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1、流态化的研究现状及进展1流态化理论的研究现状2 0世纪末至今，国内外流态化理论的研究继续活跃。主要集中在流化床的计算机模拟与放 大、流化床流动结构的预测和优化调控等方面。1. 1流化床结构的调控和预测理论与方法流化床中气、液、固三相物质运动相互作用的结果通常形成以气泡、液滴、聚团的尺寸大小 与空间分布不均匀为特征的不均匀结构。一般而言，气泡、液滴、聚团的尺寸越小，在连续 介质中分散越均匀，则相间接触界面越大，越有利于传质、传热和化学反应。影响结构的最 主要因素是操作条件（包括温度、压力、气液固三相各自的流速与流向、稳态操作与动态操 作等）与系统或设备条件（包括颗粒、流体的性质，设备与内构件的结
2、构与形状，外力场的 影响等）。为了抑制气泡与聚团的生成与长大，使聚式流态化向散式流态化转变，郭慕孙与 李洪钟提出了气固流态化的散式化理论与方法的研究课题。散式化理论与方法包括颗粒与添 加组分设计（粒度、粒度分布、形状、表面状态、密度、添加组分）、流体设计（密度、黏 度）、床型与内构件设计（快速床、下行床、多层浅床、锥形床、多孔挡板、百叶窗挡板、 波纹式挡板、孔桨式挡板、环形挡体、锥形挡体等）、外力场设计（磁场、声场、振动场、 超重力场等）。正确预测流化床的内部结构对正确预测其中的流动、传递和反应速率，实现 过程的放大与调控，具有极其重要的意义。李静海、郭慕孙在研究快速流态化床的局部结构 时，提
3、出了能量最小多尺度作用模型（EMMS模型）。该模型提出流体控制、颗粒控制、 流体一颗粒相互协调的概念，认为在快速床中流体用于颗粒的悬浮输送能最小，并以此作为 系统的稳定性条件，与气体、固体各自的动量守恒、质量守恒方程一起求解，成功预测了反 映快速床局部结构的稀相空隙度、密相空隙度、稀相与密相体积分数、稀相气速、密相气速、 稀相颗粒速度、密相颗粒速度、聚团平均尺寸8个参数。可望成为预测各种流化床结构的有 效方法。1.2流化床结构与“三传一反”的关系不言而喻，结构对“三传一反”具有直接的影响，但由于结构的时空变化复杂，预测十分困 难，以往的研究不得不采取平均的方法而躲开结构的时空不均匀变化，但预测
4、的结果偏差很 大。随着计算技术的迅速发展以及流化床结构的预测和调控的理论与方法的研究进展，使得 预测结构与“三传一反”之间的关系成为可能。李静海领导的科研组率先开展了结构与“三 传一反”关系的研究。Yang等首先研究了快速流化床流动结构与气固作用的曳力系数之 间的关系。计算结果表明，在相同的操作条件下，气固两相流中气体和颗粒之间的相互作用 之曳力系数，按照平均方法与按照考虑不均匀结构的多尺度方法计算所得结果之间存在数量 级的差别。如平均方法计算的曳力系数为18.6,而多尺度结构方法的计算结果为2.86,由此 两种曳力系数计算所得的流动形态大相径庭，而多尺度结构方法的结果更接近实际。可见传 统的
5、化学工程将不均匀结构拟均匀化是引起预测偏差和工程放大失败的根源之一，必须对结 构问题予以足够的重视。结构不仅对动量传递有决定性影响，而且对质量传递、热量传递和 化学反应同样会有决定性响。Hou等采用对复杂系统进行分解与合成的研究方法，将快速 流化床分解为连续相、分散相和相间相三个拟均匀相，分别研究三相的传质和传热系数，然 后将三相的传质和传热系数加权合成，获得整体不均匀结构的热质传递系数，从而建立了结 构与传递之间的关系模型，采用由EMMS模型获得的结构参数，较准确地预测了快速流化 床中的传热与传质行为。这种将流化床局部结构预测模型和结构与“三传一反”关系模型相 结合的模型，可称之为“局部构一
6、效关系模型”（LSER模型）。此类模型有望进一步完 善流化床工业装置设计、放大和调控的科学理论。目前这方面的研究尚属刚刚起步，急需加 强。3.3流态化的计算机模拟2 0世纪后期至今，由于基础实验积累和计算机技术的迅速发展，计算机模拟成为化学工程 领域的研究热点，它将化学工程从经验规则提高到模拟和量化分析的新水平。计算机模拟被 认为是介于实验和理论之间的一种虚拟实验。借助于计算机和计算流体力学软件，流态化技 术的研究也进入了一个快速发展的阶段。流态化技术的研究也由实验为主的研究方法转变为 实验、理论和计算机模拟三者并重的研究方法，它们之间相互促进，相互补充。由于流态化 过程是在流体的主导下进行的
7、，流体的流动与“三传一反”是紧密耦合的，因此，“三传一 反”问题通常可在流体力学的框架下联合求解。近二十年来，CFD（计算流体力学）及其 相关学科的发展使得对复杂多相流动比较准确的量化描述成为可能。目前许多学者采用CF D软件进行数值模拟，结合各种新型测量技术对流态化床内的流动细节如颗粒浓度、颗粒与 流体的速度分布等参数进行研究，进而进行过程的分析、模拟、优化、集成等Gidas pow等和Kuipers等的工作最具代表性。目前描述传递过程的模型主要是连续介 质模型，即在微观足够大和宏观足够小的尺度上进行平均化，将研究对象处理成一组相互关 联的微元。但从过程放大考虑，真正能满足这种要求的微元尺度
8、与放大的系统尺度相比往往 过于微小，因此从计算量上讲，严格的计算几乎不可能。然而，为得到应用，目前连续介质 方法常常只能采用较大的微元，其内部含有丰富而显著的不均匀结构，这种不均匀结构确被 无理地忽略，从而造成计算机模拟预测的很大偏差。克服上述难题的有效途径应是将能预测 局部多尺度结构的方法，如局部构一效关系模型（LSER）嵌入到CFD模型之中，由局 部构一效关系模型得到反映结构影响的微元动力学参数，用于CFD模型的计算之中。目前 已有两流体模型与EMMS模型相结合、颗粒轨道模型与EMMS模型相结合以及两流体模 型与LSER模型相结合的研究工作，取得了可喜进展，应当引起足够的重视。采用计算流
9、体力学方法研究过程工业设备内的多相流体力学行为被认为是解决过程放大效应问题的有 力手段，当然也是解决流态化过程放大效应问题的有力手段。4 我国流态化科技的应用现状4.1 在石化工业的应用催化裂化长期以来都是轻质油品生产中不可替代的核心工艺。根据文献报道，近年来，由于 催化裂化原料的不断重质化和劣质化，再加上日益苛刻的环保要求，要求催化裂化装置以更 差的原料生产出更加清洁的轻质油品。催化裂化的另一个发展方向是走炼油与化工一体化路 线，生产以低碳烯烃为主的石油化工原料。这些新的发展方向给催化裂化技术提出了新的挑 战。这不仅要求开发出与之适应的新型催化剂和工艺技术，也需要开发出配套的流态化工程 技术
10、。围绕上述发展方向，我国广大科研人员努力创新，以流态化技术为基础，在催化裂化 工艺技术和装备技术两方面取得了重大进展，形成了一系列具有自主产权的新技术，如两段 提升管催化裂化技术，称TSRFCC技术、辅助反应器汽油改质降烯烃技术、MIP技术、 FDFCC技术等。另外，下行床炼油技术也在2 0 0 3年国际上第一次成功通过了年生产 能力15万吨原油的工业示范。在化工领域，流态化技术广泛应用于众多化学合成反应过程。 在这一领域，近年来清华大学做出了卓有成效的工作，提出了分区流态化控制返混的概念， 利用流化床分布器结构、分布器层数及多级内构件等手段分区调控流化床反应器内返混，使 流化床内气体轴向返混
11、得到抑制，而径向传热、传质能力得到增强，并可实现段间的气固级 间逆流、并流、顺流接触及级间变温、变压操作，从而使反应器的效率大大提高】7 9-8 0。提出并进行工业化或工业中试的反应器技术20余项。如10万吨/年湍动构件流化 床苯胺合成反应器、10万吨/年流化床氯乙烯反应器、7万吨/年丙烯月青流化床反应器、 3万吨/年流化床甲醇制丙烯（FMTP）工业试验装置、30kgh 1纳米聚团流化 床碳纳米管生产装置等。流态化技术还被广泛应用于矿物加工过程，攀枝花一西昌地区的近 10 0亿吨钒钛磁铁矿，因钙镁含量高无法采用先进的氯化工艺生产钛白和金属钛，中国科 学院过程工程研究所与攀枝花钢铁集团合作，在攀
12、钢建立了富钛料双流化床焙烧中试装置， 对攀西钒钛磁铁矿进行高效氧化/还原焙烧，继以盐酸浸出除钙镁、回收铁，制备出氯化工 艺所需的高品质富钛料，突破攀西钒钛磁铁矿利用的重大瓶颈，为攀钢正在建设10万吨/ 年氯化钛白及未来攀西钒钛磁铁矿利用提供了基础及技术支撑。中国科学院过程工程研究所 还研究了难选贫铁矿的磁化焙烧。发现通过强化传递，可在5 0 05 5 0C的低温实现难 选铁矿的快速还原，据此选择快速流化床进行磁化焙烧。与云南曲靖越钢集团合作建成了1 0万吨/年难选铁矿快速流化床磁化焙烧一磁选成套示范装置。整个系统于2 0 0 8年4月 全部安装完毕，进入冷、热态调试，经过了半年多的调试，实现了
13、该示范工程的全流程联动 运行，已转入试生产。至今已处理了 6 0 0 0多吨难选铁矿，生产结果表明，通过本示范工 程焙烧一磁选，可从品位为3 3%38%的原矿得到52%57%的精铁矿，铁回收率 达到8 2%88%，达到了设计的指标。目前正在进行流程设备的优化改造。值得一提的 是，本示范工程的实际粉矿处理能力达到730th1（24万吨/年），即具备20 万吨/年以上的处理能力。4.2在能源与煤化工领域的应用流化床燃烧与气化技术是气固流态化技术另一个典型应用。由于流化床燃烧技术可以燃用各 种燃料尤其是劣质燃料及其低污染物排放特性，自2 0世纪6 0年代以来得到了迅速的发展。 据文献71 报道，近些
14、年来，我国研究人员在流化床燃烧和气化领域进行了积极的探索， 使流化床技术在这一领域的应用取得了如下重大的进展。（1）超临界燃煤循环流化床锅炉技术近年来，国内外循环流化床锅炉技术快速地往大型化和高参数方向发展。国内大容量循环流 化床锅炉的自主研发也得到快速发展，东方锅炉厂自主研发的3 0 0 MWe燃煤循环流化床 锅炉率先于2 0 0 8年底在广东梅县荷树园电厂投入运行，而哈尔滨锅炉厂与西安热工研究 院合作开发的3 3 0 MWe循环流化床锅炉也于2 0 0 9年在江西分宜电厂投入运行。超 临界循环流化床锅炉将是循环流化床燃烧技术的下一步发展方向。超临界循环流化床锅炉可 结合超临界锅炉和循环流化
15、床锅炉两者的技术优势，具有运行效率高、煤耗低、污染物排放 少等优点。结合我国以煤为主的能源结构和复杂多变的煤质特性，超临界循环流化床锅炉在 我国将有较大的应用前景。目前Foster Wheeler公司在波兰LAGISZA 电厂建设的目前世界上容量最大的，也是第一台的4 6 0 MWe级超临界循环流化床锅炉已 于2 0 0 9年投入商业运行。浙江大学在2 0 0 2年就率先开展7 6 0 0 MWe超临界循环 流化床锅炉方案研究。目前，国内的研究机构和锅炉厂家在国家科技部和发改委的组织下正 在合作进行600MWe级超临界循环流化床锅炉的研究与开发。（2）煤的循环流化床热电气多联产技术煤是由水分、
16、挥发分、灰分及固定碳等多种物质构 成的混合体。煤经过各种热化学反应（如气化、液化、热解和燃烧等）可以得到热能、电能 或化学品。煤炭不仅是重要的能源，还是重要的资源。直接燃烧的利用方式将燃料中的碳和 氢全部氧化释放热能，生产电能，造成资源极大浪费。煤的循环流化床热电气多联产技术旨 在煤燃烧之前，将煤中富氢的挥发成分（煤气和可进一步加工生产燃料油的焦油）提取出来， 称为“煤拔头”，用作优质燃料或高附加值化工原料;剩下的低品质半焦通过燃烧产生热量， 用于供热和发电或通过气化后合成油品和化学品。该技术可实现煤的分级转化和利用，大幅 度提高煤的利用价值。煤的热电气多联产技术是目前国内外的研究和开发热点之一，国内外 众多的研究机构开发各自的煤炭热电气多联产技术。浙江大学所提出的循环流化床热电气焦 油多联产技术是将循环流化床锅炉和热解炉紧密结合，在一套系统中实现热、电、气和焦油 的联合生产。浙江大学和淮南矿业集团在完成了 1MWe循环流化床热电气焦油多联产实验 装置的基础上，共同合作将1台7 5th
