煉焦煤調(diào)濕流化床料層流化特性實(shí)驗(yàn)研究

羅國民 ，周孑民，劉克輝

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南，長沙，400083；2. 廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān)，512126；3. 廣東韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣東 韶關(guān)，512122)

流化床煤調(diào)濕(coal moisture control 簡稱CMC)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的煤焦行業(yè)的節(jié)能新技術(shù)，采用該技術(shù)占地面積較小，生產(chǎn)能力大，熱效率高，干燥后產(chǎn)品濕度也較均勻?？梢杂媒?fàn)t煙道廢氣為熱源，與風(fēng)動顆粒分級技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)風(fēng)選調(diào)濕，提高焦炭質(zhì)量。煤料水分穩(wěn)定可保證焦?fàn)t操作穩(wěn)定，有利于延長焦?fàn)t壽命，經(jīng)濟(jì)效益顯著[1-2]。流化床(fluidized bed)是一種發(fā)生流態(tài)化現(xiàn)象的裝置，應(yīng)用于干燥環(huán)境。將顆粒物料堆放在分布板上，氣體由設(shè)備下部通入床層，隨著氣流速度加大到某種程度，固體顆粒在床層內(nèi)就會呈沸騰狀態(tài)，采用這種方法進(jìn)行物料干燥稱為流化床干燥。對于流化床干燥裝置，耿凡等[3]對煙絲這種物料進(jìn)行了流化特性實(shí)驗(yàn)研究，但只適應(yīng)特定臨界雷諾數(shù)Re 條件；劉柏謙等[4]得出的煤與鐵礦顆粒流化速度計(jì)算公式不適用于Re 大的流化床煤調(diào)濕裝置；Rao等[5]對石英砂和生物質(zhì)混合后的最小流化速度進(jìn)行了研究；Roche 等[6]研究了顆粒尺寸對流化的影響；Cui等[7]對前人研究物質(zhì)顆粒流化的工作進(jìn)行了概括，分別對氣速較小的鼓泡流化床和氣速較大的循環(huán)流化床進(jìn)行了研究，并指出了生物質(zhì)顆粒流化的研究重點(diǎn)；Sun 等[8]研究了稻草與石英砂混合后的流化特性，并重點(diǎn)對混合后的最小流化速度進(jìn)行了研究；Liu 等[9]提出了耦合流化床與輸送床的分級調(diào)濕一體化技術(shù)，認(rèn)為該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)煤顆粒的高效分級與調(diào)濕。臨界流化速度是表現(xiàn)流化床性能的重要參數(shù)，是流化床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵變量。理論上，對于固定式流化床，當(dāng)流化床層內(nèi)的流體達(dá)到流化點(diǎn)即床層壓力損失等于單位面積床層上的固體顆粒重力時(shí)，這時(shí)的流體流速稱為臨界流化速度。臨界流化條件為[10]

對均勻粒度顆粒固定床，壓力損失用下列方程式表示[10]：

將式(1)與式(2)相結(jié)合可得：

式中：Δp 為床層壓降，Pa；Hmf為床層臨界高度，m；H 為床層高度，m；εmf為床層空隙率，%；g 為重力加速度，m/s2； φs為顆粒球形度，%；dp為球形顆粒粒徑，m； ρg為流體密度，kg/m3； ρs為顆粒密度，kg/m3；v0為風(fēng)速，m/s； μg為流體黏度，N·s/m2；vmf為臨界流化速度，m/s。

用式(3)可以求臨界流化速度，但由于一些參數(shù)如顆粒球形度、床層空隙率等很難準(zhǔn)確測量，采用式(3)計(jì)算很困難。

許多研究者[11-12]提出了預(yù)測臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。李皓宇等[13]認(rèn)為計(jì)算臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式很多，常用的計(jì)算關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值存在著較大的偏差，最大相對誤差都在30%以上。這是因?yàn)檫@些關(guān)聯(lián)式均假設(shè)孔隙率和球形度等參數(shù)為固定值，僅對窄篩分物料偏差小。臨界流化速度還受壓力、溫度條件影響，閻維平等[14]對壓力與溫度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。不同物料的物性不同，流化特性也不同。對于實(shí)際流化床裝置的不同物料，孔隙率和球形度等參數(shù)有較大不同，物料之間的相互作用力也不同。為了較少偏差，得出實(shí)際應(yīng)用可用的臨界流化速度計(jì)算公式，需要針對實(shí)際物料和工藝進(jìn)行相關(guān)流化特性實(shí)驗(yàn)研究。煉焦煤屬于Geldart 定義的D 類粗顆粒，其臨界流化速度比較大[15]，因此，在固定床階段，顆粒間的氣流流態(tài)很快進(jìn)入湍流區(qū)(Re＞l 000)。在湍流區(qū)，阻力與孔隙率和球形度以及顆粒之間的相互作用力等因素有關(guān)。此外，實(shí)際煉焦煤篩分范圍較寬，小顆粒先流化。流化過程是一個漸進(jìn)過程，壓降變化也是漸進(jìn)變化，拐點(diǎn)不明顯。采用流化床實(shí)現(xiàn)煤調(diào)濕技術(shù)，煤顆粒能否正常流化對流化床能否正常運(yùn)行起決定作用，為此，本文作者采用有機(jī)玻璃制成流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行顆粒料層流化特性研究，對生產(chǎn)實(shí)際用煤的4 種不同粒徑范圍的顆粒分別用3 種初始料層高度進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，針對不同粒度下的流化速度、床層高度、壓降等重要參數(shù)的流化特性進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)尋找影響臨界流化速度的主要因素，采用回歸法和量綱分析法分別處理，以便得到簡單的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

采用中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司的流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺對廣東韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱韶鋼)煉焦煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。流化室由有機(jī)玻璃制成，流化室與底座之間由法蘭連接，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)見圖1。輔助儀器設(shè)備與材料有：(1) 米尺，量程為1 m，精確到1 mm；(2) U 形管壓差計(jì)，使用水為工作流體，測量范圍為0～10 kPa，測點(diǎn)安裝在床體頂部；(3) 橡膠軟管，用于連接U 形管；(4) 離心風(fēng)機(jī)，流量為2 737 m3/h，全壓為5.658 kPa；(5) 電子秤，量程為10 kg，精確度為1 g。

圖1 流化床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 System of experiment for CMC

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

針對韶鋼煉焦煤進(jìn)行篩分，按4 種不同粒徑范圍的顆粒分別用3 種初始料層高度進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方法與步驟如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experimental processes

1.3 實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)確定

1.3.1 風(fēng)機(jī)輸出流量范圍、流量控制閥門以及變頻器調(diào)節(jié)范圍的確定

分別在無負(fù)載情況下、空床狀態(tài)下、有物料的情況下，按以下方法確定風(fēng)機(jī)的輸出流量范圍、流量控制閥門以及變頻器的調(diào)節(jié)范圍：

(1) 完全關(guān)閉流量控制閥門和變頻器。

(2) 根據(jù)風(fēng)機(jī)的理論最大輸出流量確定所測實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目。

(3) 開啟風(fēng)機(jī)，觀察孔板流量計(jì)以及皮托管的數(shù)值顯示。

(4) 調(diào)節(jié)流量控制閥或變頻器，對風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出流量進(jìn)行控制，觀察孔板流量計(jì)以及皮托管的數(shù)值變化，記錄閥門的開度(以角度進(jìn)行標(biāo)注)以及變頻器所顯示的頻率，并將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)表格內(nèi)。

(5) 將所得的數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線圖。

1.3.2 床層高度記錄與流態(tài)化判斷

(1) 在實(shí)驗(yàn)過程中，用米尺量取物料的初始高度以及不同風(fēng)量下的最高高度和平均高度。

(2) 將所得的數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線圖。

(3) 根據(jù)不同風(fēng)量下平均高度的突變并結(jié)合床層壓降來判斷是否流化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對4 種不同粒徑范圍的多個樣品采用3 種不同初始料層高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理。下面分別對不同初始料層高度和不同平均粒徑條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 不同初始床層高度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

在不同初始料層高度下，床層高度、床層壓降與床層流速的關(guān)系見圖3～5。從圖3～5 可以看出：以顆粒粒徑為1～2 mm 為例，在初始料層高度為10 mm 時(shí)，臨界流化速度vmf約為0.53 m/s，0.64 m/s 時(shí)流化變得均勻，在1.12 m/s 時(shí)出現(xiàn)了噴涌的不均勻流化現(xiàn)象，這種情況表現(xiàn)在床層高度的變化率突降，床層壓降突降；在初始料層高度為30 mm 時(shí)，臨界流化速度vmf約為0.47 m/s，0.63 m/s 時(shí)流化變得均勻，在1.11 m/s時(shí)出現(xiàn)了噴涌；在初始料層高度為50 mm 時(shí)，臨界流化速度vmf約為0.74 m/s，1.15 m/s 時(shí)達(dá)到均勻流化，未觀察到噴涌的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)全程未觀察到明顯的輸送床的夾帶現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)中觀察到初始料層高度為30 mm 比初始料層高度為10 mm 的臨界流化速度還要低。其原因是在初始料層高度為10 mm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)初期有局部流化的情況，由于局部流化而導(dǎo)致物料向其他部分轉(zhuǎn)移，使其他位置料層增厚，需要更大的氣體流速。而初始料層高度為30 min 時(shí)的初始料層較高，抗局部流化能力較強(qiáng)，整體流化較好。初始料層高度為50 mm 時(shí)的臨界流化速度比10 mm 和30 mm 的初始料層的臨界流化速度都要高，符合理論分析結(jié)果。

在初始料層高度為10 mm 和30 mm 時(shí)的實(shí)驗(yàn)中均觀察到了噴涌現(xiàn)象，這是空氣分布不均所致。而在初始料層高度為50 mm 的實(shí)驗(yàn)中未觀察到噴涌現(xiàn)象，可見噴涌同時(shí)受空氣分布情況和料層的厚度影響。

由圖4 可知：初始料層高度越高，臨界流化速度對應(yīng)的床層壓降越高。

2.2 不同粒徑之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

在不同粒徑下，床層高度與床層流速的關(guān)系見圖6，床層壓降與床層流速的關(guān)系見圖7，床層高度與床層壓降的關(guān)系見圖8。

從圖6～8 可以看出：在同等初始料層高度下，床層高度隨床層流速的變化規(guī)律是粒徑越小，則床層高度越高，且臨界流化速度越小，簡單來說，粒徑越小越容易流化。

從圖6～8 可以看到床層高度變化與床層流速的關(guān)系受煉焦煤的顆粒粒徑影響較大。初始料層高度越高，流化后的料層高度越低，床層壓降越大；同時(shí)，由于受實(shí)際初始料層的均勻性、供風(fēng)分布的均勻性等因素的影響，圖中不同曲線有交叉現(xiàn)象也是合理的，并不影響圖中變量之間的變化趨勢。

圖3 不同初始料層高度下床層高度與床層流速的關(guān)系Fig.3 Relationship between velocity and altitude at different originality material thicknesses

圖4 不同初始料層高度下床層壓降與床層流速的關(guān)系Fig.4 Relationship between velocity and resistance at different originality material thicknesses

圖5 不同初始料層高度下床層高度與床層壓降的關(guān)系Fig.5 Relationship between resistance and altitude at different originality material thicknesses

圖6 不同粒徑范圍下床層高度與床層流速的關(guān)系(初始料層高度為10 mm)Fig.6 Relationship between velocity and altitude at different particle diameter ranges when originality material thickness is 10 mm

圖7 不同粒徑范圍下床層壓降與床層流速的關(guān)系(初始料層高度為10 mm)Fig.7 Relationship between velocity and resistance at different particle diameter ranges when originality material thickness is 10 mm

圖8 不同粒徑范圍下床層高度與床層壓降的關(guān)系(初始料層高度為10 mm)Fig.8 Relationship between resistance and altitude at different particle diameter ranges when originality material thickness is 10 mm

根據(jù)床層流速下的平均高度的突變并結(jié)合床層壓降變化來判斷是否流化，并依此來綜合判定臨界流化速度。4 種不同平均粒徑范圍顆粒在3 種初始料層高度條件下的臨界流化速度如表1 所示。

表1 不同平均粒徑在3 種初始料層厚度條件下的臨界流化速度Table 1 Critical fluidization velocity of coal with different particle diameter when originality material thickness is different m/s

3 臨界流化速度的預(yù)測公式

3.1 臨界流化速度的回歸方程

其中：K 為回歸方程系數(shù)；C 為回歸方程常數(shù)；ε 為誤差的隨機(jī)變量。

回歸方程式(5)符合臨界流化速度與顆粒平均粒徑關(guān)系的理論分析。由表1～3 可知：臨界流化速度與顆粒平均粒徑平方根有很強(qiáng)的單因素線性關(guān)系；可將回歸方程式作為預(yù)測計(jì)算公式。

對方程進(jìn)行方差檢驗(yàn)，回歸方程的可決系數(shù)R2為0.87，大于0.70，可見方程擬合很好，自變量與因變量線性關(guān)系很強(qiáng)。

對方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，回歸方程的F 統(tǒng)計(jì)量為65.00，遠(yuǎn)大于F 分布的分位數(shù)5.59，說明方程線性關(guān)系統(tǒng)計(jì)顯著，可以用方程預(yù)測臨界流化速度。

圖9 臨界流化速度vmf 與顆粒粒徑的平方d的關(guān)系Fig.9 Relationship between fluidization velocity vmf and square of particle diameter d

表2 回歸方程檢驗(yàn)(Ⅰ)Table 2 Test of recursive equation (Ⅰ)

表3 回歸方程檢驗(yàn)(Ⅱ)Table 3 Test of recursive equation (Ⅱ)

對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，回歸方程中回歸系數(shù)C 的t 統(tǒng)計(jì)量為4.13，K 的t 統(tǒng)計(jì)量為8.06，都遠(yuǎn)大于t 分布的分位數(shù)1.94，說明線性假設(shè)合理。

3.2 臨界流化速度的準(zhǔn)數(shù)方程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顆粒粒徑是影響臨界流化速度的主要因素，但不是唯一因素。影響臨界流化速度的因素主要有顆粒平均粒徑dp、流體黏度μg、氣體密度ρg、物料與氣體的密度差(ρs-ρg)；影響臨界流化速度的因素還需要考慮孔隙率εmf：因此，臨界流化速度的函數(shù)關(guān)系式可表示為[7]

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：不同初始料層高度的臨界流化速度有所不同，其變化規(guī)律與本文臨界流化速度與不同初始料層高度的關(guān)系的定性分析結(jié)果是吻合的，但兩者沒有很強(qiáng)的單因素線性關(guān)系。受物料黏度、物料堆積均勻性以及氣流分布均勻性等多重因素的影響，需要推出應(yīng)用條件更廣泛的準(zhǔn)數(shù)方程，在實(shí)際設(shè)計(jì)與操作預(yù)測時(shí)，需根據(jù)不同條件采用以上不同預(yù)測公式。

為了得出應(yīng)用條件更廣泛的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，采用量綱分析法進(jìn)行研究，得出準(zhǔn)數(shù)方程。根據(jù)齊次性定理，對式(6)進(jìn)行量綱分析，得出用阿基米德準(zhǔn)數(shù)表述的計(jì)算方程vmf=f(Ar)。方程準(zhǔn)數(shù)的定性尺寸采用平均粒徑，定性溫度采用平均溫度，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入并整理得

其中：Ar 為阿基米德準(zhǔn)數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)合量綱分析可知：擬合方程式(5)適用于Re 較大時(shí)的流化床煤調(diào)濕臨界流化速度的計(jì)算與設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn)時(shí)Re 都在104以上)；由式(5)所得結(jié)果在物料堆積均勻以及氣流分布均勻時(shí)與由厄根公式所得的理論計(jì)算結(jié)果接近；準(zhǔn)數(shù)方程式(7)考慮了慣性力、重力以及黏性力的共同影響，適用更廣的物料和工藝條件。

4 結(jié)論

(1) 對生產(chǎn)實(shí)際用煉焦煤的不同粒徑和不同初始料層高度進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)研究，形成煉焦煤在流化床內(nèi)的流化特性曲線，找出顆粒平均粒徑是影響臨界流化速度的主要因素，給出的臨界流化速度可作為操作氣流速度設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(2) 采用最小二乘法對不同初始料層厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對臨界流化速度與顆粒平均粒徑平方根進(jìn)行線性擬合，得到煉焦煤臨界流化速度與顆粒平均粒徑0.5 次方呈線性關(guān)系的預(yù)測公式，通過檢驗(yàn)，回歸方程與系數(shù)顯著性好，公式可靠。采用量綱分析法得出的臨界流化速度與阿基米德準(zhǔn)數(shù)0.25次方呈線性關(guān)系的預(yù)測公式，應(yīng)用條件更廣泛。

(3) 針對流化床煤調(diào)濕這項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)，用實(shí)驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)相結(jié)合的手段研究實(shí)際煉焦煤的流化特性，并給出關(guān)鍵參數(shù)的定量預(yù)測公式。得到的計(jì)算公式與經(jīng)驗(yàn)公式相比，更便于實(shí)際應(yīng)用。

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