李化南，黃繼凱，董開(kāi)明

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南 250014)

流化床技術(shù)由于傳熱傳質(zhì)效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)煤/生物質(zhì)氣化、電廠和許多其他化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。大部分流化床反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中需要同時(shí)處理不同種類(lèi)的顆粒物料，其中的顆?；旌咸匦詫?duì)于化學(xué)反應(yīng)具有重要影響，甚至可能成為反應(yīng)的控制因素[4-5]。異質(zhì)顆粒之間的良好混合有助于增加固相反應(yīng)體系接觸密度，保證物料均勻快速受熱，從而加快化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)于提高流化床運(yùn)行效率至關(guān)重要[6]。

近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)流化床異質(zhì)顆粒混合特性開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)探究，并為此開(kāi)發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)方法。這些方法主要包括靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法主要針對(duì)異質(zhì)顆粒經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后的混合結(jié)果進(jìn)行研究，目前主要通過(guò)床層塌落法獲得顆粒濃度的分布特征。Lu等[7]研究了鼓泡流化床中不同粒徑的雙組分顆粒在垂直方向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氣速的增加，大顆粒和小顆粒在整個(gè)床層中可以實(shí)現(xiàn)更均勻的混合。Olivieri等[8]研究了在流化床中雙組分顆粒混合特性，得到了顆粒在流化一段時(shí)間后床層不同部位的顆?；旌辖Y(jié)果，并且根據(jù)操作條件對(duì)各部位的床層固體濃度分布和固體分離率進(jìn)行了評(píng)估。Sahoo等[9]采用床層塌落法研究了在圓柱形氣固流化床中大顆粒的混合特性，建立了混合指數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。然而，在床層塌落的過(guò)程中顆粒會(huì)出現(xiàn)橫向重組，增加了測(cè)試結(jié)果的不確定性，并且該方法需要中斷顆粒混合流化過(guò)程，難以對(duì)完整的顆?；旌线^(guò)程開(kāi)展研究。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法則針對(duì)流化床中異質(zhì)顆粒的整個(gè)混合過(guò)程進(jìn)行研究，可以獲得包括顆粒速度和混合程度等詳細(xì)信息。魏飛等[10]采用了一種磷光顆粒瞬態(tài)點(diǎn)源注入示蹤技術(shù)，研究了氣固流化床中軸向和徑向的顆粒混合行為，并引入二維擴(kuò)散模型來(lái)描述顆粒的混合機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)氣固并流上行和下行系統(tǒng)中顆粒軸向和徑向的混合特性相近，并給出了上行系統(tǒng)中顆粒Peclet數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。嚴(yán)建華等[11]采用基于相關(guān)的圖像法研究了流化床中顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布，并提出了利用速度不均勻指數(shù)來(lái)衡量流化床內(nèi)顆?；旌咸卣鞯姆椒ǎ芯勘砻黝w粒速度不均勻隨著床層深度的增加而增強(qiáng)，顆?；旌闲Ч黠@改善。Gorji-Kandi等[12]將流化床中一部分玻璃微球染成黑色，采用高速攝像法記錄了流化床中黑色和白色玻璃微球的混合過(guò)程，然后將流化床圖像區(qū)分為36個(gè)采樣區(qū)域，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域內(nèi)黑色和白色玻璃微球的個(gè)數(shù)獲得了不同時(shí)間下顆?；旌现笖?shù)，發(fā)現(xiàn)起始的顆粒布置方式會(huì)對(duì)混合速度造成影響，而不會(huì)改變最終的混合程度，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一個(gè)計(jì)算顆?；旌纤俣鹊慕?jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Shen等[13]采用數(shù)字圖像分析方法研究了鼓泡流化床中生物質(zhì)顆粒與玻璃微球的混合過(guò)程，將流化床圖像區(qū)分為多個(gè)區(qū)域，并統(tǒng)計(jì)分析了不同區(qū)域紅色生物質(zhì)顆粒的個(gè)數(shù)，研究表明顆?？v向混合較橫向混合更加充分，且低流化速度下顆?；旌陷^高流化速度下更均勻。文獻(xiàn)[14-15]結(jié)合微波加熱與紅外成像技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種示蹤顆粒方法，采用微波對(duì)特制的示蹤顆粒進(jìn)行加熱，同時(shí)通過(guò)紅外成像方法探測(cè)示蹤顆粒位置，并基于圖片網(wǎng)格化處理技術(shù)測(cè)得了流化床壁面附近以及內(nèi)部的示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)速度。Wirsum等[16]開(kāi)發(fā)了磁場(chǎng)感應(yīng)示蹤顆粒法，研究了不同種木質(zhì)顆?；蛩芰戏謩e與石英砂組成的雙組份顆粒在三維流化床中混合機(jī)理，通過(guò)分析單個(gè)金屬包覆示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡獲得了顆?；旌闲问健otovat等[17]將放射性示蹤顆粒法用于生物質(zhì)和石英砂混合特性研究，通過(guò)研究放射性示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，討論了三維流化床中氣體速度對(duì)顆?；旌线^(guò)程的影響規(guī)律。

盡管學(xué)者們開(kāi)發(fā)出一系列的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探究異質(zhì)顆?；旌咸卣?，但目前針對(duì)稠密氣固兩相流中顆粒混合的實(shí)驗(yàn)研究仍較為困難。稠密氣固兩相流中的示蹤顆粒往往被床層物料遮擋，導(dǎo)致其位置和速度信息難以獲取。此外，雖然放射性示蹤顆粒法可用來(lái)研究三維流化床中的顆?；旌咸匦裕捎谄湎到y(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴而且容易對(duì)操作人員造成一定的輻射傷害[18]，其應(yīng)用受到較大限制。目前，稠密氣固兩相流中顆?；旌咸匦詫?shí)驗(yàn)研究方法仍較為缺少。

為此，本文開(kāi)發(fā)了一種用于稠密氣固兩相流中顆粒混合特性的研究方法。該方法采用電容探針測(cè)得異質(zhì)顆?；旌衔镉行Ы殡姵?shù)的變化，進(jìn)而根據(jù)混合物有效介電常數(shù)和混合比之間的關(guān)聯(lián)，獲得流化床中局部異質(zhì)顆?；旌媳取Ｏ噍^于常規(guī)方法，本文開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)方法不僅可以消除示蹤顆粒被遮擋帶來(lái)的測(cè)量誤差，而且由于電容探針測(cè)量區(qū)域非常微小，可以獲得流化床中微觀的顆?；旌媳?。

基于此方法，本文從微觀的角度探究了鼓泡流化床中異質(zhì)顆?；旌线^(guò)程特征。通過(guò)分析流化床中不同位置處微觀混合比隨時(shí)間的變化規(guī)律，揭示了顆?；旌夏Ｊ睫D(zhuǎn)換特征及其微觀機(jī)理，相關(guān)研究對(duì)于更好地實(shí)現(xiàn)流化床中顆?；旌线^(guò)程的預(yù)測(cè)和控制，優(yōu)化流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理論與方法具有重要意義。

1 電容探針?lè)椒y(cè)試原理

在以往研究中，電容探針?lè)ㄖ饕糜跍y(cè)量單一組分顆粒流化床中固體相的體積分?jǐn)?shù)[19-21]。本文將電容探針?lè)〝U(kuò)展到雙組份異質(zhì)顆粒流化床研究中，用以獲得微觀尺度的顆粒非穩(wěn)態(tài)混合特征。電容探針測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電容探針傳感器由三個(gè)電極組成，從內(nèi)而外分別是感應(yīng)電極、主動(dòng)屏蔽電極和外徑為6 mm的接地外殼。電容探針傳感器的末端形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的BNC接頭，然后通過(guò)低噪聲同軸電纜連接到一個(gè)定制的電容放大器(MTI Instruments AS-500 SP)。電容探針的測(cè)量區(qū)域?yàn)橹行碾姌O與接地外殼之間形成的電場(chǎng)，如圖1所示，近似為感應(yīng)電極的突出部分(長(zhǎng)度6 mm)與接地外殼組成的圓錐形區(qū)域[18]。

圖1 電容探針測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the capacitance probe measurement system

電容探針?lè)ㄓ糜诋愘|(zhì)顆粒混合特性的測(cè)試原理如下。電容探針測(cè)量區(qū)域內(nèi)主要包含重質(zhì)顆粒、輕質(zhì)顆粒和空氣，其體積分?jǐn)?shù)分別為Cj、Cf和Ca，則根據(jù)質(zhì)量守恒，三者的體積分?jǐn)?shù)符合：

Cj+Cf+Ca=1。

(1)

Wiesendorf等[20]發(fā)現(xiàn)電容探針測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)隨著探針感應(yīng)區(qū)域內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的改變而發(fā)生線性變化，因此，本文認(rèn)為電容探針系統(tǒng)輸出信號(hào)與探針感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的不同物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生線性變化，從而得出如下方程：

Cjvj+Cfvf+Cava=v，

(2)

其中，v是電容探針測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)，vj、vf和va分別是重質(zhì)顆粒、輕質(zhì)顆粒和空氣造成的分電壓。當(dāng)物質(zhì)種類(lèi)固定時(shí)，vj、vf和va保持不變。根據(jù)式(1)和(2)聯(lián)立可得出：

Cj=kv+b,

(3)

其中k和b是描述電容探針測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)與重質(zhì)顆粒體積分?jǐn)?shù)之間關(guān)系的參數(shù)，表達(dá)式分別如下：

(4)

(5)

由于鼓泡流化床中的顆粒主要集中在乳化相，當(dāng)電容探針處于乳化相中時(shí)，我們才對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理分析。本文采用的顆粒物料屬于Geldart D類(lèi)顆粒，根據(jù)經(jīng)典的兩相流理論[23-24]，鼓泡流化床中乳化相的孔隙率保持與初始流化態(tài)相同，即Ca保持恒定。綜上可得，在本文的流化態(tài)工況下，當(dāng)電容探針處于乳化相中時(shí)，式(4)和(5)中的k和b保持不變，進(jìn)而根據(jù)式(3)可以得出，電容探針測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)隨著測(cè)量區(qū)域內(nèi)重質(zhì)顆粒體積分?jǐn)?shù)發(fā)生線性變化。

基于上述結(jié)論，在實(shí)際的信號(hào)處理過(guò)程中，我們采用一種更為直接的線性變換方法來(lái)獲得電容探針測(cè)量區(qū)域內(nèi)的顆?；旌媳龋?/p>

(6)

其中，fj是電容探針測(cè)量區(qū)域內(nèi)重質(zhì)顆粒的混合比例(以下簡(jiǎn)稱(chēng)混合比)，Vj是電容探針處于由重質(zhì)顆粒組成的乳化相中時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的輸出信號(hào)，Vf是電容探針處于輕質(zhì)顆粒組成的乳化相中時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

值得注意的是，本文所采用電容探針測(cè)量區(qū)域值比常規(guī)的床層塌落法和示蹤顆粒法統(tǒng)計(jì)區(qū)域小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由此可見(jiàn)，相對(duì)于常規(guī)測(cè)試方法，本文采用電容探針?lè)椒梢垣@得流化床中更加微觀的顆?；旌咸卣鳌Ｒ虼?，本文將測(cè)得的混合比稱(chēng)之為微觀混合比。

此外，本文討論了電容探針對(duì)于流化床的干擾問(wèn)題。Maurer等[25]針對(duì)探針傳感器對(duì)流化床的干擾問(wèn)題開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)探索，采用了X射線方法考察了兩個(gè)垂直放置的直徑為5 mm的探針對(duì)鼓泡流態(tài)化的影響，發(fā)現(xiàn)流化床中氣泡尺寸和速度等參數(shù)基本不受探針的影響。本文采用的探針直徑同樣為5 mm，因此可以認(rèn)為電容探針對(duì)流化床的影響可以忽略。

為證明電容探針應(yīng)用于流化床異質(zhì)顆粒混合特性測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。分別選取了白剛玉與碳化硅、白剛玉與石英砂作為測(cè)試對(duì)象，將兩組顆粒按照不同的比例放入一個(gè)容器中充分?jǐn)嚢杌旌?，然后采用電容探針測(cè)量容器中不同位置處顆粒混合比。將電容探針多次的測(cè)量結(jié)果求平均值，并與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示，相對(duì)誤差分別為4.4%、5.0%?？梢?jiàn)本文提出的顆粒混合特性測(cè)試方法具有良好的精確度。

圖2 電容探針測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比Fig.2 Comparison between the measured values using a capacitance probe and real values

2 流化床顆?；旌蠈?shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

本研究搭建的流化床異質(zhì)顆粒混合特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用10 mm厚亞克力玻璃制成的擬二維流化床作為主要測(cè)試裝置，其內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域?qū)?00 mm、深20 mm、高1 200 mm。采用氣體壓縮機(jī)將空氣注入流化床，并通過(guò)安裝在流化床入口的渦街流量計(jì)來(lái)測(cè)量氣流速度。布風(fēng)板為孔徑2.0 mm、開(kāi)孔率3.1%的多孔板，以保證氣體通過(guò)布風(fēng)板時(shí)具有較高的壓降。將具有相同粒徑(1.22 mm)、不同密度的白剛玉(重)與碳化硅(輕)作為流態(tài)化實(shí)驗(yàn)顆粒，其密度比約為0.8。

為了研究異質(zhì)顆粒的非穩(wěn)態(tài)混合過(guò)程特征，在顆粒流化之前，先將重質(zhì)顆粒注入流化床，再將輕質(zhì)顆粒注入流化床，重質(zhì)顆粒和輕質(zhì)顆粒保持相同的體積，從而形成起始完全分離的固定床，固定床高度為300 mm。電容探針測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，分別對(duì)床層底部(A)、中心(B)、頂部(C)以及壁面附近(D)的顆粒微觀混合比進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行流態(tài)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將氣速迅速?gòu)?提高到設(shè)定值，然后保持流化狀態(tài)5 min。采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄顆粒非穩(wěn)態(tài)混合過(guò)程中所有測(cè)點(diǎn)處顆?；旌媳鹊淖兓瑥亩@得異質(zhì)顆粒微觀尺度混合特征與時(shí)間的定量關(guān)系。

圖3 流化床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of the fluidized bed experimental system

3 流化床異質(zhì)顆粒非穩(wěn)態(tài)混合特性

3.1 不同位置處顆粒微觀混合過(guò)程

圖4給出了流化床4個(gè)典型位置處微觀混合比隨著流化時(shí)間的變化規(guī)律，其中氣體流速為1.46 m/s，約為完全流化速度測(cè)量值的1.28倍。在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)氣泡流經(jīng)測(cè)點(diǎn)時(shí)，電容探針系統(tǒng)輸出信號(hào)將出現(xiàn)較大波峰，由于氣泡中包含顆粒較少，該部分信號(hào)不予處理。當(dāng)乳化相流經(jīng)測(cè)點(diǎn)時(shí)，電容探針系統(tǒng)輸出信號(hào)變化則較為緩慢，進(jìn)而將該部分信號(hào)進(jìn)行平均并采用公式(6)計(jì)算局部的混合比。對(duì)應(yīng)流化時(shí)間與混合比在圖4中形成一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，獲得該測(cè)點(diǎn)處混合比隨流化時(shí)間的變化曲線。

從圖4(a)中可以看出，流化床底部的混合比經(jīng)過(guò)8 s的初始停滯后開(kāi)始迅速下降，并且在15 s之前沒(méi)有出現(xiàn)明顯波動(dòng)，顆粒起始混合表現(xiàn)出擴(kuò)散混合特征，其混合驅(qū)動(dòng)力主要在于個(gè)體顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。宏觀上，流化床底部受氣泡擾動(dòng)作用弱，未出現(xiàn)顆粒團(tuán)尺度的固體運(yùn)動(dòng)。微觀上，由于鼓泡流化床底部孔隙率低，顆粒運(yùn)動(dòng)平均自由程非常短，且在流化床入口微射流的曳力作用下，顆粒加速度大、碰撞頻率高，以往研究表明鼓泡流化床底部的顆粒溫度(反映顆粒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)參數(shù))高于主流區(qū)域[26]。因此，流化床底部的起始混合主要依靠個(gè)體顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著混合的進(jìn)行，流化床底部異質(zhì)顆?；旌衔镉行芏冉档停^(guò)余流體增多，造成氣泡尺寸與速度增大，氣泡上升引起顆粒團(tuán)尺度的固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)混合過(guò)程的影響增強(qiáng)，混合比隨著時(shí)間開(kāi)始出現(xiàn)較大的波動(dòng)，表現(xiàn)出對(duì)流混合的特征。當(dāng)流化時(shí)間約46 s時(shí)重質(zhì)顆?；旌媳鹊钠骄捣€(wěn)定在0.54，混合比圍著平均曲線出現(xiàn)輕微的波動(dòng)，顆?；旌线_(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

流化床中心處顆?；旌线^(guò)程與底部存在很大差異，對(duì)流混合在擴(kuò)散混合之前出現(xiàn)。圖4(b)表明在流化床中心，從流化開(kāi)始顆?；旌媳葟?快速降到0.1，并且混合比波動(dòng)幅度迅速增大，表明流化床中心的起始混合機(jī)理主要為顆粒團(tuán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的顆粒摻混。在流化床中心處，氣泡經(jīng)過(guò)聚并生長(zhǎng)，尺寸與速度增大，氣泡上升成為異質(zhì)顆?；旌系闹饕?qū)動(dòng)力。一方面，流化床中心的大量顆粒同時(shí)受到氣泡快速上升產(chǎn)生的推力作用，以較快的速度向上運(yùn)動(dòng)，但顆粒運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性低且相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)較弱[27]；另一方面，氣泡尾渦夾帶較多的重質(zhì)顆粒上升，同時(shí)流化床上方的輕質(zhì)顆粒則由于氣泡破裂而向下塌落，異質(zhì)顆粒團(tuán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成流化床中心混合比波動(dòng)迅速增大。因此，40 s之前的混合過(guò)程可以認(rèn)為是對(duì)流混合階段。隨著時(shí)間的增加，混合比波動(dòng)逐漸減弱。在時(shí)間為40～50 s之間，不同顆粒團(tuán)的組成相似，混合比波動(dòng)較小且均值變化不明顯，流化床中心位置出現(xiàn)一個(gè)短暫的擴(kuò)散混合階段。

圖4 流化床不同位置處微觀混合比變化規(guī)律Fig.4 Variationsin the microscopic mixing ratio at different regions of the fluidized bed

流化床頂部顆粒非穩(wěn)態(tài)混合過(guò)程中的微觀混合比變化規(guī)律如圖4(c)所示，表現(xiàn)出與底部和中心均不同的混合行為。在流化起始階段，由于氣泡將重質(zhì)顆粒夾帶至流化床頂部并與輕質(zhì)顆粒發(fā)生摻混，該處的混合比波動(dòng)迅速增加，表現(xiàn)出明顯的對(duì)流混合特征。同時(shí)，從微觀角度來(lái)看，流化床頂部孔隙率高，顆粒運(yùn)動(dòng)平均自由程顯著增大，且在氣泡破裂產(chǎn)生橫向推力與重力的作用下，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡向壁面發(fā)生大角度轉(zhuǎn)折[28]，造成個(gè)體顆粒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增強(qiáng)，引起流化床頂部異質(zhì)顆粒的相互擴(kuò)散。因此，流化床頂部起始混合可以認(rèn)為是對(duì)流混合與擴(kuò)散混合的共同作用，其非穩(wěn)態(tài)混合過(guò)程中的混合比波動(dòng)幅度小于流化床中心處。當(dāng)時(shí)間達(dá)到20 s以后，顆?；旌媳鹊牟▌?dòng)開(kāi)始減弱，表明顆粒團(tuán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)混合過(guò)程的影響降低，混合主要通過(guò)異質(zhì)顆粒的相對(duì)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。

流化床壁面附近混合比隨時(shí)間變化如圖4(d)所示，混合比在經(jīng)過(guò)7 s的初始停滯之后突然從1降到0，然后隨著流化時(shí)間的增加開(kāi)始緩慢上升，同時(shí)伴隨著小幅波動(dòng)，其擬合曲線呈現(xiàn)出“對(duì)勾”型分布規(guī)律，主要表現(xiàn)出擴(kuò)散混合行為。由于流化床中的氣泡傾向于沿著軸線上升，帶動(dòng)大量顆粒向上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)物質(zhì)守恒原理，流化床壁面附近為大量顆粒聚集下落的流動(dòng)形式[27]，形成一種“雙循環(huán)”流動(dòng)結(jié)構(gòu)。距流化床壁面不同距離的顆粒團(tuán)之間存在明顯的滑移運(yùn)動(dòng)，造成顆?？v向速度梯度增大[27,29]，顆粒溫度高于流化床中心區(qū)域，加強(qiáng)了顆粒相互擴(kuò)散強(qiáng)度并引起壁面附近的局部混合?？梢?jiàn)流化床壁面附近異質(zhì)顆?；旌现饕艿綌U(kuò)散機(jī)制的作用。相較于上述流化床各個(gè)位置處的非穩(wěn)態(tài)混合過(guò)程，流化床壁面附近由于顆粒運(yùn)動(dòng)特征弱，混合過(guò)程非常緩慢。

3.2 微觀混合指數(shù)變化規(guī)律

為了表征流化床中異質(zhì)顆粒微觀的混合質(zhì)量，本文提出一種用于衡量微觀尺度顆?；旌铣潭鹊幕旌现笖?shù)計(jì)算方法，其計(jì)算公式如下：

(7)

其中:Im是微觀尺度的異質(zhì)顆?；旌现笖?shù)，代表異質(zhì)顆?；旌铣潭?；n是混合物中的顆粒種類(lèi)數(shù)，在本研究中該數(shù)值為2。

流化床在不同軸向高度處微觀混合指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示。流化床不同橫向位置處的微觀混合指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律如圖6所示。

圖5 流化床不同軸向高度處微觀混合指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5Variations in the microscopic mixing index with time at different bed heights

圖6 流化床不同橫向位置處微觀混合指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6Variationsin the microscopic mixing index with time at different lateral regions

當(dāng)流化氣速為1.28倍完全流化氣速時(shí)，在床層軸線處隨著高度的增加，混合指數(shù)在起始時(shí)間上逐漸延遲，但增長(zhǎng)速度都呈現(xiàn)先快后慢的特征。流化床中心和頂部顆?；旌现笖?shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，分別于41 s和48 s達(dá)到微觀尺度的混合平衡。在混合起始階段，流化床頂部顆粒的混合速度較快，主要由于床層頂部測(cè)量區(qū)域位于飛濺區(qū)，顆粒運(yùn)動(dòng)較為劇烈。氣泡在頂部區(qū)域發(fā)生破裂，顆粒受到慣性的影響，在床層表面回落和拋灑，有利于顆粒在床層中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。流化床中心位置相較頂部更早達(dá)到混合平衡，這主要由于床層中心位置一方面受氣泡上升、聚并、尾渦的共同作用，造成顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，而床層頂部位置主要受到氣泡破裂的作用，顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)較弱;另一方面由于流化床中心位于兩種顆粒交界面，異質(zhì)顆粒相向運(yùn)動(dòng)特征更明顯，顆?；旌细绲倪_(dá)到平衡狀態(tài)。

流化床底部的顆?；旌现笖?shù)雖然在起始階段增長(zhǎng)較為遲緩，但達(dá)到混合平衡所需時(shí)間約為46 s，與流化床頂部所需時(shí)間接近。流化床底部主要由小氣泡和小射流產(chǎn)生混合，顆粒受到的氣固曳力作用較小，運(yùn)動(dòng)性較弱，因此混合達(dá)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間較流化床中心處更多。

對(duì)于床層同一高度處，混合指數(shù)增長(zhǎng)速度從中心到壁面逐漸變緩。從圖中可以看出流化床中心處與中間半徑處混合過(guò)程較為類(lèi)似，但壁面處的混合速度出現(xiàn)突降。流化床中心處顆粒在41 s時(shí)達(dá)到微觀尺度的混合平衡狀態(tài)，而壁面附近的顆粒則經(jīng)過(guò)約80 s后才達(dá)到微觀尺度的混合平衡狀態(tài)。其原因在于由于氣泡傾向于圍繞著流化床中心線上升，流化床中心和中間半徑處的混合主要受到氣泡上升的影響，顆粒受到較強(qiáng)的曳力作用，相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)較明顯[23]。而壁面處表現(xiàn)為顆粒聚集下落的流動(dòng)形式，顆粒受到流體曳力作用較弱而運(yùn)動(dòng)速度較低，從而造成流化床壁面附近顆?；旌现笖?shù)增長(zhǎng)過(guò)程相比中心和中間半徑處更加緩慢。

在與本文流化工況相近的以往實(shí)驗(yàn)研究中[12-13]，學(xué)者們通過(guò)流化床數(shù)字圖像分析發(fā)現(xiàn)顆?；旌掀胶馑钑r(shí)間主要在10～20 s之間。而本文通過(guò)分析流化床中一系列位置處的微觀混合比變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，顆粒達(dá)到微觀尺度的混合平衡狀態(tài)所需時(shí)間遠(yuǎn)高于以往實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，且不同位置處的顆粒混合平衡所需時(shí)間存在顯著差異。

4 結(jié)論

本文將電容探針?lè)椒◤膫鹘y(tǒng)單一組分顆粒流化床研究擴(kuò)展到雙組份異質(zhì)顆粒流化床研究中，開(kāi)發(fā)出一種適用于密相氣固兩相流的新型顆?；旌咸匦詼y(cè)試方法，其測(cè)量誤差在5%以?xún)?nèi)。在此基礎(chǔ)上，本文獲得并分析了鼓泡流化床異質(zhì)顆?；旌线^(guò)程中微觀混合比變化規(guī)律，并揭示了顆?；旌夏Ｊ睫D(zhuǎn)換特性與機(jī)理。主要研究結(jié)論如下：

(1) 鼓泡流化床中局部異質(zhì)顆粒微觀混合比波動(dòng)幅度從大到小依次為中心、壁面、頂部、底部；隨著床層高度的增加，對(duì)流機(jī)制對(duì)于顆粒混合的作用先增大后減小，床層中心和表面的對(duì)流作用對(duì)顆粒大范圍混合更有利；而隨著與軸線距離的增加，擴(kuò)散機(jī)制對(duì)于顆?；旌系淖饔弥饾u增大，顆粒逐漸變?yōu)樾》秶旌稀?/p>

(2)在流化氣速為1.28倍完全流化速度時(shí)，流化床中心和頂部微觀混合指數(shù)隨著時(shí)間呈現(xiàn)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，不同高度處顆粒達(dá)到微觀尺度的混合平衡所需時(shí)間在40 ～ 50 s之間，而壁面附近混合平衡所需時(shí)間約為其2倍，所需時(shí)間明顯多于以往實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，流化床各個(gè)位置處最終的微觀混合程度較為相近。