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青島科技大學朱全紅在雙密相循環流化床與顆粒分級測量方面取得研究進展

來源:青島科技大學      2023-06-21
導讀:在化工、能源和環保等領域,人們常會遇到氣體與固體之間的接觸反應。這些氣固非均相反應通常由五個串聯的步驟組成:反應氣體分子的外擴散、內擴散、本征化學反應、產物氣體分子的內擴散、外擴散。為減小其中內擴散步驟的阻力、加快宏觀反應速率,固體常被制備或破碎成為小顆粒,絕大多數氣固接觸反應轉變為氣體與顆粒群之間的接觸反應:流化床反應器應運而生。傳統/經典的循環流化床反應器由提升管(顆粒上行)、旋風分離器(氣固分離)、立管(顆粒下行)和返料閥四部分組成。在提升管中,顆粒群通常處于稀相流化流型,而在立管中處于密相狀態,因此傳統的循環流化床反應器本質上屬于稀-密相循環流化范疇。為克服傳統循環流化床反應器體積龐大、投資成本高昂、操作復雜的缺點,研究者們又開發了其它多種型式的循環流化床反應器,包括內循環鼓泡流化床、隔板式內循環流化床和導流管式內循環流化床。這些命名更偏重外在形式,沒有體現內在本質,給后來的研究者造成很大困擾,在一定程度上阻礙了這一領域的進一步發展。經過深入的分析,朱全紅等提出了雙密相循環流化床反應器這一新概念,深刻揭示了三種循環流化床的本質:無論是在上行床還是下行床中,顆粒群均處于密相狀態。對應于傳統的稀-密相循環流化,雙密相循環流化這一概念進一步完善了顆粒群循環流態化的圖譜。該工作發表在中科院一區期刊FUEL(2023, 337: 126872),青島科技大學為論文唯一單位。與此同時,朱全紅等提出將雙密相循環流化床應用到高溫含塵氣體的冷卻除塵(中國發明專利CN202310005594.4)

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除了循環流化床,常用的流化床反應器還包括鼓泡流化床。很多時候,鼓泡流化床反應器中同時存在兩種密度或粒徑不同的顆粒。一個典型的例子是生物質顆粒在流化床反應器中的熱解、氣化過程:為了改善生物質顆粒的流化質量,同時強化床內的熱量傳遞,通常需引入石英砂顆粒或者煤灰顆粒。當兩種顆粒在流化床反應器中共同流化時,它們之間的分級(一種顆粒在床層上部富集,而另一種顆粒在床層下部富集)是一個無可回避的問題。無論是避免還是利用這種分級,都需要深入認識并掌握兩種顆粒之間分級的規律。第一步即在于準確測量任意給定操作氣速下兩種顆粒的分級指數(分級程度的定量表征),而準確測量分級指數的關鍵在于首先獲取可以代表該操作氣速的穩定流化狀態。朱全紅等詳細比較了獲取穩定流化狀態的兩種常用方式,揭示了獲取穩定流化狀態的困難源于顆粒之間的內摩擦力。由于內摩擦力的影響,顆粒在到達穩定流化狀態之前即失去運動能力,導致顆粒群停留在亞穩定平衡狀態。正是由于額外亞穩定平衡態的存在,顆粒群會呈現出多態性,即具有多種平衡態。這一發現對涉及顆粒群的研究具有重要的指導意義,必須小心采取措施,使得每次實驗中顆粒群都具有相同的初始狀態,進而增加實驗之間的可比性。這一工作的開展將會使得不同研究研究者報道的分級數據更具有可比性。該工作發表在FUEL(2023, 346: 128410),青島科技大學為論文唯一單位。

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為測量給定操作氣速下的分級指數,傳統方法在得到穩定流化狀態之后,還需使床層塌落,才能進行取樣分析,不僅費時費力,還會引入不必要的誤差。當流化床中的兩種顆粒分別為磁性和非磁性顆粒,朱全紅等提出了一種基于磁導率測量分級指數的新方法。在得到塌落床中,只需測量床層的磁導率,即可快速獲知分級指數,無需取樣和分離兩種顆粒,可有效回避取樣和分析過程中可能存在的各種問題。該工作發表在FUEL(2023, 340: 127554),青島科技大學為論文唯一單位,該工作同時申請中國發明專利(CN202210926021.0)。

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青島科技大學化工學院2022級研究生張強、2020級本科生楊培藝和林夢琦開展了上述論文的部分實驗測量工作。

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