粉体体系堆积、流动特性及其与颗粒间作用力关系研究

发布时间：2018-04-08 21:52

  本文选题：流动性　切入点：燃料粉体　出处：《华东理工大学》2017年博士论文

【摘要】：黏聚性粉体受气固流体动力学和固体颗粒间黏性力作用影响,其流动性往往很差。针对这一学术和工业技术难题,本文以气流床气化技术的供料系统为工业应用背景,采用实验研究与理论分析相结合的方法,构建了颗粒间接触作用本构模型、多分散体系堆积应力模型等理论模型。基于模型,着重研究颗粒粒径,颗粒粒径分布,颗粒表面特性,颗粒机械性质对于粉体宏观性质的影响,从气固相互作用、颗粒间相互作用的角度分析粉体的堆积特性、流动特性。研究为黏聚性粉体的流动提供了理论支撑,同时对黏聚性粉体工业单元操作设计和优化具有借鉴意义。本文主要内容可分为以下几点:1.采用工业煤粉作为实验物料,研究颗粒平均粒径对于粉体流动性的影响。研究中将煤粉筛分成7种不同的粒度等级。测试了不同粒度等级的煤粉的堆积特性、初始流动特性及壁面摩擦特性。设计搭建了透明有机玻璃料斗装置来检测煤粉的下料过程。实验发现,随着平均粒径的增加,下料过程逐渐由堵塞、不稳定流动发展至质量流;在实验研究的基础上,基于等熵压缩理论和连续介质塑性模型,推导得出描述粉体压缩,流动及固结的基本物理方程。利用推导利用所得的物理方程,研究中提出了一种考量煤粉在料仓内应力状态的新方法,用以评价预测煤粉的下料行为。该理论方法基于应力分析,预测结果与实验结果吻合度较高。2.研究了细颗粒(粒径小于40μm)对于煤粉堆积及流动特性的影响,同时对比了不同粒度等级细颗粒(20μm,20μm-40μm)影响的差异。利用FT4粉体流变仪测试了不同细颗粒含量煤粉的压缩性,透气性,以及剪切特性;利用搭建的有机玻璃料仓和料仓口应力测试装置,检测煤粉下料行为以及煤粉在料仓内的堆积过程。测试发现,煤粉在料斗内的静置过程中,料仓口的压力逐渐的减小直至达到稳定状态;而且煤粉中含有的细颗粒越多,达到稳定所需的时间越长。相应的,静置时间不同的煤粉所表现出的下料行为也存在差异。基于气固相互作用分析,构建了一个粉体堆积模型用,以定量的描述煤粉在料斗内的堆积过程。模型计算结果解释了堆积时间对煤粉下料行为影响的机理。3.研究了包括烟煤、褐煤以及石油焦等工业燃料粉体的流动机械特性。利用粉体样品的流动参数计算得到了各个固结应力下的拉伸应力;利用表面能测试仪测试得到了样品的表面特性。基于弹塑性形变理论,提出"刚性球体软接触点"模型,在微观层面上分析了燃料粉体的堆积流动性以及燃料粉体粘聚及固结机理。模型中,引入了多点接触理论来表征颗粒不规则形状的影响。模型改进了弹塑性接触形变理论模型,用以描述粗糙颗粒之间的接触及相应的颗粒间相互作用。通过将模型计算结果同Rumpf方法相结合的方式,关联了粉体各向同性拉伸应力和颗粒间相互作用力,模型预测与实验测试值吻合良好。4.制备并选取了粒径分布特征不同的两组褐煤粉作为研究对象。第一组煤粉通过气动筛制备,具有较窄的粒径分布。第二组煤粉是工业煤粉,其相应的其粒径分布较宽。分别测试煤粉的压缩特性以及流动特性和样品的BET比表面积和表面能。基于实验测试结果,提出了一种基于Rumpf和Molerus分析方法的理论模型,用以研究粒径分布对于粉体堆积流动特性的影响。模型中以窄分布样品的测试数据为基础,计算了工业褐煤粉体的各向同性拉伸应力,计算结果和实验值吻合良好。基于模型计算结果,在颗粒细观等级的角度上,分析了工业等级褐煤煤粉的堆积与流动特性。5.选用化学成分类似但粒径分布存在差异的四种工业飞灰作为研究物料。利用高温旋剪仪(HT-ASC),测试了飞灰在常温以及500℃下的堆积与流动特性。为了更好的了解温度对于飞灰堆积及流动特性的影响,研究中采用多分散堆积模型来关联各向同性拉伸应力同颗粒间作用力以及细观等级下的接触结构。模型正确的展示了固结等级以及温度对于各向同性拉伸应力的影响。基于模型计算结果,温度对于飞灰堆积流动特性的影响机理得以在微观颗粒接触的等级下展现。
[Abstract]:In this paper , the influence of particle size , particle size distribution , particle surface property and particle mechanical properties on powder flowability is studied by using industrial pulverized coal as experimental material . A theoretical model based on Rumpf and Molerus analytical methods is introduced to study the influence of particle size distribution on the particle size distribution .

【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ530;TB44

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本文编号：1723475