陳 津,郭麗娜,郝赳赳,張 猛,趙 晶,林萬明

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

微波加熱噴動(dòng)流化床冶金反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析

陳 津,郭麗娜,郝赳赳,張 猛,趙 晶,林萬明

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

利用微波快速加熱粉狀冶金物料的特性,結(jié)合氣-固相噴動(dòng)流化床傳熱傳質(zhì)的優(yōu)良特性,設(shè)計(jì)了一種新型的冶金反應(yīng)器——微波加熱噴動(dòng)流化床,分析了微波加熱噴動(dòng)流化床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作參數(shù)。結(jié)果表明,微波加熱攪拌噴動(dòng)流化床是一種較常規(guī)噴動(dòng)流化床更為有效的強(qiáng)化固相脫碳的反應(yīng)器;采用微波加熱攪拌噴動(dòng)流化床,把微波加熱場(chǎng)、微波電磁場(chǎng)與氣-固相攪拌噴動(dòng)流化場(chǎng)有機(jī)地結(jié)合起來,可以改善傳統(tǒng)流態(tài)化固相脫碳的動(dòng)力學(xué)條件。該方案是一種具有應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)和新工藝。

微波加熱;噴動(dòng)流化床;氣-固相反應(yīng);冶金反應(yīng)器

對(duì)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?nèi)部,從而達(dá)到熱平衡,這種方法極易產(chǎn)生熱損失,需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間;而微波加熱則是原位加熱,微波以光速進(jìn)入物體內(nèi)部,由分子、離子的極化變形和快速轉(zhuǎn)向而被吸收,即轉(zhuǎn)變成熱量,形成物料內(nèi)外部“整體”加熱的效果,大大降低了熱損失,減少了加熱時(shí)間,達(dá)到快速、節(jié)能的作用[1]。微波電磁場(chǎng)在加熱物料的同時(shí),由于物料內(nèi)部分子的極化變形和快速轉(zhuǎn)向,可以提高固相反應(yīng)的物質(zhì)活性[6],增強(qiáng)反應(yīng)離子的擴(kuò)散作用[7]。由于微波加熱機(jī)理不同于常規(guī)加熱機(jī)理,微波電磁場(chǎng)被認(rèn)為是增強(qiáng)固相反應(yīng)離子擴(kuò)散能力的源驅(qū)動(dòng)力[8]。微波加熱與常規(guī)加熱固相反應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)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(yīng)的能力。微波加熱最大的特點(diǎn)是可以加熱粉狀物料[2-5]。

氣-固相流化床是利用反應(yīng)氣體自下而上通過氣體分布板使床內(nèi)的冶金粉料在一定溫度下進(jìn)行流態(tài)化反應(yīng)的冶金反應(yīng)器。早在20世紀(jì)20年代,就出現(xiàn)了利用流態(tài)化技術(shù)進(jìn)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(shù),在石油、化工、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(gòu)件,它直接影響流化床的流化質(zhì)量和穩(wěn)定性。由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(chǎn)生流化死區(qū),從而導(dǎo)致顆粒在實(shí)際流化過程中發(fā)生粘結(jié),甚至在氣體分布板上直接結(jié)塊,最終導(dǎo)致流化床粘結(jié)失流[13]。

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

1 微波加熱噴動(dòng)流化床設(shè)計(jì)思路

冶金物料的流化特點(diǎn)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(jù)Geldart顆粒的流化性質(zhì)分類(見圖1[18]),冶金物料十分適合噴動(dòng)流化床進(jìn)行氣-固相反應(yīng)。把微波加熱技術(shù)和噴動(dòng)流化技術(shù)結(jié)合起來,可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)成一種新型的氣-固相冶金反應(yīng)器——微波加熱噴動(dòng)流化床。

表1 高碳鉻鐵粉不同粒度的堆積密度

表2 標(biāo)準(zhǔn)條件下(273 K,101 325 Pa)有關(guān)氣體的密度

圖1 Geldart流化態(tài)分類

2 微波加熱噴動(dòng)流化床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作參數(shù)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1) 微波加熱噴動(dòng)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(shè)有6個(gè)微波加熱檔,每檔2 kW;

4) 微波加熱物料時(shí),可通入各種氣體進(jìn)行噴動(dòng)流化試驗(yàn);

5) 噴動(dòng)流化氣體配有電加熱裝置,氣體預(yù)熱最高溫度為900 ℃;

針對(duì)冶煉廠銅锍雜質(zhì)鉛較高的問題，本文系統(tǒng)分析了雜質(zhì)鉛的走向及分布，并對(duì)吹煉渣含銅、CaO/Fe值、渣中SiO2含量及渣溫度重要工藝參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果認(rèn)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(gè)方面。

6) 微波加熱噴動(dòng)流化床配有機(jī)械攪拌裝置。

微波加熱噴動(dòng)流化床結(jié)構(gòu)如圖2所示,噴動(dòng)流化床圓錐形底部的噴嘴結(jié)構(gòu)見圖3如示。

圖2 微波加熱噴動(dòng)流化床結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 噴動(dòng)流化床圓錐形底部的噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2 操作特性參數(shù)

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(chǎng)中噴動(dòng)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(dòng)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(shù),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(chǎng)強(qiáng)度,V/m;μ0為真空磁導(dǎo)率,H/m;μeff″為有效磁損耗因子;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;ρ為噴動(dòng)流化物料的密度,kg/m3;cp為噴動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(duì)微波加熱噴動(dòng)流化床是一個(gè)重要參數(shù):

(2)

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

2.2.3最小噴動(dòng)流化速度

最小噴動(dòng)速度是噴動(dòng)流化床操作的關(guān)鍵參數(shù),不僅與噴動(dòng)氣體和固體顆粒的性質(zhì)有關(guān),還與起始噴動(dòng)床高度有關(guān),此外與噴動(dòng)床的幾何結(jié)構(gòu)也有一定關(guān)系。對(duì)柱體直徑小于0.5 m的噴動(dòng)床,無論有無底部倒錐,一般認(rèn)為Mathur和Gishler于1955年提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是最簡(jiǎn)單且應(yīng)用范圍最廣的計(jì)算公式[21-23]:

(3)

式中：vms為最小噴動(dòng)速度,m/s;ds為固體顆粒的平均直徑,m;D為噴動(dòng)床直徑,m;dl為噴動(dòng)床底部的噴口直徑,m;h為噴動(dòng)流化床的靜床高,m;ρs為固體顆粒密度,kg/m3;ρg為噴動(dòng)氣體密度,kg/m3。噴動(dòng)床變?yōu)閲妱?dòng)流化床的界限是氣體流化速度大于最小噴動(dòng)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(dòng)流化速度 m/s

圖4 床料直徑與最小噴動(dòng)流化速度的關(guān)系

2.2.4最大噴動(dòng)床的床層高度

噴動(dòng)床的靜床層高度大于某一臨界高度時(shí),無論如何調(diào)節(jié)氣速都無法形成噴動(dòng)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(dòng)床層高度。噴動(dòng)床的床層高度大于最大噴動(dòng)床層高度時(shí),噴動(dòng)床將不再穩(wěn)定并被破壞,導(dǎo)致噴動(dòng)床在高于某一高度時(shí)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(jìn)入環(huán)隙區(qū),使環(huán)隙區(qū)內(nèi)向上氣流速度沿著層高度逐漸增加,當(dāng)床層過高時(shí),環(huán)隙區(qū)上端的氣流速度會(huì)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(yùn)動(dòng),進(jìn)而使噴動(dòng)變成聚式流化或者節(jié)涌。

顯然,最大噴動(dòng)床層高度是判別噴動(dòng)床和噴動(dòng)流化床的一個(gè)重要參數(shù),因?yàn)樗婕八芴幚淼淖畲笪锪狭?。氣固噴?dòng)床最大噴動(dòng)床層高度的計(jì)算公式為:

式中：hmax為最大噴動(dòng)床高,m;D為噴動(dòng)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(dòng)床底部的噴口直徑,m;ρs為固體顆粒的密度,kg/m3;ρg為噴動(dòng)氣體的密度,kg/m3;μg為噴動(dòng)氣體的動(dòng)力粘度,Pa·s。噴動(dòng)床變?yōu)閲妱?dòng)流化床的界限是靜床層高度大于最大噴動(dòng)床層高度(見表5)。

表5 微波加熱高碳鉻鐵粉噴動(dòng)流化床的最大床層高度

2.2.5最大噴動(dòng)床壓降

從固定床向噴動(dòng)床轉(zhuǎn)變時(shí)所具有的最大壓降為最大噴動(dòng)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(gè)穩(wěn)定的噴射區(qū),而床內(nèi)最終建立起一個(gè)具有穩(wěn)定三區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的完全噴動(dòng)的噴動(dòng)床。形成穩(wěn)定的噴動(dòng)床后,繼續(xù)增加氣體流速,相應(yīng)的壓降不再增加,因此該壓降即是噴動(dòng)床的操作壓降ps。最大噴動(dòng)床壓降的計(jì)算公式為[23]:

(5)

式中：Δpmax為噴動(dòng)開始前的最大壓降,Pa;h為噴動(dòng)床靜床高,m;ρb為固體顆粒的堆積密度,kg/m3;dl為噴動(dòng)床底部的噴口直徑,m;D為噴動(dòng)床直徑,m;θf為物料的內(nèi)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(dòng)流化床中高碳鉻鐵粉的最大床層壓降

3 結(jié)論

采用微波加熱攪拌噴動(dòng)流化床,把微波加熱場(chǎng)、微波電磁場(chǎng)與氣-固相攪拌噴動(dòng)流化場(chǎng)有機(jī)地結(jié)合起來,可以改善傳統(tǒng)流態(tài)化固相脫碳的動(dòng)力學(xué)條件。理論分析和試驗(yàn)表明,微波加熱攪拌噴動(dòng)流化床是一種較常規(guī)噴動(dòng)流化床更為有效的強(qiáng)化固相脫碳的反應(yīng)器。微波加熱攪拌噴動(dòng)流化床是一種具有應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)和新工藝。

[1] 王禹,孫海濤,王寶輝,等.微波的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)[J]. 遼寧化工, 2006,35(3):167-169.

[2] Thostenson E T, ChouT W. Microwave processing: fundamentals and applications[J]. Composites part A: Applied Science and Manufacturing, 1999,30(9): 1055-1071.

[3] 陳津,潘小娟,張猛,等.含碳氧化錳礦粉微波加熱升溫特性研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2007, 21(11A): 81-84.

[4] 陳津,張猛,趙晶,等.含碳鉻礦粉微波加熱體還原顯微礦相結(jié)構(gòu)的研究[J].電子顯微學(xué)報(bào), 2008,27(1): 26-33.

[5] 孫宏飛,陳津,張猛,等.微波場(chǎng)中高碳錳鐵粉及固相脫碳物料的電磁性能[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2012,24(8):12-15.

[6] Whittaker A G.. Diffusion in microwave-heated Ceramics[J]. Chemistry of Materials, 2005,17(13): 3426-3432.

[7] 石靄如,賈云發(fā).微波固相反應(yīng)的擴(kuò)散增強(qiáng)機(jī)理[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1998,11(1): 64-67.

[8] 彭虎,李俊.微波高溫加熱技術(shù)進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào), 2005,19(10):100-103.

[9] Saitou K. Microwave sintering of iron, cobalt, nickel, copper and stainless steel powders[J]. Cripta Materialia,2006, 54(5): 875-879.

[10] 朱開宏,袁渭康.化學(xué)反應(yīng)工程分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002: 230-234.

[11] 目崎令司.流化床分布裝置的設(shè)計(jì)[J]. 石油化工譯叢, 1982(5): 57-62.

[12] 杜益慶,栗志,許國良,等.氣固流化床流體與顆粒的傳熱研究[J]. 鍋爐技術(shù), 1996 (6):20-25.

[13] 陳杰勛,曹翌佳,任聰靜,等.氣固流化床分布板死區(qū)的聲發(fā)射檢測(cè)[J]. 石油化工, 2008,37(9): 910-914.

[14] 卜偉,程榕,鄭燕萍.噴動(dòng)流化床的研究進(jìn)展及其在造粒方面的應(yīng)用[J]. 浙江化工, 2008, 39(5): 15-18.

[15] Mathur K B, Gishler P E. A study of the application of the spouted bed technique to wheat drying[J]. Journal of Applied Chemistry, 1955, 5(11): 624-636.

[16] Mathur K B, Gishler P E. A technique for contacting gases with coarse solid particles[J]. American Institute of Chemical Engineers Journal, 1955, 1(2): 157-164.

[17] 陳振東,陳曉平,吳燁,等.熱態(tài)臨界流化速度研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(14):21-25.

[18] Geldart D. Types of gas fluidization[J]. Powder Technology, 1973, 7(5): 285-292.

[19] Al-Harahsheh M, Kingman S W. Microwave-assisted leaching-a review[J]. Hydrometallurgy, 2004, 73(3-4): 189-203.

[20] Hill James M,Jennings Michael J. Formulation of model equations for heating by microwave radiation[J]. Applied Mathematical Modelling, 1993,17(7):369-379.

[21] 祝京旭,洪江.噴動(dòng)床發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝, 1997,13(2): 207-230.

[22] 李水清,姚強(qiáng),趙香龍.噴動(dòng)床反應(yīng)器氣固流動(dòng)模型的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝, 2003, 19(3): 264-279.

[23] 吳占松,馬潤(rùn)田,汪展文.流態(tài)化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[J]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006:130-134.

[24] 歐陽紅勇,楊智,熊雪良,等.微波場(chǎng)中鈦鐵礦的升溫曲線及流態(tài)化浸出行為研究[J]. 礦冶工程, 2010,30(1):73-75.

(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(xué)基金委員會(huì)與上海寶山鋼鐵集團(tuán)公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(51174252)

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

1007-9432(2014)01-0010-05

TF19

:A