（化学工程专业论文）炼焦煤气固流化移动床调湿分级工艺研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 煤调湿是一项提质降耗方面的技术。主要利用废热( 上升管荒煤气和烟道废气的热 量) 对装炉煤进行干燥处理，入炉煤水分由1 0 降至6 ，达到降低焦炉结焦热耗和提 高焦炭质量的目的，亦保证了焦炉的连续稳定操作。本课题研究的是最新一代的流化床煤 调湿工艺，原料煤在流化移动床内进行调湿的同时，完成对颗粒分级的要求，实现调 湿分级的一体化。 本研究首先通过小试流化床设备进行炼焦煤的流体力学和调湿的实验研究，从流化 床流场和温度场两个方面确定煤调湿分级特定参数，考察操作气速，颗粒直径的变化 对床层阻力，床层高度的影响，根据不同粒级煤的流态化曲线确定炼焦煤颗粒的有效流 化范围和相应床层高度，为中试实验的设计提供必要的参考依据；考察操作气速，进 风温度的变化对煤颗粒干燥过程的影响，根据炼焦煤颗粒的干燥曲线，确定煤颗粒含水 量由1 0 降低到目标值6 所需停留时间应控制在3 0 s , - - 一4 0 s 的范围内，并与静态干燥曲 线相比较，流态化干燥方法干燥速度快，效果明显。依据小试实验所得数据，设计制作 了中试流化床设备，并进行了试验研究，确定在给定的进料量与进口气体温度的条件下， 通过调节操作气速可以保证调湿后煤的湿含量维持在6 左右，并且需要的调湿时间仅 为3 0 s ；分级后的煤样粗细颗粒各约占4 0 ，进破碎机的煤料量约减少一半，节约动力 消耗。说明采用流化移动床调湿与分级一体化试验装置进行煤的气流分级调湿的技术 方案是可行的。处理量3 0 0 t h 的工业装置已于2 0 0 7 年1 0 月1 日于济南钢铁集团有限公 司一次试车成功。 通过对煤调湿中试实验设备中多极移动式刮板的研究及其诸多优点的启示，本研究 认为对加入外力的流场研究是很有价值的。所以对小试设备进行改造，在流化床中加入 搅拌装置，但使搅拌转速控制在5 r m i n 左右不同于传统意义的搅拌( 传统的搅拌式流化 床的转速一般在3 0 - 4 0 r m i n ) 与中试设备的刮板的作用相似。对其进行了流体力学特性 及传热性能的研究，并得该设备的表面传热系数准数关联式。 关键词：煤调湿；分级；流化一移动床；干燥 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 c o k i n gc o a lm o i s t u r ec o n t r o lw i t hp a r t i c l es e g r e g a t i o ni nf l u i d i z e d m o v i n gb e d a b s t r a c t c o a lm o i s t u r ec o n t r o li st h em o d e mt e c h n o l o g yt oi m p r o v ec o a lq u a l i t ya n dd e c r e a s e c o n s u m p t i o n i nt h i sp r o c e s sm a i n l yu s et h ew a s t eh e a ti n s t a l l e dh e a t e r st o 山yc o a l ，m a k et h e c o a lm o i s t u r ef r o m10 t o6 i no r d e rt or e d u c et h e r m a lc o k i n gc o k ec o n s u m p t i o na n d i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ec o k e ，a l s oe n s u r et h ec o n t i n u o u ss t a b i l i t yo fc o k eo v e no p e r a t i o n s 砀es t u d yo ft h es u b j e c ti st h el a t e s tg e n e r a t i o no fc o a lm o i s t u r ec o n t r o ld e v i c ef o rr a w m a t e r i a l si naf l u i d i z e db e dc o a lw i t h i nh u m i d i t y ，a n dt h r o u g ht h er e s e a r c ho fp a r t i c l e s f l o w i n gi naf l u i d i z e db e d ，w ec a l lc o m p l e t et h ep a r t i c l ec l a s s i f i c a t i o n ，a n dr e a l i z et h e i n t e g r a t i o np r o c e s so fb o t hm o i s t u r ec o n t r o la n dp a r t i c l ec l a s s i f i c a t i o n t h ef i r s ts e c t i o nb ys m a l lc o k i n gc o a lf l u i d i z e db e de q u i p m e n ti sf o rt h ef l u i dd y n a m i c s a n de x p e r i m e n t a ls t u d yf r o mf l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d i n s p e c t i n go p e r a t i o ng a sv e l o c i t y ， p a r t i c l ed i a m e t e ro ft h er e s i s t a n c et op r e s s u r eo nt h eb e da n dt h eb e dh e i g h to ft h ei m p a c t ， a c c o r d i n gt od i f f e r e n tg r a i nf l u i d i z a t i o no ft h ec o a l e o k i n gc o a lp a r t i c l e s ，t h ee f f e c t i v ef l o wo f t h es c o p ea n dc o r r e s p o n d i n gb e dh e i g h ti sd e t e r m i n e d ，t h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o no ft h e e x p e r i m e n t a ld e s i g ni sp r o v i d e d i n s p e c t i n gt h ec h a n g e so fo p e r a t i o ng a sv e l o c i t y ， t e m p e r a t u r eo fc o a lp a r t i c l e st ot h ed r y i n gp r o c e s s ，t h et i m eo fp r o c e s sw h e nt h ew a t e rc o n t e n t o fc o a lp a r t i c l e sd e c l i n ef r o mt e np e r c e n tt os i xp e r c e n ts h o u l db ec o n t r o l l e di n3 0 s 4 0 s i ti s p r o v e dt h a tf l u i d i z a t i o nd r y i n gm e t h o di sf a s t e rt h a no t h e r s ， f l u i d i z e db e dt e s t i n ge q u i p m e n t ，d e s i g n e di ns e c o n ds t u d yi sap i l o ts t u d yt od e t e r m i n e t h ep r o g r e s sd a t a 、i 廿lg i v e ni m p o r t so fg a sa n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s b yr e g u l a t i o no ft h e o p e r a t i o no fg a sv e l o c i t y ，c o a lm o i s t u r ec o n t e n td e c l i n et oa b o u t6p e rc e n t ，a n dt h ed r y i n g t i m ei so n l y3 0s ：t h ec o a lp a r t i c l ec l a s s i f i c a t i o ni sa b o u t4 0p e r c e n t ，m a t e r i a li n t ot h ec o a l c r u s h e ri sa b o u th a l fr e d u c e d t l l i st e c h n o l o g yi sf e a s i b l e n 圮i n d u s t r i a la p p l i c a t i o nw a s o p e r a t e ds u c c e s s f u l l yo no c t o b e r1 2 0 0 7i nj i n a ni r o na n ds t e e lg r o u pc o l t d t h r o u g hf o r m e rs t u d y ，t h i ss t u d yo fa d d i n go u t e re n f o r c et ot h ef l o wf i e l di so fg r e a t v a l u e s ot e s te q u i p m e n ti ss m a l lt r a n s f o r m e d ，s t i r r i n gd e v i c e sa r ej o i n e di n t of l u i d i z e db e d , b u tt h es t i r r i n gs p e e di sc o n t r o l l e di nt h e5r m i na r o u n d i ti sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l s e n s eo fa g i t a t i o n ( t r a d i t i o n a lm i x i n gt h es p e e di sg e n e r a l l y3 0 - 4 0r m i n ) a ne x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d i z i n gb e h a v i o r1 1 l ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a tt r a n s f e rb e t w e e n 大连理工大学硕士学位论文 a i ra n dp a r t i c l e sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e m b r a n e - a s s o c i a t e d e q u a t i o nw a so b t a i n e d ，a n dt h ee r r o rb e t w e e nc a l c u l a t e d k e yw o r d s ：c o a lm o i s t u r ec o n t r o l ；p a r t i c l es e g r e g a t i o n ；f l u i d i z e d m o v i n gb e d ；d r y i n g i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：二圣宪l 轧 导师签名： 出年l 月4 日 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圣基圆日期：銎型笪：丘：z 大连理工大学硕士学位论文 引言 钢铁是工业、农业、国防等产业以及国家建设的重要基础材料。在一定时期内钢铁 产量是一个重要的经济指标，产量的多少还被看作是一个国家综合国力的间接体现，可 以说钢铁是一个国家的脊梁。 焦炭是炼钢炼铁的基础原料，它利用氧化还原反应，将铁矿石中的氧化铁f e 2 0 3 还 原为铁。因此，焦炭的质量及成本的消耗就成为制约钢铁工业发展重要因素。提高焦炭 的质量以及降低炼焦的成本一直以来为钢铁企业、各科研院所和国家所重视，焦炭生产 的每一个环节的研究都有着重大的经济意义与社会意义。 我国是一个煤炭开采生产大国，同时也是一个钢铁生产大国，因此我国就成为一个 焦炭生产和消费的大国。焦炭的生产牵涉到经济、资源、环境、社会等诸多重大方面， 在当今国家大力建设节约型社会，构建和谐社会的时代背景下建立一个更加节能更加环 保更加经济的新焦炭生产技术具有极其重要的时代意义和现实意义。 在研究总结焦炭生产的各环节中，煤炭的配比、分选及调湿的质量好坏是影响炼焦 质量和成本的关键因素。鉴于此，对于炼焦用煤的分选及调湿的研究具有很强的经济和 社会利益。在2 0 世纪9 0 年代之前，已经有很多关于分选与调湿的研究，但是没有出现 将之一体化的工艺过程研究。近年来，随着科学研究的进一步展开，分选调湿一体化的 设想被提出，但是依然处于起步和不成熟阶段。在此背景下，大连理工大学干燥教研室 与济南钢铁集团有限公司就焦化备煤( 也称配煤) 流化床调湿分级一体化工艺共同进行 了研究，并成功完成了科研任务，处理能力为3 0 0 t h 的炼焦煤气流调湿分级一体化工艺 的已于2 0 0 7 年1 0 月1 日一次试车成功。 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 1文献综述 1 1我国炼焦煤现状 1 1 1 炼焦用煤现状 随着我国钢铁工业的快速发展，强力拉动了焦炭市场的持续火爆，产能不断提高。 2 0 0 3 年焦炭产量达1 6 亿t ，2 0 0 4 年达1 7 8 亿t 之多。用于炼焦的主要炼焦煤资源 短缺，价格一涨再涨，炼焦成本极大增加。目前全国有大中小各类焦炉l9 0 0 多座，产 能达1 8 亿t 之多，在建大中型机焦炉7 8 座，产能达31 4 7 万t ，拟建焦炉5 5 座， 产能约27 3 0 万t 【l j 。虽然我国煤炭资源十分丰富，从目前供应上看炼焦煤资源还相对 较少，炼焦煤储量仅占我国煤炭总储量的2 6 1 2 5 。更加棘手的是强粘结性煤稀缺，肥 煤、气肥煤储量和焦煤储量分别仅占我国煤炭总储量的3 1 3 7 和6 1 2 0 。如果观察其 占炼焦煤储量比重，也可以看出，肥煤、气肥煤和焦煤分别占其储量的1 2 1 8 1 和2 3 1 6 1 ，两者之和也不过占炼焦煤储量的l 3 列2 1 。还应该注意的是，这些强粘结性煤储 量中还包括相当数量的难选、高硫煤资源，它们不能用作炼焦原料。因此，我国强粘结 性煤资源是稀缺和宝贵的。在全国焦炭需求激增的情况下，主焦煤、肥煤由于资源量限 制，供应明显趋紧，价格也不断上扬，其中已经有部分炼焦企业已开始进口炼焦煤：而 1 3 焦煤、肥煤和气煤等炼焦配煤资源相对丰富，供应较为充足。在这种情况下，通过 扩大炼焦用煤，来降低炼焦成本，提高焦炭质量，增加化学产品的产率，成为解决炼焦 煤短缺的有效途径。同时可以合理利用我国煤炭资源优势，开发和扩大炼焦用煤的种类， 节约优质焦炭。 1 1 2 备煤的意义及配合煤的质量要求 备煤也称配煤，顾名思义，就是由气煤、肥煤、瘦煤、正焦煤、l 3 焦煤、弱粘煤、 无烟煤、贫煤、贫瘦煤等煤种按照适当的比例配合使用已达到炼焦质量要求、经济要求 以及合理利用煤炭资源的意思。由炼焦用煤的主要原料正焦煤的资源限制，价格上涨， 所以必须用其他煤种按照一定比例配合使用，作为炼焦的原料。这样既可以保证焦炭的 质量，又可以保证降低炼焦成本。 炼制冶金焦的配合煤应具有的质量要求：配合煤( 即入炉煤) 的干燥无灰基挥发分范 围为2 5 3 0 ；胶质层最大厚度y 值一般为1 5m m - - - 2 0m m ；硫分不大于l ；灰 分不高于1 0 ；水分应小于1 0 ；配煤的粉碎细度应为小于3m m 的煤粒占8 0 大连理工大学硕士学位论文 8 5 【3 j 。为保证炼焦质量，要对配合煤质量指标：水分、灰分、挥发分、硫分、胶质层 厚度、膨胀压力、粘结性及细度等进行严格控制。因为： ( 1 ) 配合煤水分是否稳定，主要取决于单种煤的水分。水分过小，会恶化焦炉装煤 操作环境；水分过大，会使装煤操作困难。通常水分每增加1 ，结焦时间约延长1 0 m i n1 5m i n 。另外装炉煤水分对堆密度有影响，煤料水分低于6 - - 7 时，随水分降 低，堆密度增高。煤料水分大于7 ，堆密度稍有增加，这是由于水分的润滑作用， 促进煤粒相对位移所致，但水分增高，水分汽化热大，煤料导热性差，会使结焦时间延 长，炼焦耗热量增高。所以装炉煤水分不宜过高，水分过高不仅影响焦炭产量，也影响 炼焦速度，同时影响焦炉寿命。要力求使配煤的水分稳定，以利于焦炉加热温度稳定。 ( 2 ) 煤料中的灰分几乎全部转入焦炭中，因此要严格控制配煤灰分。一般配煤的成 焦率为7 0 - - 8 0 ，焦炭的灰分即为配煤灰分的1 3 倍 - 1 4 倍。灰分是惰性物质， 灰分高则粘结性降低。灰分的颗粒较大，硬度比煤大，它与焦炭物质之间有明显的分界 面，而且膨胀系数不同，当半焦收缩时，灰分颗粒成为裂纹中心，灰分颗粒越大则裂纹 越宽、越深、越长，所以配合煤的灰分高，则焦炭强度降低。高灰分的焦炭，在高炉冶 炼中，一方面在热作用下裂纹继续扩展，焦炭粉化，影响高炉透气性；另一方面在高温 下，焦炭结构强度降低，热强度差，使焦炭在高炉中进一步破坏。 ( 3 ) 硫在煤中是一种有害物质，在配煤炼焦中，可通过控制配煤比调节配合煤的硫 分含量，使硫分控制在1 左右。而且在确定配煤比时，必须同时兼顾对焦炭灰分、硫 分、强度的要求。降低配合煤硫分的根本途径是降低洗精煤的硫分或配用低硫洗精煤。 ( 4 ) 配合煤挥发分v d a f 的高低决定煤气和化学产品的产率，同时对焦炭强度也有影 响。在常规炼焦时，配合煤料适宜的挥发分v d a f = 2 6 - - 2 8 ，此时焦炭的气孔率和 比表面积最小，焦炭的强度最好。若挥发分过高，焦炭的平均粒度小，抗碎强度低，而 且焦炭的气孔率高，各向异性程度低，对焦炭质量不利。若挥发分过低，尽管各向异性 程度高，但煤料的粘结性变差，熔融性变差，耐磨强度降低，可能导致推焦困难。 ( 5 ) 配合煤的粘结性指标是影响焦炭强度的重要因素。根据结焦机理，配合煤中各 组分的煤塑性温度区间应彼此衔接和依次重叠。以此为基础的反映粘结能力大小指标的 适宜范围为：粘结指数( 3 - - 5 8 - - 7 2 ，胶质层最大厚度y = 1 6 r a m - - 2 0m m ，奥亚膨胀度 指标b tt 5 0 。 ( 6 ) 细度过低，配合煤混合不均匀，焦炭内部结构不均一，强度降低；细度过高， 不仅粉碎机动力消耗增大，设备生产能力降低，而且装炉煤的堆密度下降，更主要的是 细度过高，反而使焦炭质量受到影响。因为细度过高，煤料的表面积增大，生成胶质体 时，由于固体颗粒对液相量的吸附作用增强，使胶质体的粘度增大而流动性变差，因此 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 细度过高不利于粘结。故要尽量减少粒度小于0 5 衄的细粉含量，以减轻装炉时的烟 尘逸散，以免造成集气管内焦油渣增加，焦油质量变坏，甚至加速上升管的堵塞。 1 2 气固流态化干燥 1 2 1 气固流化床技术研究现状 流态化技术自1 9 2 1 年发明以来，干燥是其应用最早的领域之一。世界上第一例工 业应用的流态化干燥器为1 9 4 8 年美国用于干燥白云石的干燥器 4 1 。我国在化工生产中应 用流化床干燥器始于六十年代初期，至1 9 6 5 年，已有硫酸铵、碳酸氢铵、碳酸钙、氨 基匹林、对苯二甲酸等无机盐和有机湿物料的干燥应用流化床干燥器。到八十年代中期， 据不完全统计，全国已有3 0 0 多个品种的物料应用流化床进行干燥生产1 5 j ，其类型主要 分为单层、多层( 2 5 层) 、卧式、喷雾流化床、喷动流化床等。 广义上讲，流态化就是一种使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体状 态的操作。由于实际上流态化在几乎所有重要的工业应用都与气固流化系统有关，所以 对流态化的研究多为气固流化系统，本文亦主要讨论气固流化系统。 流态化干燥与烘箱干燥等传统的干燥方法相比，突出的优点是其温度均匀且易于控 制，气固两相接触充分和传热传质效率高。由于床层内颗粒的剧烈运动，流化床内是等 温的；由于干燥过程中气固两相逆流接触，固体颗粒悬浮于干燥介质中，因而流体与固 体接触面积较大，热容系数可高达8 4 0 0 2 5 0 0 0 k j m 3 h o c ：又由于物料搅动，大大减少 了气膜阻力，传热效率较高，可达6 0 8 0 ( 干燥结合水时为3 0 4 0 ) t 6 。 但普通流化床( 指早期的单层圆筒流化床) 也存在下列较严重的缺点：1 ) f f l 于气泡现 象，使流化不均匀，相间接触效率不高且工程放大较困难。2 ) 物料停留时间分布极不均 匀，难以获得湿含量均一的产品，甚至可能有产品因过度干燥而变质；3 ) 动力和热能消 耗大；4 ) 只能处理松散的粉状和粒状物料，对于初始湿含量大的物料，必须经过预干燥 之后才能用普通流化床进行干燥。为解决这些问题，在流态化基本构思的基础上，进行 了一系列改革和发展【7 j 。 卧式流化床干燥机可能是最早的改进，6 0 年代就已广泛的应用。它使物料从一端加 入，另一端卸出，对物料而言，相当于多个方形截面流化床串联系统。其主要特点是改 善了物料停留时间分布，从而制得均匀干燥的产品。另一优点是很容易使物料的冷却和 干燥结合在同一设备中进行，简化流程和设备。这类干燥机目前在工业上应用相当普遍。 离心流化床干燥机也是流态化干燥的重大改进之一。其原理是在机械转动造成的离 心力场作用下，使粒状物料分布在圆筒多孔壁上，热气流穿过多孔壁使之流化干燥。它 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 适用于处理大颗粒，小密度物料，如方便米饭等起始流化速度与吹出速度相接近的一类 物料。 流态化干燥最重大的改进当推振动流化床的开发和应用。振动流化床干燥机将整个 机体通过弹簧支撑在底座上，物料依靠机械振动和气流双重作用流化，并在振动作用下 向前运动。它具有非常突出的优点：在很低的气速下即可获得均匀的流化，从而大大降 低了能耗、颗粒间的磨损和粉尘夹带；物料停留时间分布均匀且易于调节控制，因此可 获得干燥均匀质量符合要求的产品；还可以处理形状不规则的物料。我国自1 9 8 5 年引 进以来迄今已广泛用于化工、医药、轻工、食品、饲料、矿冶、林业等行业中粉状、粒 状、条状和片状等物料的干燥。 在面临能源危机，大力提倡环保、节能技术的今天，气固流化床以其高效节能的 特性，仍具有很高的研究价值和发展潜力。 1 2 2 气固流态化过程的基本概念 气体或液体 i 低速j ( a ) 固定床 ( 1 ) 固定床阶段：当流体通过床层的流速较低时，物料颗粒静止不动，床层高度不 变。而压力降a p 则随速度u 增加而增大。当流体流速u 增大到某一数值，此压力降近 似等于单位面积床层上物料的实际重量时，颗粒开始松动，床层高度略有膨胀，床层空 隙率也略有增加，然而床层整体并无明显的运动，如图1 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 流化床阶段：当流体速度增加到一定值时，颗粒开始被流体吹起并悬浮于流体 中作自由运动，颗粒间相互碰撞、混合床层高度上升。整个床层呈现出类似液体的形态， 如图1 1 ( b ) 所示。此时的流速称为起始流化速度u o ，即“临界流化速度 ，也称“最小 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 流化速度”，用u m f 表示。此时的床层空隙率成为“临界空隙率一，用em f 表示。当流 速继续增加时，床层将继续膨胀，床层空隙率也随之增加。流体的压降a p 只是消耗在 托起固体颗粒的重量上。所以此时的床层阻力等于单位面积床层的实际重量。此时流化 床呈现如图1 1 ( d ) 所示的情况，即当u u o 时，任何额外的流化气体均将作为气泡通过 颗粒床层，这些气泡在分布板上开始时小气泡；然而它们很快合并，并且向上穿过颗粒 层，引起了流化床粒子的强烈混合【引。 ( 3 ) 输送阶段：若流速继续增高，床层高度大于容器高度，颗粒则被流体带走，床 层颗粒减少，空隙度增加，床层压力减小。当流速增加到某一值，是流体度颗粒的阻力 和颗粒的实际重量相平衡，此时的流速称为“带出速度u t 或“最大流化速度、“悬 浮速度 ( 自由沉降速度) 。若流体的速度稍高于带出速度，颗粒则被流体带走。此时流 化床变为图1 1 ( e ) 所示的情况。 ( 4 ) 散式流态化和聚式流态化：如图1 1 ( c ) 中所示的流化现象是液固系统( 液体和固 体颗粒) 的流体化，实际上只有液固系统与理想状态比较接近。大多数液固系统流化床 中流体与颗粒都均匀分散平稳流化，这种流化状态称为“散式流态化 。 气固系统流化床的特点是床层内各点空隙率不一，气体聚集为气泡，在颗粒群中 运动，此状态称为“聚式流态化一，如图1 1 ( d ) 所示。 1 2 3 流化床的类似液体的特性 流化床有很多类似于流体的特性，如图1 2 所示： ( a ) 将轻物体放入流化床之中，轻物体会浮在流化床上界面，宛如轻物体浮在水上一 般。 ( b ) 将床层倾斜，流化床上界面仍然保持水平，宛如水面永远保持水平。 ( c ) 流化床不同高度之间存在压力差。 ( d ) 流化床侧面开孔，由于压力作用，流化物溢出。 ( e ) 将两个床层高度不同的流化床联通，床层上界面将拉平【8 】。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 伽 ( b )( c j 图1 2 流化床的类似流体特性 f i g 1 2 s i m i l a rf l u i dc h a r a c t e ri nf l u i d i z e db e d 1 2 4 气固流态化过程中的研究参数 ( 1 ) 流化床的床层高度一 流化床的直径与床层高度是流化床设备的主要尺寸。床高由两段高度决定，即由流 化床床层本身( 床层上界面以下的床层，也称浓相区) 和床层上界面以上的分离高度( 称 为稀相区) 组成。 流化床的浓相区高度与气体的实际速度，也即与床层空隙率有关。即当气体速度大 于最小流化速度时，流速越大，则床层也越高。由于床层内颗粒质量是恒定的，所以浓 相区高度三与床层的起始流化高度三村之间有如下关系： 彳l ( 1 ) 岛= a l o - g ) 只例 ( 1 1 ) 流化床的床层高度与气体流速有对应关系，可采用床层高度与气体流速的特性曲线 或者床层密度与气体流速特性曲线来表现特定物料的流化特性。 鞠 5 s 盖兰 苫 _ 吾巧 l 曲 uc suc h s 图i 3 流化床的特性曲线【1 0 l f i g 1 3 c h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d i z e a lb e d 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 ( 2 ) 流化床空隙率f 床层空隙率，或称自由体积百分数，即：颗粒间的空隙体积圪占整个床层体积圪 的百分数。 ：v b - v p ：l 一堕 ( 1 2 ) nn v b 巧= 圪( 为颗粒总体积) 。从上式可以看出，f 数值越小，床层内颗粒所占体积越大。 ( 3 ) 床层阻力4 尸 床层阻力是指流体通过床层的压力降a p ，流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流 速( 空床速度) 之间的关系可由实验测得。图1 4 是以空气通过砂粒堆积的床层测得的 床层阻力与床层气体流速之间的关系。由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗 粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程： 当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保 持恒定。作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受的净重力相等，而 总曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即： p ，彳= 彳l ( 1 一占) ( 成一p ) g 1 q ( 1 3 ) 式中彳床层截面积，m 2 ； 三床层高，m ； p 床层空隙率； p 广固体颗粒的密度，k g m 3 。 p 流体密度，k g m 3 。 空气速度u c m 一 图1 4 流化床阻力与气体流速的关系( 空气砂粒系统) f i g 1 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg a sf l o wr a t ea n dp r e s s u r e 大连理工大学硕士学位论文 1 2 5 流态化现象中的经验公式 ( 1 ) 床层流化过程中的经验公式 流体从下向上流过颗粒床层，在低流速下，固体颗粒不因流体的经过而移动，这种 状态称为固定床。随着流体流速的增加，流体通过固定床层的阻力也不断增加。固定床 中流体流速和压降的关系可用经典的e r g u n 公式【1 2 】来表达： 垒三- - 1 5 0 半赫d 扎7 5 。孑籍d m 4 ， 三 占_ 3j p 尸占_ 3丸。j p ，1d 、 式中的压降代表两个因素，粘滞能量损失和动能损失。在低雷诺数的情况下，粘度 损失占主导，上式可简化为： a 三p = 1 5 0 。警赫胧。 m 5 ， l g 胛 帜d p ，p d 刀n，1n 在高雷诺数的情况下，只需考虑其动能损失，则式1 4 可简化为： 垒：1 7 5 警丝：竺! 三 s 一矿， d p 如 1 0 0 0 ( 1 6 ) 继续增加流体流速直到床层压降等于单位床层截面积上的颗粒重量，此时由于因流 体流动而作用于颗粒的曳力与颗粒的重力相平衡，颗粒在流体中悬浮起来，系统开始进 入流化状态。这一时刻的流体速度称为临界流化速度或最小流化速度，用符号u m f 表示。 此后如果继续增加流体流速，床层压降将不再变化，但颗粒间的距离会逐渐增加以减小 由于增加流体流量而增大的流动阻力，即增加流速会使流化床的空隙率增加，这种现象 被称之为流化床的膨胀。 1 2 6 气固流化床传热特性研究 流态化系统之所以被广泛的用于各种有强热效应的工艺过程，其主要原因是在流化 床中能获得高的传热效率。因此，气固流化床中的传热规律一直是流态化基础研究的一 个重要课题。 在流化床中，由于固体颗粒的剧烈混合，实际上流化床内部是等温的；而且流化所 用的固体颗粒一般尺寸比较小，所以其内部阻力通常可忽略不计。这样，对流化床的传 热研究就主要包括两方面：1 ) 床层与床层内浸表面或床壁面间的传热，2 ) 流化气体与固 体颗粒间的传热。 ( 1 ) 床层与壁面间的传热 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 床层与器壁间的传热系数由下式给定： g = 彳wk a t ( 1 7 ) 式中g 为传热速率，彳w 为换热面的面积，4 r 为平均温差。由于床层代表着气固间的一 种复杂的相互作用，所以任何说明这种性状的通用关联式将包含许多因素。不计辐射效 应，对流过程中应考虑的变量有： 气体的性质：密度风，黏度，比热，导热系数砧。 固体的性质：直径彩，密度庙，球形度诲，比热c _ ，导热系数旯。 临界流化时的条件：表观速度u m f , 空隙率岛，o 流动条件：表观速度1 1 0 ，空隙率印 几何特性：床层直径历，静止床层高度厶等。 已有许多实验研究报道过流化床与器壁间的传热，由于研究结果比较分散，且与本 文关系不大，故不再详述。 ( 2 ) 流化气体与固体颗粒间的传热 对流化床中颗粒与流体间的传热，前人也已进行了大量的研究工作。基本上有两种 实验方法用于求取流化床中气固间的传热系数：稳态法和非稳态法【1 3 - 1 4 1 。 在稳态法中，通常假定气体和颗粒温度在开始时都是均匀的，穿过床层的气体为活 塞流，固体颗粒在床层中为理想混合，颗粒可保持均一的温度。通过壁面的传热或由添 置新鲜冷颗粒来保持床层的热稳定状态。不考虑热损失，并忽略辐射传热，就可以通过 测定靠近床层进口处气体温度的改变来求得传热系数。热气体的能量平衡为： c 昭甜g p g d t = h 昭口( 乙一r , ) d l ( 1 8 ) 由此求得平均传热系数： 小半h 旨 9 ， 其中a = 6 ( 1 - 回磊。 在非稳态法中，认为出口气体温度是随时间变化的。在不考虑热损失的情况下，测 定气体在进、出口处的温度，并根据计算得到颗粒在任意时间的温度，则有： 气体通过床层失去的热量= 颗粒获得的热量 大连理工大学硕士学位论文 c 。甜。p 。口( l 一生d 形 c 馏甜g 户g d t = k 口( 乙一t s ) d l = c v , 卫d t 挪 ( 1 1 0 ) 叫盒辟多j 式( 6 - v 一 一一 ：单一。朋，电 荔 一：一 ： 式 ：竺二知一 一 矿 1 3 融；a 1 m 谶1匕床 。 声 ! ， 局叶 图1 5 气体与颗粒间传热数据的关系 f i g 1 5 t h er e l a t i o n s h i po fh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h eg a sa n dp a t i c l e s 图1 5 中汇总了一些传热系数的数据。其中，单个颗粒的传热系数的曲线根据w e r a n z 等【1 5 】得出的计算式 m 旷2 + 0 6p r 7 钮p 。力( 1 1 1 ) 绘出，固定床的传热系数的曲线根据k u n i i 和l e v e n s p i e l 1 6 1 给出的计算式 僻+ 1 8p r 7 刀r e 7 刀 r e 1 0 0 ( 1 1 2 ) 绘出。同时，k u n i i 和l e v e n s p i e l i l 】对大量的实验数据进行检验，回归得到流化床中传热 系数关系 删3 r e 7 ，( 1 1 3 ) 从图1 5 中可以看出，在高雷诺数( r e 1 0 0 ) 范围，固定床和单个颗粒的气固传热 系数具有相同的量级，流化床的气固传热系数介于它们之间。固定床中气固传热系数较 流化床中的高，其原因在于，固定床中气固之间的相对滑移速度较高。流化床中，虽然 气体表观速度增加了，但气固之间的滑移速度并没有变化，仍维持在吲w 的范围。气 固之间的相对速度是决定气固之间传热的关键因素。流化床和固定床的气固传热优于单 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 个颗粒在流体中的传热是由于气体流向的不断改变增加了气体的流动途径，从而形成附 加流动，增加了颗粒表面的湍流程度。固定床内这种流体流向的变动更为频繁，因此， 在高雷诺数区，固定床内气固传热系数略高于流化床中的传热系数。当r e 1 0 0 时，根 据图中所示，流化床中气固传热系数随船数的降低迅速降低，而且远低于单个颗粒系 统。其原因可能来自多方面，如温度测量的误差，因无法直接测量固体颗粒温度而以算 术平均温差计算所得到的结果是偏低的：另外，流化床中气体流动的横向分布的不规 则性也使传热推动力减小；气体和颗粒实际的相间接触面积在流化床中比颗粒的总表面 积要小，也使得 p c 降低。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 流态化干燥过程中恒速干燥阶段的传热系数关联式 t a b 1 1t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e ri nf l u i d i z e dd r y i n gp r o c e s so fc o n s t a n ts p e e dd r y i n g 霉 作者适用范围关联i i _ i 一 k e t t e n r i n g 。 m 锄d e r f i e l d 3h e e n i e s s h i - j a n f o u 4 r o m a n k o v r a s h k o v s k a 。 k u n i i 。l e v e n s p i e i 6 裟n 7m l o d z i n s k i 8 l y k o v 9z a b r o d s k i l og a l l i s o n l lj u - c h i n - c h u 1 2f r a n t z 1 3l e v a 14 g e l p e r i n 15 c i e s i e l c z y k m r o w i e c 1 6k m i e c 9 r e 5 5 8 8 r e 5 2 3 5 5 r e 2 8 0 7 8 5 r p 13 0 6 r e 5 0 5 r e 3 0 r e ， l o 1 0 r e u 1 0 0 r e u 1 0 0 r e u 3 0 8 r e 8 0 8 r e 1 0 0 r e 6 0 2 0 0 3 6 1 r e 1 2 5 1 2 4 1 0 3 划， 1 8 7 1 0 6 1 1 4 水1 8 1 1 2 1 h d d , 7 0 5 1 0 r e 1 2 5 2 8 10 3 “r 1 8 4 1 0 6 1 2 1 水1 4 1 13 h o d s 3 m m 的进粉碎筛， 3 m m 的可 以直接进焦炉。所以首先将煤颗粒筛分为平均粒度磊q 5 m m 、2 5 m m d p 3 2 m m 、 3 2 m m d p 4 m m 的三个级别，分别对其流体力学性质和热力学性质进行测定。 ( 2 ) 煤颗粒流体力学性质的研究 最小流化速度，的确定 将实验煤颗粒放入流化室中，调节转子流量计，使气体流速在零到最大流速范围内 变化，记录u 型管压差计读数，绘制床层阻力厶尸“的特性曲线，在曲线上读取最小 流化速度值。 由于实验目的在于煤炭分离和调湿，因此本论文不作带出速度部分的研究，所以流 炼焦煤气固流化一移动床调湿分级工艺研究 速的上限设为转子流量计的上限。而调湿时气体流速的确定是以分离颗粒的气体流速为 依据的，即欲分离目标颗粒的最小流化速度，此速率应以流体动力学实验绘制的a p - u 特性曲线查得。 床层高度日对气体流速材的特性曲线 将实验煤颗粒放入流化室中，调节转子流量计，使气体流速在零到最大流速范围内 变化，根据流化床内置标尺，目测床层高度，绘制床层高度肛甜的特性曲线。 ( 3 ) 煤颗粒热力学性质的研究 床层温度的确定 床层温度的选择要以工程实际为依据，焦炭生产企业一般用烟道气等废热气进行调 湿，其温度一般在2 0 0 左右，与床层中的煤颗粒剧烈混合进行热、质交换。因调湿过 程中，主要蒸发掉的是煤颗粒的表面水分，且煤颗粒湿度不能低于6 ，即不能达到绝 干，床层煤颗粒的温度即不会超过1 0 0 ( 3 ，所以进行干燥曲线测定时，床层温度取室温 条件、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 。在小试实验中，因为物料少，干燥速 率很快，所以床层温度与电加热温度基本保持一致，所以直接取电加热器的设定温度为 2 5 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 。 干燥水分的测定采用恒重法 2 2 炼焦煤调湿分级一体化工艺中试实验部分 2 2 1研究主要内容及创新点 研究思路：利用流化床气一固两相流热质传递及流体力学等特点，考虑利用烟气及 余热作为能源实现焦化厂炼焦煤在同一设备内调湿和分级。 ( 1 ) 炼焦煤的粒度分布很广，大至5 0 毫米，d , n 几微米，利用热烟气进行调湿分级 操作，如何保证控制煤的湿含量在6 左右的同时起到分级的作用，是这一技术的难点。 ( 2 ) 在传统的流化床干燥技术的基础上，将固定式隔板，设计成可移动的助推式隔 板，将这一特殊结构与设备内气流的流体力学行为相结合，实现小颗粒流化、大颗粒移 动的操作状态，构建出介于流化床与移动床之间的气固两相流场，实现温和的传热和 有效的颗粒分级一体化，是本研究的主要创新点。 ( 3 ) 主要研究内容 1 ) 基于本实验的目的，炼焦煤的干燥脱水与粒度分级是在流化移动床设备内一步 完成。根据炼焦煤的特点和工艺要求，在提高焦炉的生产能力和焦炭质量的同时，以降 低焦化工序的