催化剂颗粒气固流化磨损机理与磨损动力学研究

颗粒磨损是流化床锅炉吸附剂和催化裂化（FCC）等工业流化催化剂普遍面临的一个重要问题，也是决定流化床系统操作成本的因素之一。目前我国已自主开发了大量流化催化剂品种，它们的催化活性均满足了过程需要，但是关于颗粒流化磨损的研究尚十分薄弱，特别是关于流化磨损的基础理论认识非常缺乏。本项目拟以石油加工工业中用量较大且磨损问题尤为突出的FCC催化剂为主要研究对象，采用理论分析、实验研究以及数值模拟相结合的方法，系统研究颗粒的宏观流化磨损过程和微观流化磨损的产生、发展和形式，揭示流化参数、流化床结构参数与颗粒流化磨损的关系，揭示颗粒性质对其耐磨性能的影响机制，阐明流化磨损微观机理，建立流化磨损动力学模型等。项目首次提出流化磨损的数值模拟分析，成果理论创新主要表现在对颗粒流化磨损过程形成科学认识，以便为催化剂和吸附剂的制备与改性优化提供理论依据，为新型流化床反应器设计与流化参数优化提供可靠指导。

颗粒磨损是催化裂化等流化床催化剂普遍面临的一个问题，是决定工业流化床系统可靠运行与操作成本的重要因素之一。本项目针对这一问题，开展了实验与理论研究，主要包括：实验考察了多个工业流化床催化剂的流化磨损行为，考察了流化气速、流化时间、颗粒性质等对流化磨损的影响，并理论分析了宏观流化磨损过程以及微观磨损的产生、发展和形式，获得了基础性认识，尤其在如下几方面取得了较多新进展。. 流化磨损源：研究发现，流化床中主要存在两种磨损源，即喷嘴区磨损和鼓泡区磨损，并理论推导出了各磨损源磨损速率及总磨损速率与流化气速之间的数学关系式。结果表明，喷嘴区磨损贡献率随着流化气速的增大而增大，尤其在高气速下，喷嘴区磨损是流化磨损的主要来源。流化磨损机理：研究发现，流化磨损表现为颗粒体相断裂和表面剥层两种形式的混合磨损机制；并且，流化磨损可分为前期非稳态磨损阶段和随后的稳态磨损阶段。在非稳态磨损阶段，不但有表面剥层磨损，而且还有显著的颗粒体相断裂。然而，进入稳态磨损阶段后，颗粒体相断裂现象消失，仅存表面剥层磨损。流化磨损指标表达：提出比磨损速率指标。在非稳态磨损阶段，比磨损速率快速下降，然后越来越慢，当磨损进入到稳态阶段，颗粒粗糙度、硬度等表面特征恒定，因而比磨损速率趋向于一个稳定值。与传统磨损速率相比，比磨损速率能精确反映流化磨损的本质属性，是一个更加适合的磨损动力学物理量。流化磨损动力学模型：实验与理论分析表明，颗粒流化磨损行为符合指数衰减模型，即比磨损速率随磨损进行按指数衰减方程而变化。流化磨损颗粒尺寸效应：颗粒磨损行为与其粒径密切相关。研究发现，不同粒径范围的颗粒抗磨损性能显著不同，小颗粒磨损最严重，而大颗粒则具有较好的抗磨损性能；并且，不同粒径范围的颗粒之间存在细微的相互作用，抑制了全粒径样品的磨损。此外，不同粒径范围的颗粒的磨损行为，可通过线性组合，预测全粒径样品的磨损行为。颗粒性质影响机制：除粒径外，颗粒流化磨损行为还与多种颗粒性质因素有关。研究发现，颗粒纳米硬度、弹性模量和强度与颗粒抗磨损性能正相关，因而它们是催化剂抗磨损性能的决定性因素。. 项目研究成果主要表现在颗粒流化磨损方面的理论创新，在一定程度上为流化催化剂的制备与改性优化提供了理论依据，为流化床反应器设计与流化参数优化提供了可靠指导，并对许多其它颗粒流磨损问题有借鉴意义。