楊 峰 高 鵬 唐志東 王一同

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102628;3.難采選鐵礦資源高效開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

我國(guó)鐵礦資源稟賦性差、利用率低,鐵礦石對(duì)外依存度高,亟需研發(fā)創(chuàng)新性技術(shù)與裝備以實(shí)現(xiàn)我國(guó)復(fù)雜難選鐵礦石的高效利用[1-3]。近年來(lái)大量研究表明,磁化焙燒——磁選工藝是處理劣質(zhì)鐵礦石的有效途徑之一。東北大學(xué)自主研發(fā)的懸浮磁化焙燒爐具有傳熱傳質(zhì)效率高、能耗低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),在復(fù)雜難選鐵礦資源的高效開(kāi)發(fā)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(yīng)器,相比于常見(jiàn)的U型還原室,具有更大的物料處理量及更長(zhǎng)的蓄熱還原時(shí)間。目前,對(duì)于多室還原腔內(nèi)部礦石顆粒的流動(dòng)特性鮮有研究。

四室還原腔與循環(huán)流化床鍋爐的U型閥結(jié)構(gòu)相似,但功能不同,可借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)U型返料裝置的研究方法,開(kāi)展四室還原腔內(nèi)氣固流動(dòng)特性研究。夏曉宇等[9]對(duì)循環(huán)流化床回料閥內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬,研究表明,回料閥內(nèi)氣、固兩相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似,且氣相速度分布對(duì)回料閥內(nèi)空隙率有重要影響。速度大的區(qū)域空隙率大,反之亦然。張思海等[10]對(duì)循環(huán)流化床U型回料閥的工作特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)主床流化風(fēng)速不變時(shí),隨著松動(dòng)風(fēng)量的增加,循環(huán)流率先線(xiàn)性增大,然后基本保持恒定;當(dāng)松動(dòng)風(fēng)量一定時(shí),系統(tǒng)的最大循環(huán)流率與主床流化風(fēng)速基本為線(xiàn)性關(guān)系。徐釗[11]通過(guò)數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果,探明了流化風(fēng)、松動(dòng)風(fēng)、水平孔口高度等對(duì)U型回料閥的循環(huán)回料量的影響規(guī)律。WANG等[12]在循環(huán)流化床冷態(tài)裝置上考察了高密度提升管中顆粒濃度的軸徑向發(fā)展以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)沿軸向發(fā)展的特點(diǎn)及變化規(guī)律。TANG等[13-14]考察了不同操作條件下U型還原室內(nèi)顆粒流化特性,建立了U型還原腔的壓降模型,預(yù)測(cè)了操作條件對(duì)流化室底部壓力的影響。

壓力信號(hào)是氣固流化床性能的重要指標(biāo),可以定量描述流化床的動(dòng)態(tài)行為[15]。本文搭建了四室還原腔冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)壓力測(cè)量方法,探究了不同操作條件即流化風(fēng)速、松動(dòng)風(fēng)速和給料速率對(duì)流化室內(nèi)物料流動(dòng)特性的影響規(guī)律,對(duì)懸浮磁化焙燒爐多室還原腔內(nèi)氣固流動(dòng)行為的調(diào)控提供一定的參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所搭建的冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)由給料系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和四室還原腔主體構(gòu)成。給料系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)既定的給料速率V3,壓力采集和處理系統(tǒng)采用北京傳感星空自控技術(shù)有限公司的CGYL-300b差壓變送器,其量程為 0～30 kPa,精度為滿(mǎn)量程的0.2%,配套有CGCJ-800多功能信號(hào)采集箱,采集到的壓力數(shù)據(jù)可直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中并能實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn),采集最高頻率達(dá)1 000 Hz。供氣來(lái)源為螺桿式空氣壓縮機(jī),提供的壓縮空氣最大壓強(qiáng)可達(dá)0.7 MPa,完全滿(mǎn)足試驗(yàn)所需壓強(qiáng),壓縮空氣經(jīng)由儲(chǔ)氣罐再通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)控制氣體的給入量。

圖1 冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of cold test rig

四室還原腔結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,四室還原腔主體由2個(gè)流化室、2個(gè)松動(dòng)室和4個(gè)風(fēng)室構(gòu)成。流化室截面積為0.3m×0.3m,高為1.2m;松動(dòng)室1截面積為0.3m×0.3m,高為1.5m;松動(dòng)室2截面積為0.3 m×0.3 m,高為1.2 m;風(fēng)室截面積為0.3 m×0.3 m,高為0.15 m。流化室經(jīng)由風(fēng)室通有流化風(fēng),風(fēng)速為V1,同樣的,松動(dòng)室的松動(dòng)風(fēng)速為V2。試驗(yàn)中,以一定的給料速率V3由松動(dòng)室1頂部給入物料,物料首先在松動(dòng)室1內(nèi)堆積,隨著松動(dòng)風(fēng)的給入,物料處于松散狀態(tài)下進(jìn)入流化室,由于物料的連續(xù)給入,底部的水平通道會(huì)被填滿(mǎn),松動(dòng)室1中存有一定高度的料層形成料封。此時(shí)通入流化室的氣體不會(huì)進(jìn)入松動(dòng)室1,而是帶著流化室內(nèi)顆粒進(jìn)入松動(dòng)室2,重復(fù)上述循環(huán),物料經(jīng)由流化室從給料口排出。

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

1.2 試驗(yàn)原料和方法

試驗(yàn)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(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原料物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of test materials

進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時(shí),首先在四室還原腔內(nèi)填充一定高度的物料,打開(kāi)轉(zhuǎn)子流量計(jì),調(diào)節(jié)流化風(fēng)速V1和松動(dòng)風(fēng)速V2,此時(shí)物料被流化,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),以一定的給料速率V3給入物料,待物料穩(wěn)定排出后,在出料口處測(cè)量物料排出速度,出料速度與給料速率誤差在5%以?xún)?nèi)時(shí)可認(rèn)為試驗(yàn)系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)打開(kāi)測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量床層不同高度H處壓力,本試驗(yàn)設(shè)定壓力傳感器測(cè)量頻率為100 Hz,測(cè)量時(shí)間為60s,重復(fù)上述過(guò)程測(cè)量3次,取平均值并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

四室還原腔內(nèi)床層不同高度處的壓強(qiáng)平均值可用式(1)表示,

四室還原腔內(nèi)顆粒濃度可由不同軸向高度處測(cè)得的壓差數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來(lái),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(rèn)為靜壓差是由兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間氣固兩相的重力造成的,由于氣體密度遠(yuǎn)小于顆粒的密度,故可通過(guò)式(2)計(jì)算多室還原腔內(nèi)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(guān)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流化風(fēng)速對(duì)流化室壓強(qiáng)分布的影響

研究表明,流化風(fēng)是調(diào)節(jié)和控制流化床反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒流動(dòng)的主要運(yùn)行參數(shù)。本試驗(yàn)以赤鐵礦粉為原料,在松動(dòng)風(fēng)速V2為0.02 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s,流化風(fēng)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(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究,流化風(fēng)速對(duì)四室還原腔流化室內(nèi)床層不同高度H處壓強(qiáng)分布影響情況如圖3所示,不同流化風(fēng)速下流化室床層高度為0.64m處的瞬時(shí)壓強(qiáng)分布如圖4所示。

由圖3可知,在同一流化風(fēng)速下,流化室內(nèi)床層壓降沿軸向高度的升高而顯著降低,與理論計(jì)算相符。同一流化風(fēng)速下,流化室內(nèi)不同高度處顆粒濃度處在一個(gè)較窄的范圍內(nèi),所以隨著床層高度的增加,ΔH相應(yīng)減小,床層壓降隨之降低。隨著流化風(fēng)速的增大,流化室床層同一高度處壓強(qiáng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),這是因?yàn)樵谝欢ǖ慕o料速率下,隨著流化風(fēng)速的增大,流化風(fēng)會(huì)在排料口帶出更多的固體顆粒,床內(nèi)物料存量會(huì)較少,使得床內(nèi)同一高度處的壓強(qiáng)降低。圖4表明,在床層高度為0.64 m處,在不同流化風(fēng)速下壓強(qiáng)波動(dòng)幅度不同,隨著流化風(fēng)速的增大,瞬時(shí)壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度有增大的趨勢(shì),這與顆粒團(tuán)聚、氣固相互作用等相關(guān)。

圖3 流化風(fēng)速對(duì)流化室內(nèi)軸向壓強(qiáng)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(shí)壓強(qiáng)分布Fig.4 Transient pressure distribution at bed height of 0.64 m in fluidization chamber

2.2 流化風(fēng)速對(duì)流化室濃度分布的影響

U型返料閥內(nèi)的顆粒濃度分布是冷態(tài)試驗(yàn)研究的一個(gè)重要參數(shù),軸向顆粒濃度分布可以反映四室還原腔整體的氣固流動(dòng)特性。在不同流化風(fēng)速下考察四室還原腔內(nèi)壓力分布,基于壓差數(shù)據(jù)對(duì)流化室內(nèi)的顆粒濃度分布特征進(jìn)行分析。在松動(dòng)風(fēng)速 V2為0.02 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s時(shí),不同流化風(fēng)速下四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布特征曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,流化風(fēng)速對(duì)流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響規(guī)律如圖6所示。

從圖5可以看出,流化室內(nèi)顆粒濃度分布區(qū)間為0.40～0.54。顆粒濃度沿軸向呈現(xiàn)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(dǎo)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(shí),顆粒濃度逐漸減小,在床層頂部,由于還原腔頂部的強(qiáng)約束作用,一部分顆粒受頂部沖擊后向下運(yùn)動(dòng),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(fēng)速的增大,流化室床層同一高度處顆粒濃度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),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(fēng)速對(duì)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(fēng)速對(duì)流化室壓強(qiáng)分布的影響

松動(dòng)風(fēng)是U型返料裝置的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)固體顆粒通過(guò)底部水平通道具有非常重要的作用。在冷態(tài)試驗(yàn)工況為流化風(fēng)速V1為0.05 m/s,給料速率V3為0.028 kg/s條件下,探究松動(dòng)風(fēng)速V2分別為0.02 m/s、0.025m/s、0.03m/s、0.035m/s、0.04m/s時(shí)對(duì)流化室內(nèi)壓強(qiáng)分布影響規(guī)律,四室還原腔流化室內(nèi)床層不同高度H處壓強(qiáng)分布如圖7所示,不同松動(dòng)風(fēng)速下流化室床層高度為0.64 m處的瞬時(shí)壓強(qiáng)分布如圖8所示。

圖7 松動(dòng)風(fēng)速對(duì)流化室內(nèi)軸向壓強(qiáng)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(shí)壓強(qiáng)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(dòng)風(fēng)速的增大,流化室床層同一高度處壓強(qiáng)逐漸減小,相對(duì)于流化風(fēng)對(duì)床層壓降的影響,下降幅度減小。研究表明,松動(dòng)風(fēng)只有小部分進(jìn)入松動(dòng)室使松動(dòng)室物料松散流化,其余松動(dòng)風(fēng)則通過(guò)水平通道進(jìn)入流化室,起著流化風(fēng)的作用。在一定的給料速率下,隨著松動(dòng)風(fēng)速的增大,會(huì)有更多的固體顆粒被氣體帶出還原腔,床層空隙率相對(duì)增大,使得床內(nèi)同一高度處的壓強(qiáng)降低。圖8表明,在床層高度為0.64 m處,隨著松動(dòng)風(fēng)速的增大,瞬時(shí)壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度有增大的趨勢(shì)。

2.4 松動(dòng)風(fēng)速對(duì)流化室濃度分布的影響

在流化風(fēng)速 V1為0.05 m/s,給料速率 V3為0.028 kg/s,松動(dòng)風(fēng)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(jù)壓差數(shù)據(jù)計(jì)算得到流化室內(nèi)顆粒濃度并進(jìn)行處理分析,不同松動(dòng)風(fēng)速對(duì)四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布影響規(guī)律見(jiàn)圖9,松動(dòng)風(fēng)速對(duì)流化室同一高度處顆粒濃度分布的影響規(guī)律如圖10所示。

圖9 松動(dòng)風(fēng)速對(duì)流化室內(nèi)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(dòng)風(fēng)速下,流化室顆粒濃度仍處在一個(gè)較窄的區(qū)間內(nèi),床內(nèi)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(dòng)風(fēng)進(jìn)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(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),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(dòng)風(fēng)速的增大,流化室床層同一高度處顆粒濃度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),整體下降幅度較流化風(fēng)速小,說(shuō)明松動(dòng)風(fēng)速對(duì)流化室內(nèi)顆粒濃度的影響程度小于流化風(fēng)速。

2.5 給料速率對(duì)流化室壓強(qiáng)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(guān),試驗(yàn)在流化風(fēng)速V1為0.05m/s,松動(dòng)風(fēng)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(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究,不同給料速率下四室還原腔流化室內(nèi)床層不同高度H處壓強(qiáng)規(guī)律如圖11所示,流化室床層高度為0.64 m處的瞬時(shí)壓強(qiáng)分布如圖12所示。

圖11 給料速率對(duì)流化室內(nèi)軸向壓強(qiáng)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(shí)壓強(qiáng)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(nèi)床層壓降沿軸向高度的升高而顯著降低。在固定的流化風(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)速下,隨著給料速率的增大,流化室床層同一高度處壓強(qiáng)有增大的趨勢(shì)。隨著給料速率的增加,將會(huì)有更多的固體顆粒滯留在四室還原腔內(nèi),使得床內(nèi)物料存量增加,床層同一高度處顆?？偭吭龃?所以床層壓強(qiáng)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(nèi)瞬時(shí)壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度有減小的趨勢(shì)。

2.6 給料速率對(duì)流化室濃度分布的影響

在流化風(fēng)速 V1為0.05 m/s、松動(dòng)風(fēng)速 V2為0.03 m/s時(shí),基于不同給料速率工況下采集的壓力數(shù)據(jù)計(jì)算分析獲得給料速率對(duì)四室還原腔流化室軸向顆粒濃度分布特征曲線(xiàn)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(guī)律如圖14所示。

圖13 給料速率對(duì)流化室內(nèi)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(duì)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(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)速下,隨著給料速率的增大,流化室內(nèi)顆粒整體濃度有增大的趨勢(shì)。在不同給料速率下,流化室內(nèi)顆粒濃度沿軸向呈現(xiàn)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(wěn)定的趨勢(shì),床內(nèi)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(huì)有更多的物料累積在床內(nèi),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(shì)有所差別。

3 結(jié) 論

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

(2)在一定給料速率下,流化室床層同一高度處壓強(qiáng)波動(dòng)幅度隨著流化風(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)速的增加而增大;在既定的流化風(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)速下,同一高度處壓強(qiáng)波動(dòng)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(nèi)顆粒濃度分布區(qū)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(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)速的增加而降低;在既定的流化風(fēng)速和松動(dòng)風(fēng)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。