罚款和操作条件对以冲击和剪切为主的环境中颗粒磨损的影响

《Powder Technology》：Influence of fines and operating conditions on particle abrasion in impact and shear dominated environments

　　亚历杭德罗·加列戈斯·托瓦尔|劳伦·恩德雷斯|凯西·Q·拉马什|S·B·雷迪·卡里|詹妮弗·S·柯蒂斯
美国加利福尼亚大学戴维斯分校化学工程系，戴维斯95616

**摘要**
在流动的颗粒系统中，颗粒会受到应力作用，导致磨损或表面小凸起的损失。磨损会影响工业操作、性能和设计，同时还会引发环境问题并造成有价值的物质损失。本研究考察了两种不同流动颗粒系统中的磨损现象。研究获得了磨损前后的颗粒尺寸分布以及颗粒碰撞前的高速视频。为了分离细颗粒对磨损的影响，在规定测试时间后定期去除细颗粒。第一个系统是一个全环剪切池，用于探究细颗粒浓度和法向力对颗粒磨损的影响。在恒定剪切速率下，随着时间的推移，细颗粒的产生会减少。然而，当定期去除细颗粒时，磨损速率保持不变，这表明细颗粒具有缓冲作用。第二个系统是一种创新的单次通过冲击系统，通过将含有颗粒的气体喷射到平板上来模拟多次颗粒冲击，同时保持恒定的低固体负荷。该系统能够评估细颗粒的影响，因为细颗粒和粗颗粒对平板的冲击次数相同。本研究探讨了细颗粒浓度、气体速度和固体负荷的作用。颗粒磨损与固体负荷呈反比关系；在没有去除细颗粒的情况下，随着冲击次数的增加，磨损速率会降低，这进一步证实了细颗粒的缓冲作用。现有的冲击模型能够可靠地预测特定材料的磨损速率，但缺乏普遍性，无法推广到不同材料。

**引言**
流动颗粒系统（如旋风分离器、流化床、输送管道和立管）因其多种优势而被广泛应用于许多工业过程中，包括连续操作、高效的热传递和良好的混合效果[1]。当前的碳捕获和能源生产技术（如化学循环燃烧[2]和温度摆动吸附[3]），以及石油工业过程（如流化催化裂化[4]和流化床燃烧[5]）都严重依赖上述系统。然而，流动颗粒系统的一个主要缺点是颗粒磨损。颗粒磨损是指颗粒材料的非正常断裂[6]。磨损会导致有价值的物质损失、产品性能下降、物理性质改变以及环境问题。由于催化剂的发展，磨损在石油工业中的重要性日益增加。历史上，催化剂中毒是炼油厂更换催化剂的原因之一，但近年来催化剂的耐毒性和选择性得到了提升[7]。因此，磨损已成为一个更重要的经济因素，因为催化剂细屑的生成成本很高。为了实现成功运行并降低经济成本，有必要理解和控制磨损。

颗粒磨损可分为两种类型：磨损和碎裂[1]。首先，当颗粒受到低速碰撞或与其他颗粒或壁面摩擦时会发生表面磨损，从而产生非常细的颗粒。其次，高速冲击会导致颗粒碎裂，使颗粒分裂成较小尺寸的颗粒。磨损会造成经济损失，因为材料会被磨损掉，需要补充；同时还会影响颗粒尺寸分布，导致控制问题并降低系统整体性能[8]。颗粒磨损也是流化系统设计中的一个重要问题。系统是根据预期的颗粒尺寸分布和细颗粒浓度设计的，但磨损会改变这些参数，从而导致性能不佳。例如，磨损会影响旋风分离器的收集效率，因为旋风分离器是为特定的入口颗粒尺寸分布和质量负荷设计的。流化催化裂化（FCC）颗粒可能每天通过旋风分离器约50次，产生细颗粒并略微减小其尺寸，从而改变旋风分离器的整体效率[9]。

在典型的循环流化床系统中，颗粒会受到压缩、拉伸和剪切等不同形式的机械应力。磨损的程度取决于主要的接触机制。在流化床中，局部气体喷射会引起颗粒间的碰撞[10]，而上升的气泡会推动颗粒并导致滑动接触[11]。在稀相气流输送中，颗粒在高气体速度下撞击墙壁时会发生磨损[12]。在料斗中，颗粒在漏斗流中相互滑动时会发生磨损[13]。在立管中，颗粒沿壁面滑动时会发生磨损[11]。在旋风分离器中，入口处主要是颗粒间和颗粒与壁面的冲击，而颗粒向下移动时主要是颗粒间和颗粒与壁面的滑动[14]。影响磨损的因素包括颗粒的机械性质（形状、硬度、密度、尺寸）以及系统的操作参数（固体负荷、流化气体速度）[1]、[11]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。例如，Werther和Xi[22]提出流化床中的磨损速率与气体密度、孔径的平方和孔口气体速度的立方成正比。Ghadiri和Zhang[23]、[24]提出，在单次冲击情况下，颗粒磨损随颗粒密度、速度和硬度的增加而增加，随断裂韧性的增加而减少。Neil和Bridgewater[25]提出了一种模型，用于预测环形剪切池中的颗粒磨损，考虑了材料破裂应力、剪切应变和施加的法向应力。Hauk等人[26]确定了单个颗粒冲击系统中，近似球形冰颗粒发生碎裂的临界冲击速度。在已发表的文献中，大多数操作方面都得到了广泛研究，但细颗粒生成及其对颗粒磨损影响的重要性尚未完全理解，在模拟工作中往往被忽视。

**稀相气流输送**是低负荷多颗粒冲击磨损的主要测试方法。输送速度和冲击角度等操作参数已被广泛研究[18]。例如，Aarseth[27]报告称，颗粒磨损随输送空气速度的增加而呈指数增长，且弯曲半径减小时磨损进一步加剧。Salman等人[28]发现，在单弯输送系统中，较高的表观空气速度会导致球形肥料颗粒更大的磨损。相对较少的研究探讨了固体负荷对多颗粒系统中磨损的影响。McKee等人[29]研究了在1:1至15:1（千克固体：千克空气）的负荷下，海盐在三弯输送系统中的磨损情况，并得出磨损随固体负荷增加而减少的结论；然而，在较高负荷下，颗粒在输送管入口处沉积，影响系统的整体流动动态。Bridele等人[30]研究了在5、23和35千克/米的负荷下的单弯系统中的磨损情况，同样发现较高负荷下磨损减少。但这些负荷范围属于密相输送。因此，需要进一步研究以明确稀相条件下的固体负荷作用。

在球磨实验中，Austin和Bagga[31]发现，随着细颗粒浓度的增加，磨损速率会降低。他们还通过比较分散度较低的煤样与煤和煤细颗粒的混合物发现，细颗粒的存在会减缓磨损速率；混合物的磨损速率在较短时间内下降。然而，Fuerstenau和Abouzeid[32]注意到，在他们的磨矿实验中，随着细颗粒浓度的增加，白云石的磨损速率反而增加。其他球磨实验也显示了类似的趋势[33]、[34]。细颗粒对剪切主导环境中磨损的影响尚未完全理解。

细颗粒减缓断裂速率的机制在流化床系统中是一个相对成熟的概念。Forsythe和Hertwig[35]报告称，随着细颗粒浓度的增加，流化床中的磨损速率降低。Zheng等人[15]观察到，在流化床反应器中生成细颗粒时，磨损速率也有所降低。这种减缓通常归因于三个因素：缓冲效应、颗粒加工硬化和颗粒形状。缓冲效应是指细颗粒在颗粒间或颗粒与壁面相互作用时起到缓冲作用，重新分配粗颗粒所承受的应力。颗粒加工硬化是指颗粒在反复受力和塑性变形过程中变硬的现象。颗粒形状也会影响磨损，因为不规则表面更容易磨损；因此，随着颗粒变得更圆，磨损速率会降低[1]、[36]、[37]。Ray等人[38]研究了流化床中石灰石的磨损，发现磨损速率随颗粒尺寸的减小而降低，且较粗颗粒部分的磨损速率随细颗粒浓度的增加而降低。然而，在同一实验中，将石灰石细颗粒替换为相同尺寸分布的沙子后，发现粗石灰石的磨损速率增加。因此，细颗粒与粗颗粒之间的相互作用不能仅用尺寸差异来解释。要完全理解磨损现象，必须分别研究不同主导接触机制系统中的细颗粒影响。确定正确的断裂动力学对于预测颗粒尺寸分布（PSD）的演变至关重要。

目前预测催化剂磨损的模型基于磨损速率的经验函数或“表面磨损体积”。这些经验关系使用了许多拟合参数[15]、[24]、[39]、[40]、[41]。当这些经验关系用于离散框架时，在模拟中会发生人为地移除和/或替换颗粒[42]。这可能会导致误差，因为细颗粒可能对流动行为有显著影响。细颗粒还已被证明会影响系统的传热性能[43]。Fulchini等人[14]利用CFD-DEM研究了Stairmand旋风分离器中锰矿的颗粒磨损。在模拟中，采用直径减小函数来描述颗粒磨损，该函数取决于颗粒所受的力。这是一种常见的建模简化方法，忽略了细颗粒对系统整体行为的影响。

因此，探索细颗粒和工艺条件对具有不同主导接触机制系统的磨损影响至关重要。本文通过改变工艺条件，并分别研究单次通过冲击系统和FT4剪切池中细颗粒含量的影响，评估了三种不同材料的磨损过程。分析了随时间变化的PSD，以评估颗粒磨损现象。此外，还将数据与包括工艺条件和颗粒机械特性的常用磨损关系进行了比较。

**材料选择**
选择了浮石、铝土矿和两种级别的α-氧化铝作为研究对象，以获取快速磨损材料的测量数据。这些颗粒材料的物理性质列在表1中，初始颗粒尺寸分布和显微图片见图1。测试前，浮石、铝土矿和α-氧化铝1通过500微米和1000微米筛网，而α-氧化铝2通过350微米和1000微米筛网。

**磨损机制**
在所有剪切和冲击实验中，除铝土矿外，所有材料都表现出以磨损为主的行为。相比之下，铝土矿在高速冲击下会发生碎裂。以下部分按实验配置（剪切 vs. 冲击）组织结果。图4a显示了在最高法向应力（21 kPa）下剪切前后浮石的PSD。与磨损机制一致，主峰保持形状，细颗粒的次峰也随之变化。

**结论**
本研究考察了颗粒材料在剪切主导和冲击主导条件下的磨损行为，特别强调了细颗粒和工艺参数的作用。设计了一种创新的单次通过控制的多颗粒冲击系统，以确保每次冲击时粗颗粒和细颗粒在平板上的冲击次数相同。该设计避免了循环系统中固有的偏见，因为在循环系统中，罚款可能会被再次使用。
作者贡献声明：
Alejandro Gallegos Tovar：撰写原始稿件、可视化处理、验证、方法论设计、研究实施、形式分析、数据整理。
Lauren Endress：撰写稿件审修改辑、项目监督、项目管理、方法论设计。
Casey Q. LaMarche：撰写稿件审修改辑、项目监督、方法论设计。
S.B. Reddy Karri：项目监督、研究实施、资金筹集。
Jennifer S. Curtis：撰写稿件审修改辑、项目监督、方法论设计、资金筹集、形式分析。
未引用的参考文献：[52],[53],[54],[55],[56]
利益冲突声明：
作者声明称自己没有任何已知的财务、个人或职业利益可能会影响本文所描述的工作。
致谢：
作者感谢Maximus Claudio在高速视频分析相关的数据分析方面提供的帮助。本研究得到了ACS石油研究基金（授权号65106-ND9）的支持。