半循环流化床破碎高钙镁高钛渣聚团的基础研究

This program focuses on the "hard cluster" formed by titanium slag particles due to theirs high level of CaO and MgO when titanic ore reserved in Panzhihua region in China is used as the raw of manufacturing TiCl4 in the fluidized bed and the common methods for breaking ordinary clusters can't effectively break the "hard clusters". The relations between the evolvement of the clusters and macro-scale ractor strucutre and meso-scale phase structure and micro-surface structure of titanium slag particles will be determined and the laws governing the cluster size during carbochlorination process will be discovered. The effects of the clusters on the transportation efficiency between gas and solids are investigated and a new model integrated hydrokinetics of gas-solids flow and reaction kinetics of carbochlorination is established. So, a novel approach named a semi-CFB technique, that is, the non-adhesive carbon particles are cycled in the circulating fluidized bed and the adhesive titanium slag particles are suspended in the bubble fluidized bed, is developed to break the clusters based on the mutilscale analysis.The research mainly contains: Studying the effects of cycling light component on the hydrodynamics of gas-solids and reaction kinetics in bubble fluidized bed; Variations of the surface microstructure of titanic particles during carbochlorination process; Breaking the "hard clusters" and discovering the laws of governing the cluster size; Developing a model about carbochlorination process in a semi-CFB. The proposed the semi-CFB process will provide a new technique for breaking the clusters formed during carbochlorination process. The achievement in this project will also contribute to the development of fluidization, metallurgy and reaction engineering theory.

本项目针对中国特有的高钙镁钛渣在流化氯化过程中由于形成"硬聚团"无法使用这一问题开展相关的基础研究。常用的破碎聚团的方法对"硬聚团"无效，本研究通过探索聚团结构演化与宏观反应器结构，介观相结构以及微观钛渣颗粒表面结构之间的关系，掌握多尺度调控聚团的规律;考察聚团对气固相间传递效率的影响，建立多相流动传递/反应耦合的调控理论,寻求一种多尺度协同作用新的破碎聚团的半循环流化技术方法。主要研究内容有：流化床内气固双组分颗粒流动结构和反应动力学的研究；高温氯化过程钛渣颗粒表面微结构变化的研究；"硬聚团"的破碎及多尺度调控规律的研究；气固双组分颗粒流动-氯化反应耦合模型的建立。本项目旨在利用半循环流化工艺解决高温氯化反应形成"硬聚团"的问题，为高钙镁高钛渣高温氯化新工艺提供新的技术方法，也为气固流态化两相流及反应过程的研究提供新的思路，同时丰富和发展流态化和反应工程理论。

本项目针对中国所特有的高钙镁钛渣高温沸腾氯化过程中，由于钛渣颗粒聚集成为“硬聚团”而无法使用这一问题开展相关的基础研究。采用多尺度分析方法，围绕流化床内介尺度（气泡，聚团）特性及其演化规律展开实验及模拟研究。对鼓泡流化床，循环流化床以及半循环流化床等不同反应器结构内介尺度结构的变化规律进行了深入研究。基本完成了任务书的内容，达到预期目的。主要结论如下：.1)考察了双组分颗粒流化状态与混合因子的关系，首次提出了根据双组分的混合状态来预测气泡直径的关联式，预测结果与实验值吻合。建立了气/固/固三流体欧拉模型，考察了微尺度颗粒性质改变对介尺度气泡特性的影响。.2）开发能连续处理数千张数字图片的matlab程序，采用拉格朗日方法计算聚团速度，获得较为准确的聚团速度值。对上行和下行聚团的运动规律分别进行了深入的研究，上行聚团速度略大于下行聚团速度，大多数聚团速度在[-3,3]m/s。发现循环流化床内聚团数量是单组分重颗粒流化床最多，双组分次之；双组分颗粒聚团直径较单组分聚团的较大，但存在时间较短。. 3）对双组分颗粒压力时间序列进行了小波分解，发现半循环流化床内颗粒波动幅度较鼓泡流化床和循环流化床的波动都小, 半循环流化床内轻重组分颗粒分布都更均匀，半循环流化床内聚团密度轻，尺寸小；由于轻组分颗粒的循环，流化床的非均匀性得到较大改善。.4) 高钛渣高温氯化硬聚团近似球形，硬聚团主要出现在钛渣颗粒之间。温度是影响聚团频率和直径最重要的因素，温度越高，聚团尺寸越大；当氯化转化率大于90%时，聚团出现频率较高。建立了高钛渣颗粒缩核反应动力学模型，并与气/固/固三流体欧拉模型耦合，模拟研究了流化床内的氯化反应以及气固的高温流动，模拟结果与实验结果基本一致。.5）采用多尺度方法，建立了基于介尺度结构的曳力模型以取代传统的平均方式的曳力模型，提高模拟计算结果的精度。将介尺度曳力模型与双流体模型耦合进行模拟研究，模拟结果明显优于Wen-Yu曳力模型。.相关研究已发表论文8篇，其中SCI4篇和EI1篇，会议论文两篇，已投稿两篇；获得国家发明专利3项。