曹萬秋

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

1 研究的背景及意義

在氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)中，流態(tài)化冷卻器是氧化鋁產(chǎn)品冷卻的關鍵設備，流態(tài)化冷卻器的作用是將焙燒生成的高溫氧化鋁由250 ℃冷卻到80 ℃[1]?，F(xiàn)場實際運行過程中經(jīng)常會存在進料端換熱管束磨漏的現(xiàn)象，對于已經(jīng)干燥的產(chǎn)品而言是二次污染，嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。多年來，對于國內氧化鋁流態(tài)化冷卻器沒有一個系統(tǒng)的研究，本文分別從實踐經(jīng)驗和理論兩方面進行研究，對于未來流態(tài)化冷卻器的設計和發(fā)展具有重要的意義。

2 流態(tài)化冷卻器工作原理

氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)中，流態(tài)化冷卻器如圖1所示，通過擋板將流態(tài)化冷卻器分隔成多個腔室。氧化鋁從進料口進入流態(tài)化冷卻器，在流化風的作用下氧化鋁處于懸浮狀態(tài)，通過與換熱管束的充分接觸，冷卻后的物料通過出料口流出，完成整個系統(tǒng)的換熱，因為有隔板存在，所以氧化鋁在流態(tài)化冷卻器中運動狀態(tài)呈S形，延長了其停留時間，提高了換熱效果。

1.物料入口 2.流化風出口 3.冷卻水入口 4.冷卻水出口 5.流化風管 6.擋板 7.物料出口 8.換熱管束圖1 流態(tài)化冷卻器

3 現(xiàn)場實際運行存在的問題及解決方案

通過對現(xiàn)場氧化鋁生產(chǎn)實際情況的了解，現(xiàn)場主要存在以下兩個問題：

3.1 換熱效果不好

經(jīng)過多方面的研究，可以從以下幾個方面解決：

(1)增加換熱面積。根據(jù)目前現(xiàn)場運行現(xiàn)狀，在不改變現(xiàn)有流態(tài)化冷卻器結構尺寸的前提下增加換熱面積(即不增加換熱管束的長度、寬度和數(shù)量)，只能改變換熱管束的換熱面積，本文改用了一種翅片式換熱器，如圖2所示。

圖2 流態(tài)化冷卻器換熱管束

通過計算，改用翅片式換熱管束后，在其他條件不變的條件下，對應同一臺焙燒爐系統(tǒng)，換熱面積增加了約41%，換熱效果由原先的出料溫度80 ℃降低為62 ℃，效果明顯增加。

(2)降低冷卻水進水溫度。

(3)增加冷卻水量。

(4)定期清理換熱管束結垢或更換新的換熱管束。

(5)采用導熱系數(shù)更高的管熱管束材料。

3.2 進料端管束易磨漏

現(xiàn)場通常的做法是提高進料端換熱管束的更換頻率，但這種做法對于企業(yè)運營而言成本增加，不利于企業(yè)的降本增效，本文從以下兩方面解決此問題：

(1)增加進料端換熱管束壁厚或在管束外壁焊接抗耐磨的不銹鋼，通過現(xiàn)場實踐，本方法對換熱效果幾乎無影響。

(2)增加進料端換熱管束和物料進入時的間距，這樣可以減少物料對換熱管束的沖刷，延長換熱管束的使用壽命，本方法會對換熱效果有輕微的影響，同時在改造項目中會存在規(guī)格不統(tǒng)一的換熱管束單元。

4 流態(tài)化冷卻器換熱理論研究

4.1 初始流化速度研究

由于空氣受溫度的影響比較大，且流化床內各段物料溫度是不同的，所以流化風速受到流太化冷卻器內物料溫度的影響存在一定的梯度變化。所以在冷卻器內初始流化速度是不同的。

本文研究的是氧化鋁顆粒，其堆積密度為1 000 kg/m3，真密度為3 940 kg/m3，根據(jù)現(xiàn)場實際產(chǎn)品測定氧化鋁平均粒徑dp約為60 μm，根據(jù)斯托克斯公式可以計算初始流化風速[2]。

(1)

式中Umf—初始流化風速，m/s；

dp—顆粒平均直徑，m；

ρs—固體顆粒真密度，kg/m3；

ρg—氣體密度，kg/m3；

μg—氣體粘度，Pa·s。

從而可以計算出不同溫度下氧化鋁顆粒的初始流化速度，如圖3所示。

圖3 冷卻器內溫度變化對初始速度的影響

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，初始流化風速越來越低，這是因為流化風的粘度隨著溫度的升高不斷增大引起的，從圖中可以看出80 ℃時初始流化風速約為0.048 m/s，250 ℃時初始流化風速約為0.038 m/s，所以在250 ℃時流化風速約為80 ℃時的79.2%，也就是說在250 ℃風量僅用80 ℃時79.2%的風量即可實現(xiàn)氧化鋁流化。

4.2 流態(tài)化冷卻器換熱系統(tǒng)研究

流態(tài)化冷卻器換熱床層與受熱面的總換熱量按公式(2)[2]計算。

Q=KA(tb-t0)

(2)

式中A—換熱面積，m2；

t0—床層溫度和換熱介質溫度，℃；

K—總換熱系數(shù)。

其中，K包括三部分：管路內側熱阻、管壁自身熱阻、管外側與床層之間的熱阻，可按公式(3)[3]計算。

(3)

式中k1—換熱管束內側換熱系數(shù)；

k2—換熱管道外側換熱系數(shù)；

r0—受熱面的內徑，m；

ri—受熱面的外徑，m。

流化風的主要作用是起到流化物料的作用，所以忽略其冷卻作用。流態(tài)化冷卻器中換熱主要靠冷卻水完成間接換熱，管路內側換熱系數(shù)k1經(jīng)計算約為5 788 W/(m2·K)，遠大于k2，因此在計算總換熱系數(shù)K時可以忽略k1的影響。對于本文而言，管道壁厚很小，所以管道的內外徑比值約為1，因此可以忽略公式(3)中中間項的影響，所以公式(3)進行簡化即為K=k2。接下來對系數(shù)k2進行研究，由于床層的溫度沿物料運行方向逐漸降低，所以運行速度也逐漸降低，而床層外側換熱系數(shù)k2是溫度和運行速度的函數(shù)，所以換熱系數(shù)k2沿著物料運行方向是不斷變化的。通過計算得知，換熱系數(shù)k2與床層溫度和流化風速成正比。

5 結論

(1)通過對現(xiàn)場實際運行情況的了解和存在的問題，提出了改進方案，對今后現(xiàn)場改造和設計優(yōu)化具有較好的指導意義。

(2)對初始流化風速進行了研究，得到流化風速受床層溫度的影響，且物料沿運行方向存在一定的溫度梯度，所以在流態(tài)化冷卻器中物料在各處的初始流化風速是不同的。

(3)對換熱系數(shù)的影響因素進行了研究，換熱系數(shù)k2是影響換熱效果的主要因素。