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重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究現(xiàn)狀與展望

發(fā)布時間：2025-04-17

重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究現(xiàn)狀與展望

李舒月 ¹ 王歡 ^1,²周少強 ²毛志宏 ¹張永民 ¹ 王軍武 ¹吳秀花 ²

（1. 中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油全國重點實驗室，北京 102249； 2. 中核第七研究設(shè)計院有限公司，山西太原 030012 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240783

摘要流化床技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中天然鈾轉(zhuǎn)化、直接還原煉鐵、化學(xué)鏈燃燒等工業(yè)過程中使用的是顆粒密度在4.0 g/cm³以上的重質(zhì)顆粒，而傳統(tǒng)化工、能源行業(yè)廣泛使用的則是密度較小的輕質(zhì)流化床顆粒。綜述了重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用情況，梳理了目前重質(zhì)顆粒流態(tài)化基礎(chǔ)的研究進展。已有的實驗測量和數(shù)值模擬研究均表明重質(zhì)顆粒的流態(tài)化行為與低密度顆粒存在顯著差異，且針對低密度顆粒的一些研究規(guī)律并不能完全適用于重質(zhì)顆粒流化床。當(dāng)前，對重質(zhì)顆粒的流態(tài)化基礎(chǔ)研究尚不充分，特別是在流域轉(zhuǎn)變、傳熱傳質(zhì)特性、顆粒混合分級特性、反應(yīng)過程強化技術(shù)等研究方面，與傳統(tǒng)低密度顆粒流態(tài)化的基礎(chǔ)研究相比，存在巨大的基礎(chǔ)研究空白。最后結(jié)合相關(guān)工業(yè)過程的需要，重點討論了近期應(yīng)重點補充的重質(zhì)顆粒流態(tài)化基礎(chǔ)研究的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞流化床；天然鈾轉(zhuǎn)化；核化工；重質(zhì)顆粒；流態(tài)化；數(shù)值模擬

引用本文：李舒月, 王歡, 周少強, 毛志宏, 張永民, 王軍武, 吳秀花. 重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究現(xiàn)狀與展望[J]. 化工學(xué)報, 2025, 76(2): 466-483 (LI Shuyue, WANG Huan, ZHOU Shaoqiang, MAO Zhihong, ZHANG Yongmin, WANG Junwu, WU Xiuhua. Current status and prospects of research on fluidization characteristics of high-density particles[J]. CIESC Journal, 2025, 76(2): 466-483)

引言

流化床因結(jié)構(gòu)簡單、傳熱傳質(zhì)效率高、物料混合均勻等優(yōu)點，已被廣泛用于多種工業(yè)過程中，如化工、石油煉制、燃燒、干燥、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域。流化床作為一個復(fù)雜的稠密氣固流動系統(tǒng)，準確描述氣固流動方面的物理特征及其強烈的耦合作用對于目前的理論和技術(shù)發(fā)展還是一個不小的挑戰(zhàn)，需要進行大量的理論和實驗研究。Geldart^[1]在1973年提出了基于顆粒粒度和密度表現(xiàn)出不同氣固流化狀態(tài)的比較完整的分類標(biāo)準，如圖1(a)所示。他將顆粒分成A、B、C、D四類，其中A類和B類顆粒的不同表現(xiàn)在，A類可以表現(xiàn)出散式流態(tài)化特征，而B類顆粒屬于聚式流態(tài)化；D類顆粒是比較粗的顆粒，流化后氣泡較大，或表現(xiàn)出溝流，例如噴動床；C類顆粒是非常細的顆粒，顆粒間黏聚力非常大，流化質(zhì)量很差，無法形成氣泡。目前經(jīng)典的流態(tài)化著作以及已有的文獻絕大部分是針對密度較低、易于流化的顆粒，如化工中所用的催化劑（例如煉廠催化裂化催化劑，屬典型的Geldart A類顆粒）、沙粒、煤粉（屬典型的Geldart B類顆粒）、谷粒、生物質(zhì)（屬典型的Geldart D類顆粒）等^[2-3]。這類顆粒的密度大部分都在1.0~3.0 g/cm^3[4]，基于此Geldart的顆粒分類也主要適用于密度相對較低的常見顆粒材料。此后發(fā)展出來的顆粒類型的修正工作，如圖1(b)，也都集中在4.0 g/cm³、密度偏低的易流化介質(zhì)的范圍^[5-14]。除此之外，現(xiàn)有的流動理論和經(jīng)驗公式，如床層壓降^[15-16]、最小流化速度^[17-18]、顆粒沉降速度^[19]、曳力模型^[20]等，大多基于低密度、易流化的顆粒推出，對于高密度顆粒在氣固流化床中的時空分布和演變規(guī)律的系統(tǒng)性研究極少，相關(guān)經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍芊駥χ刭|(zhì)顆粒的流動特征進行準確合理的描述還未有系統(tǒng)的評估。在本課題組^[21-22]的前期工作中，基于基礎(chǔ)流態(tài)化實驗和數(shù)值模擬方法，嘗試驗證基于常見低密度顆粒推導(dǎo)出的最小流化速度經(jīng)驗公式是否適用于高密度顆粒。結(jié)果表明當(dāng)顆粒密度大于4.0 g/cm3時，大多數(shù)最小流化速度經(jīng)驗公式在預(yù)測高密度顆粒的最小流化速度時存在較大的偏差（超過20%，圖2）。

圖1 (a)Geldart分類表征^[1]；(b)修正的Geldart流態(tài)化行為分類^[5-14]Fig.1 (a) Geldart classification of fluidization behavior^[1]; (b) Modified Geldart classification of fluidization behavior^[5-14]

圖2 (a)模擬以及經(jīng)驗相關(guān)式得到的

、

和

隨顆粒密度的變化；(b)模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式

標(biāo)準誤差Fig.2 (a) Variation of simulated

and

, and

predicted by empirical correlations with particle density; (b) Standard error of

但實際上，高密度顆粒流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已具有廣泛的應(yīng)用，如天然鈾轉(zhuǎn)化、非高爐直接煉鐵、化學(xué)鏈燃燒等，其良好的流化狀態(tài)在這些過程中起到了至關(guān)重要的作用。探究、總結(jié)以及推導(dǎo)適用于高密度顆粒的流態(tài)化經(jīng)驗和模型不僅可以完善流態(tài)化經(jīng)典理論，并且也為相關(guān)工業(yè)的優(yōu)化和發(fā)展提供指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。為了明確本文討論的范圍，在總結(jié)圖1(b)及圖2現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將缺少系統(tǒng)化研究數(shù)據(jù)的、顆粒密度超過4.0 g/cm³的顆粒定義為重質(zhì)顆粒，重點圍繞此密度范圍內(nèi)的重質(zhì)顆粒流態(tài)化行為展開討論。在本文的敘述之前，有必要明確區(qū)分兩個相關(guān)但不同的概念：高密度流態(tài)化和高密度顆粒流態(tài)化。高密度流態(tài)化側(cè)重于在高固體濃度和低氣速條件下，研究流化床整體的密集性和流動特性，顆粒的密度在此概念中并無嚴格限制。采用高密度流態(tài)化的原因通常是為了提高氣固接觸效率，增強傳熱傳質(zhì)效果，并在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)更高的反應(yīng)速率^[23-25]。而高密度顆粒流態(tài)化則專注于高密度顆粒材料在流態(tài)化過程中的行為，重點研究這些顆粒在高密度條件下表現(xiàn)出的獨特流動特性。前者關(guān)注的是系統(tǒng)的操作狀態(tài)和流化床的整體表現(xiàn)，后者則更注重顆粒本身的物理特性及其對流態(tài)化行為的影響。在接下來的內(nèi)容中，首先對重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用背景進行一個簡要的介紹，旨在強調(diào)理解和研究重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的實際價值。接下來，對目前關(guān)于重質(zhì)顆粒流態(tài)化行為的研究進展進行梳理和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)重質(zhì)顆粒獨特的流化現(xiàn)象以及系統(tǒng)性研究的缺失。最后，針對重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用和研究進展，提出下一步亟待開展的研究方向。

1 重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用背景

在一些工業(yè)領(lǐng)域中，處理的顆粒物料往往是密度極高的重質(zhì)顆粒。這類物料在輸送、混合、反應(yīng)等過程中常常面臨流動性差、易堵塞等問題，給生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，如何實現(xiàn)這些重質(zhì)顆粒的良好和穩(wěn)定流化狀態(tài)，成為了這些工業(yè)中亟待解決的問題。下文將概述幾種典型的涉及重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)過程。

核能作為一種零碳能源，在我國的能源轉(zhuǎn)型中扮演了至關(guān)重要的角色。核燃料的生產(chǎn)過程中，天然鈾轉(zhuǎn)化是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)主要使用濕法天然鈾轉(zhuǎn)化工藝，主要是通過將黃餅（粗U₃O₈）經(jīng)過溶解、萃取、脫硝、還原、氫氟化、氟化等關(guān)鍵工序?qū)μ烊烩櫥衔镞M行轉(zhuǎn)化加工，以制備出UO₃、UO₂、UF₄、UF₆等產(chǎn)物^[26-27]。為了響應(yīng)我國核電發(fā)展的需求，天然鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)能力還需持續(xù)提升，以滿足日益增長的核燃料需求。流化床反應(yīng)器因優(yōu)異的氣-固接觸效果，提升反應(yīng)速率，且傳質(zhì)傳熱性能良好，因而具有較高的生產(chǎn)能力。因此，流化床的反應(yīng)器型式已被陸續(xù)用于脫硝、還原、氫氟化和氟化等重要天然鈾轉(zhuǎn)化工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)中^[28]，如圖3所示。我國也在積極探索并改進天然鈾轉(zhuǎn)化工藝中的流化床技術(shù)，如中核四〇四公司針對干法工藝，基于實驗室流化床裝置對U₃O₈還原過程進行了初步研究。利用化學(xué)純度較高的U₃O₈物料，通過流化床還原制備的UO₂轉(zhuǎn)化率大于50%，并針對關(guān)鍵的UO₂氫氟化工序，自主開發(fā)了兩級逆流串聯(lián)氫氟化流化床“干法”生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了氣固的直接接觸與反應(yīng)。但實際的流化床裝置運行仍存在轉(zhuǎn)化率低且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、裝置結(jié)塊且振動嚴重等諸多問題。分析造成以上問題的原因，主要在于相關(guān)天然鈾轉(zhuǎn)化工藝所涉及的固體反應(yīng)物和產(chǎn)物都有很高的密度，如UO₂為10.96 g/cm³、U₃O₈為8.38 g/cm³、UO₃為7.2 g/cm³、UF₄為6.70 g/cm³等^[28]。這些含鈾化合物根據(jù)其生產(chǎn)工藝的不同，堆積密度在1.3~6.5 g/cm³，遠大于一般工業(yè)中常處理的流化顆粒。并且在實際工業(yè)中，為了實現(xiàn)更好的流化效果，往往采用盡可能小的顆粒粒徑，通常小于100 μm。由于目前對這類重質(zhì)顆粒的流化狀態(tài)規(guī)律的認識不夠充分，因此難以精確設(shè)計和操控這類流化床，維持其較高的流化質(zhì)量，且在出現(xiàn)操作問題時無法采取及時合理的處置措施。

圖3 流態(tài)化技術(shù)在天然鈾轉(zhuǎn)化工藝中的應(yīng)用^[28]Fig.3 Application of fluidization technology in the dry natural uranium conversion process^[28]

高溫氣冷堆作為具有第四代特征的先進核反應(yīng)堆，其固有的安全性特征受到了國際上的廣泛關(guān)注。這種反應(yīng)堆的核心安全保障之一是采用TRISO型包覆燃料顆粒。這種燃料顆粒擁有多層防護結(jié)構(gòu)，為高溫氣冷堆提供了關(guān)鍵的安全和技術(shù)保障。在眾多的顆粒技術(shù)中，流化床技術(shù)由于分散性好，可以實現(xiàn)顆粒的循環(huán)流動，被廣泛用于化工生產(chǎn)過程。而將化學(xué)氣相沉積和流化技術(shù)相結(jié)合，就產(chǎn)生了一種新型的材料制備技術(shù)——流化床-化學(xué)氣相沉積技術(shù)（fluidized bed-chemical vapor deposition，F(xiàn)B-CVD）^[29-30]。目前，國際上多個國家采用流化床-化學(xué)氣相沉積反應(yīng)制備這種包覆燃料顆粒，核芯通常為二氧化鈾（UO₂）核燃料顆粒，外層則包裹有四層保護層，流化氣體通常采用氬氣或氫氣，如圖4所示。此外，一些研究還探討了采用鈾-鉬合金[U(Mo)]不規(guī)則粉末狀顆粒的流化床-化學(xué)氣相沉積包覆技術(shù)。無論是UO₂球形顆粒還是U(Mo)粉末狀顆粒，其包覆技術(shù)的共同要求是實現(xiàn)重質(zhì)顆粒的良好流化狀態(tài)，通常采用噴動床技術(shù)以優(yōu)化流化效果。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于確保包覆層厚度均勻，以及氣固接觸的效率和均一性，對流化床的設(shè)計和流化過程的控制提出了較高的要求。

圖4 流化床-化學(xué)氣相沉積技術(shù)^[30]Fig.4 Fluidized bed-chemical vapor deposition(FB-CVD)^[30]

高溫費托合成技術(shù)（high-temperature Fischer-Tropsch synthesis，HTFT）能夠?qū)⒌蛢r值的合成氣轉(zhuǎn)化為高價值的液體燃料和化學(xué)品，有助于減少對傳統(tǒng)石油資源的依賴，增加能源供應(yīng)的多樣性。HTFT反應(yīng)器主要采用循環(huán)流化床反應(yīng)器或固定流化床反應(yīng)器^[31]，其形式如圖5所示，反應(yīng)器將合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）均勻地輸送到催化劑層。在循環(huán)流化床或固定式流化床反應(yīng)器中，合成氣通過催化劑床層向上或向下流動，確保氣體可以接觸到所有催化劑顆粒。催化劑多采用熔融法鐵基催化劑或沉淀法鐵基催化劑^[32-33]，密度的范圍在7.0~9.0 g/cm^3[34-35]。因此，在使用鐵基催化劑的高溫費托合成（HTFT）反應(yīng)器中，確保催化劑顆粒實現(xiàn)良好的流態(tài)化狀態(tài)是至關(guān)重要的。良好的流態(tài)化能夠保證催化劑與反應(yīng)氣體之間的充分接觸，進而增強反應(yīng)效率和均勻性，從而顯著提高最終產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量。因此，設(shè)計和操作HTFT反應(yīng)器時，對重質(zhì)鐵基催化劑的流態(tài)化性能給予特別關(guān)注是提升系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵。

圖5 高溫費托合成主要反應(yīng)器形式^[31]Fig.5 Main reactor types for high-temperature Fischer-Rropsch synthesis^[31]

近年來，化學(xué)鏈燃燒技術(shù)（chemical looping combustion，CLC）作為一種前沿的燃燒技術(shù)，因其獨特的CO₂分離能力以及相對較低的能量損失特性，受到了廣泛的關(guān)注。CLC的基本思想是利用兩個獨立的流化床反應(yīng)器來替代傳統(tǒng)的單個燃燒反應(yīng)器，如圖6所示，并選用合適的金屬氧化物作為載氧體在兩個反應(yīng)器之間循環(huán)流動，以將空氣中的氧輸送到燃料側(cè)供其完成氧化反應(yīng)^[36-37]。CLC載氧體顆粒多由金屬氧化物以及惰性金屬載體組成，其中部分載氧體顆粒具有較高的顆粒密度，可達到4.0~5.0 g/cm^3[38-41]，一些FeSi成分的載氧體顆粒，密度甚至可達7.0 g/cm^3[42]。在典型的CLC燃料反應(yīng)器設(shè)計中，常見的配置包括鼓泡床、噴動床及循環(huán)流化床。這些設(shè)計的核心目標(biāo)是實現(xiàn)燃料的最大化轉(zhuǎn)化，因此，反應(yīng)器必須具備優(yōu)秀的氣固接觸效率、顆粒的良好混合狀態(tài)以及適當(dāng)?shù)念w粒停留時間。在這個過程中，確保重質(zhì)載氧體顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)良好的流化狀態(tài)顯得尤為重要。良好的流化狀態(tài)不僅有助于增強燃料與氧化劑之間的接觸，還可以優(yōu)化熱量和物質(zhì)的傳遞，從而提高反應(yīng)效率和燃料的完全轉(zhuǎn)化。因此，設(shè)計和操作CLC反應(yīng)器時，必須重視重質(zhì)顆粒的流化性能，確保它們在反應(yīng)器中能夠均勻分布并保持有效反應(yīng)活性。這對于提高整個系統(tǒng)的性能和效率至關(guān)重要。

圖6 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)系統(tǒng)示意圖^[36-37]Fig.6 Schematic diagram of the chemical looping combustion system^[36-37]

為擺脫對焦炭資源的依賴，減少傳統(tǒng)高爐鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的污染，同時能夠直接利用低品位鐵礦資源，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了以直接還原和熔融還原為主體的現(xiàn)代化非高爐煉鐵工業(yè)技術(shù)（non-blast-furnace ironmaking process，NBF ironmaking process）^[43-44]。在現(xiàn)有的非高爐煉鐵工藝流程中，主要的還原設(shè)備包括豎爐、回轉(zhuǎn)窯和流化床等^[45-46]。氣-固流化床還原煉鐵技術(shù)的特點是以氣體作為還原劑，直接利用鐵礦粉，反應(yīng)在氣-固兩相中進行，如圖7所示。與高爐煉鐵工藝相比，流化床還原技術(shù)具有成本低、原料和設(shè)備利用率高以及熱交換效率高等諸多優(yōu)勢，目前已發(fā)展出多種工藝，如Midrex法、HYL法和Finmet法等。當(dāng)鐵礦石在流化床中處于良好的流化狀態(tài)時，氣體能夠更均勻地通過礦石顆粒，使還原劑與鐵礦石充分接觸，從而提高反應(yīng)效率。此時，還原反應(yīng)能夠更快速、更完全地進行，從而提高鐵礦石的轉(zhuǎn)化率。赤鐵礦的化學(xué)式為Fe₂O₃，密度為4.9~5.3 g/cm³，密度較高，因此，為了優(yōu)化氣固流化床還原煉鐵過程，提高鐵礦石的轉(zhuǎn)化率，需要合理控制鐵礦石的流化狀態(tài)。

圖7 Midrex直接還原工藝流化床反應(yīng)器示意圖^[43-44]Fig.7 Schematic diagram of the fluidized bed reactor in the Midrex direct reduction process^[43-44]

空氣重介質(zhì)流化床干法選煤是將氣固流態(tài)化技術(shù)用于選煤技術(shù)領(lǐng)域的一項高效干法分選技術(shù)^[47-48]。其分選原理與濕法重介質(zhì)選煤類似，是利用空氣和加重質(zhì)形成的具有似流體性質(zhì)和一定密度的流化床層，依據(jù)阿基米德原理使入選物料在流化床層內(nèi)按密度分層，輕物（即煤）上浮，重物（矸石）下沉。而后輕、重物料經(jīng)分離、脫介獲得精煤和尾煤兩種產(chǎn)品，原理如圖8所示。空氣重介流化床的分選介質(zhì)主要是磁鐵礦粉。磁鐵礦粉原礦石密度為3.6~4.7 g/cm³，并隨含鐵量的增加而增大。在一些分選過程中，重介質(zhì)選用硅鐵礦粉，其真密度可達6.32 g/cm³，堆密度為3.3 g/cm^3[49-50]，所形成的流化床密度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤炭的高效、精確分選，對于提升煤炭質(zhì)量和利用率具有重要意義。而磁鐵礦粉的流化狀態(tài)，作為分選過程中的關(guān)鍵因素，直接影響分選的效率和精度，因此在實際操作中需要精細控制。

圖8 AKAFLOW流化床分選裝置示意圖^[47]Fig.8 Schematic diagram of the AKAFLOW fluidized bed separator^[47]

綜上所述，重質(zhì)顆粒的流態(tài)化問題在諸多工業(yè)生產(chǎn)過程中扮演著重要的角色。這些工業(yè)實例體現(xiàn)了流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用，更體現(xiàn)了在含有重質(zhì)顆粒的流化床中實現(xiàn)良好流化狀的重要作用。因此，深入探索重質(zhì)顆粒的基礎(chǔ)流化特性，并進一步開發(fā)重質(zhì)顆粒流態(tài)化強化技術(shù)，是提升相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)效率和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要步驟。

2 重質(zhì)顆粒流態(tài)化基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀

在討論顆粒的流態(tài)化現(xiàn)象時，最為科學(xué)嚴謹?shù)姆绞绞菑淖罨镜牧鲬B(tài)化行為出發(fā)，分析顆粒與流體基本物性之間的相互作用。然而，通過對重質(zhì)顆粒流態(tài)化工作的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對重質(zhì)顆粒流態(tài)化的研究仍然十分有限，難以像輕質(zhì)顆粒那樣歸納并總結(jié)出普適性的結(jié)論。因此，本節(jié)研究現(xiàn)狀的敘述重點在于通過現(xiàn)有的高密度顆粒流化研究，提煉出“輕質(zhì)顆粒與重質(zhì)顆粒在流態(tài)化特性上存在顯著差異”這一關(guān)鍵點，識別并突出該研究領(lǐng)域中的空白，其他涉及重質(zhì)顆粒流態(tài)化但缺乏深入分析的工作在本文中不做討論。

2.1 實驗研究

一些學(xué)者對重質(zhì)顆粒在流化床中的流化特性進行了初步實驗研究，這些研究主要集中在以下幾個方面：重質(zhì)顆粒的噴動行為、密相鼓泡特性、流型轉(zhuǎn)變以及混合分析。此外，研究者們還對重質(zhì)顆粒流態(tài)化的強化技術(shù)進行了探索和討論。這些研究為進一步理解重質(zhì)顆粒的流化行為提供了基礎(chǔ)。

針對采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）進行核燃料包覆的過程，學(xué)者們開展了一系列噴動床中重質(zhì)顆粒的基礎(chǔ)流態(tài)化特性研究。Zhou等^[51-53]通過實驗研究了二氧化鋯（ZrO₂）顆粒（ρ=6.0 g/cm³）在噴動床中的噴動特性，實驗現(xiàn)象如圖9所示。實驗結(jié)果表明，目前用于預(yù)測最小噴動速度的經(jīng)驗公式都是基于密度低于3.0 g/cm³的顆粒建立的，無法準確預(yù)測ZrO₂顆粒的最小噴動速度，因此基于ZrO₂實驗數(shù)據(jù)建立了新的最小噴動速度關(guān)聯(lián)式，并在關(guān)聯(lián)式中包含了錐角、靜床高度和顆粒粒徑的影響，但Zhou等的工作僅探究了一種重質(zhì)顆粒，對其他重質(zhì)顆粒是否同樣適用仍缺乏驗證。

圖9 ZrO₂顆粒在60°錐形床中U/U_ms分別為1.8、2.1、2.4的噴動行為實驗^[51-53]Fig.9 Experimental study of spouting behavior of ZrO? particles in a 60 ° conical bed at U/U_ms ratios of 1.8, 2.1, and 2.4^[51-53]

Goldshan等^[54]研究了二氧化鋯（ZrO₂，ρ=6.0 g/cm³）、增韌氧化鋁（Al₂O₃，ρ=3.7 g/cm³）和玻璃珠（ρ=2.5 g/cm³）的最小噴動速度，并對實驗過程中的壓力信號的時域及頻域進行了分析。實驗結(jié)果顯示，隨著顆粒密度的增加，最大壓降、穩(wěn)定噴動壓降以及最小噴動速度都會增加。在靜態(tài)床高度保持不變的情況下，當(dāng)顆粒密度增加時，需要更高的氣體速度來形成噴泉區(qū)并在床內(nèi)建立正常的顆粒循環(huán)。因此，在重質(zhì)顆粒的穩(wěn)定噴動狀態(tài)下，出現(xiàn)更高的最小噴動速度和全床壓降。在噴泉區(qū)，當(dāng)壓力脈動頻率小于50 Hz時，ZrO₂在功率譜密度函數(shù)（PSDF）中產(chǎn)生更高的振幅，尤其在頻率≤5 Hz的范圍內(nèi)表現(xiàn)更為明顯，這表明重質(zhì)顆粒在該區(qū)域內(nèi)的運動更加劇烈。對于頻率>50 Hz的范圍，隨著密度的增加，功率譜密度函數(shù)顯示出略低的振幅。以上現(xiàn)象認為是由重質(zhì)顆粒慣性力的增加造成的。基于實驗數(shù)據(jù)，Goldshan推導(dǎo)出適用于2.5~6.0 g/cm³密度范圍內(nèi)的最小噴動速度關(guān)聯(lián)式，并與文獻中基于低密度顆粒推導(dǎo)出的最小噴動速度關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值進行比較，結(jié)果如圖10所示，新關(guān)聯(lián)式具有更低的預(yù)測誤差。

圖10 (a)實驗測量的最小噴動速度與文獻中不同經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式預(yù)測值的比較；(b)Goldshan等^[54]提出的最小噴動速度關(guān)聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)的比較Fig.10 (a) Comparison of experimental minimum spouting velocity with predicted values from different empirical correlations in the literature; (b) Comparison of experimental data with the minimum spouting velocity correlation proposed by Goldshan et al.^[54]

在Zhou和Goldshan工作的基礎(chǔ)上，Guo等^[55]利用實驗探究了高溫下增韌氧化鋁（Al₂O₃）顆粒（ρ=3.2 g/cm³）、二氧化鋯（ZrO₂）顆粒（ρ=6.0 g/cm³）和銅（Cu）顆粒（ρ=8.9 g/cm³）的噴動特性，在最小噴動速度關(guān)聯(lián)式中加入顆粒密度和溫度的影響。同時，Dogan等^[56]采用與Goldshan相同的顆粒首次探討了重質(zhì)顆粒在錐形噴動床中軸向氣體混合的行為。與以往San José等^[57]基于低密度顆粒推導(dǎo)出的錐型噴動床中的氣體擴散系數(shù)關(guān)聯(lián)式對比（圖11）發(fā)現(xiàn)，研究中獲得的氧化鋁和氧化鋯顆粒的分散系數(shù)值更高，說明重質(zhì)顆粒要求更高的操作氣體速度。通過計算不同密度顆粒的Peclet數(shù)發(fā)現(xiàn)，輕顆粒的對流傳輸相對于軸向擴散更為顯著，進一步說明了重質(zhì)顆粒與低密度顆粒在噴動床中存在不同的軸向氣體混合行為。以上關(guān)于噴動床的基礎(chǔ)流態(tài)化實驗研究表明，高密度顆粒和低密度顆粒在噴動行為上存在明顯差異。Mollick等^[58]通過實驗探究了最小噴動速度的大小與顆粒性質(zhì)和床層高度的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明對于不同密度（2.5~16 g/cm³）和粒徑（570~2440 μm）的顆粒，最小噴動速度與床高的關(guān)系呈現(xiàn)出不同的指數(shù)關(guān)系（α），說明輕質(zhì)顆粒與重質(zhì)顆粒的噴動行為也遵循不同的規(guī)律。

圖11 Dogan實驗得到氣體擴散系數(shù)與San José基于低密度顆粒推導(dǎo)的氣體擴散系數(shù)預(yù)測值的對比^[55]Fig.11 Comparison of gas diffusion coefficients obtained from Dogan's experiments with predicted values derived by San José for low-density particles^[55]

噴動床多適用于需要高效混合和快速反應(yīng)的場合，如催化劑的再生、固體顆粒的干燥和焙燒等。其主要優(yōu)點在于能夠提供良好的氣固混合，促進快速的熱傳遞和質(zhì)量傳遞。然而，高速流動也可能導(dǎo)致顆粒的磨損和破碎，對某些應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。對于一些反應(yīng)速率較慢、固體物料處理量較大、對物料流量和轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定性要求較高的過程，如天然鈾轉(zhuǎn)化和直接還原煉鐵技術(shù)，采用密相流化床的反應(yīng)器形式則更為合適。密相流化床能提供更穩(wěn)定的流態(tài)和反應(yīng)條件，適合處理大規(guī)模固體物料。目前，關(guān)于重質(zhì)顆粒在密相流化床中的基礎(chǔ)流化特性的實驗研究非常有限，這一領(lǐng)域亟需進一步的探索和研究，以優(yōu)化工藝設(shè)計和操作參數(shù)，提高反應(yīng)效率和經(jīng)濟效益。

劉坤等^[59]采用冷態(tài)試驗的方法，研究氧化鉿（HfO₂）顆粒（

）的流化性質(zhì)。實驗發(fā)現(xiàn)，氧化鉿床層開始流化時并沒有像低密度顆粒床層一樣出現(xiàn)均勻膨脹，而是局部首先出現(xiàn)氣流通道，在床壁處可以觀察到氣體通道，床層的孔隙率也沒有增加，實驗現(xiàn)象如圖12所示。隨著氣流速度的增加，氣流通道由局部向整體擴散，造成物料的橫向移動之后物料充分流動才開始有氣泡現(xiàn)象產(chǎn)生，顆粒物料的流型顯示為聚式流態(tài)化。

圖12 氧化鉿床層中的氣孔和氣體通道^[59]Fig.12 Pores and gas channels in a hafnia (HfO?) bed^[59]

Rodriguez等^[60-61]通過實驗發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)流化顆粒30%~40%的床層膨脹率，重質(zhì)的鎢顆粒（

）完全流化的床層膨脹率只有10%，造成顆粒與壁面間的熱傳導(dǎo)不良，嚴重影響流化質(zhì)量和壁面?zhèn)鳠岬男省anni等^[62-64]實驗研究了床徑的減小對重質(zhì)鎢顆粒流化狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)重質(zhì)顆粒的臨界直徑比常見的Geldart A類和B類顆粒的臨界直徑要高，并猜測可能是重質(zhì)顆粒更高的床層摩擦力造成的。

Saayman等^[65]通過實驗發(fā)現(xiàn)向重質(zhì)FeSi床層

）中添加細粉顆粒反而降低了鼓泡狀態(tài)下密相床層的空隙率，使得反應(yīng)器性能下降，這與以往低密度顆粒床層中的研究規(guī)律相反。Bournival等^[66]運用高速攝像機研究了顆粒密度對氣泡表面穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)重質(zhì)顆粒在與氣泡接觸時因具有較大的慣性，容易從氣泡表面掉落，而密度小的顆粒則更容易附著在氣泡表面，阻礙氣泡的凝聚，如圖13所示，進而影響整個床層的流化行為。

圖13 不同密度顆粒與氣泡表面的相互作用^[65]Fig.13 Interaction between particles of different densities and the surface of a bubble^[65]

McIntyre等^[67]通過實驗研究了高壓下鈦鐵礦礦石

）的流動特性以及管至床層的熱傳遞系數(shù)特性，結(jié)果表明高壓的操作條件可以提高鈦鐵礦石顆粒的反應(yīng)性能。同時，他指出目前大量的文獻都忽略了高壓下小而重的顆粒的流化特性。通過實驗測定的最小流化速度與常用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式還存在較大誤差。

Luckos等^[68-69]首次探究了鈦鐵礦（ρ=4.75 g/cm³）和鈦渣顆粒（ρ=4.01 g/cm³）的物理性質(zhì)對循環(huán)流化床中流動特性和流域轉(zhuǎn)變的影響。對于這兩種材料，在常溫常壓條件下，確定了最小流化速度U_mf和輸送速度U_tr。由于鈦鐵礦的密度較高，因此測得的鈦鐵礦顆粒的最小流化速度高于礦渣顆粒。基于傳統(tǒng)的Ergun方程，分別為鈦鐵礦和礦渣顆粒擬合了最小流化速度的相關(guān)性。這兩個相關(guān)性都傾向于低估顆粒的最小流化速度。最后基于鈦鐵礦和鈦渣顆粒的真實流動信息，繪制了循環(huán)流化床中的流域圖，圖中信息表明在表觀氣體速度小于U_se的情況下，快速流化確實存在，并且對于較大的顆粒，環(huán)形流態(tài)的范圍會變窄。

He等^[70-71]采用實驗及模擬等方法研究了鐵礦石直接還原反應(yīng)中鐵礦石顆粒

）失流化行為，發(fā)現(xiàn)在高表觀氣速下相對于傳統(tǒng)的圓柱形流化床，錐形流化床中的流化高度增加，氣固接觸效率提高。為了避免現(xiàn)有使用圓柱形流化床的直接還原（DR）工藝中的失流化現(xiàn)象，在許多工業(yè)過程中僅處理粗顆粒的鐵礦石（FINEX和FINMET^[72]：0.05~8.0 mm；Circored^[73]：0.1~2.0 mm），并在相對較低的溫度下進行處理。在這些條件下，受高密度顆粒本身較差的流動性的影響，流化床在質(zhì)量和熱量傳遞方面的優(yōu)勢將受到內(nèi)部擴散和低反應(yīng)溫度的限制。

Hessels等^[74]基于實驗室流化床裝置研究了氧化鐵顆粒（ρ=4.6 g/cm³）高溫下的流化和還原行為。實驗發(fā)現(xiàn)由于較大的床層質(zhì)量，在最小流化速度條件下的氫氣還原實驗中，得到遠低于期望的1%的轉(zhuǎn)化率。Alekhine等^[75]設(shè)計實驗研究了重質(zhì)青銅顆粒（ρ=8.79 g/cm³）在循環(huán)流化床中的“噎塞”極限并觀察到鼓泡狀態(tài)向湍動狀態(tài)的流域轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

de Vos等^[32]通過實驗研究了噴霧造粒生成的FeSi顆粒（ρ=6.7 g/cm³）以及研磨的FeSi顆粒（ρ=6.6 g/cm³）在常溫氣體中的夾帶行為，來模擬新鮮和使用后的高溫費托合成（HTFT）催化劑在流化床反應(yīng)器內(nèi)的氣體夾帶現(xiàn)象。結(jié)果表明，關(guān)于A類顆粒團聚臨界粒徑的經(jīng)典概念不能充分描述重質(zhì)的A類顆粒的夾帶行為。

Yang等^[76]為了研究顆粒從鼓泡向湍動狀態(tài)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變速度，收集了29個實驗案例，其中只有2個案例的顆粒密度高于5.0 g/cm3（占所有案例的比例不到7%）。因此，基于如此少樣本進行推斷關(guān)于重質(zhì)顆粒流化狀態(tài)似乎并不可靠。

另外，涉及密相床內(nèi)重質(zhì)顆粒的基礎(chǔ)流態(tài)化實驗有很大一部分是關(guān)于密度主導(dǎo)的顆粒離析現(xiàn)象的研究。通過選用不同密度的二元顆粒體系構(gòu)建不同密度比，研究密度比對軸向顆粒離析現(xiàn)象的影響。例如，Nienow等^[77]發(fā)現(xiàn)雙組分混合物在流化床中會由于密度、粒徑等因素的差異發(fā)生分離，并最早定義流化過程中下沉底部的顆粒為沉積組分（jetsam），向頂部上浮的顆粒為浮升組分（floatsam）。同時，他們指出在同粒徑、不同密度的雙組分系統(tǒng)中，密度大的組分為沉積組分，密度小的組分為浮升組分。Chiba等^[78-79]的工作認為與顆粒粒度差異相比，密度差異更能促使多組分顆粒在流化過程中分層，這也被Rasul等^[80-81]的實驗所證實。Formisani等^[82-83]進行基礎(chǔ)實驗，研究了密度離析主導(dǎo)的鋼珠（ρ=7.6 g/cm³）和玻璃珠（ρ=2.46 g/cm³）二元顆粒在流化床中的流化和偏析過程，并探討了床層流化和組分偏析之間的關(guān)系。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，密度不同的二元混合物的流化速度區(qū)間寬度與組分間的密度差距有關(guān)，同時還與初始體積分數(shù)和初始混合狀態(tài)有關(guān)。Zhu等^[84]研究了在不同氣體降速速率下，砂子與鐵礦石混合系統(tǒng)的分離程度演變。這項研究探討了流化床中兩種不同密度顆粒的分離現(xiàn)象，特別是關(guān)注在流化床氣流速率減小過程中的分離行為。

在重質(zhì)顆粒流化研究領(lǐng)域中，部分工作嘗試通過施加外磁場^[85-87]或增加攪拌裝置^[88]來強化顆粒的流動性。除此之外，還有研究聚焦于重質(zhì)顆粒在液固流化床中的流動特性^[89-91]，發(fā)現(xiàn)通過減小流體與固體顆粒間的密度差，可以顯著提高重質(zhì)顆粒的分散性和流動性。然而，這些強化措施的適用范圍仍然有限，尚無法廣泛應(yīng)用于所有重質(zhì)顆粒系統(tǒng)。

總體而言，學(xué)者們針對重質(zhì)顆粒在流化床中的流化特性進行了初步的實驗研究。已有研究揭示了重質(zhì)顆粒在流化床中的流動行為特性，這些特性與低密度顆粒存在顯著差異。然而，實驗研究在范圍和測量手段上仍存在局限性。目前的研究主要集中在少數(shù)幾種重質(zhì)顆粒上，缺乏對更多種類顆粒的廣泛系統(tǒng)驗證。此外，實驗方法在數(shù)據(jù)采集、精度和分辨率等方面也存在一定的不足。這些限制表明，在全面理解和優(yōu)化重質(zhì)顆粒的流化行為方面，仍需進一步的深入研究和改進。

2.2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬方法作為基礎(chǔ)流態(tài)化研究的重要手段，可以彌補實驗方法的許多局限。因此，針對重質(zhì)顆粒的流化行為，一些學(xué)者利用數(shù)值模擬方法也進行了深入的探索和研究。在氣固流化系統(tǒng)中，根據(jù)對固相顆粒的不同描述方法，可以將重質(zhì)顆粒流態(tài)化的數(shù)值模擬分為歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法。在歐拉-歐拉方法中，氣相和固相被視為相互滲透的連續(xù)體，因此該方法也稱為雙流體模型（two-fluid model，TFM）。在此方法中，氣固兩相的控制方程均由Navier-Stokes方程描述。然而，雙流體模型無法提供單個顆粒運動的詳細信息。歐拉-拉格朗日方法中，氣相作為連續(xù)流體在歐拉框架下求解，而顆粒相則在拉格朗日框架下通過牛頓第二定律追蹤每個顆粒的運動。在這種方法中，可以考慮顆粒的密度、粒徑和形狀等屬性。根據(jù)處理顆粒間相互作用力的不同方式，歐拉-拉格朗日方法可進一步分為傳統(tǒng)CFD-DEM（computational fluid dynamics-discrete element method）方法、DDPM（dense discrete phase model）、粗粒化CFD-DEM以及MP-PIC方法。對于重質(zhì)顆粒，由于為了實現(xiàn)較好的流化狀態(tài)，實際操作中通常使用較小的顆粒粒徑，這導(dǎo)致計算中涉及的顆粒數(shù)量非常龐大，傳統(tǒng)的CFD-DEM方法難以處理。因此，在模擬重質(zhì)顆粒流化床時，通常采用雙流體模型或粗粒化的CFD-DEM方法。

Liu等^[92-93]通過實驗和數(shù)值模擬比較了相同粒徑條件下低密度的玻璃珠（ρ=2.6 g/cm³）和幾種重質(zhì)顆粒（

在噴動床中的流態(tài)化行為差異。經(jīng)過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，不同密度的顆粒在流化過程中展現(xiàn)出了相同的最大噴泉高度。然而，顆粒的密度與所需流化氣速及床層壓力之間存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系：顆粒密度越大，達到流化狀態(tài)所需的氣速越高，同時床層的壓力也會相應(yīng)提升（圖14）。模擬結(jié)果還顯示當(dāng)顆粒密度增加時，顆粒穩(wěn)定噴動氣速范圍隨密度增加而擴大，同時重質(zhì)顆粒的不連貫噴動存在低密度顆粒不易存在的雙頻現(xiàn)象，說明重質(zhì)顆粒在噴動床中存在獨特的噴動現(xiàn)象。Pannala等^[94-95]使用雙流體方法研究了包含重氧化鋯顆粒（6.0 g/cm³）的二維錐形噴動床，他們觀察到重質(zhì)床層中獨有的不連貫噴動現(xiàn)象。

圖14 四種不同密度顆粒的實驗結(jié)果：(a)顆粒流型；(b)與模擬結(jié)果相比進氣氣速與床層壓降隨顆粒密度的變化關(guān)系^[92]Fig.14 Experimental results for four different density particles: (a) Particle flow patterns; (b) Relationship between inlet gas velocity and bed pressure drop as a function of particle density compared with simulation results^[92]

Shao等^[96-97]基于歐拉-拉格朗日框架，建立了一個三維流化床模型來預(yù)測煤、砂、氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鎳（NiO）和氧化鐵（Fe₂O₃）顆粒在逐漸升高的壓力和溫度下的最小流化速度。關(guān)于顆粒密度對最小流化速度的影響，該工作只給出了一個常規(guī)結(jié)論：隨著顆粒密度的減小，最小流化速度降低。

Tsurumaki等^[98]基于雙流體模型研究了不同密度蓄熱顆粒的流化特性，包括玻璃珠、2∶1鐵-錳氧化物和尖晶石顆粒，這些材料的密度分別為2.5、5.08和5.50 g/cm3。模擬結(jié)果顯示，材料的密度對流動特性具有顯著影響；低密度材料的流化速度快于重質(zhì)材料。由于重力作用，床層高度顯著受顆粒密度的影響。

Chao等^[99]基于Formisani等^[82-83]的實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建了多流體模型，對鋼珠（ρ=7.6 g/cm³）和玻璃珠（ρ=2.46 g/cm³）組成的密相二元顆粒系統(tǒng)流化床中的密度主導(dǎo)的離析現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，并且表明密度主導(dǎo)的二元顆粒離析行為和顆粒的速度分布都依賴于表觀氣體速度。在相對較低的表觀氣體速度下，顆粒主要發(fā)生軸向離析，而在相對較高的表觀氣體速度下，顆粒既沿軸向離析也沿徑向離析。但該研究只關(guān)心密度比對顆粒離析行為的影響而沒有討論相同密度比下顆粒本身密度范圍的流化特性。

Li等^[21-22]基于實驗、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式以及數(shù)值模擬方法研究了當(dāng)顆粒密度從低到高（1.25~10.96 g/cm3）時，初始流化階段和鼓泡流化階段基礎(chǔ)流化特性存在的差異，發(fā)現(xiàn)了基于常用低密度顆粒推導(dǎo)出的最小流化速度經(jīng)驗公式在重質(zhì)顆粒范圍具有較大偏差，且隨著顆粒密度的增加，偏差越來越大，其規(guī)律如圖2所示。此外，還可以發(fā)現(xiàn)重質(zhì)顆粒和低密度顆粒在基本流化行為上存在顯著差異，顆粒密度增加會導(dǎo)致流化性能惡化，表現(xiàn)為氣泡變大、失流化區(qū)域、溝流以及床層膨脹比降低，如圖15所示。Lan等^[100]基于CFD-DEM-IBM方法模擬了重質(zhì)鐵礦石顆粒在流化床中的富氫還原行為，但文章中主要探討了數(shù)值方法的精度以及反應(yīng)動力學(xué)模型和操作溫度對鐵礦石富氫還原反應(yīng)性能的影響，并沒有討論重質(zhì)顆粒在流化行為上的差異以及流化效果對反應(yīng)性能的影響。

圖15 (a)低密度FCC顆粒與重質(zhì)UO₂的充分流動狀態(tài)對比；(b)顆粒密度和氣速對床層膨脹率的影響^[21-22]Fig.15 (a) Comparison of the fully fluidized states between low-density FCC particles and high-density UO₂ particles; (b) Effect of particle density and gas velocity on bed expansion ratio^[21-22]

McIntyre等^[101]通過CPFD方法探究鈦鐵礦在高壓鼓泡床中的流化現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，模型能夠復(fù)現(xiàn)隨著流化速度和操作壓力的增加而變化的實驗趨勢，還能在平均絕對相對偏差（AARD）為4.8%的范圍內(nèi)預(yù)測床層膨脹值，但對重質(zhì)鈦鐵礦床層存在持續(xù)的低估。

Kraft等^[102]基于CPFD模擬方法研究了8 MW的雙流化床系統(tǒng)內(nèi)重質(zhì)青銅顆粒（ρ=8.79 g/cm³）的冷態(tài)流動。工作主要對比了不同的曳力模型對模擬精度的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有研究的曳力模型都不能很好地預(yù)測床料循環(huán)速率以及系統(tǒng)的壓力分布。但是，該研究并沒有討論有關(guān)重質(zhì)顆粒在循環(huán)流化床系統(tǒng)內(nèi)流化行為上的差異。

另外，還有一部分工作研究了重質(zhì)金屬細粉顆粒在鼓泡床中的團聚現(xiàn)象^[103-105]以及重質(zhì)與低密度顆粒在鼓泡流化床中的二元混合問題^[79,106]，但以上工作都沒有具體討論并指出顆粒密度對流化特性的影響以及相關(guān)流化規(guī)律在不同密度范圍的表現(xiàn)差異。

盡管目前已經(jīng)采用傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法對重質(zhì)顆粒的流態(tài)化行為進行了初步探究，但現(xiàn)有的數(shù)值模型大多基于輕質(zhì)顆粒的實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)而來，如曳力模型和固相應(yīng)力模型等。這些模型是否適用于重質(zhì)顆粒的流動狀態(tài)預(yù)測，尚未得到廣泛的數(shù)據(jù)支持和驗證，因此其研究結(jié)論的可信性仍需進一步驗證。

2.3 研究進展總結(jié)

本文中涉及的重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究的范圍及主要結(jié)論如表1及圖16所示。從圖16中顆粒物性分布特點可知，現(xiàn)有研究中使用的重質(zhì)顆粒按照傳統(tǒng)的Geldart顆粒分類方法多屬于B類和D類顆粒，其是否遵循常規(guī)的B類/D類顆粒的流化特征，還缺少細致的基礎(chǔ)研究。另外，通過總結(jié)以往研究，可以提煉出本文的關(guān)鍵結(jié)論，即“輕質(zhì)顆粒與重質(zhì)顆粒在流態(tài)化特性上存在顯著差異”。但由于目前仍然缺乏系統(tǒng)嚴謹?shù)难芯繑?shù)據(jù)，無法像常見的輕質(zhì)顆粒一樣建立較為普適的經(jīng)驗和理論。對于重質(zhì)顆粒工業(yè)應(yīng)用背景的討論，希望幫助讀者認識到，對于重質(zhì)顆粒，探討并總結(jié)其最基本的流態(tài)化現(xiàn)象，對于理解和優(yōu)化高密度顆粒的流態(tài)化行為具有重要意義。目前相關(guān)基礎(chǔ)研究的缺失進一步突顯了開展重質(zhì)顆粒流態(tài)化特性研究的必要性和緊迫性。

表1 重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究總結(jié)Table 1 The summary of research on fluidization of high-density particles

圖16 本文討論的重質(zhì)顆粒性質(zhì)的分布范圍Fig.16 Distribution range of particle properties in the works cited in this paper

3 結(jié) 語

無論從實驗測量、數(shù)值模擬還是工業(yè)實踐均證明重質(zhì)顆粒的流化行為與低密度易流化顆粒存在明顯差別。且根據(jù)以往的研究，重質(zhì)顆粒系統(tǒng)在操作過程中極易出現(xiàn)溝流、騰涌和死區(qū)等不正常流化狀態(tài)^[59,107-112]，這對相關(guān)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行十分不利。目前對重質(zhì)顆粒流態(tài)化特性的研究并不充分，多為針對單一重質(zhì)顆粒在特定工況下的流動行為的描述，而對重質(zhì)顆粒在整個流域內(nèi)的流態(tài)化特性以及與低密度顆粒流動性的差異缺少系統(tǒng)的研究和總結(jié)。同時，現(xiàn)有的流動理論和經(jīng)驗公式能否對重質(zhì)顆粒的流動特征進行準確合理的描述還未有系統(tǒng)的評估。如何定性乃至定量地預(yù)測重質(zhì)顆粒流化系統(tǒng)流域及其轉(zhuǎn)變，是設(shè)計和優(yōu)化相關(guān)過程的基礎(chǔ)。針對現(xiàn)有重質(zhì)顆粒流態(tài)化工業(yè)系統(tǒng)存在的問題，目前亟需加強以下重質(zhì)流態(tài)化相關(guān)的研究方向。

（1）流域轉(zhuǎn)變。關(guān)注不同操作條件下，重質(zhì)顆粒在流化床中從一個流態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個流態(tài)的行為和機理，比如從固定床向鼓泡流化床再向湍動流化床的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變對流化床的設(shè)計和操作有重要影響，理解流域轉(zhuǎn)變的動力學(xué)和控制因素是優(yōu)化流化床性能的關(guān)鍵。

（2）傳熱傳質(zhì)特性。針對重質(zhì)顆粒流態(tài)化工業(yè)反應(yīng)系統(tǒng)，研究應(yīng)聚焦于探究重質(zhì)顆粒間以及顆粒與氣體間的傳熱和傳質(zhì)規(guī)律、探索增強顆粒間傳熱傳質(zhì)效率的方法。

（3）顆粒混合分級特性。研究重質(zhì)顆粒流化床內(nèi)多分散顆粒系統(tǒng)的混合與分離，包括研究不同操作條件下顆粒混合均勻性的影響因素。同時，探討如何通過調(diào)整床層結(jié)構(gòu)或添加內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)來提高混合或分離效率。

（4）反應(yīng)過程強化技術(shù)。對于重質(zhì)顆粒，如何保持良好的流化反應(yīng)狀態(tài)是一大挑戰(zhàn)。下一步的研究應(yīng)聚焦于開發(fā)重質(zhì)顆粒流化床反應(yīng)過程的強化技術(shù)，如調(diào)整顆粒大小分布、床層高度和氣體流速，以及探索新的流化助劑和技術(shù)來優(yōu)化流化質(zhì)量，提高反應(yīng)效率。

針對重質(zhì)顆粒流化的數(shù)值模擬，未來的發(fā)展應(yīng)關(guān)注以下幾個難點：

（1）需對現(xiàn)有模型在重質(zhì)顆粒條件下的適用性進行系統(tǒng)性驗證和改進；

（2）需開發(fā)能夠準確描述重質(zhì)顆粒與流體相互作用的新模型，以提高預(yù)測精度；

（3）建議結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，不斷修正和優(yōu)化數(shù)值模擬的參數(shù)，以增強其在實際工業(yè)應(yīng)用中的可靠性；

通過對這些領(lǐng)域的深入研究，可以有效解決現(xiàn)有重質(zhì)顆粒流態(tài)化系統(tǒng)中的問題，提高流化床的設(shè)計和操作效率，從而更好地滿足工業(yè)需求。這些研究不僅有助于理論的發(fā)展，也為流態(tài)化技術(shù)的實際應(yīng)用和進一步創(chuàng)新提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

亮點評述

重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究現(xiàn)狀與展望

重質(zhì)顆粒流態(tài)化研究現(xiàn)狀與展望

引 言

1 重質(zhì)顆粒流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用背景

2 重質(zhì)顆粒流態(tài)化基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀

2.1 實驗研究

2.2 數(shù)值模擬研究

2.3 研究進展總結(jié)

3 結(jié) 語

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引言