中國鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部

　　引言

　　用循環(huán)流化床作為煉鐵反應(yīng)器對鐵礦成分的要求較寬，可以使用粒度小、分布廣的鐵礦粉，且具有全床溫度和濃度均勻、傳熱傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在氣基鐵礦粉直接還原中得到廣泛應(yīng)用。國外流態(tài)化氣體還原煉鐵的開發(fā)研究較多，發(fā)展較快[1-3]。而我國對流態(tài)化氣體還原煉鐵的研究較少[4-6]，特別是對于鐵礦粉在循環(huán)流化床中流化特性的研究更少。

　　研究鐵礦粉顆粒在循環(huán)流化床中的流體力學(xué)特征，對于鐵礦粉循環(huán)流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都至關(guān)重要。本文在自制冷態(tài)循環(huán)流化床中以精礦粉為研究對象，通過對氣固兩相流壓力梯度和精礦粉顆粒局部濃度的大量實(shí)驗(yàn)測試，較系統(tǒng)地分析操作參數(shù)和顆粒物性對循環(huán)流化床提升管中壓力梯度和顆粒局部濃度分布形式的影響，為認(rèn)識、放大設(shè)計(jì)及優(yōu)化操作循環(huán)流化床煉鐵反應(yīng)器提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

　　1試驗(yàn)原料及試驗(yàn)過程

　　氣相:空氣，取室溫20℃，空氣的密度ρ=1.205kg/m3，運(yùn)動粘度ν=15×10-6m2/s，動力粘度μ=18.08×10-6 Pa·s。

　　固相:五礦營鋼提供的精礦粉，物性參數(shù)見表1。　　

　　表1精礦粉物性參數(shù)

　　Table 1 The physical properties of fine powder of magnetic iron ore
 

Sample	Grain size/μm	Specific surface area/m2·g-1	Bulk density/kg·m-3	Angle of repose/°
fine powder of magnetic iron ore	<75	2.5	2000	40

　　1-羅茨風(fēng)機(jī) 2-電子流量計(jì) 3-分布板 4-循環(huán)床本體5-旋風(fēng)分離器6-布袋除塵器7-出料罐8-U形壓力計(jì)圖1自制循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

　　Fig.1 Schematic diagram of the Lab-fabricated cold fluidized bed system.

　　自制循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。循環(huán)流化床由有機(jī)玻璃制成，床內(nèi)徑為140mm，高為1.7m，進(jìn)氣口直徑40mm，流化床底部的氣體進(jìn)口裝置采用的是錐形氣體分布器，分布板由法蘭固定在循環(huán)流化床底部的入口處，從循環(huán)流化床底部至頂部開幾個(gè)測壓孔，測定循環(huán)流化床中鐵礦粉的床層壓降。

　　試驗(yàn)時(shí)，空氣經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)送入流化床底部，經(jīng)過錐形氣體分布器后進(jìn)入流化床提升管，然后經(jīng)過旋風(fēng)分離器和布袋除塵器后排出。鐵礦粉通過加料倉加入到流化床內(nèi)，鐵礦粉和風(fēng)在單級循環(huán)流化床內(nèi)做復(fù)雜的氣固兩相流動，當(dāng)達(dá)到一定的風(fēng)速后，細(xì)小的鐵礦粉顆粒和氣體通過切向進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)分離器，并在旋風(fēng)分離器內(nèi)做復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動分離下來的微粒經(jīng)過返料閥進(jìn)入流化床提升管內(nèi)繼續(xù)循環(huán)、流化。試驗(yàn)時(shí)氣流量通過電子流量計(jì)讀出，流化床內(nèi)的壓降通過U形壓力計(jì)獲得。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1循環(huán)流化床提升管內(nèi)壓力梯度的軸向分布

　　圖2給出了循環(huán)流化床提升管中不同操作條件下的軸向壓力梯度分布曲線。由圖可見，壓力梯度沿提升管軸向的分布是由下到上逐漸減小至一恒定值。也就是說，在各種操作條件下，精礦粉顆粒在循環(huán)流化床提升管內(nèi)總是不斷加速(顆粒濃度不斷降低)。仔細(xì)比較操作條件對精礦粉顆粒加速至一恒定值過程的影響，可以發(fā)現(xiàn)：(1)在相同的操作氣速Ug下，裝料量的越少，精礦粉顆粒的加速效果越明顯，并且壓力梯度達(dá)到恒定值時(shí)的軸向位置離氣體分布器越近；(2)在加料量一定的條件下，當(dāng)增大操作氣速時(shí)，鐵礦粉顆粒的加速效果越明顯，并且鐵礦粉顆粒沿提升管軸向一直加速直至充分發(fā)展時(shí)的軸向位置離提升管出口越來越遠(yuǎn)；(3) 鐵礦粉顆粒沿提升管軸向是一直加速直至充分發(fā)展，沒有減速過程。

　　通過圖2還可以看出，當(dāng)裝料量不變，增大Ug時(shí)，同一高度截面上的壓降是減小的。分析原因，隨著Ug的增加，鐵礦粉顆粒的速度增加，那么鐵礦粉顆粒就會變稀，濃度減小，所需托起顆粒的曳力也減小，所以壓力梯度也減??；當(dāng)Ug不變時(shí)，壓力梯度是隨裝料量的增大而增大的，分析原因，風(fēng)速一定，鐵礦粉量增加，顆粒被流化的幾率就增加，曳力增加，所以壓力梯度也增加。分析單個(gè)曲線，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算可知，在流化床提升管的下半部分壓差變化率極端劇烈，而在上面則比較平緩，這與實(shí)際試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象比較相似。

　　2.2操作參數(shù)提升管內(nèi)壓力梯度的影響

　　為比較提升管不同截面上壓力梯度ΔP/ΔZ隨操作條件的變化特點(diǎn)，在此選擇了提升管中比較有代表性的5個(gè)截面來進(jìn)行分析。

　　2.2.1表觀氣速對不同高度截面上壓力梯度的影響裝料量保持不變，各個(gè)軸向截面上ΔP/ΔZ隨Ug的變化如圖3所示，由圖可見，提升管各軸向截面上的壓力梯度隨Ug的增大先增加后減小，分析原因，隨著氣速的增加，流化床處于由鼓泡流態(tài)化向湍流流態(tài)化狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，于是流化的鐵礦粉顆粒量增加，同一高度截面上的顆粒重量增加，所需托起顆粒的曳力也必將增加，所以壓力梯度也自然增加；但是，隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大，流化床轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖倭鲬B(tài)化，于是顆粒的速度也會增加，那么顆粒就會變稀，濃度減小，所需托起顆粒的曳力也減小，所以壓力梯度也減小。但在不同的床層高度位置，壓力梯度隨Ug的變化不同：在床層底部，壓力梯度隨Ug的增大下降很快，隨著截面高度Z的增加，Ug對壓力梯度的影響逐漸減?。辉诘撞考铀俣?，壓力梯度隨 Ug的變化最大，且相同 Ug條件下，相鄰截面間的壓力梯度數(shù)據(jù)相差也很大，這說明鐵礦粉正處于加速階段。

　　由3圖還可以看出，從Z＝1.15m到Z＝1.45m，壓降曲線幾乎相同，這說明在 Z＝1.15m 以上，鐵礦粉在提升管中已基本接近充分發(fā)展。

　　2.2.2裝料量對不同高度截面壓力梯度的影響

　　圖4給出了在保持 Ug不變時(shí)，各個(gè)軸向截面上ΔP/ΔZ隨裝料量的變化。由圖可見，在提升管不同截面上，壓降都表現(xiàn)出隨裝料量增加而增大的共同趨勢，但在不同高度截面上的具體變化規(guī)律卻明顯不同，表現(xiàn)出明顯的精礦粉顆粒上稀下濃的分布，隨著裝料量的增大，床層底部壓降上升很快，而上部則表現(xiàn)緩和。這是因?yàn)樵谔嵘艿撞考铀俣危龃笱b料量導(dǎo)致精礦粉顆粒濃度增大的同時(shí)，精礦粉顆粒之間的碰撞和集聚行為也增多，顆粒消耗的能量增大，所以用于加速精礦粉顆粒的能量就下降，同時(shí)精礦粉顆粒的集聚使顆粒所受的有效曳力降低，這種雙重作用導(dǎo)致在給定氣速下增加裝料量使顆粒在床層底部加速段所受的加速作用減弱，從而使得ΔP/ΔZ隨裝料量的提高呈顯著上升的趨勢，而在提升管上部稀相段，顆粒間的碰撞少，氣體主要用于輸送顆粒，所以改變裝料量所引起的顆粒輸送速率的變化比較平穩(wěn)，故ΔP/ΔZ隨裝料量的增加表現(xiàn)出較平穩(wěn)的線性關(guān)系，如圖4中，Z＝0.4m 和 Z＝1.45m 這兩個(gè)截面ΔP/ΔZ的變化曲線。

　　從圖4中還可以看出，從Z＝1.45m截面高度起，ΔP/ΔZ與裝料量的變化關(guān)系趨于穩(wěn)定，即壓力梯度不受截面高度的影響，此時(shí)顆粒在提升管中已達(dá)到充分發(fā)展。這也充分證明了圖2對提升管中兩相流動的軸向發(fā)展的描述。

　　2.3循環(huán)流化床內(nèi)鐵礦粉顆粒濃度的研究
……

　 關(guān)注“driinfo",手機(jī)上同步看直接還原、鋼鐵業(yè)內(nèi)文章