振動流化床中磷石膏顆粒流態(tài)化性能研究*

賈 輝 ，劉少文 ，，吳元欣

（1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430073；2.黃岡師范學(xué)院化工學(xué)院）

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其主要成分是CaSO4·2H2O，此外還含有少量的SiO2、Fe2O3、MgO、P2O5、F 等雜質(zhì)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界磷石膏年排放量超過2.8億t，濕法磷酸生產(chǎn)工藝年副產(chǎn)磷石膏1億t以上，而平均利用率還不到5%。中國磷石膏年排放量約占世界排放量的1/3，目前利用率不到20%［1-2］。國內(nèi)外處理磷石膏的方式多為陸地堆放或直接排放入海，這樣不僅浪費(fèi)大量的土地還污染環(huán)境［3］。磷石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥是目前利用磷石膏的重要途徑之一，整個生產(chǎn)過程中廢物排出少，資源得到了高效循環(huán)利用，形成一個生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈［4］。傳統(tǒng)的磷石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝技術(shù)雖成熟可靠，但該工藝存在回轉(zhuǎn)窯熱利用率低，水泥熟料質(zhì)量差，制酸氣體中SO2濃度偏低的一系列問題，使得該工藝難以推廣應(yīng)用［5-6］。磷石膏流態(tài)化分解技術(shù)是目前磷石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥技術(shù)的主要研究方向，但磷石膏顆粒在普通流化床中流態(tài)化分解仍存在一系列問題，如：流化質(zhì)量差、物料易結(jié)渣，且制酸氣體中SO2濃度低、粉塵含量高等，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的應(yīng)用［7］。筆者將振動引入到磷石膏流態(tài)化中，并在自制的振動流化床冷模裝置中，對磷石膏顆粒的流態(tài)化性能進(jìn)行了研究，以期能為磷石膏流態(tài)化分解提供新思路，為磷石膏振動流態(tài)化熱分解反應(yīng)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

振動流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。流化床反應(yīng)器是由有機(jī)玻璃為材料制作的，其主要結(jié)構(gòu)包括床體、布風(fēng)板和風(fēng)室。流化床反應(yīng)器的內(nèi)徑為42 mm，高700 mm，氣體分布板為不銹鋼材質(zhì)，開孔率為1.79%，氣體分布板上方有兩層織布以利于氣體分布均勻，并防止物料落入。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下，以氣瓶提供的空氣為流化介質(zhì)。流化風(fēng)進(jìn)入流化床內(nèi)，經(jīng)分布板后進(jìn)入顆粒床層內(nèi)，然后直接排空。采用床層壓降曲線法和床層膨脹比曲線法分析磷石膏顆粒流態(tài)化行為。其中，流化風(fēng)的大小由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，振幅由振動參數(shù)測量儀測量，床層壓降差值和床層膨脹比分別由U型壓差計(jì)和標(biāo)尺顯示，整個系統(tǒng)在全正壓條件下運(yùn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

磷石膏由武漢市中東化工有限公司提供，經(jīng)烘干破碎過篩，篩余量為：w（粒徑≥0.080 mm的粒子）≤12%且w（粒徑≥0.200 mm的粒子）≤1.5%。磷石膏顆粒尺寸見圖2，顆粒D50=13.57 μm。

圖2 磷石膏顆粒粒徑分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 普通流化床中磷石膏顆粒流化性能

振動流化床中，不提供振動能量的條件下進(jìn)行流態(tài)化冷模實(shí)驗(yàn)。磷石膏顆粒床層壓降、膨脹比和氣體流速的關(guān)系曲線見圖3。由圖3可知，隨氣速增加，床層壓降和膨脹比先急劇增大，隨后在較短時(shí)間內(nèi)降低到一個很低的穩(wěn)定值，最后在較大氣速時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，但床層壓降和膨脹比均較低。分析認(rèn)為，隨氣速增加，床層首先出現(xiàn)活塞流現(xiàn)象，活塞流破碎后，床層以固定床形式存在且出現(xiàn)嚴(yán)重的溝流，當(dāng)氣速增大到0.00156 m/s時(shí)床層中有大氣泡生成，物料開始實(shí)現(xiàn)流化，但部分物料仍然以固定床形式存在，床層表面波動劇烈并可觀察到乳相中的大氣泡，氣泡破裂時(shí)將一定量的磷石膏顆粒帶出床外。這說明磷石膏在普通流化床中難以實(shí)現(xiàn)正常的流態(tài)化。

圖3 普通流化床中不同氣體流速下床層壓降和床層膨脹比曲線

2.2 振幅和物料高徑比對磷石膏床層壓降的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察了不同振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層壓降的影響，結(jié)果見圖4。由圖4a和4b可知，隨著振幅和物料高徑比的增加，磷石膏的床層壓降與氣速的關(guān)系曲線均向上升。當(dāng)流化氣速較小時(shí)，床層壓降的增幅較大；而當(dāng)流化氣速較大時(shí)，床層壓降的增幅較為平緩。然而，其產(chǎn)生本質(zhì)的原因不同，振幅增大，意味著振動強(qiáng)度增大，不僅加劇磷石膏顆粒之間的碰撞，增大了顆粒團(tuán)聚化破碎的機(jī)會，而且有利于流化氣體在床內(nèi)的均勻分布，從而提高床層的充氣量，造成床層壓降的增加。而物料高徑比的增加會引起床層阻力的增大，減弱了振動能量通過顆粒間的作用向上傳遞，從而增加了床層的壓降。

圖4 振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層壓降的影響

2.3 振幅和物料高徑比對磷石膏床層膨脹比的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層膨脹比的影響，結(jié)果見圖5。由圖5a可知，在同一高徑比和氣速條件下，隨著振幅增加，磷石膏顆粒床層的膨脹比隨之增大。這是由于，振幅的增加加劇了磷石膏顆粒的運(yùn)動程度，增加了顆粒運(yùn)動的自由程，改變了床層的結(jié)構(gòu)，提高了床層的充氣量，從而增加顆粒床層的膨脹比，大大提高了流化質(zhì)量。膨脹比曲線平滑說明床層沒有出現(xiàn)溝流及活塞流，流化質(zhì)量較好。由圖5b可知，對不同高徑比的物料，在較低氣速下，隨氣速增大，物料的床層膨脹比迅速地增加，但在高氣速下，床層的膨脹比增加幅度緩慢。當(dāng)高徑比為1.2和2.4時(shí)，較高氣速時(shí)，磷石膏膨脹比不再增加。原因可能是氣速、床層高度和振動強(qiáng)度對磷石膏的流態(tài)化有協(xié)同作用。首先在低的流速下，振動起主要作用，在高的流速下，振動能量的作用減弱，氣速影響占主要地位。黏性力較大流化時(shí)易團(tuán)聚。額外加入的振動能一方面可以促進(jìn)團(tuán)聚物的破碎；另一方面又增加了聚團(tuán)間或顆粒間的接觸機(jī)會，這兩種影響在流化床中競相存在，此消彼長。同時(shí)床層越高，振動能傳至床層頂部稀相時(shí)能量損失越多，降低了聚團(tuán)碰撞的激烈程度。這也說明了振動對磷石膏顆粒流態(tài)化影響的復(fù)雜性。當(dāng)高徑比小于4.8時(shí)，高氣速對磷石膏顆粒流態(tài)化影響微弱；高徑比在4.8時(shí)，3種因素的影響達(dá)到平衡，此時(shí)膨脹效果最好；高徑比大于4.8時(shí)，床層高度的影響較大，磷石膏顆粒的膨脹比下降。

圖5 振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層膨脹比的影響

2.4 振幅與高徑比對磷石膏最小流化速度的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察振幅和高徑比對磷石膏顆粒床層最小流化速度的影響，結(jié)果見圖6。由圖6a可知：在不同振幅下，磷石膏顆粒最小流化速度基本不變，為0.000602 m/s。說明振幅對磷石膏顆粒的最小流化速度影響較小，這是因?yàn)閷τ诹资囝w粒而言，顆粒床層在不同振幅下的流動形式、結(jié)構(gòu)和空隙率較接近，從而使得不同振幅下的磷石膏顆粒具有相近的最小流化速度。由圖6b可知：隨高徑比增加，磷石膏最小流化速度增加。這是因?yàn)槲锪细邚奖鹊脑龃螅斐晌锪狭骰瘯r(shí)單位體積床體內(nèi)物料的量增加，增大了氣體流經(jīng)床層時(shí)克服物料重力所做的功，從而增加了床層流化所需的氣速。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)物料高徑比在1.2時(shí)，磷石膏的最小流化速度較小，為0.00048 m/s。

圖6 振幅和物料高徑比對磷石膏最小流化速度的影響

3 結(jié)論

1）磷石膏顆粒在普通流化床中流化性能很差，磷石膏顆粒流化時(shí)床層出現(xiàn)溝流、活塞流、顆粒團(tuán)聚等現(xiàn)象；部分物料仍以固定床存在，且床層壓降和膨脹比較低。磷石膏顆粒在普通流化床中難以實(shí)現(xiàn)正常流態(tài)化。2）在振動流化床中，隨著振幅的增大，床層壓降和床層膨脹比均增加，但其對最小流化速度影響不大。當(dāng)進(jìn)料高徑比增大時(shí)，床層壓降和最小流化速度均增加，但膨脹比先增加后降低，且當(dāng)高徑比為1.2時(shí)，磷石膏顆粒的最小流化速度較小，為0.00048 m/s；當(dāng)高徑比為4.8時(shí)，磷石膏顆粒床層膨脹性能最好。3）振動場中的床層壓降和膨脹比曲線均非常平滑，且膨脹比較高，說明振動能量的引入極大地改善了磷石膏顆粒的流態(tài)化性能。

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