圆满结束！PARTICUOLOGY创新云论坛之“颗粒技术的工业应用与实践”专场

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“颗粒技术的工业应用与实践”专场

2022年10月14日，PARTICUOLOGY创新云论坛之 “颗粒技术的工业应用与实践”专场圆满结束！论坛特别邀请清华大学岳光溪院士、中科院过程所朱庆山研究员、德国巴斯夫集团王声洁总监、清华大学魏飞教授、丹麦技术大学吴昊副教授、广东以色列理工学院孔博副教授齐聚云端、为大家带来了一场精彩的学术盛宴！其中，魏飞教授、朱庆山研究员兼任论坛主持。

本次论坛在颗粒学报视频号、蔻享学术-《颗粒学报》专栏、科研云-B站/视频号/微博/斗鱼/百度/Facebook/YouTube、Zoom等直播平台吸引相关领域专业观众累计数万人次，高峰时约1000人同时在线观看。特别感谢各位专家的精心准备和亲切答疑，感谢各平台的大力支持和深入宣传，感谢与会老师同学们的热情关注和踊跃交流！期待PARTICUOLOGY后续系列论坛能持续为大家输出新观点、带来新启发！

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讲座精彩瞬间

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PS：嘉宾报告回放请后续访问颗粒学报视频号、蔻享学术-《颗粒学报》专栏

颗粒学报视频号

蔻享学术-《颗粒学报》专栏

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讲座答疑环节

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岳光溪院士答疑

1

请教岳院士瑞典Chalmers还有国内相关团队开展生物质载氧体辅助燃烧，在流化床床料添加钛铁矿，岳老师对这个技术怎么看？

（视频号平台观众：宋涛教授）

岳院士：瑞典Chalmers与我们之间有比较深的合作联系，关于他们在他们校内的燃烧炉上做的关于添加氧化铁载体做燃烧实验以及脱氮实验，我们团队也正在做类似的工作。我能感觉到，如何在温度比较低的条件下，降低氮氧率是个研究方向，但该研究方向仍在探索过程中，目前还不敢下结论。

2

煤从燃烧到气化，流态化起到了很大作用。但是双碳背景下，我们国家和国外有大量的生物质资源，生物质资源的利用对于化工领域来说未来是一个富碳技术。怎么把生物质加压气化工作做好，对于做碳减排和高端化学品和燃料是非常有意义的，但是从全世界现有的技术看，都存在一些问题，岳老师对这个技术怎么看？

（腾讯会议平台：魏飞教授）

岳院士：循环流化床如果走到高压方向上，我从工程应用角度上，不太看好，但是循环流化床处理生物质这个方向很正确，应该能满足。为什么不看好高压呢，是因为做气化有一种体会，气化做的是高压输氧、气流床气化。到目前为止，从全世界角度和范围来看，把燃料从低压以流速稳定可控状态下送入高压容器始终是工程上难以解决的技术问题。而生物质连煤都不如，它的形状非常奇怪复杂，让它连续可控的送入高压容器，难度较大。严格来说，这是一个工程难题，不是科学难题。从实用角度来看，要么在工程技术上将这些物料从低压送入高压有一个突破，要么就是煤转化一个方式。总之，实用起来非常困难。

3

定态设计理论是不是可以理解为是在调整流态化操作相图？

（腾讯会议平台：杨宁研究员）

岳院士：定态设计研究没有时间来进行更多的讲解。研究一个流化床燃烧装置，第一个要确定流化状态，才能进行剩余的参数确定和设计。但是如果都不能按照原来定态设计状态运行，那就是在空谈定态设计理论。另一个参数是循环物料、循环量，我们后来终于明白原来循环量实质上和有循环物料的床层是一个参数，床压降在某种意义上来说是可控的，如果不可控，回不到设计状态上，定态设计就是空谈。

4

请问有什么技术能够削弱炉内结焦现象。谢谢！

（视频号平台观众：敲**）

岳院士：前面汇报说了一些。实质上，循环流化床的炉内结焦根本问题在于床层料的粘结性，要注意在没有其它特殊情况下，灰分如果不超过固熔点，是不会结焦的，除非是局部固熔化不良这类问题。另外，烧生物质，特别是碱性物质比较多的情况下，添加物料，以石英砂为例，熔点只有700-800℃，这就造成纯粹烧生物质特别容易结焦。在这种情况下，我的建议是：尽量不要用惰性物料，而是循环物料平衡，让床层量不断的替代更新，新的不含碱性物质的物料不断循环，这样就不容易结焦，这是我个人的体会。

5

定态设计理论对于设备放大有无指导意义？设备放大过程中，除结构参数、放大准则如何考量？

（Zoom平台观众：Chengguo Liu）

岳院士：这是个好问题，也是我自己也在考虑的问题。但是到目前为止, 定态设计理论没有涉及到装置性能。但是基本上一维模型也够用了，三维模型还说不清。但还有另外一个不均匀性问题，这个在另外场合再讨论；除外之外，定态设计对结构参数设计没有什么影响了。

朱庆山研究员答疑

6

多层内构件是否造成流化床压降大幅上升？

（视频号平台观众：宋涛教授）

朱老师：这个应该是不会的，因为我们开孔率比较低，一般来说像大家知道，小孔速度是70m/s，肯定有几个千帕的压降，速度到十几米每秒就没有太大的压降了。像我们做的平均流化速度基本在零点几米，几米左右，如果开孔率在20%的话，实际上就几米每秒的速度，压降倒是没有看到有太多增加的。流化床在工程上较为麻烦，我看魏老师也做过内构件。想要将内构件安装的很好是很困难的，所以只能将其焊死，最后出问题了再把它焊开也比较麻烦，所以，其实加内构件还不是一个特别好的方案，我们现在只是在做一些相关的研究。

7

对循环流化床很多参数的研究不同学者得到的经验公式使用范围都有限且差别较大，请问对于这种问题您怎么看？谢谢您！

（视频号平台观众：OO）

朱老师：这个问题我还真不知道怎么看，因为现在实际上我们整个反应器的放大都没有完全的实现，包括我自己做的很多工作。因为一般搞化工的按我自己的理解都是先做一个本征动力学，然后再去测参数。但现在测得的很多参数很多时候都会有尺寸效应，受关联的是小床还是大床的影响，结果不一样，都会有一个应用的范围。但多数关联的参数我觉得都是在小床里做出来的，对大床来说，气泡的尺寸都不一样，所以它的适用性其实是有问题的。我自己今天没有介绍，我们现在做的是几百万吨的大床，采取了比较笨的办法，将床分成几个舱。流化床本身是一个全混流，对于全混流来说，想得到一个高的转化率较为困难，所以只能采用多釜串联的方式。我们加了很多挡板进行平行放大：一个2×2的流化床，想做4×4就加一个挡板，想做6×6、8×8或者更大，就在同一个方向上继续放大。这样的话，就能避免一些放大的问题。因为我觉得现在很快放大到不同的尺寸，仅靠科学的方式还比较困难，所以个人觉得关联的东西都是有其边界条件的，受它的尺寸限制。比如在一个非常小的床里面，气泡的尺寸不会超过床；但在大床里面，气泡的尺寸可能可以超过半米。

8

朱老师认为粘性颗粒存在什么关键科学问题吗？

（视频号平台观众：付）

朱老师：刚刚我讲了很多粘性颗粒的相关问题，关键的科学问题其实是我们没有深入到化学层面的表界面问题。粘不粘其实就是和表界面有关的。从表征手段来说，我们做的都比较粗糙，考察的就是颗粒会不会粘结，粘结后对流化的影响。但是颗粒为什么粘，其实如果做三氧化二铁加氢气还原、或者加一氧化碳还原，这个过程是最明显的。首先它的粘性不一样，其表面形成铁的颗粒大小不一样，大小不同会造成粘度的不同，这些东西其实现在是没有完全搞清楚的。我觉得从科学上来说，颗粒粘不粘就是颗粒之间的相互作用力，这个作用力可能有很多种，其影响因素很多。我们希望能算出范德华力，弄清楚两颗粒的接触；但接触的问题清楚后，如何测量范德华力也比较困难，现在基本都在关联，没有深入到科学的层次。至少我们的研究还没有到这个层次，希望以后能搭建一些原位装置测试表面的状态。

9

一般流态化都是在重力场（顺或逆重力场）下进行，其它场力作用下的颗粒流态化是否有进展或值得探索？

（视频号平台观众：郝晓刚教授）

朱老师：我自己没有做这方面的研究，但我看了下王亭杰老师还做了离心的流态化，还有很多同行做了超/微重力的流态化。未来肯定是值得探索的，但是从我自己接触到的内容看，如果重力场都研究不清楚，想研究清楚非重力场的细粉就更难了。

10

C类粘性粒子（比如铁粉催化剂）在低气速流化起来很难，但是萨索循环将气速提高到快速流态化后，流化性能和催化性能都大大改善，用H₂还原铁矿颗粒，是否可以从流态上（高气速）来解决？

（腾讯会议平台：杨海瑞教授）

朱老师：这是一个很好的问题。原本我们希望用一个高气速流化床来解决颗粒粘结问题，但是实际上是非常困难的。基于两个原因，一个就是还原铁颗粒特别粘，速度高的话会粘在设备内壁上，流化床都有耐火材料，会在壁上粘很多颗粒。第二个就是气速速度提高后，在流化床里面，C类粘性细颗粒也会长成特别大的颗粒。或者假如流化床中99%是气体，剩下的1%是铁矿颗粒，虽然颗粒粘不到壁面，但是这样的话，反应器尺寸会非常大。像循环床、快速床里面底部有浓相段，这个浓相段也会粘结形成死床。除非用输送床去还原，那样的话，由于需要很长的还原时间，比如10分钟、15分钟，所需流化床设计高度就会过高，也是一个很大的问题。想要避免粘结问题，可以将铁矿磨得很细再造粒，颗粒重构惰性粘结剂可以防粘结，同时会有很多的孔，还原速度也得到大大提高，如同竖炉一样。后来我们又想，固定床也是这样，纳米催化剂好用，但不能把它直接放在固定床，于是把它做成小片。流化床也是这样，高炉、竖炉也是的。高炉、竖炉移动床前面都有铁前，我们也做了铁前，给它造粒成0.2-0.5mm的颗粒，还原速度也很快，然后失流问题也解决了。至少第一代的可以这么做，未来能不能直接利用C类细颗粒，还要看下一步的发展。

王声洁总监答疑

11

循环物料经济与碳中和是否有矛盾之处？

（腾讯会议平台：杨宁研究员）

王总监：感谢杨教授的问题，这是非常好的问题。我们做循环经济最终希望从源头上减少化石级原材料的使用。拿塑料制品举例，如果它实现自然降解的CO₂排放，最终要回到环境中。那如果我们把这些物料的循环到前端，就能减少化石原材料，比如石油、煤和天然气源头的使用，并且减少碳排放。这也是我们做碳中和的一个最主要的初衷吧。

12

未来化工生产有没有考虑从化石能源供热向绿电供热转变？如果采用绿电供热，可能面临哪些挑战？

（腾讯会议平台：朱庆山研究员）

王总监：目前绿电供热，我们集团公司内部有两个布局，一个是我们跟这些大电力公司有长期的战略合作，然后我们会采购签订一个长期的绿电合同。另一个是，我们会和这些能源公司合作，布局很多沿海风电发电厂，这方面也会涉及到欧洲甚至未来的湛江在规划当中的一些非常大的绿电投资项目。还有绿电在国内，太阳能发电相对比较成熟的，但是在欧洲布局比较滞后，尤其现在俄乌战争造成能源危机倒逼着欧洲国家来继续在这方面的加快投资，比如说和非洲一些国家的合作，在沙漠地区来进行合作投资，建立大型的太阳能发电厂，这样的话可以把电力来输送到欧洲使用。

13

您提到低碳产品在北美欧美市场会有优势，那么在亚洲市场是怎么样的？

（科研云平台观众：你好二氧化碳）

王总监：这是一个好问题，现在还是没有实现全国的统一的碳市场，还是在一些个别城市进行试点，现在这个化工市场还没有纳入碳交易系统。在欧洲，其实这些碳交易市场非常成熟，最初的这个体系，也是从欧洲发起的。碳交易的这个事情，欧洲市场非常成熟了，一方面，节省的碳配额，可以进行交易，另一方面，如果在某些产品里面进行的额外的碳排放，需要相应的被征收碳税。所以说，这些碳税的价格及这个额外的市场交易当中这些成本，最终都会被加到产品的价格当中。因此说这些低碳产品，相对来说就会比较有价格优势。

14

目前企业里对于CFD技术的使用情况是怎样的？可以用其独立进行研究吗？还是目前仅用其进行验证？谢谢！

（视频号平台观众：OO）

王总监：我理解提出这个问题是基于前面介绍的几个例子应用吧。其实CFD在公司有广泛的应用，是一个重要的模拟计算工具。然后我们前面提到的甲烷裂解制氢、水电解、电池回收还有塑料循环项目目前都是进入了中试阶段，未来我们希望能够尽快的推进产业化。

魏飞教授答疑

15

未来可再生能源为主打的情况下，现在化工、冶金都是高温的，没有储能的装置可能就很难进行。那么有没有办法做一些弹性的，比如说在常温常压下生产化学品，有电的时候我就生产，没电的时候我就关起来，有没有这样一些机会，就是说这个比如说白天我就开着，晚上就关了就不生产。因为常温常压就好办，高温高压就是温度就不好处理，这种可能性有多大？

（腾讯会议平台：朱庆山研究员）

魏教授：我觉得朱老师问了一个很好的问题，在未来这种可再生能源的图景下，它其实对我们化工领域挑战巨大。这个挑战的核心第一个就是可再生能源都是分布式，然后化工是一个集中式的，比如光伏只有1700个小时左右，风电其实到3000小时也很难，我们的化工基本上都要8000小时才能赚钱。那么这样的情况下要想让它随开随停，然后能在低温下工作，我个人感觉有点困难，也还需要我们革命性的去设想有没有技术来实施。但是问题其实也不一定要这样解决。我们的电其实已经做到很便宜的话，那么核心的问题是我们怎么样解决储电或储能的问题，然后跟我们化工的接口接好。其实化工生产的碳氢化合物本身就是储能，只不过现在效率还没那么高，这样接好的话就很好办。我的感觉是，从国际上的评估来讲，大概还有15年到20年时间，我们这一部分问题就会逐渐解决。我们现在在想的方法是，有没有可能用化工的颗粒技术和流态化技术解决这类问题，主要是现在大家动脑筋往这边儿想的时候不多，然后场景分析做得不够，这是一个目前比较突出的问题。

16

请问反应器内构件对反应的选择性有无影响？

（腾讯会议平台：杨宁研究员）

魏教授：这个问题其实是一个更复杂的反应工程问题，因为我们的内构件大部分解决的是流动和传递问题，但是要是转变成一个反应器的选择性转化率和这些问题的话，其实比这个复杂得多，不能够一劳永逸地认为弄个内构件就可以解决所有的问题。这样的情况下，还要针对不同的反应。很多传统的反应我们都知道怎么办，现在其实难对付的就是我们在新能源和其他的范式下面，特别生产材料所对照的一些核心问题。比如像生产材料的时候，不光是内构件，其实传统的大反应器的连续式操作，其实都有问题。

主持人朱庆山研究员：对，这个跟反应特性有关系，内构件可以减少反混。

魏教授：对，不在这个范畴里面，要特别小心这个问题。

主持人朱庆山研究员：反混的话有时候可能会有一些反应，如果你希望主产物能够低点，也许还会有好处。所以它俩可能经过一道转换才能到选择性转化率这里来。

17

关于知识产权的保护和转化的问题，怎么弄会比较好。比如催化剂，它要学好长时间才能学会。但反应器，如果做了一套，第二套照猫画虎就可以做了。就像您说的纳米碳管，我下次照着那个纳米碳管做一套是不是也可以。

（腾讯会议平台：朱庆山研究员）

魏教授：我个人感觉要是做创新性、原创性的问题或者是走的更远的问题比我们现在要考虑的那些东西要多得多。比如说碳管的问题，后来我们做一些电池应用或者高端的应用，就意识到了其实它的问题很麻烦，因为是第一个，不能够等着技术成熟了再去做工程和应用，它这条和我们传统工业里面的做法不太一样，一般来讲你的技术要跟着产业共同成长，然后化工里面的技术，其实传统的技术已经都成熟了，那只是一个改进，那么工程是一个角度，现在的材料化工或者更新的东西不是这样的，化工技术认证和生产时间都很长。后来我就理解了为什么在油车我们国家追了几十年都追不上，油车里面有好几个难点，难点的话它是刚开始从设计、材料制造和整个一条龙的东西都奠定的，那么没有这样研发的基础，去介入就会特别困难。那么我们将来的话做这些东西也是一样，比如朱老师做了很多冶金里面带粘结的颗粒，其实我就做不来一样。你能感知到这个产业未来的需求是什么，提前做了一些研发，拿到了一些新的东西和产业新的需求同时发展。那外面的人不具备对这些产业的感知，也很难进行。

吴昊教授答疑

18

请问吴老师，有研究过颗粒的破裂对焚烧的影响嘛，破裂会引起直径、孔隙率及表面积的瞬变，进而影响燃烧动力学等，还有什么建议不?

（视频号平台观众：zheng xg）

吴教授：我们研究了颗粒的大小与反应时间的关系。如果是不同的破碎方法得到的同样大小的颗粒，它们有什么区别，这部分内容没有研究。

生物质焦含量比较多，所以和煤相比，生物质在燃烧过程中会更容易破碎，目前在我们的模型中还没有考虑这一部分内容。

19

能否比较一下，木头之类的生物质在煤粉炉和流化床中燃烧？后者不需要磨细，但相对粒度不明显？

（腾讯会议平台：杨海瑞教授）

吴教授：流化床也是使用生物质的一个最主要的技术，在丹麦、英国、比利时，已经存在很多用煤粉的电厂，所以希望将其改成用生物质粉末燃烧的电厂。生物质也是不同的，木头生物质，用粉末燃烧是可行的、效率也高。但对于像秸秆这样的生物质，用流化床更好些。

20

传热/传质过程哪一种会对生物质燃烧过程产生更大的影响？后续需要开展对反应器整体性能的模拟研究吗？

（科研云平台观众：小陈努努力）

吴教授：看是哪一个过程，如果是着火和火焰稳定性，那传热过程会更重要。如果是Char的燃烧，那传质控制更重要。

我们有模拟过锅炉，但是对于整体的模拟，从计算上，是一项非常大的工程。从公司的角度，做测量会更有价值，所以目前没有再做整体反应器的模拟。

21

加入的粉煤灰后，粉煤灰的成分不同，到底形成了什么物质？氯化钾造成氯含量增多后，粉煤灰会不会从普通的废物变成了另外一种废物？

（腾讯会议平台：朱庆山研究员）

吴教授：我们测试了不同的粉煤灰，也搭建了模型来预测哪一种煤灰会表现更好。然后粉煤灰的用量，如果钾的含量太高，用煤灰用的太少，最后得到的灰并不能在混凝土中使用。所以从电厂的经济性角度考虑，关注哪一种煤灰效果好，同时还要考虑煤灰能否用到混凝土中。所以我们虽然测试了几种煤灰，仍然还需要进行更进一步的研究。

孔博教授答疑

22

请问孔博士，闪蒸过程模拟是VOF方法？这个过程液滴尺寸变化能模拟吗？

（腾讯会议平台：杨宁研究员）

孔教授：这个问题很好。实际上不是VOF，是mixture model，没有解析界面，是气液固三相一起解的，相互在一起的。这个喷管的模拟主要是一个液体气化过程，液体迅速变成气泡，气泡长大，最后完全变成气相。做模拟实际上应该加上气泡的成核、长大、聚并过程。我们认为如果考虑这个动态过程，反而让模型复杂度高很多。而且其实这里面最关键的是气化率模型，气化率模型主导了整个闪蒸过程模拟（dx/dt），这个模型才最为关键。目前这个程序已经写完了，但是因为缺乏实验数据，很难模拟，例如颗粒在激波里面运动，用哪一个drag模型，比较难以确定，是比较难做的。

主持人朱庆山研究员：CFD模拟算流动还可以，但是做很多的过程，实际上是流动和反应交织在一起，比如您做的六水合氯化镁，这个项目涉及的不仅仅是流动问题，还存在反应问题，六水合氯化镁之所以用盐酸，是因为材料会水解，热力学和动力学问题都有，只靠流动模拟，反应机理不清楚，想要运行好，这个实际上是很难的。

孔教授：假如模拟，那规模太大，机理很复杂。想要采用一个合理的模型，得到有借鉴作用的结果，还是很困难。

23

模拟使用了GPU加速吗？现在是纯粹CPU？

（科研云平台观众：橘子吹气球）

孔教授：目前模拟都是用的CPU，尤其是现在的一些工作，比如神威芯片虽然不是GPU，但同样属于众核的架构。以后我们还是需要更多采用国产国产芯片进行仿真。最近我们移植了palabos程序，优化之后计算效率还行，我们刚发了一篇这方面的文章。

24

孔老师您好，请问多相流在传热传质（化反）方面的比较有前景的发展方向？谈谈您的想法呗，谢谢~

（视频号平台观众：敲**）

孔教授：这个问题问的有些宽泛。做多相流模拟，力学方面研究会比较多，而且航空航天热物理用到多相流技术的很多，我们化工领域上还是很关心有化学反应的多相流模拟。但有些像搅拌釜合成反应模拟相当复杂，例如我们现在正在和企业洽谈的六氟磷酸锂的合成反应模拟。甚至是很简单的反应，传热传质都交织在一起，真正要想模拟好，还是很需要功底的。但如果不将多相流模拟用到实际问题中，就比较虚无缥缈，还是需要让自己和学生了解真正的生产过程、反应过程，模拟一些真正的反应器，像医生一样做科研也做实践，将科研实践结合起来才能实现推广。欧美的BASF、陶氏、ExxonMobil，他们有很多领先的技术是因为几十上百年的技术积累，而我们很多技术再去从小试中试一点点地尝试，时间成本太高。所以假如我们利用好目前国家一流的算力资源，去解决实际生产工作中的问题，相信能够帮助生产企业实现弯道超车。

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答疑环节文字记录由天津大学邵媛媛教授课题组吕潇、白宇星博士整理汇总，在此表示诚挚的感谢(*^_^*)

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获奖名单

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一

等

奖

品牌充电宝

用户昵称	来源平台
杨宁研究员	腾讯会议
杨海瑞教授	腾讯会议
宋涛教授	颗粒学报视频号
郝晓刚教授	颗粒学报视频号
Chengguo Liu	Zoom

二

等

奖

小型加湿器

用户昵称	来源平台
敲**	颗粒学报视频号
OO	颗粒学报视频号
zheng xg	颗粒学报视频号
小陈努努力	科研云

参

与

奖

三合一数据线

用户昵称	来源平台
你好二氧化碳	科研云
付	颗粒学报视频号
橘子吹气球	科研云

小贴士：请上述获奖观众于10月24日前发送正确的联系方式“平台昵称+姓名+手机号+邮寄地址”至颗粒学报微信公众号后台或编辑部邮箱[e-mail]（备注：颗粒技术的工业应用与实践专场），编辑部将于10~15个工作日内寄出相应奖品。

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Particuology(《颗粒学报》)是由中国科协主管，中国颗粒学会和中国科学院过程工程研究所主办，科学出版社和Elsevier出版集团共同出版的英文版月刊，正式创刊于2003年4月。首任主编为郭慕孙院士，现任主编为李静海院士。

Particuology(《颗粒学报》)2021年度影响因子3.251, CiteScore 5.2，是颗粒学领域三大期刊之一。同时，《颗粒学报》始终坚持以创精品与国际化为办刊方针，多年来一直保持60%国际稿源，70%国际审稿，作者来自中国、美国、德国、英国、澳大利亚等20多个国家，读者遍布全球100多个国家，并连续十年被评为“中国最具国际影响力期刊”称号。

Particuology(《颗粒学报》)主要刊登国内外颗粒学领域在研究、工程和应用方面的优秀原创论文，内容涉及颗粒测试与表征、颗粒制备与处理、颗粒系统与固体散料技术、流态化与颗粒流系统、模拟与仿真技术、气溶胶科学与技术、材料科学与工程、纳米颗粒、能源颗粒、生物颗粒与仿生技术等领域。热忱欢迎国内外相关领域专家、学者、研究人员来稿！

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