氨气中氮化作用导致的高温钢材腐蚀：腐蚀机理及不同钢材等级之间的对比

《Fuel》：High-temperature corrosion of steels by nitridation in ammonia: Degradation mechanisms and comparison between steel grades

研究气固流化床煤分选器中外部湿度和细颗粒含量对流体化动力学的综合影响，通过压力波动分析结合频谱密度和小波分解方法，发现 superficial gas velocity 增加有助于缓解细颗粒和湿度对流体化的负面影响，并确定6.25–1.5625 Hz频率范围为关键特征。

　　

王安宇|柴学森|王晨|纳瓦尔·阿尔-蒙塔塞尔|段晨龙|周家伟|傅志杰

中国矿业大学，江苏省徐州市221116

摘要

外部水分和细颗粒显著影响流化动力学。在这项研究中，我们通过分析气固流化床煤选矿机中的压力波动，探讨了外部水分、细颗粒含量和表观气体速度对Geldart B组颗粒流化动力学的影响。结果表明，平均频率随表观气体速度和细颗粒含量的增加而增加，尽管增长速率逐渐趋于平稳。相比之下，水分含量的增加导致平均频率逐渐下降，且下降速率加快。平均频率对外部水分变化的敏感性最低，而对表观气体速度变化的敏感性最高。功率谱密度分析进一步识别出与流化不良相关的信号特征。对压力信号的小波分解显示，6.25–1.5625 Hz的频率范围在表征具有宽粒度范围的湿Geldart B颗粒的流化行为中起着关键作用。综合PSD和小波分析表明，提高表观气体速度有助于减轻细颗粒和外部水分对流化稳定性的不利影响。

引言

气固流化床煤选矿机（GSFBCB）被认为是最有效的煤炭干法选矿技术之一[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。GSFBCB类似于在较低气体速度下运行在鼓泡流化状态的传统气固流化床，它基于流化颗粒与进料煤成分之间的密度差异进行煤炭分离。GSFBCB的性能受到煤颗粒表面存在的液体的显著影响，这会影响流化、分离和干燥过程[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。先前的研究表明，表面水分的蒸发会逐渐使系统从湿颗粒流化转变为干颗粒流化[12]。尽管已经对气固流化床进行了大量研究，但关于外部水分对磁铁矿颗粒流化影响的研究仍然有限。此外，流化过程中产生的细小磁铁矿颗粒的复杂影响尚未得到充分关注。因此，研究在外部水分和细颗粒共同作用下的复杂GSFBCB系统的流化特性至关重要。

以往的研究依赖于高速成像来观察湿流化床中的宏观现象，如气泡特性、流化行为和混合动态。例如，Seville等人观察了液体添加对最小流化速度的影响，发现增加液体含量会使Geldart B组颗粒更类似于Geldart A组甚至C组颗粒，表明颗粒间的粘附是影响流化行为的主要因素[13]。空隙测量技术[14]、[15]、[16]通常复杂且成本较高。相比之下，压力波动分析提供了一种更简单、更经济的方法，有助于理解潜在的流体力学，并可作为间接方法来研究流化过程中外部水分的作用。例如，Bhowmick等人观察到注入液体后压力波动的标准差减小[17]。Bi和Andreux通过监测压力信号的标准差确定了从鼓泡流化到湍流流化的临界转折点[18]。Shabanian等人指出，在低粘附力水平下气泡尺寸减小，而在高粘附力水平下所有气体速度下气泡数量增加[19]。Dai等人利用时域和频域分析研究了湿Geldart D组颗粒的流化动力学，发现随着液体含量的增加，平均气泡尺寸减小而气泡数量增加[20]。Sheng使用频域和小波分析评估了压力波动信号的动态特性，发现强烈的颗粒运动降低了压力波动频率[21]。值得注意的是，由于细颗粒具有较大的比表面积，它们更容易受到颗粒间力的影响，尤其是那些具有强吸湿性的颗粒。研究表明，在这些力的作用下，细颗粒倾向于聚集并形成通道，最终导致流化失败。Yehuda等人研究了流化床中的粘附力，并尝试使用Geldart图表预测湿颗粒的分类[22]。Hakim等人研究了在液体桥、静电力和范德华力等粘附力作用下纳米颗粒的聚集行为[23]。需要注意的是，大多数现有研究都集中在正常流化状态，而外部水分和细颗粒含量对从典型流化行为到流化不良行为转变的影响仍不甚清楚。

尽管以往的研究提供了宝贵的见解，但影响湿流化的几个关键参数的作用仍不清楚。因此，本研究旨在通过压力波动分析来研究外部水分和细颗粒含量对Geldart B组磁铁矿颗粒流化行为的耦合效应。同时也考察了表观气体速度对这种耦合效应的影响。通过结合时域、频域和小波分析方法，本研究试图对从正常流化到流化失败过程中的压力波动特性提供合理的解释。特别是基于气泡行为和颗粒间相互作用，分析了在不同水分含量和细颗粒含量下流化床的功率谱密度（PSD）特征。然后利用小波分析揭示了参数变化过程中子信号的能量传递模式，并将结果与频域压力波动分析的结果进行了比较和验证。

实验装置

所有实验均在环境条件下，在气固流化床煤选矿机中进行，如图1所示。实验装置由四个部分组成：（1）空气供应系统；（2）直径为100毫米的流化床柱；（3）用于测量压降的压力传感器；（4）灰尘收集装置。经过过滤和压缩后，环境空气进入一个15厘米高的空气室，并通过一个400目穿孔板分配器进入流化床

时域分析

图4显示了不同水分含量和细颗粒含量下的压力波动标准差（STD）。静态床的高度为0.15米。随着表观气体速度的增加，STD最初保持不变，然后在开始流化速度（U_if）时开始增加，并在短暂下降后显示出明显的上升趋势。以图4(a)为例，当W_F = 0%时，STD相对稳定，直到U_g = 7.07 cm/s。在W_F = 4%、8%和12%的情况下，STD

结论

本研究系统地使用气固流化床煤选矿机中的压力波动分析，研究了具有宽粒度分布的湿Geldart B组颗粒的流化动力学。通过综合时域、频域和小波分析，考察了外部水分、细颗粒含量和表观气体速度的影响。实验结果表明，细颗粒和外部水分的存在

作者贡献声明

王安宇：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理。柴学森：指导，研究。王晨：研究。纳瓦尔·阿尔-蒙塔塞尔：指导，研究。段晨龙：撰写——审阅与编辑，资源获取，资金申请。周家伟：撰写——审阅与编辑，指导。傅志杰：撰写——审阅与编辑，指导，资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢江苏省杰出教授（编号：140924013）和国家自然科学基金（编号：52125403的财政支持。