張 平, 王延遐, 鄭 斌, 孫樹森

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255000)

煅后焦顆粒在余熱回收換熱器內(nèi)流動特性試驗研究

張 平, 王延遐, 鄭 斌, 孫樹森

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255000)

為了提高煅后焦余熱回收效率,改進(jìn)余熱回收換熱器設(shè)計,研究了煅后焦余熱回收換熱器內(nèi)顆粒的流動特性.搭建等比例縮小的以有機玻璃為材料的余熱回收換熱器試驗臺,進(jìn)行可視化試驗,并且提出了一種流動均勻性的評價方法.試驗采用粒子示蹤法,定時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,研究了煅后焦顆粒在換熱器內(nèi)的流型變化情況、顆粒流動軌跡和流經(jīng)內(nèi)換熱器的繞流情況,以及顆粒粒徑、流動速度對流動均勻性的影響,并擬合了流動均勻性隨粒徑變化的公式.試驗結(jié)果表明:煅后焦在換熱器內(nèi)流動為整體流;物料流經(jīng)內(nèi)換熱器時沿上集箱繞流,流動過程中無堵塞現(xiàn)象;在試驗范圍內(nèi),隨著煅后焦粒徑增大,流動均勻性變差;煅后焦在換熱器內(nèi)的流動速度對流動均勻性影響較小.

煅后焦; 內(nèi)外組合式換熱器; 流動特性

煅后焦是將石油焦進(jìn)行高溫煅燒去除揮發(fā)分,完全炭化后形成的.在我國炭素行業(yè)中煅后焦是作為鋁電解陽極、煉鋼用石墨電極與增碳劑的一種重要基礎(chǔ)材料.我國煅后焦產(chǎn)量居世界第一,且70%以上采用罐式煅燒爐生產(chǎn)[1-2].煅燒后石油焦攜有大量余熱,有很大利用價值[3].山東理工大學(xué)提出了利用內(nèi)外組合式換熱器直接對余熱進(jìn)行回收利用的方式[4],這對我國當(dāng)前節(jié)能減排研究項目的發(fā)展具有十分重要的意義.煅后焦在組合式換熱器內(nèi)的流動情況對受熱面之間換熱效率影響較大,主要影響到固體物料與管壁之間傳熱系數(shù)的確定,因此研究煅后焦顆粒在換熱器內(nèi)的流動特性將有助于換熱器的設(shè)計和改進(jìn).

國內(nèi)外很多學(xué)者對移動床、儲料倉、固定床中物料的流動情況進(jìn)行了研究.顆粒流動分為整體流和漏斗流,漏斗流會造成儲料倉內(nèi)物料流動不穩(wěn)定,甚至造成結(jié)拱堵塞[5].可見整體流有利于余熱回收和物料的均勻流動.陳長冰[6]研究了各種料倉流型,并詳細(xì)分析了影響料倉流型的因素.許鵬凱[7]研究了料倉卸料過程中料倉和顆粒的幾何參數(shù)對壁面應(yīng)力和壁面應(yīng)力系數(shù)的影響.曹俊等[8]對帶有內(nèi)構(gòu)件的移動床的流型和粒子受力進(jìn)行試驗和分析,探討內(nèi)構(gòu)件對流型轉(zhuǎn)變及顆粒流動產(chǎn)生的壓力場、速度場的影響.徐泳等[9]、陶賀等[10]、Jin等[11]分別建立了球形、非球形顆粒模型,采用離散元法模擬了移動床中物料卸料過程、流動過程,并與試驗對比,所得結(jié)果基本吻合.王匯等[12]、Yin等[13]研究了物料顆粒在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運動規(guī)律,結(jié)果表明,物料顆粒的運動狀態(tài)和運動規(guī)律決定了傳熱和傳質(zhì)效率.

綜上所述,目前國內(nèi)外大多以純重力流為研究對象進(jìn)行物料流動特性的研究,并且將重點集中在移動床、儲料倉、固定床等相對大空間的物料流動方面,而對物料以一定速度在空間狹小且具有中間受熱面的換熱器中流動特性的研究還比較缺乏.本文利用自行搭建的試驗臺,詳細(xì)研究了中間受熱面對物料流型和軌跡的影響,以及在流速、粒徑變化時中間受熱面對流動均勻性的影響,以期對煅后焦余熱回收換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支持.

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

圖1是本課題組自主研制的由中間受熱面、外受熱面組合而成的高溫煅后焦專用換熱器,本文搭建的試驗臺是按1∶3等比例縮小的內(nèi)外組合式換熱器可視化模型.試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖、試驗臺實物如圖2和圖3(見下頁)所示.該試驗臺由物料流動區(qū)域、勻速下料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成.其中:物料流動區(qū)域以透明的有機玻璃為原料,可以清楚地記錄顆粒的流動情況,流動區(qū)域兩側(cè)貼有標(biāo)尺,以方便讀取示蹤粒子的位置;勻速下料系統(tǒng)由蝸輪絲桿升降機、可控速電機組成,調(diào)節(jié)電機的速度可使物料以一定的速度下降;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三腳架、(Canon)PowerShot G5X 數(shù)碼相機組成,數(shù)碼相機定時曝光來記錄物料的流動情況.

圖1 內(nèi)外組合式換熱器

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 試驗臺實物

1.2 試驗方法

本試驗采用粒子示蹤法,即在物料流動區(qū)域鋪設(shè)與煅后焦物性基本相同的示蹤顆粒,以清楚地觀察煅后焦顆粒的流動情況.以左上角O為原點,建立坐標(biāo)系,橫縱坐標(biāo)X,Y如圖4所示.然后調(diào)節(jié)電機使升降機勻速下降,同時設(shè)置相機定時曝光.

圖4 示蹤粒子的鋪設(shè)示意圖

1.3 物料粒徑和流速的選擇

本試驗物料選用濰坊聯(lián)興新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的煅后焦,通過振動篩將煅后焦顆粒進(jìn)行篩分,表1為煅后焦不同粒徑質(zhì)量和所占百分率分布.

由表1可知,煅后焦粒徑分布主要集中在0.3～13.2 mm范圍內(nèi),故選擇粒徑為0.60～1.18,1.18～2.36,2.36～4.75,4.75～9.50,9.50～13.20 mm這5組粒徑的煅后焦進(jìn)行試驗.

在實際的余熱回收過程中,高溫煅后焦顆粒在換熱器中的流速為5×10-5m/s,所以試驗選取3×10-5,4×10-5,5×10-5,6×10-5,7×10-5m/s共5組流速,來研究流速對流動的影響.

表1 煅后焦不同粒徑質(zhì)量所占百分率

1.4 流動類型和流動均勻性的評價方法

1.4.1 流動類型評價方法

根據(jù)Johanson等[14],Brown等[15],Polderman等[16]的研究,評價流動類型如式(1)所示.

(1)

1.4.2 流動均勻性評價方法

將換熱器縱向均勻分為10縱列,計算出每一列示蹤粒子最大高度差.流動的均勻性可采用式(2)進(jìn)行評價.

(2)

式中:ζ為流動均勻性系數(shù);Xi表示第i列示蹤粒子的最大高度差,cm;b為換熱器寬度,cm.

X1,X2如圖5所示,以此類推.ζ為10列示蹤粒子高度差與換熱器寬度之比的和,用ζ的大小來衡量煅后焦的流動均勻性(ζ越大流動均勻性越差,反之越好).

圖5 示蹤粒子高度差

2 試驗現(xiàn)象與討論

2.1 流動過程中流型的變化

當(dāng)粒徑為4.75～9.50 mm、速度為6×10-5m/s時,示蹤粒子的流型和軌跡如圖6所示(截取Y軸54～76 cm之間部分).

從圖6可以看出,開始時每層顆粒以相同速度下降;下降10 min時,由于中間受熱面阻礙了中間顆粒的運動,中間顆粒運動速度減小;中間受熱面和外受熱面中間位置的顆粒受影響較小,顆粒流動速度明顯高于中間受熱面頂端和兩側(cè)壁面附近顆粒的速度;在25 min左右流層斷開,對稱分布于中間受熱面兩側(cè);30 min后顆粒流過中間受熱面上集箱,流型不再發(fā)生變化.

由于中間受熱面的存在,換熱器料倉被分隔成左右兩部分,因此物料流經(jīng)中間受熱面之后可看作分別進(jìn)入兩個獨立的料倉.圖7為0～45 min時間段內(nèi)左右兩個料倉MFI的變化趨勢.如圖7所示,左右兩側(cè)中MFI變化趨勢基本相同:0～15 min,由于中間受熱面的影響,MFI值逐漸減小;15～20 min,由于顆粒慢慢遠(yuǎn)離中間受熱面上集箱,MFI值逐漸增大;25 min后中間受熱面對流動基本已無影響,MFI值趨于穩(wěn)定.在15 min時,MFI達(dá)到最小值,左右兩側(cè)分別為0.71,0.77,均大于整體流與漏斗流分界參數(shù)0.3,故整個過程中物料流動為整體流.

圖6 示蹤粒子的流型和軌跡

2.2 流動過程中顆粒軌跡和流經(jīng)上集箱時繞流情況

圖8(見下頁)為顆粒從上到下流動時的運動軌跡(截取Y軸46～76 cm部分).圖9(見下頁)為粒徑2.36～4.75 mm、速度6×10-5m/s(工況1)和粒徑4.75～9.50 mm、速度4×10-5m/s(工況2)情況下顆粒流經(jīng)上集箱時的位置和運動曲線.

由圖8可知,中間受熱面對兩側(cè)顆粒運動軌跡影響較小,其正上方的顆?？拷霞鋾r速度明顯減緩,而后繞上集箱流動.由圖8和圖9可知,整個繞流過程中不存在流動死區(qū)或者顆粒堵塞現(xiàn)象.這是因為上集箱外表面光滑,摩擦系數(shù)較小,且曲率半徑相對較小,顆粒重力與其他顆粒壓力的合力大于顆粒所受支持力與摩擦力的合力(見下頁圖10),瞬時速度為上集箱外壁切線方向,整個過程表現(xiàn)為顆粒沿上集箱外壁流動;顆粒經(jīng)過中間受熱面上集箱后不再有橫向移動.圖中:FS為顆粒所受摩擦力;G為顆粒所受重力;FN為顆粒所受支持力;q為其他顆粒的作用力;v為顆粒運動速度.

圖7 MFI的變化趨勢

圖8 顆粒從上到下流動時的運動軌跡

圖9 顆粒流經(jīng)上集箱時軌跡

圖10 顆粒受力圖

2.3 粒徑和流速對流動均勻性的影響

2.3.1 粒徑對流動均勻性的影響

圖11為速度5×10-5m/s、粒徑逐漸增大工況下示蹤粒子流經(jīng)中間受熱面的試驗圖像.由圖可知,粒徑小于2.36 mm時,無散亂粒子出現(xiàn);當(dāng)粒徑在2.36～9.50 mm時,散亂粒子開始出現(xiàn),并逐漸增多;當(dāng)粒徑大于9.50 mm時,散亂粒子快速增多.

圖11 粒徑對流動均勻性的影響

圖12為不同速度工況下ζ隨粒徑的變化.由圖可知,隨著粒徑的增大,ζ逐漸增大.粒徑小于4.75 mm時ζ增長緩慢,粒徑大于4.75 mm時ζ迅速增大.

造成這種現(xiàn)象的原因有兩個.其一,當(dāng)顆粒流經(jīng)上集箱時,流動橫截面減小,而體積流量不變,壁面對顆粒橫向壓力增大.當(dāng)粒徑增大時,橫排顆粒個數(shù)變少,則相互接觸的顆粒減少,易造成應(yīng)力集中,表現(xiàn)為起拱、顆粒間間隙增大等現(xiàn)象.繼續(xù)流動便會出現(xiàn)塌落、滑移等,因此流動均勻性變差.其二,當(dāng)粒徑增大時,形狀不規(guī)則粒子迅速增多,Wadell球形度(即與顆粒等體積的球的表面積與顆粒的表面積之比)變小,顆粒間接觸面積增大.由于顆粒表面存在大量平面接觸點以及不規(guī)則粒子間的剪切力,影響了流動的連續(xù)性,從而表現(xiàn)為流動均勻性變差.

對ζ隨粒徑變化的情況進(jìn)行多項式擬合,擬合結(jié)果表明,二次曲線擬合能夠較為準(zhǔn)確地反映出其變化趨勢,如圖13所示,擬合修正相關(guān)系數(shù)(ARS)為0.997 71,殘差平方和(RSS)為9.882×10-4,擬合情況較為理想.

圖12 速度不同時流動均勻性系數(shù)隨粒徑的變化

擬合公式為

圖13 曲線擬合

ζ=0.003 9x2+0.059 55x+0.264 8

(3)

式中,x表示煅后焦粒徑,mm.

2.3.2 流速對流動均勻性的影響

圖14為粒徑2.36～4.75 mm,流速變化時顆粒流過中間受熱面上集箱的試驗結(jié)果.如圖14所示,流速不同的情況下,顆粒流經(jīng)上集箱流型基本相同,顆粒的散亂程度沒有明顯變化.

圖14 流速對流動均勻性的影響

粒徑不同情況下,ζ隨流速的變化曲線如圖15所示.由圖可知,流速變化時ζ值變化較小,在0.45～0.57范圍內(nèi)波動,無明顯升降趨勢.這是因為在本試驗所控制的流速范圍內(nèi),流速變化較小,且相同粒徑情況下顆粒間空隙基本相同,故在同一粒徑下,流速變化較小時對流動均勻性影響不大.

圖15 粒徑不同時流動均勻性系數(shù)隨速度的變化

3 結(jié) 論

a. 煅后焦在換熱器內(nèi)的整個流動過程中,壁面顆粒速度與中間受熱面和側(cè)壁中間顆粒平均速度比最小值為0.71,故煅后焦在換熱器內(nèi)的流動為整體流.

b. 中間受熱面對兩側(cè)物料運動軌跡影響較小;中間受熱面正上方顆粒流經(jīng)上集箱時,流動速度明顯減緩,顆粒沿上集箱外壁繞流.整個流動過程中不存在流動死區(qū),且無堵塞現(xiàn)象出現(xiàn).

c. 隨著煅后焦粒徑的增大,流動均勻性變差.當(dāng)粒徑大于2.36 mm時,散亂粒子出現(xiàn);當(dāng)粒徑大于9.5 mm時,散亂無序的粒子增多,顆粒分離現(xiàn)象明顯.

d. 在試驗所選定的低速流動工況下,流速對流動均勻性影響不大.

[1] 孫毅.中國炭素工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排主要技術(shù)淺析[J].炭素技術(shù),2012,31(5):B1-B3.

[2] 張峻松.炭素煅燒余熱煙氣加熱導(dǎo)熱油技術(shù)的應(yīng)用[J].四川冶金,2012,34(1):38-40.

[3] 鄭斌,劉永啟,王佐任,等.煅后石油焦熱物理性能研究[J].炭素技術(shù),2013,32(3):A33-A35.

[4] 鄭斌,劉永啟,李瑞陽,等.高溫煅燒石油焦排料過程余熱回收[J].化工進(jìn)展,2015,34(6):1539-1543.

[5] 楊介更,倪光裕,王仁柞.防止料倉產(chǎn)生漏斗流的幾種方法[J].起重運輸機械,1985(10):23-25.

[6] 陳長冰.料倉流型及改善貯料流動性分析[J].水泥技術(shù),2006(2):38-40.

[7] 許鵬凱.矩形料倉與移動床中壁面應(yīng)力與顆粒流動的DEM模擬研究[D].上海:華東理工大學(xué),2015.

[8] 曹俊,金保昇,鐘文琪,等.帶有內(nèi)構(gòu)件錯流移動床顆粒流動特性的數(shù)值模擬[J].機械工程學(xué)報,2013,49(10):144-150.

[9] 徐泳,KAFUI K D,THORNTON C.用顆粒離散元法模擬料倉卸料過程[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1999,15(3):65-69.

[10] 陶賀,金保昇,鐘文琪.非球形顆粒在移動床中流動特性的離散單元法直接數(shù)值模擬[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(23):78-83.[11] JIN B S,TAO H,ZHONG W Q.Flow behaviors of non-spherical granules in rectangular hopper[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2010,18(6):931-939.

[12] 王匯,劉訓(xùn)良,溫治.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)顆粒表面滾落過程數(shù)學(xué)模型及仿真分析[J].燒結(jié)球團(tuán),2008,33(6):1-6.

[13] YIN H C,ZHANG M,LIU H.Numerical simulation of three-dimensional unsteady granular flows in rotary kiln[J].Powder Technology,2014,253:138-145.

[14] JOHANSON J R,JENIKE A W.Stress and velocity fields in gravity flow of bulk solids[M].Salt Lake City:University of Utah,1962:161-162.

[15] BROWN R L,RICHARDS J C.Kinematics of the flow of dry powders and bulk solids[J].Rheologica Acta,1965,4(3):153-165.[16] POLDERMAN H G,BOOM J,DE HILSTER E,et al.Solids flow velocity profiles in mass flow hoppers[J].Chemical Engineering Science,1987,42(4):737-744.

(編輯:丁紅藝)

Experimental Study on the Flow Characteristics of Calcined Petroleum Coke Particles in a Heat Exchanger

ZHANG Ping, WANG Yanxia, ZHENG Bin, SUN Shusen

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China)

In order to improve the efficiency of calcined petroleum coke(CPC) heat recovery and the design of heat exchanger,the flow situation of CPC particles in a heat exchanger was studied.The experimental bench was scaled down and made of plexiglass,so that visual experiments can be carried out.An evaluation method for the flow uniformity was presented.By using the methods of particle tracing and timing data acquisition,the variation of the flow pattern of particles in the heat exchanger,the trajectory of the particle flow and the flow around the inner heat exchanger were observed.The influences of the particle size and flow rate on the flow uniformity were also discussed.In addition,the formula for the flow uniformity along with the change of the particle size was fitted.The results show that the flow pattern of CPC presents itself as a whole flow in the heat exchanger,and particles will flow around the header when the material flows through the internal heat exchanger and no clogging appears in the flow process.It’s also found that as the CPC particle size increases,the flow uniformity is poor within the experimental range,and the flow rate of the CPC in the heat exchanger has little effect on the flow pattern and flow uniformity.

calcinedpetroleumcoke;internalandexternalcombinedheatexchanger;flowcharacteristics

1007-6735(2017)02-0120-07

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.004

2016-12-27

山東省科技發(fā)展計劃(2013GGX10404);山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2013EEQ005,ZR2014EL030)

張 平(1990-),男,碩士研究生.研究方向:固體物料余熱回收利用.E-mail:799231529@qq.com

王延遐(1966-),女,教授.研究方向:結(jié)構(gòu)疲勞強度及優(yōu)化、固體物料余熱利用.E-mail:wangyx200@163.com

TK 11+5

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