煉焦煤調濕流化床料層流化特性實驗研究

羅國民 ，周孑民，劉克輝

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南，長沙，400083；2. 廣東松山職業技術學院，廣東 韶關，512126；3. 廣東韶關鋼鐵集團有限公司，廣東 韶關，512122)

流化床煤調濕(coal moisture control 簡稱CMC)技術是近幾年發展起來的煤焦行業的節能新技術，采用該技術占地面積較小，生產能力大，熱效率高，干燥后產品濕度也較均勻。可以用焦爐煙道廢氣為熱源，與風動顆粒分級技術結合實現風選調濕，提高焦炭質量。煤料水分穩定可保證焦爐操作穩定，有利于延長焦爐壽命，經濟效益顯著[1-2]。流化床(fluidized bed)是一種發生流態化現象的裝置，應用于干燥環境。將顆粒物料堆放在分布板上，氣體由設備下部通入床層，隨著氣流速度加大到某種程度，固體顆粒在床層內就會呈沸騰狀態，采用這種方法進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]對煙絲這種物料進行了流化特性實驗研究，但只適應特定臨界雷諾數Re 條件；劉柏謙等[4]得出的煤與鐵礦顆粒流化速度計算公式不適用于Re 大的流化床煤調濕裝置；Rao等[5]對石英砂和生物質混合后的最小流化速度進行了研究；Roche 等[6]研究了顆粒尺寸對流化的影響；Cui等[7]對前人研究物質顆粒流化的工作進行了概括，分別對氣速較小的鼓泡流化床和氣速較大的循環流化床進行了研究，并指出了生物質顆粒流化的研究重點；Sun 等[8]研究了稻草與石英砂混合后的流化特性，并重點對混合后的最小流化速度進行了研究；Liu 等[9]提出了耦合流化床與輸送床的分級調濕一體化技術，認為該技術可實現煤顆粒的高效分級與調濕。臨界流化速度是表現流化床性能的重要參數，是流化床設計的關鍵變量。理論上，對于固定式流化床，當流化床層內的流體達到流化點即床層壓力損失等于單位面積床層上的固體顆粒重力時，這時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，但由于一些參數如顆粒球形度、床層空隙率等很難準確測量，采用式(3)計算很困難。

許多研究者[11-12]提出了預測臨界流化速度的經驗關聯式。李皓宇等[13]認為計算臨界流化速度的經驗或半經驗關聯式很多，常用的計算關聯式計算值與實驗值存在著較大的偏差，最大相對誤差都在30%以上。這是因為這些關聯式均假設孔隙率和球形度等參數為固定值，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行了實驗研究。不同物料的物性不同，流化特性也不同。對于實際流化床裝置的不同物料，孔隙率和球形度等參數有較大不同，物料之間的相互作用力也不同。為了較少偏差，得出實際應用可用的臨界流化速度計算公式，需要針對實際物料和工藝進行相關流化特性實驗研究。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，顆粒間的氣流流態很快進入湍流區(Re＞l 000)。在湍流區，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。此外，實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過程，壓降變化也是漸進變化，拐點不明顯。采用流化床實現煤調濕技術，煤顆粒能否正常流化對流化床能否正常運行起決定作用，為此，本文作者采用有機玻璃制成流化床冷態實驗臺進行顆粒料層流化特性研究，對生產實際用煤的4 種不同粒徑范圍的顆粒分別用3 種初始料層高度進行分組實驗，針對不同粒度下的流化速度、床層高度、壓降等重要參數的流化特性進行研究，并通過實驗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，以便得到簡單的經驗計算公式，滿足實際應用需要。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與材料

采用中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司的流化床冷態實驗臺對廣東韶關鋼鐵集團有限公司(以下簡稱韶鋼)煉焦煤進行實驗。流化室由有機玻璃制成，流化室與底座之間由法蘭連接，實驗裝置系統見圖1。輔助儀器設備與材料有：(1) 米尺，量程為1 m，精確到1 mm；(2) U 形管壓差計，使用水為工作流體，測量范圍為0～10 kPa，測點安裝在床體頂部；(3) 橡膠軟管，用于連接U 形管；(4) 離心風機，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 流化床實驗系統Fig.1 System of experiment for CMC

1.2 實驗方法與步驟

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

圖2 實驗流程Fig.2 Experimental processes

1.3 實驗過程參數確定

1.3.1 風機輸出流量范圍、流量控制閥門以及變頻器調節范圍的確定

分別在無負載情況下、空床狀態下、有物料的情況下，按以下方法確定風機的輸出流量范圍、流量控制閥門以及變頻器的調節范圍：

(1) 完全關閉流量控制閥門和變頻器。

(2) 根據風機的理論最大輸出流量確定所測實驗點的數目。

(3) 開啟風機，觀察孔板流量計以及皮托管的數值顯示。

(4) 調節流量控制閥或變頻器，對風機實際輸出流量進行控制，觀察孔板流量計以及皮托管的數值變化，記錄閥門的開度(以角度進行標注)以及變頻器所顯示的頻率，并將數據記錄在數據表格內。

(5) 將所得的數據繪制成數據曲線圖。

1.3.2 床層高度記錄與流態化判斷

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

(2) 將所得的數據繪制成數據曲線圖。

(3) 根據不同風量下平均高度的突變并結合床層壓降來判斷是否流化。

2 實驗結果與分析

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行實驗，并對實驗結果進行整理。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驗結果進行分析。

2.1 不同初始床層高度下實驗結果對比分析

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，臨界流化速度vmf約為0.53 m/s，0.64 m/s 時流化變得均勻，在1.12 m/s 時出現了噴涌的不均勻流化現象，這種情況表現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，臨界流化速度vmf約為0.47 m/s，0.63 m/s 時流化變得均勻，在1.11 m/s時出現了噴涌；在初始料層高度為50 mm 時，臨界流化速度vmf約為0.74 m/s，1.15 m/s 時達到均勻流化，未觀察到噴涌的現象。實驗全程未觀察到明顯的輸送床的夾帶現象。

實驗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，實驗初期有局部流化的情況，由于局部流化而導致物料向其他部分轉移，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 時的初始料層較高，抗局部流化能力較強，整體流化較好。初始料層高度為50 mm 時的臨界流化速度比10 mm 和30 mm 的初始料層的臨界流化速度都要高，符合理論分析結果。

在初始料層高度為10 mm 和30 mm 時的實驗中均觀察到了噴涌現象，這是空氣分布不均所致。而在初始料層高度為50 mm 的實驗中未觀察到噴涌現象，可見噴涌同時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，臨界流化速度對應的床層壓降越高。

2.2 不同粒徑之間的實驗結果對比分析

在不同粒徑下，床層高度與床層流速的關系見圖6，床層壓降與床層流速的關系見圖7，床層高度與床層壓降的關系見圖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，由于受實際初始料層的均勻性、供風分布的均勻性等因素的影響，圖中不同曲線有交叉現象也是合理的，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

根據床層流速下的平均高度的突變并結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；C 為回歸方程常數；ε 為誤差的隨機變量。

回歸方程式(5)符合臨界流化速度與顆粒平均粒徑關系的理論分析。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的單因素線性關系；可將回歸方程式作為預測計算公式。

對方程進行方差檢驗，回歸方程的可決系數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系很強。

對方程進行顯著性檢驗，回歸方程的F 統計量為65.00，遠大于F 分布的分位數5.59，說明方程線性關系統計顯著，可以用方程預測臨界流化速度。

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

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

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

對回歸系數進行顯著性檢驗，回歸方程中回歸系數C 的t 統計量為4.13，K 的t 統計量為8.06，都遠大于t 分布的分位數1.94，說明線性假設合理。

3.2 臨界流化速度的準數方程

根據實驗結果，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關系式可表示為[7]

對實驗結果進行分析可知：不同初始料層高度的臨界流化速度有所不同，其變化規律與本文臨界流化速度與不同初始料層高度的關系的定性分析結果是吻合的，但兩者沒有很強的單因素線性關系。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，需要推出應用條件更廣泛的準數方程，在實際設計與操作預測時，需根據不同條件采用以上不同預測公式。

為了得出應用條件更廣泛的計算經驗公式，采用量綱分析法進行研究，得出準數方程。根據齊次性定理，對式(6)進行量綱分析，得出用阿基米德準數表述的計算方程vmf=f(Ar)。方程準數的定性尺寸采用平均粒徑，定性溫度采用平均溫度，將實驗數據代入并整理得

其中：Ar 為阿基米德準數。

通過實驗數據處理結合量綱分析可知：擬合方程式(5)適用于Re 較大時的流化床煤調濕臨界流化速度的計算與設計(實驗時Re 都在104以上)；由式(5)所得結果在物料堆積均勻以及氣流分布均勻時與由厄根公式所得的理論計算結果接近；準數方程式(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 結論

(1) 對生產實際用煉焦煤的不同粒徑和不同初始料層高度進行分組實驗研究，形成煉焦煤在流化床內的流化特性曲線，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計的依據。

(2) 采用最小二乘法對不同初始料層厚度實驗數據對臨界流化速度與顆粒平均粒徑平方根進行線性擬合，得到煉焦煤臨界流化速度與顆粒平均粒徑0.5 次方呈線性關系的預測公式，通過檢驗，回歸方程與系數顯著性好，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數0.25次方呈線性關系的預測公式，應用條件更廣泛。

(3) 針對流化床煤調濕這項節能新技術，用實驗研究和理論推導相結合的手段研究實際煉焦煤的流化特性，并給出關鍵參數的定量預測公式。得到的計算公式與經驗公式相比，更便于實際應用。

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