编辑推荐：
温度对深床流化行为的影响研究，采用Group B硅砂在200-800°C范围内实验，通过透明冷流装置和高温流化床反应器分析压力降及最小流化速度，发现U_mf随温度升高显著下降27%-35%，床高比影响压力降但U_mf变化趋势不变，验证了传统关联式的高温适用性不足，提出了误差低于7.4%的新预测模型。
阿里·坎·西夫里（Ali Can Sivri）|阿穆利亚·拉尔萨雷（Amoolya Lalsare）|高曦（Xi Gao）
西弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系，美国摩根敦，WV 26506
摘要
本研究探讨了温度对实验室规模深床流化行为的影响，使用的材料为B组硅砂颗粒。实验温度范围为200°C至800°C，采用透明冷流装置观察床层行为，并使用实验室规模的沸腾流化床反应器测量高温下的压力降。在两种不同的床层长宽比（3.33和4.83）下，测量了分布板和床层上的压力差。结果表明，温度从室温升高到800°C时，最小流化速度（Umf）显著降低：对于200克的材料降低了27%，对于300克的材料降低了35%。床层长宽比对Umf的影响可以忽略不计，但显著影响了床层压力降。实验测得的阿基米德数（Ar）和雷诺数（Re）与经验公式存在差异，这表明需要进一步研究温度对流化动力学的影响。基于实验数据建立的新Umf预测公式平均误差仅为7.4%。这些发现以及详细的材料特性为未来关于窄深沸腾流化床中温度效应的研究提供了见解，尤其是在低Re数条件下。实验数据可作为验证、优化数值模型和缩放研究的基准。
引言
合成气（也称为生产气体，主要由富含氢的合成气体组成）的广泛应用有潜力减少发电和运输过程中的温室气体排放和颗粒物排放[1]、[2]。此外，合成气还应用于各种化学生产过程。合成气可通过气化等热化学转化过程获得，原料包括生物质[3]、[4]、[5]、煤炭[6]或城市垃圾。
流化床反应器因其优异的混合能力和高传热性能而被广泛使用[7]、[8]。其中，沸腾流化床气化器（BFBG）是一种特别多用途的配置，其中床层和原料颗粒通过上升的流化气体悬浮和混合[9]。除了成本效益高的操作和维护外，BFBG还能适应多种原料类型和颗粒尺寸[10]、[11]。
为了在BFBG中实现有效的气化过程，调整操作参数以达到最佳流化状态至关重要。因此，理解流化动力学对于提高BFBG的气化效率至关重要。除了流化气体速度（Ug）外，还有许多变量影响流化动力学。其中一个关键参数是床层长宽比，定义为床层高度（Hp）与床层直径（Db）的比值。该参数影响温度梯度、流化流体的停留时间、颗粒混合和化学反应时间。床层和原料材料的颗粒大小、球形度和密度也起着关键作用。例如，Geldart[12]发现，属于B组的颗粒（尺寸分布为150至500微米，密度范围为1400至4000千克/立方米）表现出良好的流化行为。此外，工艺温度影响流体粘度和温度[13]、颗粒间的吸引力[14]、传热速率[13]等，因此会影响流化动力学和化学反应。
然而，描述流化行为的方程和相关性主要基于室温条件下的测量结果（通常称为“冷流”研究）。这些条件与BFBG内部的高温流动和化学过程有很大不同，特别是在实际操作条件和对工艺优化和缩放至关重要的微观尺度上。此外，由于温度波动对计算有不可忽视的影响[16]，因此在计算中必须考虑这些波动。学术文献中关于温度对流化动力学影响的观点存在冲突，这突显了这一现象的复杂性。例如，Lin等人[17]研究了秸秆燃烧的实验室规模流化床燃烧器中的聚集行为，发现高温会由于沙粒上形成富钾的熔融灰层而减少失流化时间。这种增加的粘性加速了聚集现象，并使最小流化速度（Umf）高于高温下的理论预测值。该研究清楚地表明，烧结效应的开始对流化行为有重要影响。同样关注温度效应的Pattipati和Wen[18]测量了直径13.2厘米、床层长宽比小于1的沸腾流化床中沙粒的最小流化速度，发现对于小颗粒（<2毫米），Umf随温度升高而降低，这是由于气体密度和粘度降低所致；而对于大颗粒（>2毫米），Umf随温度升高而增加。他们还确认Wen和Yu的相关性在高温下仍然有效，尽管实验数据并未显示出所有颗粒尺寸的一致单调趋势。Botterill等人[19]使用Geldart B组和D组的多种沙粒尺寸，在直径188毫米的床层中进行了高温流化实验。虽然未报告确切的静态床层高度，但压力传感器之间的距离为14-23毫米，表明流化区域具有相当的高度。作者发现，对于较小的B组颗粒，Umf随温度升高而降低，这是由于气体粘度和密度降低所致；而对于较大的D组颗粒，Umf最初随温度升高而增加，这是由于湍流效应和气体密度的影响。在更高的温度下，当流动转变为层流时，Umf再次开始降低。该研究强调了温度依赖的孔隙率和雷诺数范围的关键影响，并强调大多数标准的Umf相关性未经温度校正是不准确的。Al-Farraji和Taofeeq[20]在大气压力下的沸腾流化床中实验研究了温度和颗粒大小对Umf的影响，床层长宽比为0.5和1，使用的硅砂颗粒尺寸在300-710微米范围内，操作温度高达850°C。他们观察到Umf在约700°C以下随温度降低，之后趋于平稳。他们还发现颗粒大小对Umf有直接的正向影响，而床层高度没有可测量的影响。常见的经验相关性在高温下无法准确预测Umf，因此他们提出了一个新的相关性，其平均相对偏差低于5.5%。
所有这些研究都表明，传统的Umf相关性在高温下的预测性能较差。Anantharaman等人[21]分析了这个问题，并对100多个Umf相关性进行了全面回顾，发现预测结果存在很大差异（高达六个数量级），尤其是对于Geldart A组和B组颗粒。研究强调，大多数相关性基于有限的实验数据集，并且经常包含引入非物理趋势的参数，如孔隙率和球形度。作者得出结论，目前尚无法建立普遍适用的机制相关性，并呼吁开发基于更好数据和信息的模型，特别是在非室温条件下。Yates[22]的文献综述显示，温度效应具有高度的系统性，既有增加趋势也有减少趋势。
这些差异突显了影响流化的热、几何和材料因素之间的复杂关系。然而，文献中仍有许多方面未得到充分讨论，特别是温度和床层长宽比在深窄床层中的联合效应，以及传统Umf相关性在高温、低Re条件下的有效性。本研究旨在通过提供关于B组硅砂在805°C以下深沸腾流化床中温度依赖流化行为的实验见解来填补这些空白。
本研究的主要目的是探讨温度如何影响实验室规模（窄）深床的流化动力学，并将这些观察结果与文献中的一些已知相关性进行比较。此外，本研究还致力于为该领域的现有文献提供有价值的实证数据。为此，使用了两种不同的实验装置。第一种装置是冷流装置，其几何形状和尺寸与实验室规模的BFBG相同，用于研究分布板上的压力降、床层上的压力降、最小流化速度和床层长宽比等参数之间的相关性[23]。第二种实验装置是实验室规模的BFBG，设计用于高温操作（约800°C），以评估使用生物质、煤炭或生物质-煤炭混合物作为原料材料时温度对这些相关性的影响。
结果与讨论
本节展示了在冷流装置室温条件下以及实验室规模BFBG中高达800°C温度下的实验结果。Umf是通过图形方法确定的。此外，还为每种实验条件计算了无量纲的Ar数和Re数，以便与文献中的已知相关性进行综合比较。
结论
本研究探讨了从室温到805°C的窄深沸腾流化床的动力学特性。使用了两种不同的实验装置（透明冷流装置和尺寸类似于冷流装置的实验室规模沸腾流化床反应器）来测量分布板上的压力降和床层上的压力降变化，研究了两种床层长宽比（3.33和4.83）以及不同的流化速度。床层材料为Geldart B组颗粒。
作者贡献声明
阿穆利亚·达塔特雷亚·拉尔萨雷（Amoolya Dattatraya Lalsare）：写作、审稿与编辑、数据整理。
高曦（Xi Gao）：写作、审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、验证、监督、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。
阿里·坎·西夫里（Ali Can Sivri）：写作、审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、验证、监督、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。
利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究在西弗吉尼亚大学摩根敦的先进燃烧实验室进行，作者感谢该校CIGRU、MAE和CBE部门在机械、电子和数据采集硬件/软件系统方面的支持。这项工作部分得到了美国能源部化石能源先进气化计划和NETL研究与创新中心先进气化项目的资助。
