于1 400 kg/m。A类颗粒的起始鼓泡速度（u）明显高于起始流化速度（u），并且床层达到鼓泡点之前膨胀明显。流化较平稳，气固返混较严重。典型A类颗粒是流化催化裂化（FCC）催化剂。B类颗粒被称为粗颗粒，粒度范围为100～600 μm，密度范围为1 400～4 000 kg/m。B类颗粒的起始鼓泡速度u与起始流化速度u相等，因此表观气速只要超过起始流化速度，床层内即出现气泡相和乳化相。典型B类颗粒是砂粒。C类颗粒被称为超细颗粒，粒度一般小于20 μm。C类颗粒粒径很小，颗粒间的作用力很强，极易导致颗粒团聚，因此流化较困难，易产生沟流。典型C类颗粒是锅炉飞尘。D类颗粒被称为过粗颗粒，粒度一般大于0.6 mm。D类颗粒流化时易产生极大气泡或形成节涌床，操作很不稳定。典型D类颗粒是玻璃珠颗粒。

目前，流态化技术的试验和理论研究基本是基于单组分颗粒进行的，然而在流态化技术的实际应用中，常涉及双组分混合颗粒、多组分混合颗粒及宽筛分分布颗粒的流化问题。双组分混合颗粒体系的最小流化特性是研究多组分混合颗粒及宽筛分分布颗粒最小流化特性的基础。因此，研究混合颗粒的流化特性对流化床操作具有极重要的意义。本文将采用降速法对典型GELDART A类颗粒及AC类混合颗粒、GELDART B类颗粒及BC类混合颗粒的起始流化固含率进行试验研究，测定起始流化点处床内两测压点间压降，得到颗粒的最小流化特性曲线，进一步计算出起始流化固含率。

1 试验材料及方法

1.1 试验装置及流程

起始流化固含率测量装置如图1所示，装置内径为80 mm，高度为1 m。试验中，压缩空气经过减压阀、转子流量计、针型阀进入测量装置内。为保证气体均匀分布，分布器采用金属烧结板（厚度10 μm，5层），烧结板下方堆满直径6 mm的氧化锆珠。测量装置顶部设有滤布，防止颗粒吹入大气。

图1 起始流化固含率测量装置

1.2 试验介质

试验使用的固体颗粒为FCC催化剂、FCC催化剂与硅微粉按不同比例混合的颗粒（简称AC类混合颗粒）、黄沙颗粒、黄沙颗粒与硅微粉按不同比例混合的颗粒（简称BC类混合颗粒）。其中，FCC催化剂为A类颗粒，硅微粉为C类颗粒，黄沙颗粒为B类颗粒。它们的物性参数如表1所示，混合颗粒的物性参数如表2所示，粒径分布如图2所示。试验中的气体介质为常温的空气。

图2 试验介质粒径分布

表1 单一颗粒物理性质

表2 混合颗粒物理性质

1.3 分析测试仪器

试验中测量流化床内压力信号的传感器为CGYL-300B型，其原理如图3所示。其精度为0.25%，压力传感器的输出信号为直流电流，之后经数据采集卡进行模数转换器（A/D）转换后，再输入计算机中进行进一步的处理和记录。考虑到试验测量精度，压力脉动的单次测量时间为60 s，采样频率为100 Hz，每个测量点均重复测量5次。

图3 压力传感器原理示意图

试验使用的硅微粉颗粒粒径较小，易阻塞压力传感器测压孔滤网，因此本研究设计了特殊的测压口，如图4所示。测压口直径为30 mm，长度为25 mm，一侧开有直径24 mm的大孔，大孔入口与床层内部相连，以增加压力测口的气体流通面积，大孔入口处蒙有300目金属滤网，以避免颗粒进入引压管。测压口另一端开有小孔，并粘接直径6 mm的有机玻璃管，有机玻璃管一端与大孔连通，另一端与引压管相连。

图4 压力传感器接口

试验发现，尽管扩大了测压口流通面积，在长时间操作中，测压口仍然容易堵塞，为此，本文进一步设计了反吹系统，其原理如图5所示。系统分为电磁阀控制箱、面板和反吹气体端三个部分。面板正面固定有三通电磁阀，背面固定有压力传感器。通道1和通道2分别接入压力传感器正负两端。打开电磁阀控制箱上的开关进入反吹模式，反吹气体通过三通电磁阀进入压力传感器接口，反吹金属滤网。关闭电磁阀控制箱上的开关，进入测量模式。装置内气体通过压力传感器接口引出，进入压力传感器进行测量。

图5 细颗粒流化床压力脉动测量系统

2 试验结果与讨论

2.1 A类颗粒及AC类混合颗粒起始流化固含率

试验采用降速法分别测量了FCC催化剂、FCC+硅微粉a混合颗粒（硅微粉a占比分别为5%、10%和20%）的压降曲线。流化床压降曲线与固定床压降曲线的交点即为起始流化点，如图6所示。

图6 A类颗粒及AC类混合颗粒压降随气流速度变化曲线

测量起始流化点处床内两测压点间压降，由式（1）得到颗粒的起始流化固含率。

式中：为起始流化固含率；Δ为压降；为重力加速度；Δ为两测点间距。

结合压降曲线，根据式（1）计算得到的A类颗粒及AC类混合颗粒起始流化固含率如表3所示。从表3可以看出，在FCC催化剂中加入硅微粉后，随着硅微粉含量的增加，颗粒的起始流化固含率减小，流化性能变好，这与前人的研究结果相符，即添加一定量流化性能好的颗粒可以改善难流化颗粒的流化性能。

2.2 B类颗粒及BC类混合颗粒起始流化固含率

试验采用降速法分别测量了黄沙颗粒、黄沙+硅微粉b混合颗粒（硅微粉b占比分别为5%和10%）的压降曲线。流化床压降曲线与固定床压降曲线的交点即为起始流化点，如图7所示。黄沙颗粒流化床中颗粒达到起始流化点时，对应气体流量约为60 L/min，随着床层内硅微粉含量的增加，达到起始流化状态所需气体流量逐渐减小，即颗粒起始流化速度减小。这是因为对于较粗颗粒，如GELDART颗粒分类法中B类颗粒和D类颗粒，加入一定量（通常质量分数小于15%）的C类颗粒能显著改善其流化性能。NAKAGAWA等曾对含有C类黏性颗粒的双组分混合颗粒的最小流化性能进行了试验研究。研究结果表明，对于AC、BC、DC体系双组分混合颗粒，当C类颗粒质量分数小于15%时，混合颗粒的最小流化速度随C类颗粒质量分数增加而减少。特别是BC和DC混合体系，随着C类颗粒的增加，其流化性能改善明显，这与本文的研究结果一致。

图7 B类颗粒及BC类混合颗粒压降随气流速度变化曲线

结合压降曲线，根据式（1）计算得到的B类颗粒及BC类混合颗粒起始流化固含率如表4所示。从表3、表4可以看出，黄沙颗粒的起始流化固含率远大于FCC催化剂，在黄沙颗粒中加入硅微粉后，随着硅微粉含量的增加，颗粒的起始流化固含率减小，说明加入细颗粒可以明显改善其流化性能。

表3 A类颗粒及AC类混合颗粒起始流化固含率

表4 B类颗粒及BC类混合颗粒起始流化固含率

3 结论

本文采用降速法对典型GELDART A类颗粒及AC类混合颗粒、GELDART B类颗粒及BC类混合颗粒的起始流化固含率进行试验研究，测定起始流化点处床内两测压点间压降，得到颗粒的最小流化特性曲线，进一步计算出起始流化固含率。研究结果表明，A类颗粒起始流化固含率远小于B类颗粒，随着C类颗粒含量的增加，颗粒的起始流化固含率呈现减小的趋势，流化性能改善。