流化床溫度對起始流化速度的影響研究

王 浩，黃 凱，劉 軼

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750021)

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

流化床的應用非常廣泛，目前普遍用于三大技術領域：燃燒領域，干燥領域，換熱領域。本文主要針對換熱領域的流化床進行研究。

流化床在熱法再生焙燒爐和熱法再生后端砂冷卻設備中的應用非常普遍，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行充分的換熱，保持床層溫度均勻和砂子的流動性。影響流化效果的關鍵參數就是起始流化速度。

流化床內的氣流速度增加到一定值時，固定床不再保持靜止狀態，部分顆粒無懸浮向上，床層膨脹，開始進入流狀態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），本文主要針對溫度因素研究溫度變化對起始流化速度的影響，進而更好地指導前期設計和實際生產調試。

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起始流化速度的影響。水換熱器在整個熱法再生系統的末端，水換熱器中的換熱管為翅片管，管里面冷卻介質為水。水換熱器被溢流隔板分割成四個容積相同的室，水換熱器底部通入壓縮空氣，砂子從空氣換熱器出口進入水換熱器中被壓縮空氣吹起呈流化狀態。砂子與埋管（翅片管）接觸進行換熱，經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。經檢測，水換熱器內部溫度逐漸遞減，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示意圖。

2 床層溫度對起始流化速度影響分析

樹脂砂進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一，而是受冷卻介質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一的[1]。

2.1 起始流化速度計算

圖1 熱法焙燒及冷卻系統示意圖

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

式中，ε為物料靜止時的空隙率。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%計算可得：陶粒砂真實密度ρb=2100kg/m3，對其篩分特性進行生產統計如表1所示。

平均粒徑：

表1 平均粒度計算表

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量分數。經計算得出，砂子平均粒徑dp為232.72μm。

求出平均直徑之后根據其實流化速度公式[2]：

式中，dp為砂子平均粒徑；ρs為砂子真實密度；ρf為空氣密度；μ為空氣動力粘度。

空氣密度計算公式：

式中，m為氣體相對分子質量；P為壓強；T為開爾文溫度；R為通用氣體常數。

溫度T＜2000K時，空氣動力粘度計算公式：

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

不同溫度下空氣密度和空氣動力粘度計算如表2所示。

表2 不同溫度下空氣密度和動力粘度表

由上表各數值帶入到式3中得出不同溫度下的起始流化速度坐標軸如圖2所示：

圖2 床層溫度與起始流化速度的對應坐標圖

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流方式進行。實驗證明只有在距分布板25mm左右的范圍內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區域進行的。在此區域以上，氣體與固體顆粒之間的傳熱速率很高，床層溫度均勻。實驗證明這并不是因為氣體和固體之間的給熱系數高，而主要因為固體顆粒小、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生變化。40℃時起始流化速度是250℃時的1.44倍，忽略溫度對空氣密度的影響，也就是說水冷換熱器的出砂口側的風量是進砂口側的1.44倍。在實際生產調試中可根據溫度變化適度調節流化空氣速度以得到更好的流化冷卻效果。在前期的設計中也可以根據這一變化規律在流化床布風板下適當設置多個獨立的流化氣室，根據不同氣室所處位置獨立的調節流化空氣的起始流化速度，從而更好的滿足實際生產需求。