超細粉體冷卻技術及傳熱特性研究

劉人滔 李育亮 王 瓊 袁 臻 中國成達工程有限公司 成都 610041

固體顆粒的流動性較差，從顆粒內(nèi)部到表面的熱傳遞方式主要為熱傳導，因此其傳熱相比氣/液流體較困難。在無機鹽、金屬氧化物、金屬粉末的生產(chǎn)中，常需將煅燒得到的高溫固體產(chǎn)品進行冷卻，以滿足包裝和運輸設施對溫度的要求。對于粒徑小、活性高、易于與氧氣或水發(fā)生反應的粉體物料，使用傳統(tǒng)的冷卻技術存在各種弊端，需要有針對性地研發(fā)新的粉體冷卻技術。

1 傳統(tǒng)的粉體物料冷卻方法

1.1 槳葉式冷卻器

槳葉式冷卻器是一種臥式間接換熱設備，物料在圓筒中被槳葉不斷翻動并向一端推進，槳葉內(nèi)腔和圓筒壁下部夾套通入冷卻水，物料在被緩慢輸送的過程中得到冷卻。該技術傳熱效率較低，設備占地面積大，難于清理，因有轉(zhuǎn)動部件導致維修相對頻繁。通常用于物料溫度不高，流動性差，且不宜直接接觸空氣的介質(zhì)，溫度過高的物料則因為容易板結(jié)而不適用。該技術在純堿工業(yè)中應用于冷卻來自煅燒爐的高溫純堿[1]，現(xiàn)在,已被更先進的粉體流換熱器部分取代。

1.2 粉體流換熱器冷卻器

粉體流換熱器是一種間接換熱的粉體冷卻設備，通常由進料倉、傳熱板組、下料倉等組成[2]。這種換熱方式結(jié)合了粉體密相輸送和傳統(tǒng)板式換熱器的設計思路，高溫固體粉料依靠自身重力自流通過板式換熱器的狹窄通道，與另一側(cè)的冷卻水進行間接換熱，達到將物料冷卻的目的，必要時可以副產(chǎn)熱水，回收熱量。但這種技術只適用于具有良好流動性的粉體物料，通常要求粉料粒徑>150μm，安息角<40°。該技術由加拿大Solex公司最早推廣，在重質(zhì)純堿、尿素、氯化鉀、蔗糖等產(chǎn)品上得到廣泛應用。但對于流動性差的粉料，在換熱板間流動時極易架橋堵塞，不能使用。該技術具有傳熱效率高、設備占地面積小、無轉(zhuǎn)動設備、運行維護費用低的優(yōu)點。

1.3 氣固流化床冷卻

氣固流化床具有傳熱系數(shù)高(可達200～400W/m2/K)、溫度均勻可控、顆粒輸送方便等特點，是目前最常用的一類冷卻器。該技術是利用流態(tài)化原理，以空氣或惰性氣體為載體氣，將粉料流化起來。以臥式流化床為例，粉料在流態(tài)化狀態(tài)下依次通過多個流化腔室，每個流化腔室下均有冷卻氣體通入，氣體與粉料直接接觸換熱，達到逐級冷卻的目的。換熱后的氣體從頂部引出，經(jīng)旋風分離器和布袋除塵器后排空。也可以將氣體間接冷卻后循環(huán)使用。在氯化鎂、氧化鋁等顆粒的冷卻上，流化床冷卻器獲得大量應用。氣固流化床的關鍵是顆粒需滿足可以穩(wěn)定流態(tài)化的條件，一般適合流態(tài)化的顆粒尺寸在30μm～3mm之間，在夾雜有小顆粒的條件下，部分顆粒可大至6mm[3]。

根據(jù)流化床的布置方式，可分為臥式流化床和立式流化床；根據(jù)是否有內(nèi)置移熱裝置，又可分為絕熱式流化床和移熱式流化床。

2 超細粉的冷卻難題

對于粒徑小、易吸潮、易氧化、性質(zhì)活潑的超細粉體物料，現(xiàn)有的冷卻方法均存在弊端。以煅燒電石渣生產(chǎn)活性氧化鈣為例，煅燒后的氧化鈣溫度≈500～700℃，需要冷卻到≈80℃才能進行包裝和運輸。以75萬t/a電石渣煅燒裝置為例，需要冷卻的活性氧化鈣量為50t/h，冷卻的熱負荷高達7836kW。一方面，從設備選型上分析:如果選用槳葉式冷卻器，設備龐大、運行費用高；而由于氧化鈣粉料流動性差，極易架橋粘附，粉體流換熱器并不適用；另外，氧化鈣粉料粒徑分布在0～100μm，其中粒徑<30μm的占比超過40%，無法形成穩(wěn)定的流態(tài)化床層，因此，氣固流化床冷卻器也不適用。另一方面，從能耗方面分析：活性氧化鈣顆粒反應活性高，遇到空氣中的水和二氧化碳均會快速反應生成碳酸鈣和氫氧化鈣，導致產(chǎn)品純度下降，因此必須使用干燥空氣冷卻。以干燥空氣為20℃，出口溫度為80℃計算，將耗費363000Nm3/hr干燥空氣(折標油13794kg[5])；同時，高溫粉料中的熱量被空氣帶走，無法回收利用，使裝置的整體經(jīng)濟性降低。綜上所述，需要研發(fā)一種新的換熱技術來解決超細粉料的冷卻難題。下面介紹一種新型粉體流化冷卻系統(tǒng)。

3 粉體流化換熱技術

3.1 粉體流化冷卻系統(tǒng)

針對粒徑0～100μm，溫度300～900℃的粉料，成達公司工藝專業(yè)人員開發(fā)了粉體流化冷卻系統(tǒng)。粉體流化冷卻系統(tǒng)由循環(huán)風機、粉體流化冷卻器、旋風分離器、布袋除塵器、及粉料輸送機組成。高溫物料從冷卻器下端進入，冷卻器立式安裝，頂部出口與旋風分離器進口通過風管相連，底部氣體進口與循環(huán)風機出口相連，旋風分離器底部為冷卻后產(chǎn)品出料口，頂部為尾氣出口，尾氣至布袋除塵器收集超細粉后，連接至循環(huán)風機進口，作為流化氣體循環(huán)使用。系統(tǒng)示意圖詳見圖1。

圖1 粉體流化冷卻系統(tǒng)示意圖[6]

冷卻器的主體結(jié)構為立式安裝的列管式換熱器。高溫粉料與載氣充分混合，并一同向上流動進入各換熱管內(nèi)，在流經(jīng)換熱管的過程中，粉體不斷傳熱給載氣，載氣通過換熱管傳熱給殼程的冷卻介質(zhì)，完成冷卻。冷卻介質(zhì)采用水，副產(chǎn)的80～90℃熱水可供冷凍機組生產(chǎn)冷凍水使用，能量得到回收利用。

3.2 粉體流化冷卻器及其傳熱特性

粉體流化冷卻器是本系統(tǒng)核心設備，其結(jié)構見圖2。

圖2 粉體流化冷卻器結(jié)構示意圖

冷卻器由流態(tài)化腔室和管殼式換熱器組成，流態(tài)化腔室底部設置有布風板，布風板可根據(jù)粉體物料性質(zhì)，選擇雙層篩孔式、風帽式、鰓孔式等，其具有兩個主要作用：①布風板可以承受落料時物料的重量，防止物料落入進風管導致管道堵塞；②布風板可以使氣體均勻進入流態(tài)化腔室，有利于粉料的均勻分布、充分換熱。布風板上部為流態(tài)化腔室，提供流態(tài)化床層空間，起到增加停留時間、分散物料的作用；流化空間上部為換熱管管板，換熱管作為流動通道，粉料在氣相曳力作用下在換熱管中向上流動，粉料和載氣之間、載氣和管壁之間、粉料和管壁之間充分換熱，冷卻介質(zhì)的流量受氣固相出口溫度控制；換熱段殼程可根據(jù)粉料的溫度設置膨脹節(jié)，消除因管程溫度遠高于殼程溫度而產(chǎn)生的溫差應力。

在換熱器中，氣固兩相并不需要形成界限分明的穩(wěn)定床層，在換熱管內(nèi)處于密相氣力輸送狀態(tài)，只需要克服流動阻力，通過換熱管即可完成冷卻操作，對控制要求低。

粉體顆粒在通過換熱器的過程中，熱量從高溫顆粒首先傳遞給流化載氣，此處為顆粒與氣流傳熱，再經(jīng)對流傳熱，從載氣傳遞給換熱管壁面，再經(jīng)熱傳導傳遞到殼程的冷卻介質(zhì)?？梢钥闯觯噍^常規(guī)的列管換熱器，粉體流化冷卻器多一個粉體顆粒與流化載氣傳熱的過程。因此，使用常規(guī)的EDR或HTRI換熱器分析軟件，其計算結(jié)果存在偏差，需要分析其傳熱特性。本文推導了一種適合工程應用的校正計算方法：

(1)確定流化的固氣比。

固氣比定義為顆粒與載氣的質(zhì)量比。通常，對于細顆粒，固氣比在8～20之間：

(1)

式中，ms為固體質(zhì)量流量，kg/h；mg為氣體質(zhì)量流量，kg/h。

(2)用上述換熱器分析軟件進行換熱器分析。

在列管換熱器分析中，管側(cè)采用載氣的物性，并修正比熱為氣固相的平均比熱，使計算熱負荷與實際基本相符。采用校核型計算方式，設定一組結(jié)構參數(shù)，得到該結(jié)構參數(shù)下的總傳熱系數(shù)K。

(3)進行總傳熱系數(shù)的校正計算。

換熱器分析計算出的K值，由管內(nèi)熱阻1/h1、管外熱阻1/h2、換熱管壁面熱阻d/kw，以及兩側(cè)的污垢熱阻Rs1,Rs2加和所得，本文中的熱阻均以換熱管外表面積為基準(下同)：

(2)

軟件計算的K值中沒有包含顆粒與載氣之間的傳熱熱阻，因此需要對軟件計算的K值進行校正。對于流動的顆粒，借鑒使用流化床傳熱計算中常用的Rowe準數(shù)關聯(lián)式[4]：

(3)

式中：

(4)

(5)

(6)

聯(lián)立式(3)～(6)，可以得到顆粒與載氣的給熱系數(shù)表達式：

(7)

式中，ρ為顆粒真密度，kg/m3；Dp為顆粒平均粒徑，m；u為流速，m/s；μ為粘度，Pa·S；Cp為顆粒比熱，kJ/kg/K；k為載氣的導熱系數(shù)，W/m/K；l為傳熱面特征尺寸(此處為換熱管直徑)，m。

將式(7)所表達的熱阻1/hp加入式(2)，即得到校正后的總傳熱系數(shù)K′的表達式：

(8)

上述表達式將顆粒的給熱系數(shù)類比對流給熱系數(shù)，使用準數(shù)關聯(lián)式這種半經(jīng)驗計算方法，給工程計算提供了極大的便利。適用于粉體流化冷卻器的顆粒粒徑通常在100μm以內(nèi)，考慮到冷卻器針對的金屬氧化物的導熱系數(shù)為10～100W/m/K，用導熱系數(shù)除以顆粒粒徑可以得到從顆粒中心到表面的傳熱系數(shù)為105～106W/m2/K數(shù)量級，即顆粒內(nèi)部熱傳導熱阻遠小于顆粒表面通過層流底層向載氣傳熱的熱阻。因此，顆粒與載氣的傳熱受對流傳熱控制，上述計算方法也符合其物理特性。

(4)校核臨界流化速率。

通過上述計算，得到校正后的總傳熱系數(shù)K′，可得到校正后的換熱面積，而后進一步修正換熱器結(jié)構。還需要再校核在換熱器內(nèi)的任意位置，粉料中最大顆粒的流化速度大于其臨界流化速度，以確保顆粒不因沉降而堵塞換熱管。臨界流化速率的計算如下式[3]：

(9)

式中，ρf為載氣的密度，kg/m3；Dp為最大顆粒的當量粒徑，m；g為重力加速度，m/s2。

如果計算所得的u≤um,則應減少換熱管數(shù)量，增加換熱管長度，再重復上述四步，直到滿足要求，計算的邏輯如圖3所示。

圖3 流化冷卻器傳熱計算邏輯圖

4 結(jié)語

(1)本文介紹的粉體流化冷卻系統(tǒng)，相對傳統(tǒng)的冷卻方法，具有操作簡單、易控制、熱量可回收等優(yōu)點，適用于粒徑小、易吸潮或氧化變質(zhì)的高溫粉體顆粒的冷卻。

(2)通過分析流化冷卻器的傳熱特性，推導了顆粒流化冷卻器總傳熱系數(shù)的計算方法，解決了換熱器分析軟件對顆粒熱阻計算的缺失。將顆粒與載氣的給熱系數(shù)類比對流給熱系數(shù)，使用準數(shù)關聯(lián)式這種半經(jīng)驗計算方法，給工程計算提供了極大的便利，且符合其傳熱特性。

(3)對于600℃以上的高溫物料，輻射傳熱不可忽略，因為有一部分熱量是從粉體顆粒外表面輻射傳熱至換熱管壁。因此，實際的總傳熱系數(shù)相較本文介紹的計算方法偏大。輻射傳熱因受溫度和距離控制，其傳熱與顆粒運動狀態(tài)、空間位置相耦合，具有復雜性，有待后續(xù)研究。