流化床温度对起始流化速度的影响研究

王 浩，黄 凯，刘 轶

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021)

流化床是指将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征。这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。

流化床的应用非常广泛，目前普遍用于三大技术领域：燃烧领域，干燥领域，换热领域。本文主要针对换热领域的流化床进行研究。

流化床在热法再生焙烧炉和热法再生后端砂冷却设备中的应用非常普遍，以流化床换热器为例，其主要原理是利用流化床的流化效果使固体颗粒间、固体颗粒与换热管束之间进行充分的换热，保持床层温度均匀和砂子的流动性。影响流化效果的关键参数就是起始流化速度。

流化床内的气流速度增加到一定值时，固定床不再保持静止状态，部分颗粒无悬浮向上，床层膨胀，开始进入流状态的流体速度称之为起始流化速度也叫最小流化速度。影响起始流化速度的因素较多（流体介质物理特性、颗粒物堆积密度、颗粒筛分粒度分度、床层温度等），本文主要针对温度因素研究温度变化对起始流化速度的影响，进而更好地指导前期设计和实际生产调试。

1 水冷换热器温度变化研究

热法再生流化床冷却器共分为空气换热器和水换热器（翅片管换热器），本文主要研究水换热器温度变化对起始流化速度的影响。水换热器在整个热法再生系统的末端，水换热器中的换热管为翅片管，管里面冷却介质为水。水换热器被溢流隔板分割成四个容积相同的室，水换热器底部通入压缩空气，砂子从空气换热器出口进入水换热器中被压缩空气吹起呈流化状态。砂子与埋管（翅片管）接触进行换热，经过换热后的砂子在流化空气的作用下从左端的出口溢流出来即是最终成品砂。经检测，水换热器内部温度逐渐递减，砂子入口温度为250℃左右，出口温度为35℃左右。图1为热法焙烧及冷却系统示意图。

2 床层温度对起始流化速度影响分析

树脂砂进入换热器后流化速度受床层温度影响，在水冷换热器中床层温度并不统一，而是受冷却介质逆流的影响由右向左（图1所示）逐渐递减。因此水冷换热器中各处的起始流化速度也不是统一的[1]。

2.1 起始流化速度计算

图1 热法焙烧及冷却系统示意图

以热法再生树脂砂为例，其堆积密度为1600kg/m3，物料真实密度ρb和堆积密度ρp关系公式：

式中，ε为物料静止时的空隙率。陶粒砂近似球形，故按照等径球体六方堆积的空隙率为25.9%计算可得：陶粒砂真实密度ρb=2100kg/m3，对其筛分特性进行生产统计如表1所示。

平均粒径：

表1 平均粒度计算表

式2中，dpi为陶粒砂各筛分的平均直径；wi为陶粒砂各筛分的质量分数。经计算得出，砂子平均粒径dp为232.72μm。

求出平均直径之后根据其实流化速度公式[2]：

式中，dp为砂子平均粒径；ρs为砂子真实密度；ρf为空气密度；μ为空气动力粘度。

空气密度计算公式：

式中，m为气体相对分子质量；P为压强；T为开尔文温度；R为通用气体常数。

温度T＜2000K时，空气动力粘度计算公式：

式中，μ0=1.7894e-5为（15℃时的粘度）；B为与气体种类有关的常数，空气中B=110.4K。

不同温度下空气密度和空气动力粘度计算如表2所示。

表2 不同温度下空气密度和动力粘度表

由上表各数值带入到式3中得出不同温度下的起始流化速度坐标轴如图2所示：

图2 床层温度与起始流化速度的对应坐标图

2.2 气体和固体之间的给热

流化床的气体与固体颗粒之间的给热主要以对流方式进行。实验证明只有在距分布板25mm左右的范围内气体和固体之间存在着温度差，气体和固体之间的给热主要是在这个区域进行的。在此区域以上，气体与固体颗粒之间的传热速率很高，床层温度均匀。实验证明这并不是因为气体和固体之间的给热系数高，而主要因为固体颗粒小、比表面积大、气体和固体间传热面积大所致[3]。换热器中垂直方向沙层深度在500mm以上远大于25mm，换热器垂直方向可以近似看做没有温度差，只存在水平方向上250℃到40℃的水平温度差均匀的模型。

3 结论

由上图2可以看出水冷换热器整体存在温度梯度差，起始流化速度也跟着温度变化而发生变化。40℃时起始流化速度是250℃时的1.44倍，忽略温度对空气密度的影响，也就是说水冷换热器的出砂口侧的风量是进砂口侧的1.44倍。在实际生产调试中可根据温度变化适度调节流化空气速度以得到更好的流化冷却效果。在前期的设计中也可以根据这一变化规律在流化床布风板下适当设置多个独立的流化气室，根据不同气室所处位置独立的调节流化空气的起始流化速度，从而更好的满足实际生产需求。