流化床是冶金、化工等领域的重要单元生产工序。流态化技术在工业生产中应用的最大技术瓶颈是粉体颗粒粘结失流问题。粘结失流问题本质上由颗粒间相互作用力(粘结力)大于所受到的气体曳力导致的。目前,关于气固两相流中颗粒所受到的曳力前人做了较为完善的研究工作,有多种成熟的模型能够描述颗粒所受曳力大小。但关于颗粒间相互作用力的大小长期以来一直缺乏有效的参数进行表征。这也是尽管人们对粘结失流的机理做了大量研究,但却无法对其进行准确预测的主要原因。为了对颗粒间作用力的大小进行有效表征,本论文提出了颗粒流体表观粘度的基本概念,它本质上反应的是颗粒抵抗运动的阻力系数,是颗粒间多种作用力相互作用的合力。同时基于能量耗散原理和颗粒运动方程设计了表观粘度测试方法。基于表观粘度建立了流化床粘结失流预测模型,对初始流化速率和粘结失流温度进行了预测。最后,探讨研究了鼓泡流化床和循环流化床的表观粘度,并设计开发了流化床还原过程表观粘度原位在线测定系统,论文主要研究内容和结果如下:(1)本研究提出颗粒表观粘度的基本概念。它借鉴了液体粘度的定义,用以表征颗粒间相互作用力的大小,同时基于能量耗散原理和颗粒运动方程设计了颗粒表观粘度测试方法。测试过程中将桨叶放入粉体中旋转,在线记录桨叶受到扭矩。据理论推导,颗粒表观粘度与桨叶力矩之间关系如下所示:η=A·T/πNrD式中,η为颗粒表观粘度(Pa·s),T为扭矩(N·m),Nr为转速(s-1),D为桨叶直径(m),A为常数取决于桨叶形状。(2)利用上述方法,获得了铁粉和铜粉等金属粉体的表观粘度,结果显示,室温条件下颗粒形状对表观粘度起主导作用,颗粒形状越接近于球形,表观粘度越小。高温条件下,表观粘度主要受颗粒大小影响,粉体颗粒越小,表观粘度越大。同时发现,对于75μm的金属铁粉,其表观粘度对数与温度的倒数在不同温度范围内有良好的线性关系。(3)利用粉体颗粒的表观粘度,基于粘性力和曳力的平衡,建立了流化床粘结失流预测模型,对流化床初始流化速率和粘结失流温度进行预测。实验测定了球形铜粉的表观粘度并用高温可视流化床对初始流化速率和粘结失流温度进行测定。模型预测结果与实验室流化床试验装置测得数据基本一致,相对误差在15%以内。(4)研究了纳米SiO2添加剂对于流化床粘结失流的抑制作用。在200r/min条件下,随着纳米SiO2添加剂加入量由0增加到1.5%(质量百分数),铁粉表观粘度由90 Pa·s降低到42 Pa·s。实验室流态化试验,当纳米SiO2添加剂加入量由0增加到1.5%(质量百分数),铁粉的粘结失流温度由520℃升高到870℃,证明纳米添加剂在流态化条件可以有效降低颗粒表观粘度进而抑制粘结失流发生。(5)论文同时探索了循环流化床中气固两相流表观粘度的表征方法。通过测得的下行循环流化床中充分发展区的压降计算得到摩擦系数,结合管道粗糙度和雷诺数求得气固两相流表观粘度。结果显示,表观粘度随着固含率的增大而增大;在过渡区,随着气速增大气固两相流表观粘度逐渐减小;湍流区,气速的影响可以忽略。最后回归得到下行循环流化床气固两相流表观粘度预测模型,如下所示:湍流区:μs = 1.81 × 10-5 ×(8 × εs-1)过渡区:μs = εs ×(4.87 × 10-3 × e-v/2.5 + 3.39 × 10-4)+ 1.03 × 10-7×v/e0.64-2.01 × 10-4式中,μs为气固两相流表观粘度(Pa·s),εs为固含率,V为气速(m/s)。(6)基于以上研究,建立了铁矿粉流化床还原过程表观粘度在线测试系统。该系统可在铁矿粉还原过程中对气固两相流的表观粘度进行在线测试,并结合气相质谱仪在线提供的气体成分掌握反应进程。实验同时获得气固两相流的表观粘度、床层压降以及质谱仪提供的尾气成分,实时判断和预测铁矿粉还原过程中粘结失流状况。