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大颗粒填充床堆积和阻力特性研究_刘柏谦.pdf

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第２７卷第１期徐州工程学院学报（自然科学版）２０１２年３月 Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｕｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ）Ｍａｒ．２０１２ 大颗粒填充床堆积和阻力特性研究 刘柏谦，谭培来，王立刚 （北京科技大学机械工程学院，北京１０００８３） 摘要：试验研究了市售烧结矿颗粒的形貌特征及其构成的密堆积填充床特征．研究显示颗粒形 貌对填充床堆积特性、流体穿过填充床的流动特性的影响确实存在．研究发现：烧结矿颗粒相对规 则，颗粒越小球形度越高；相同烧结矿颗粒不同密堆积的空间空隙分布不同；操作阻力或压降测量 显示了奇怪的数据，即阻力系数先升后降；试验范围内，最高操作速度下压降与床高成线性关系，速 度降低后这种线性关系不复存在． 关键词：大颗粒；烧结矿；填充床；形貌 中图分类号：ＴＦ３２５文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－３５８Ｘ（２０１２）０１－０００１－０８ 冶金是仅次于火力发电的第二大耗能行业，烧结机和焦炉都是高温气固反应装置，涉及到复杂的气固反 应．但烧结矿和焦炭冷却过程几乎不包含复杂的气固反应，由于可以回收大量的物理显热，受到的关注也越 来越多．很多文献已经研究了冶金工业中烧结矿颗粒尺寸、颗粒排列对气固传热效果的影响［１－４］．有些学者认 为很多实验室数据用于工业装置时出现矛盾［３］．除了床料尺寸外，另一个重要的影响因素是颗粒形貌以及由 于颗粒形貌和颗粒排列形成的孔隙率及其分布．无论从颗粒学还是从几何学、拓扑学等角度，很少有人深入 到工业运行角度来分析和解决颗粒形貌和尺寸等主要因素对各类床体（固定床、移动床或填充床等）的影响． 人们较多地关注了穿过床层的压力降和传热量与流动的关系（不考虑化学反应），更多地关注实验得到的经 验关联式（如Ｅｒｇｕｎ公式，Ｗｅｎ＆Ｙｕ公式和其它准则方程式等）．涉及到无法用数学手段描述的问题更习 惯于用经验常数或实验常数使经验公式与试验数据吻合．Ａｎｔｗｅｒｐｅｎ等［５］归纳了单尺寸球形颗粒填充床的 填充结构和有效导热率的研究成果，但由于限定在单一尺寸球形颗粒，只能属于理论基础研究范畴．尽管距 离工业实践比较远，但给出的总结仍具有重要参考价值．如球形颗粒填充床孔隙率轴向和径向分布都具有明 显规律．研究有效热导率遇到的主要困难是有效热导率，实际上是一个颗粒系统与流体之间的现象学问题， 而首先不是热物理性质的问题．也就是说在研究传热和流动之前，应该充分考虑到填充床结构因素．实际上， 十分重要的是孔隙率及其分布，它不仅影响压力降，还影响到气体分布（由此涉及到化学反应和局部传热系 数）． 大颗粒或较大颗粒的研究已经出现一些成果．其中有关于工业装置性能分析和优化方面的研究，Ｎｓｏｆｏｒ 等［６］进行的是烧结机余热回收分析；Ｅｒｒｅｒａ等［７］采用的是巴西钢厂的工业数据进行干熄焦装置的热力学分 析．有计算机模拟为主的研究［３－８］，有以实验研究为主的，如王国胜等［４］采用热成像仪和热电偶研究球团料层 的传热过程，看到布料方式对穿透深度和最高温度有明显影响，球团（颗粒）尺寸对传热有明显影响；冯妍卉 等［９］研究了干熄焦炉内的局部传热系数；蔡九菊等［１０］认为球团在竖炉内流动比较均匀，更接近于活塞流．从 装置性能研究气固过程的文献过于宏观，计算机模拟研究文献虽然涉及颗粒尺寸等关键参数，但缺乏可信的 工业数据验证，而以实验为主的文献过度依赖特定的实验条件，且理论处理的假设条件过于严苛．目前还没 有全面和深刻地认识填充床传热的物理本质．充分认识大颗粒填充床、大颗粒移动床的气固特性，对完善气 固传热理论、完善烧结矿冷却装置、干熄焦装置、湿法熄焦装置的设计准则以及发明新的工艺过程都具有明 显的科学技术意义．本文沿用小颗粒研究的理论路线探索大颗粒填充床一些主要的技术特征，为大颗粒填充 收稿日期：２０１１－１１－１１ 作者简介：刘伯谦（１９５８－），男，吉林人，教授，博士，博士生导师，主要从事燃料清洁燃烧和工业废热回收利用研究． ·１· 书 徐州工程学院学报（自然科学版）２０１２年第１期 床热过程装置设计提供基础数据． １大颗粒填充床试验研究 １．１大颗粒的几何特性 试验物料是市售商品烧结矿，按照标准采样方法采集１００个颗粒，采用细沙填埋法测量颗粒体积，同时 采用排水法验证．按照Ｈａｙｗｏｏｄ方法测量颗粒的几何特征，颗粒的最大尺寸是颗粒稳定放置后获得的最大 尺寸，称作最大投影长度Ｌ．在最大稳定平面上与Ｌ垂直的最大投影长度叫做颗粒宽度ｂ．用与最大稳定平 面平行的平面由远及近靠近颗粒，两个平行平面接触颗粒时获得的颗粒尺寸称作颗粒的高度． 颗粒形貌可以用上述测量的数据计算指数和球形度指数的表达式是 ＺｉｎｇｇＫｒｕｍｂｅｉｎ．Ｚｉｎｇｇ