懸浮磁化焙燒爐四室還原腔氣固流動特性試驗研究

楊 峰 高 鵬 唐志東 王一同

(1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室,北京 102628;3.難采選鐵礦資源高效開發利用技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819)

我國鐵礦資源稟賦性差、利用率低,鐵礦石對外依存度高,亟需研發創新性技術與裝備以實現我國復雜難選鐵礦石的高效利用[1-3]。近年來大量研究表明,磁化焙燒——磁選工藝是處理劣質鐵礦石的有效途徑之一。東北大學自主研發的懸浮磁化焙燒爐具有傳熱傳質效率高、能耗低、自動化程度高等優點,在復雜難選鐵礦資源的高效開發利用方面取得了良好效果[4-8]。四室還原腔作為懸浮磁化焙燒爐的核心裝置,具有還原室的功能。四室還原腔是一種新型的氣固流化床反應器,相比于常見的U型還原室,具有更大的物料處理量及更長的蓄熱還原時間。目前,對于多室還原腔內部礦石顆粒的流動特性鮮有研究。

四室還原腔與循環流化床鍋爐的U型閥結構相似,但功能不同,可借鑒國內外對U型返料裝置的研究方法,開展四室還原腔內氣固流動特性研究。夏曉宇等[9]對循環流化床回料閥內的氣固兩相流動進行了冷態實驗及數值模擬,研究表明,回料閥內氣、固兩相流場結構相似,且氣相速度分布對回料閥內空隙率有重要影響。速度大的區域空隙率大,反之亦然。張思海等[10]對循環流化床U型回料閥的工作特性進行了研究,結果表明,當主床流化風速不變時,隨著松動風量的增加,循環流率先線性增大,然后基本保持恒定;當松動風量一定時,系統的最大循環流率與主床流化風速基本為線性關系。徐釗[11]通過數值模擬及試驗結果,探明了流化風、松動風、水平孔口高度等對U型回料閥的循環回料量的影響規律。WANG等[12]在循環流化床冷態裝置上考察了高密度提升管中顆粒濃度的軸徑向發展以及流動結構沿軸向發展的特點及變化規律。TANG等[13-14]考察了不同操作條件下U型還原室內顆粒流化特性,建立了U型還原腔的壓降模型,預測了操作條件對流化室底部壓力的影響。

壓力信號是氣固流化床性能的重要指標,可以定量描述流化床的動態行為[15]。本文搭建了四室還原腔冷態試驗系統,通過壓力測量方法,探究了不同操作條件即流化風速、松動風速和給料速率對流化室內物料流動特性的影響規律,對懸浮磁化焙燒爐多室還原腔內氣固流動行為的調控提供一定的參考。

1 試驗系統和方法

1.1 試驗裝置

試驗所搭建的冷態試驗系統如圖1所示。冷態試驗系統由給料系統、壓力采集系統、供氣系統和四室還原腔主體構成。給料系統由計算機控制電機轉數實現既定的給料速率V3,壓力采集和處理系統采用北京傳感星空自控技術有限公司的CGYL-300b差壓變送器,其量程為 0～30 kPa,精度為滿量程的0.2%,配套有CGCJ-800多功能信號采集箱,采集到的壓力數據可直接傳送到計算機內存中并能實時查看數據變化曲線,采集最高頻率達1 000 Hz。供氣來源為螺桿式空氣壓縮機,提供的壓縮空氣最大壓強可達0.7 MPa,完全滿足試驗所需壓強,壓縮空氣經由儲氣罐再通過轉子流量計來控制氣體的給入量。

圖1 冷態試驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of cold test rig

四室還原腔結構示意圖如圖2所示,四室還原腔主體由2個流化室、2個松動室和4個風室構成。流化室截面積為0.3m×0.3m,高為1.2m;松動室1截面積為0.3m×0.3m,高為1.5m;松動室2截面積為0.3 m×0.3 m,高為1.2 m;風室截面積為0.3 m×0.3 m,高為0.15 m。流化室經由風室通有流化風,風速為V1,同樣的,松動室的松動風速為V2。試驗中,以一定的給料速率V3由松動室1頂部給入物料,物料首先在松動室1內堆積,隨著松動風的給入,物料處于松散狀態下進入流化室,由于物料的連續給入,底部的水平通道會被填滿,松動室1中存有一定高度的料層形成料封。此時通入流化室的氣體不會進入松動室1,而是帶著流化室內顆粒進入松動室2,重復上述循環,物料經由流化室從給料口排出。

圖2 四室還原腔結構示意(單位:mm)Fig.2 Structural diagram of the four reduction chambers(unit:mm)

1.2 試驗原料和方法

試驗原料為東川包子鋪鐵礦粉,平均粒徑為0.15 mm,具有良好的流化性能。其物理性質見表1。

表1 試驗原料物理性質Table 1 Physical properties of test materials

進行冷態試驗時,首先在四室還原腔內填充一定高度的物料,打開轉子流量計,調節流化風速V1和松動風速V2,此時物料被流化,調節電機轉數,以一定的給料速率V3給入物料,待物料穩定排出后,在出料口處測量物料排出速度,出料速度與給料速率誤差在5%以內時可認為試驗系統已達到穩定狀態。此時打開測壓系統測量床層不同高度H處壓力,本試驗設定壓力傳感器測量頻率為100 Hz,測量時間為60s,重復上述過程測量3次,取平均值并對壓力數據進行分析處理。

四室還原腔內床層不同高度處的壓強平均值可用式(1)表示,

四室還原腔內顆粒濃度可由不同軸向高度處測得的壓差數據推導出來,在忽略氣固兩相的加速度及固體顆粒與爐體壁面的摩擦力之后,可認為靜壓差是由兩個測壓點之間氣固兩相的重力造成的,由于氣體密度遠小于顆粒的密度,故可通過式(2)計算多室還原腔內顆粒濃度[13]。

式中,ΔP為床層壓降,Pa;ΔH為床層不同位置的高度差,m;ρp為顆粒表觀密度,kg/m3;εs為固體顆粒濃度;ρg為氣體密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

2 試驗結果與討論

2.1 流化風速對流化室壓強分布的影響

研究表明,流化風是調節和控制流化床反應器內固體顆粒流動的主要運行參數。本試驗以赤鐵礦粉為原料,在松動風速V2為0.02 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s,流化風速V1分別為0.05m/s、0.06m/s、0.07 m/s、0.08 m/s、0.09 m/s的工況下進行了冷態試驗研究,流化風速對四室還原腔流化室內床層不同高度H處壓強分布影響情況如圖3所示,不同流化風速下流化室床層高度為0.64m處的瞬時壓強分布如圖4所示。

由圖3可知,在同一流化風速下,流化室內床層壓降沿軸向高度的升高而顯著降低,與理論計算相符。同一流化風速下,流化室內不同高度處顆粒濃度處在一個較窄的范圍內,所以隨著床層高度的增加,ΔH相應減小,床層壓降隨之降低。隨著流化風速的增大,流化室床層同一高度處壓強呈現逐漸減小的趨勢,這是因為在一定的給料速率下,隨著流化風速的增大,流化風會在排料口帶出更多的固體顆粒,床內物料存量會較少,使得床內同一高度處的壓強降低。圖4表明,在床層高度為0.64 m處,在不同流化風速下壓強波動幅度不同,隨著流化風速的增大,瞬時壓強的波動幅度有增大的趨勢,這與顆粒團聚、氣固相互作用等相關。

圖3 流化風速對流化室內軸向壓強分布的影響Fig.3 Effect of fluidizing gas velocity on axial pressure distribution in fluidization

圖4 流化室床層高度為0.64 m處瞬時壓強分布Fig.4 Transient pressure distribution at bed height of 0.64 m in fluidization chamber

2.2 流化風速對流化室濃度分布的影響

U型返料閥內的顆粒濃度分布是冷態試驗研究的一個重要參數,軸向顆粒濃度分布可以反映四室還原腔整體的氣固流動特性。在不同流化風速下考察四室還原腔內壓力分布,基于壓差數據對流化室內的顆粒濃度分布特征進行分析。在松動風速 V2為0.02 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s時,不同流化風速下四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布特征曲線見圖5,流化風速對流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響規律如圖6所示。

從圖5可以看出,流化室內顆粒濃度分布區間為0.40～0.54。顆粒濃度沿軸向呈現不均勻分布,整體呈“S”型分布。流化室床層底部氣體速度較大,導致顆粒濃度較低,隨著床層高度的增大,顆粒濃度逐漸升高,床層高度再增大時,顆粒濃度逐漸減小,在床層頂部,由于還原腔頂部的強約束作用,一部分顆粒受頂部沖擊后向下運動,與上升的顆粒碰撞,使顆粒平均速度減慢,顆粒濃度增加[16]。由圖6可知,隨著流化風速的增大,流化室床層同一高度處顆粒濃度呈現減小的趨勢,床層不同高度處顆粒濃度降低的幅度有所差別。

圖6 流化風速對流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響Fig.6 Effect of fluidizing gas velocity on solids holdup distribution at the same height of fluidization chamber

2.3 松化風速對流化室壓強分布的影響

松動風是U型返料裝置的一個重要參數,對固體顆粒通過底部水平通道具有非常重要的作用。在冷態試驗工況為流化風速V1為0.05 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s條件下,探究松動風速V2分別為0.02 m/s、0.025m/s、0.03m/s、0.035m/s、0.04m/s時對流化室內壓強分布影響規律,四室還原腔流化室內床層不同高度H處壓強分布如圖7所示,不同松動風速下流化室床層高度為0.64 m處的瞬時壓強分布如圖8所示。

圖7 松動風速對流化室內軸向壓強分布的影響Fig.7 Effect of aeration gas velocity on axial pressure distribution in fluidization chamber

圖8 流化室床層高度為0.64 m處瞬時壓強分布Fig.8 Transient pressure distribution at bed height of 0.64m in fluidization chamber

由圖7可知,隨著松動風速的增大,流化室床層同一高度處壓強逐漸減小,相對于流化風對床層壓降的影響,下降幅度減小。研究表明,松動風只有小部分進入松動室使松動室物料松散流化,其余松動風則通過水平通道進入流化室,起著流化風的作用。在一定的給料速率下,隨著松動風速的增大,會有更多的固體顆粒被氣體帶出還原腔,床層空隙率相對增大,使得床內同一高度處的壓強降低。圖8表明,在床層高度為0.64 m處,隨著松動風速的增大,瞬時壓強的波動幅度有增大的趨勢。

2.4 松動風速對流化室濃度分布的影響

在流化風速 V1為0.05 m/s,給料速率 V3為0.028 kg/s,松動風速 V2分別為0.02 m/s、0.025 m/s、0.03 m/s、0.035 m/s、0.04 m/s的工況下,依據壓差數據計算得到流化室內顆粒濃度并進行處理分析,不同松動風速對四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布影響規律見圖9,松動風速對流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響規律如圖10所示。

圖9 松動風速對流化室內軸向顆粒濃度分布的影響Fig.9 Effect of aeration gas velocity on axial solids holdup distribution in fluidization chamber

由圖9可知,在不同松動風速下,流化室顆粒濃度仍處在一個較窄的區間內,床內平均顆粒濃度較高,顆粒濃度沿軸向呈“S”型分布。在流化室底部,大部分松動風進入流化室,顆粒濃度較小,隨著床層高度的增加,顆粒濃度呈現先增大后減小的趨勢,在流化室上部,由于顆粒的返混,顆粒濃度增大。從圖10可以看出,隨著松動風速的增大,流化室床層同一高度處顆粒濃度呈現減小的趨勢,整體下降幅度較流化風速小,說明松動風速對流化室內顆粒濃度的影響程度小于流化風速。

2.5 給料速率對流化室壓強分布的影響

給料速率的大小與懸浮磁化焙燒爐多室還原腔處理能力密切相關,試驗在流化風速V1為0.05m/s,松動風速 V2為 0.03 m/s,給料速率 V3分別為0.008 3 kg/s、0.016 6 kg/s、0.024 9 kg/s、0.033 2 kg/s、0.041 5 kg/s的工況下進行了冷態試驗研究,不同給料速率下四室還原腔流化室內床層不同高度H處壓強規律如圖11所示,流化室床層高度為0.64 m處的瞬時壓強分布如圖12所示。

圖11 給料速率對流化室內軸向壓強分布的影響Fig.11 Effect of delivery rate on axial pressure distribution in fluidization chamber

圖12 流化室床層高度為0.64 m處瞬時壓強分布Fig.12 Transient pressure distribution at bed height of 0.64m in fluidization chamber

由圖11可知,在一定的給料速率下,流化室內床層壓降沿軸向高度的升高而顯著降低。在固定的流化風速和松動風速下,隨著給料速率的增大,流化室床層同一高度處壓強有增大的趨勢。隨著給料速率的增加,將會有更多的固體顆粒滯留在四室還原腔內,使得床內物料存量增加,床層同一高度處顆粒總量增大,所以床層壓強增大。由圖12表明,在床層高度為0.64m處,隨著給料速率的增大,流化室內瞬時壓強的波動幅度有減小的趨勢。

2.6 給料速率對流化室濃度分布的影響

在流化風速 V1為0.05 m/s、松動風速 V2為0.03 m/s時,基于不同給料速率工況下采集的壓力數據計算分析獲得給料速率對四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布特征曲線如圖13,不同給料速率下流化室床層同一高度處顆粒濃度分布規律如圖14所示。

圖13 給料速率對流化室內軸向顆粒濃度分布的影響Fig.13 Effect of delivery rate on axial solids holdup distribution in fluidization chamber

圖14 給料速率對流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響Fig.14 Effect of delivery rate on solids holdup distribution at the same height of fluidization chamber

由圖13可知,在既定的流化風速和松動風速下,隨著給料速率的增大,流化室內顆粒整體濃度有增大的趨勢。在不同給料速率下,流化室內顆粒濃度沿軸向呈現不均勻分布,流化室床層底部氣體速度較大,顆粒濃度較低,隨著床層高度的增大,顆粒濃度呈先升高后降低再趨于穩定的趨勢,床內顆粒整體濃度沿軸向呈“S”型分布。由圖14可知,隨著給料速率的增大,會有更多的物料累積在床內,流化室床層同一高度處顆粒濃度增加,不同高度處顆粒濃度增加的趨勢有所差別。

3 結 論

(1)不同操作條件下,流化室內床層壓降均沿軸向高度的升高而顯著降低。隨著流化風速、松動風速的增大,四室還原腔流化室內床層同一高度處,壓強呈現減小趨勢;隨著給料速率的增大,流化室內床層同一高度處,壓強呈現增大趨勢。

(2)在一定給料速率下,流化室床層同一高度處壓強波動幅度隨著流化風速和松動風速的增加而增大;在既定的流化風速和松動風速下,同一高度處壓強波動幅度隨著給料速率的增加而減小。

(3)在不同操作條件下,流化室內顆粒濃度分布區間為0.40～0.55,沿軸向呈“S”型分布。在一定的給料速率下,流化室床層同一高度處顆粒濃度隨流化風速和松動風速的增加而降低;在既定的流化風速和松動風速下,同一高度處顆粒濃度隨給料速率的增加而提升。床層不同高度處顆粒濃度增減幅度各有差別。