陳 津,郭麗娜,郝赳赳,張 猛,趙 晶,林萬明

(太原理工大學 材料科學與工程學院, 太原 030024)

微波加熱噴動流化床冶金反應器設計與分析

陳 津,郭麗娜,郝赳赳,張 猛,趙 晶,林萬明

(太原理工大學 材料科學與工程學院, 太原 030024)

利用微波快速加熱粉狀冶金物料的特性,結合氣-固相噴動流化床傳熱傳質的優(yōu)良特性,設計了一種新型的冶金反應器——微波加熱噴動流化床,分析了微波加熱噴動流化床的結構特點和操作參數。結果表明,微波加熱攪拌噴動流化床是一種較常規(guī)噴動流化床更為有效的強化固相脫碳的反應器;采用微波加熱攪拌噴動流化床,把微波加熱場、微波電磁場與氣-固相攪拌噴動流化場有機地結合起來,可以改善傳統(tǒng)流態(tài)化固相脫碳的動力學條件。該方案是一種具有應用價值的新技術和新工藝。

微波加熱;噴動流化床;氣-固相反應;冶金反應器

對固體物料來說,傳統(tǒng)的加熱方法是使熱量由物體表面?zhèn)鞯絻炔?從而達到熱平衡,這種方法極易產生熱損失,需要較長的加熱時間;而微波加熱則是原位加熱,微波以光速進入物體內部,由分子、離子的極化變形和快速轉向而被吸收,即轉變成熱量,形成物料內外部“整體”加熱的效果,大大降低了熱損失,減少了加熱時間,達到快速、節(jié)能的作用[1]。微波電磁場在加熱物料的同時,由于物料內部分子的極化變形和快速轉向,可以提高固相反應的物質活性[6],增強反應離子的擴散作用[7]。由于微波加熱機理不同于常規(guī)加熱機理,微波電磁場被認為是增強固相反應離子擴散能力的源驅動力[8]。微波加熱與常規(guī)加熱固相反應的對比試驗表明[9],微波加熱可以促使物料收縮,提高物料的致密度,從而提高了固相反應的能力。微波加熱最大的特點是可以加熱粉狀物料[2-5]。

氣-固相流化床是利用反應氣體自下而上通過氣體分布板使床內的冶金粉料在一定溫度下進行流態(tài)化反應的冶金反應器。早在20世紀20年代,就出現(xiàn)了利用流態(tài)化技術進行粉煤氣化的溫克勒爐[10]。固體顆粒的流態(tài)化作為一種新興的工業(yè)技術,在石油、化工、冶金等領域得到了廣泛的應用[11-12]。氣體分布板是保證氣-固相流化床正常流化的重要構件,它直接影響流化床的流化質量和穩(wěn)定性。由于自身結構的特點和流化溫度的影響,在氣體分布板與固體顆粒的接觸面上極有可能產生流化死區(qū),從而導致顆粒在實際流化過程中發(fā)生粘結,甚至在氣體分布板上直接結塊,最終導致流化床粘結失流[13]。

加拿大學者Mathur和Gishler在1955年研究小麥的流態(tài)化干燥時開發(fā)出一種沒有氣體分布板的噴動床[14-16]。噴動床的顆粒運動比較有規(guī)律,而流化床的顆粒運動相對隨機而復雜。噴動床沒有氣體分布板,固體顆粒的流態(tài)化是由一個穩(wěn)定的軸向噴流產生,中央噴射區(qū)隨氣流向上運動,形成一定高度的噴泉,然后散落到周圍環(huán)隙區(qū)向下運動,在底部又重新被卷吸入噴射區(qū),因此物料在噴動床內形成了一個有規(guī)律的循環(huán)流動。但噴動現(xiàn)象只存在于一個有限的流速范圍內,流速太低,射流區(qū)不能穿過床層；流速太大，則導致全床流化。因此,要形成噴動流化床,流化氣體的流速要控制在一個合理的范圍。目前,噴動床在干燥、造粒、煤氣化、冶金、石油化工、材料制備等領域有著廣泛的應用。

1 微波加熱噴動流化床設計思路

冶金物料的流化特點是固體顆粒和流化氣體的密度差大,固體顆粒的密度一般在2.6～4.2 g/cm3[17]之間(見表1),而流化氣體的密度一般在0.000 09～0.002 g/cm3之間(見表2);固體顆粒合適的流化粒度一般在50～1 000 μm之間,根據Geldart顆粒的流化性質分類(見圖1[18]),冶金物料十分適合噴動流化床進行氣-固相反應。把微波加熱技術和噴動流化技術結合起來,可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點,構成一種新型的氣-固相冶金反應器——微波加熱噴動流化床。

表1 高碳鉻鐵粉不同粒度的堆積密度

表2 標準條件下(273 K,101 325 Pa)有關氣體的密度

圖1 Geldart流化態(tài)分類

2 微波加熱噴動流化床的結構特點和操作參數

2.1 主要技術指標

1) 微波加熱噴動流化物料的重量范圍，最小為0.2 kg,最大為1.0 kg;

2) 物料加熱溫度，最高為1 400 ℃;

3) 微波加熱功率范圍，最低2 kW,最高12 kW，共設有6個微波加熱檔,每檔2 kW;

4) 微波加熱物料時,可通入各種氣體進行噴動流化試驗;

5) 噴動流化氣體配有電加熱裝置,氣體預熱最高溫度為900 ℃;

針對冶煉廠銅锍雜質鉛較高的問題，本文系統(tǒng)分析了雜質鉛的走向及分布，并對吹煉渣含銅、CaO/Fe值、渣中SiO2含量及渣溫度重要工藝參數的影響進行了研究，研究結果認為銅閃速吹煉較為合理、有效的工藝控制條件和解決辦法包括以下幾個方面。

6) 微波加熱噴動流化床配有機械攪拌裝置。

微波加熱噴動流化床結構如圖2所示,噴動流化床圓錐形底部的噴嘴結構見圖3如示。

圖2 微波加熱噴動流化床結構示意圖

圖3 噴動流化床圓錐形底部的噴嘴結構

2.2 操作特性參數

2.2.1微波加熱升溫速率

微波加熱物料的升溫速率取決于物料的電磁性能,在微波場中噴動流化物料的升溫速率可以表示為[19-20]:

(1)

式中：(?T/?τ)為微波加熱噴動流化物料的升溫速率,K/s;P為物料單位體積吸收的微波能,W/m3;ε0為真空介電常數,F/m;εeff″為有效介電損耗因子;f為微波加熱頻率,Hz;E為電場強度,V/m;μ0為真空磁導率,H/m;μeff″為有效磁損耗因子;H為磁場強度,A/m;ρ為噴動流化物料的密度,kg/m3;cp為噴動流化物料的比熱容,J/(kg·K)。合適的微波加熱的升溫速率決定于微波加熱比功率。

2.2.2床層空隙率

由式(1)可知,噴動流化物料的密度越小,即床層空隙率越大,物料的升溫速率越快;但床層空隙率超過臨界值時，由于吸收微波的固體顆粒減少,反而不利于微波加熱物料。因此,合適的床層空隙率對微波加熱噴動流化床是一個重要參數:

(2)

式中：ε為床層空隙率,%;VL為噴動流化床層的體積,m3;VS為未噴動流化的固體顆粒的體積,m3;hL為噴動流化床的床層高度,m;h為噴動流化床靜床高,m。微波加熱噴動流化床的床層空隙率原則上應該越小越好,考慮到噴動流化床的空隙率,最好在25%～65%之間(見表3)。

2.2.3最小噴動流化速度

最小噴動速度是噴動流化床操作的關鍵參數,不僅與噴動氣體和固體顆粒的性質有關,還與起始噴動床高度有關,此外與噴動床的幾何結構也有一定關系。對柱體直徑小于0.5 m的噴動床,無論有無底部倒錐,一般認為Mathur和Gishler于1955年提出的經驗關聯(lián)式是最簡單且應用范圍最廣的計算公式[21-23]:

(3)

式中：vms為最小噴動速度,m/s;ds為固體顆粒的平均直徑,m;D為噴動床直徑,m;dl為噴動床底部的噴口直徑,m;h為噴動流化床的靜床高,m;ρs為固體顆粒密度,kg/m3;ρg為噴動氣體密度,kg/m3。噴動床變?yōu)閲妱恿骰驳慕缦奘菤怏w流化速度大于最小噴動流化速度(見表4和圖4)。

表4 微波加熱高碳鉻鐵粉最小噴動流化速度 m/s

圖4 床料直徑與最小噴動流化速度的關系

2.2.4最大噴動床的床層高度

噴動床的靜床層高度大于某一臨界高度時,無論如何調節(jié)氣速都無法形成噴動床,而是直接形成鼓泡床或節(jié)涌床,這一臨界床層高度就是最大噴動床層高度。噴動床的床層高度大于最大噴動床層高度時,噴動床將不再穩(wěn)定并被破壞,導致噴動床在高于某一高度時變得不穩(wěn)定的主要原因是環(huán)隙區(qū)顆粒的流化。由于射流區(qū)的氣體徑向穿透進入環(huán)隙區(qū),使環(huán)隙區(qū)內向上氣流速度沿著層高度逐漸增加,當床層過高時,環(huán)隙區(qū)上端的氣流速度會使床層表面的顆粒流化而阻止環(huán)隙區(qū)顆粒的平穩(wěn)向下運動,進而使噴動變成聚式流化或者節(jié)涌。

顯然,最大噴動床層高度是判別噴動床和噴動流化床的一個重要參數,因為它涉及所能處理的最大物料量。氣固噴動床最大噴動床層高度的計算公式為:

式中：hmax為最大噴動床高,m;D為噴動床直徑,m;ds為固體顆粒平均直徑,m;b=0.9(高溫)～1.11(常溫);dl為噴動床底部的噴口直徑,m;ρs為固體顆粒的密度,kg/m3;ρg為噴動氣體的密度,kg/m3;μg為噴動氣體的動力粘度,Pa·s。噴動床變?yōu)閲妱恿骰驳慕缦奘庆o床層高度大于最大噴動床層高度(見表5)。

表5 微波加熱高碳鉻鐵粉噴動流化床的最大床層高度

2.2.5最大噴動床壓降

從固定床向噴動床轉變時所具有的最大壓降為最大噴動床壓降。此后繼續(xù)增加氣體流速,壓降隨之降低,射流區(qū)逐漸形成一個穩(wěn)定的噴射區(qū),而床內最終建立起一個具有穩(wěn)定三區(qū)流動結構的完全噴動的噴動床。形成穩(wěn)定的噴動床后,繼續(xù)增加氣體流速,相應的壓降不再增加,因此該壓降即是噴動床的操作壓降ps。最大噴動床壓降的計算公式為[23]:

(5)

式中：Δpmax為噴動開始前的最大壓降,Pa;h為噴動床靜床高,m;ρb為固體顆粒的堆積密度,kg/m3;dl為噴動床底部的噴口直徑,m;D為噴動床直徑,m;θf為物料的內摩擦角,(°);ds為固體顆粒平均直徑,m;g為重力加速度,9.81 m/s2。

表6 微波加熱噴動流化床中高碳鉻鐵粉的最大床層壓降

3 結論

采用微波加熱攪拌噴動流化床,把微波加熱場、微波電磁場與氣-固相攪拌噴動流化場有機地結合起來,可以改善傳統(tǒng)流態(tài)化固相脫碳的動力學條件。理論分析和試驗表明,微波加熱攪拌噴動流化床是一種較常規(guī)噴動流化床更為有效的強化固相脫碳的反應器。微波加熱攪拌噴動流化床是一種具有應用價值的新技術和新工藝。

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(編輯：龐富祥)

TheDesignofMicrowaveHeatingSpoutedFluidizedBed

CHENJin,GUOLina,HAOJiujiu,ZHANGMeng,ZHAOJing,LINWanming

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Taking advantage of the characteristics of fast microwave heating of metallurgical powder material,and combining the good qualities of heat and mass transfer in gas-solid phase spouted fluidized bed, a novel type of metallurgy reactor, spouted fluidized bed with microwave heating,was designed. Characteristics and the operational parameters of the microwave heating fluidized bed were analyzed. Analysis results show the microwave heating spouted fluidized bed is more effective in strengthening solid phase decarburization than the conventional spouted fluidized bed. It can improve the dynamics conditions of traditional fluidized solid phase decarburization. The spouted fluidized bed with microwave heating is a kind with new technology with application value。

microwave heating; spouted fluidization bed; gas-solid phase reaction; metallurgical reactor

2013-08-09

國家自然科學基金委員會與上海寶山鋼鐵集團公司聯(lián)合資助項目(51174252)

陳津(1955-),男,天津市人,教授,博導,主要從事微波冶金理論與應用研究,(E-mail)chenjinty@sohu.com

1007-9432(2014)01-0010-05

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