流化床溫度對(duì)起始流化速度的影響研究

王 浩，黃 凱，劉 軼

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021)

流化床是指將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，從而使顆粒具有流體的某些表觀特征。這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化，即流化床。

流化床的應(yīng)用非常廣泛，目前普遍用于三大技術(shù)領(lǐng)域：燃燒領(lǐng)域，干燥領(lǐng)域，換熱領(lǐng)域。本文主要針對(duì)換熱領(lǐng)域的流化床進(jìn)行研究。

流化床在熱法再生焙燒爐和熱法再生后端砂冷卻設(shè)備中的應(yīng)用非常普遍，以流化床換熱器為例，其主要原理是利用流化床的流化效果使固體顆粒間、固體顆粒與換熱管束之間進(jìn)行充分的換熱，保持床層溫度均勻和砂子的流動(dòng)性。影響流化效果的關(guān)鍵參數(shù)就是起始流化速度。

流化床內(nèi)的氣流速度增加到一定值時(shí)，固定床不再保持靜止?fàn)顟B(tài)，部分顆粒無懸浮向上，床層膨脹，開始進(jìn)入流狀態(tài)的流體速度稱之為起始流化速度也叫最小流化速度。影響起始流化速度的因素較多（流體介質(zhì)物理特性、顆粒物堆積密度、顆粒篩分粒度分度、床層溫度等），本文主要針對(duì)溫度因素研究溫度變化對(duì)起始流化速度的影響，進(jìn)而更好地指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試。

1 水冷換熱器溫度變化研究

熱法再生流化床冷卻器共分為空氣換熱器和水換熱器（翅片管換熱器），本文主要研究水換熱器溫度變化對(duì)起始流化速度的影響。水換熱器在整個(gè)熱法再生系統(tǒng)的末端，水換熱器中的換熱管為翅片管，管里面冷卻介質(zhì)為水。水換熱器被溢流隔板分割成四個(gè)容積相同的室，水換熱器底部通入壓縮空氣，砂子從空氣換熱器出口進(jìn)入水換熱器中被壓縮空氣吹起呈流化狀態(tài)。砂子與埋管（翅片管）接觸進(jìn)行換熱，經(jīng)過換熱后的砂子在流化空氣的作用下從左端的出口溢流出來即是最終成品砂。經(jīng)檢測(cè)，水換熱器內(nèi)部溫度逐漸遞減，砂子入口溫度為250℃左右，出口溫度為35℃左右。圖1為熱法焙燒及冷卻系統(tǒng)示意圖。

2 床層溫度對(duì)起始流化速度影響分析

樹脂砂進(jìn)入換熱器后流化速度受床層溫度影響，在水冷換熱器中床層溫度并不統(tǒng)一，而是受冷卻介質(zhì)逆流的影響由右向左（圖1所示）逐漸遞減。因此水冷換熱器中各處的起始流化速度也不是統(tǒng)一的[1]。

2.1 起始流化速度計(jì)算

圖1 熱法焙燒及冷卻系統(tǒng)示意圖

以熱法再生樹脂砂為例，其堆積密度為1600kg/m3，物料真實(shí)密度ρb和堆積密度ρp關(guān)系公式：

式中，ε為物料靜止時(shí)的空隙率。陶粒砂近似球形，故按照等徑球體六方堆積的空隙率為25.9%計(jì)算可得：陶粒砂真實(shí)密度ρb=2100kg/m3，對(duì)其篩分特性進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

平均粒徑：

表1 平均粒度計(jì)算表

式2中，dpi為陶粒砂各篩分的平均直徑；wi為陶粒砂各篩分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)計(jì)算得出，砂子平均粒徑dp為232.72μm。

求出平均直徑之后根據(jù)其實(shí)流化速度公式[2]：

式中，dp為砂子平均粒徑；ρs為砂子真實(shí)密度；ρf為空氣密度；μ為空氣動(dòng)力粘度。

空氣密度計(jì)算公式：

式中，m為氣體相對(duì)分子質(zhì)量；P為壓強(qiáng)；T為開爾文溫度；R為通用氣體常數(shù)。

溫度T＜2000K時(shí)，空氣動(dòng)力粘度計(jì)算公式：

式中，μ0=1.7894e-5為（15℃時(shí)的粘度）；B為與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，空氣中B=110.4K。

不同溫度下空氣密度和空氣動(dòng)力粘度計(jì)算如表2所示。

表2 不同溫度下空氣密度和動(dòng)力粘度表

由上表各數(shù)值帶入到式3中得出不同溫度下的起始流化速度坐標(biāo)軸如圖2所示：

圖2 床層溫度與起始流化速度的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)圖

2.2 氣體和固體之間的給熱

流化床的氣體與固體顆粒之間的給熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)證明只有在距分布板25mm左右的范圍內(nèi)氣體和固體之間存在著溫度差，氣體和固體之間的給熱主要是在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行的。在此區(qū)域以上，氣體與固體顆粒之間的傳熱速率很高，床層溫度均勻。實(shí)驗(yàn)證明這并不是因?yàn)闅怏w和固體之間的給熱系數(shù)高，而主要因?yàn)楣腆w顆粒小、比表面積大、氣體和固體間傳熱面積大所致[3]。換熱器中垂直方向沙層深度在500mm以上遠(yuǎn)大于25mm，換熱器垂直方向可以近似看做沒有溫度差，只存在水平方向上250℃到40℃的水平溫度差均勻的模型。

3 結(jié)論

由上圖2可以看出水冷換熱器整體存在溫度梯度差，起始流化速度也跟著溫度變化而發(fā)生變化。40℃時(shí)起始流化速度是250℃時(shí)的1.44倍，忽略溫度對(duì)空氣密度的影響，也就是說水冷換熱器的出砂口側(cè)的風(fēng)量是進(jìn)砂口側(cè)的1.44倍。在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試中可根據(jù)溫度變化適度調(diào)節(jié)流化空氣速度以得到更好的流化冷卻效果。在前期的設(shè)計(jì)中也可以根據(jù)這一變化規(guī)律在流化床布風(fēng)板下適當(dāng)設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的流化氣室，根據(jù)不同氣室所處位置獨(dú)立的調(diào)節(jié)流化空氣的起始流化速度，從而更好的滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。