点此下载——气力／机械力协同作用下的气固两相流行为的研究

摘 要：通过气力与机械力的联合作用，分析双组分颗粒在干燥器内的扰动流态化行为，考察颗粒的组分配比、静止床层高度、机械力作用强度等因素对双组分物料在干燥器内的流体力学性质及传热性质的影响，采用因次分析方法得出相应的表面传热系数关联式。研究结果表明，机械力场的加入，有效改善了双组分颗粒的流化状态及气固间传热性质，为炼焦煤调湿分级一体化工艺技术工业化应用提供技术支撑。

关 键 词：气力／机械力；流态化；干燥器；双组分颗粒；调湿

随着经济的日益发展，流态化技术已经在化工、能源及其他行业得到了非常广泛的应用^[1]。在流态化技术中，气固两相流动是一种常见的现象，广泛存在于冶金、化工、航空航天等领域，研究气固两相流的流动与传热规律具有重要的理论和实用价值。近年来，国内外学者对气固两相流行为进行了大量研究。涉及到双组分颗粒体系的流化、混合与分离等问题，Rowe和Nienow等^[2-3]研究发现，双组分颗粒体系在气固流化床中的混合与分离是由于气泡运动引起的。流化床分布板的附近会产生大量气泡，其尾涡中夹带的沉积组分随着气泡向上运动，气泡上升通过流化床时又会形成局部的空穴，此空穴将被上部的颗粒所填充。气速大时，气泡引起床层大量扰动，混合占优势；气速小时，气泡与空穴的交换占优势，更易分离。这种不断地运动与交换过程，使颗粒呈现出不同的下降距离，从而发生分离。S．Zabrodsky^[4]提出了“微隙模型”，认为过剩气体(即超过临界流化所需之外的气体)短路通过一排或数排固体颗粒，然后再与渗过颗粒层的气体完全混合，此过程在整个床层不断重复发生。Clift等人^[5]认为，在气固流化床中会发生气泡聚并与破碎现象。气泡聚并时，落后的气泡追上前面一个气泡进行垂直方向上的聚并，而气泡破碎过程始于气泡上部边缘的一个缺口，颗粒与气泡之间的相对运动产生扰动，从而在气泡上部产生缺口，缺口随着扰动的加剧逐渐加深，最终深入到气泡底部导致气泡破裂。气泡的聚并和破碎与流化床内的相间传递现象密切相关。

流化床内气固两相流理论已经在煤调湿、分级技术领域得到了广泛应用^[6]。近10年来，日本先后开发了3代煤调湿技术，即热煤油干燥技术、蒸汽干燥技术和采用焦炉烟道废气的流化床干燥技术^[7]。本文在前人提出的流态化理论^[8]及搅拌流化床研究^[9-11]的基础上，提出如下思想：以烟道气作为热载体，借助机械力场的作用，构建出稳定的气固两相流场，形成两区域流动模型，实现小颗粒流化、大颗粒移动的操作状态。分析研究双组分颗粒在流化移动床中的流动及传热性质，进而为技术开发和工业应用提供理论支撑。

1  试验装置及方法

试验装置流程图如图1所示。湿物料由螺旋加料器(可通过改变电机转数来控制加料速率)连续加入到干燥器内，燃烧产生的烟气经引风机引出后，通过管道、加热器、气体分布板送至干燥设备内，进入干燥器内的湿物料与烟气直接接触，在气力和机械力的联合作用下，细颗粒部分处于流化状态，并向设备出口侧移动，粗颗粒部分则处于移动状态，由进口向出口移动，在这一过程中，烟气将热量以对流方式传给湿物料，同时废气中带出部分水分，废气经旋风分离器除尘后排入大气，干燥后的干物料从出料口取出，将旋风分离器中分离出的物料细粉聚集回收，以待利用。

试验中，以不同配比的双组分颗粒为原料，重点研究了气体流速、粒径分布、机械力作用强度大小(用强化因子Fr表示)等因素对物料流态化的影响规律，进而揭示出加入机械力场后气-固两相流的传热关系式。

2  试验结果与分析

试验中选用平均粒径为8mm和4mm的同种物料并以质量比1：1和1：3进行混合，加入干燥器内进行流体力学试验研究。无机械力场作用下，大颗粒物料进入床层不流化，而小颗粒物料进入床层内，随操作气速的增加，可处于完全流化状态。无论哪种质量比混合的物料，大小颗粒均分层较明显，大颗粒在床层下部，小颗粒在床层上部，小颗粒处于流化床状态，大颗粒处于固定床状态，淹没在大颗粒中的小颗粒会随着气泡的上升而上升，两种颗粒交汇处不断有小颗粒上升，大颗粒下降的现象发生；加入机械力场作用后，大小颗粒分层同样较明显，小颗粒仍处于流化床状态，而大颗粒则处于移动床状态，但机械力场的作用使两组分颗粒混合区域变大。对于质量比1：1和1：3情况的物料，由于小颗粒的比率增多，大颗粒减少，机械力场的作用使床层底部变薄，小颗粒被喷射更高，呈现出不同于常规的气固流化床的流体力学特性。

2．1  机械力场强化因子对干燥器压降的影响

试验采用质量比为1：3的双组分颗粒，在不同强度的机械力场作用下，研究床层压降与操作气速的变化规律，如图2所示。在同一操作气速下，强化因子Fr≠0时的床层压降比Fr=0时要大，这是因为机械力场的加入，使两组分颗粒混合区域变大，但由于强化因子很小，机械力的作用不足以使大颗粒悬浮，只能使大颗粒床层形成一种波浪式的运动形态，波峰波谷交替出现，而处于波谷的小颗粒因为床层变薄，气体仅在薄层处穿过，使得气速突然变大，颗粒被喷射向上，形成一种脉冲状的喷射流，使得床层压降变大。同时，由于特定的机械结构形成的力场作用，保证了床层波峰波谷不断交替稳定出现的现象，从而避免了床层任意处长期死床现象的发生。在强化因子Fr≠0情况下，临界流化速度以前，床层压降随着强化因子的增加而降低，但在临界流化速度以后，强化因子的大小对床层压降影响不明显。这是因为临界流化速度点以前，随着强化因子的增加，机械力场对床层的扰动作用增强，使床层空隙率增加，床层压降减小；在临界流化速度点以后，小颗粒进入流化状态，处于床层上方。而大颗粒处于床层底部，其状态变化受机械力场作用强度大小的影响不大，因而表现出床层压降无明显变化。

2．2静止床层高度对干燥器压降的影响

试验采用质量比为1：3的双组分颗粒，在强化因子Fr≠0条件下，研究不同静止床层高度对床层压降的影响(图3)。从图中可看到，在同一操作气速下，随着静止床层高度的增加，床层压降增大；在静止床层高度一定情况下，床层压降随操作气速的增加而增加，临界流化速度点以后，床层压降随气速的增加变化不明显。

2．3  物料组分配比对干燥器压降的影响

图4为机械力场强化因子Fr≠0情况下，不同质量比混合的物料，床层压降与操作气速的关系。如图所示，在物料组分配比一定的条件下，随着操作气速的增加，床层压降有所增大，在临界流化速度点以后，床层压降随气速的增大变化不大。在临界流化速度点以前，质量比l：1时床层压降小于l：3时床层压降，这是因为在机械力场作用下，加大了大小颗粒的混合区域，使前者的床层空隙率比后者大，前者的床层压降比后者小；在临界流化速度点以后，质量比1：1的床层压降大于1：3的床层压降，这是因为整个床层压降包括流化床压降与固定床压降两部分，小颗粒处于流化状态时，后者大颗粒床层较前者薄，床层压降相对较小。

2．4操作参数对气固间传热系数的影响

图5、6、7给出了平均粒径为4mm的煤颗粒，在干燥介质温度、操作气速和机械力场作用下表面传热系数的变化规律。从图中可看到，在试验的操作范围内，温度对表面传热系数的影响并不很明显，表面传热系数随温度升高而略有升高。图6示出了在不同进口温度下，Fr=4．59×10^-4时气速对传热性能的影响，表面传热系数随气速的增大而显著增大。这是因为在一定的气速范围内，气速增大，颗粒流化更充分，传热速率增加，表面传热系数也就越大。图7示出了3种不同进口气速、进口温度t=70℃时，强化因子对传热性能的影响。由图可见，表面传热系数随强化因子的增加而增大。这表明机械力场的存在，增加了气体与固体颗粒间接触面的更新频率，使表面传热系数有明显的改变。但如果从转速增大比率来考虑，较小的强化因子范围的变化，对表面传热系数影响不大。对本试验，适宜的强化因子范围为(0～50)×10^-4。

2．5表面传热系数的准数关联式

通过上述试验，研究了几个重要操作参数对气固传热系数的影响。实际上干燥器中影响气固间传热的因素非常复杂，经试验研究和分析，发现影响表

根据π定理和各因素的无量纲分析，由于有4个量纲，而物理量个数为9，则π的个数为5个。现假定b₁、b₂、b₃、b₄、b₉为常数，代入π项表达式有：所以，因次分析得准数关联式有：

3  流化-移动床干燥器的工程应用

随着经济的发展，煤调湿、分级技术因具有显著的节能、环保和经济效益，并能提高焦炭质量或多配弱粘结性炼焦煤等性质而受到各国的普遍重视。炼焦煤调湿技术已经在国外得到了推广应用，国内焦化行业对先进的炼焦煤调湿分级技术也有迫切的需求，但尚没有一种好的能提高焦炉的产量又能提高焦炭的质量，同时还可以降低炼焦耗热量并从源头减少焦化废水排放量的技术可供选择使用。特别是缺少一种调湿的同时对炼焦煤的粒度进行有效分级的一体化技术，鉴于此，研发一种具有自主知识产权的炼焦煤调湿气力分级技术，充分利用焦炉烟道废气的余热及气力，脱除炼焦煤中的部分水分，达到优化炼焦煤的粒度分布及调整炼焦煤水分的目的；基于本技术，既可提高焦炉的产量又可提高焦炭的质量，同时，还可以降低炼焦消耗热量并从源头减少焦化废水的产生量。本技术不仅具有突出节能减排效果，同时还会为焦炉烟道气的余热高效回收利用开辟出一条新的途径，在焦化行业中会有广泛的推广应用价值。

3．1  炼焦煤调湿分级一体化工艺流程

炼焦煤调湿分级一体化工艺流程有下列这些基本单元组成：原料配合煤输送机设施、流化一移动床、废气引风机、细煤粉成型、废气陶瓷多管除尘器、布袋除尘器及相应的自动化智能控制等(图9)。

炼焦煤由单种配合煤储槽底部圆盘给料机给出进行炼焦配合煤作业，配合煤流经配合煤皮带机、转运站，将炼焦煤均匀送入流化-移动床干燥设备内；焦炉烟道废气自焦炉烟囱根部的总烟道经烟道废气引风机引出后通过管道送至流化-移动床设备下部，管道从两侧分别通过支管进入流化-移动床。烟道废气引风机设置变频电机调节风量。

进入流化-移动床干燥设备内的煤料与烟道废气直接接触，在气力和机械力的联合作用下，达到优化炼焦煤的粒度分布及调整炼焦煤水分的目的。在这一过程中，烟道气将热量以对流方式传给煤料，同时带出部分煤料水分，进入废气多管除尘器、布袋除尘器除尘后，由除尘风机经烟囱排入大气。为了有效地控制煤料在调湿阶段过分干燥，从布袋除尘器后取出湿度大、温度低的烟道废气，经循环废气引风机送至流化-移动床设备内，调节煤料的干燥强度。

细颗粒煤从流化-移动床两侧经螺旋输送机、成品煤皮带，送入炼焦炉煤塔。粗颗粒煤从流化-移动床末端排出，经粉碎机粉碎后送入成品煤皮带与细颗粒煤混合，送入炼焦炉煤塔。

3．2炼焦煤调湿分级一体化技术的实施效果

炼焦煤调湿分级一体化系统技术装置，湿煤实际处理能力为300t／h，处理后的炼焦煤供济钢1～5号焦炉使用；经过工业生产的实践检验，综合节能减排效果明显，经统计证实该装置能够降低炼焦煤水分2％～4％，焦炉生产能力提高约8％，能分出的细颗粒炼焦煤可达配合煤总量的40％～50％。与国外先进工艺技术相比，具有功能齐全，节能优势明显的特点。

项目实施后，每年可减少污水8万t左右，炼焦耗热量降低5％，净化后废气排放含尘浓度在50mg／m³以下，焦炭强度得以改善，每年可创直接经济效益2 671．2万元。按2007年全国的焦炭生产规模推算，若在全国的焦化企业推广实施，年可节约300万吨标准煤，年可减少焦化污水约1 500万t，CO₂排放量约1 600万t，年获潜在经济效益约94亿元人民币。

该装置的成功研制为炼焦煤调湿分级一体化技术工业化及后续推广应用提供了可靠保证。

4  结论

1)气力与机械力的协同作用，使颗粒分布较宽的物料能达到小颗粒流化、大颗粒移动的状态，形成稳定的气固两相流场，流化-移动床干燥器对粒度分布较宽的物料具有较好的干燥效果。

2)机械力场的加入增加了气固两相流间的表面传热系数，随着干燥介质温度、操作气速和机械力强度的增加，气固间表面传热系数增加。

3)炼焦煤气流调湿分级一体化工艺技术具有调湿、分级双重功能，将流化-移动床干燥器用于炼焦煤气流调湿分级一体化工艺技术中，可有效地为钢铁企业低品质烟气余热回收利用开辟了一条新途径，该技术开发成功后，在节约煤气、电能，增加焦炭产量等方面直接经济效益显著，而且在提高焦炭质量，降低高炉焦比，减少废水处理方面，有显著的社会效益和环保效益，对钢铁企业节能减排将发挥积极作用。同时，也为钢铁企业的技术进步、为广泛推广、实现焦化行业清洁生产节能减排创造了条件。

参 考 文 献：

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