新型側攪拌流化床氣-固流化質量的模擬

張圣禹， 李小龍，王 濤， 張子木， 劉 燕， 張廷安

(東北大學 1.多金屬共生礦生態化冶金教育部重點實驗室；2.冶金學院，沈陽 110819)

目前，我國的鐵礦石存在過于依賴進口及焦煤資源緊缺等難題，亟須找到更加適應我國鋼鐵工業現狀的發展新路徑[1].

流態化煉鐵技術理論上解決了上述問題.流態化煉鐵技術可處理品位低、粒度小的礦粉，無須燒結造球，還可處理復雜的含磷共生礦[2-3].工業上FINEX還原煉鐵工藝就是流態化煉鐵工藝的一種，年產可達200萬t，投資少且能耗小[4].但流態化煉鐵工藝也存在著氣體利用率低、節涌、溝流等氣-固混合不均勻的現象，還會產生粘結失流現象，影響床內氣-固混合程度，進而影響鐵礦石的還原效率[5].因此，流態化煉鐵過程中氣-固流化質量的研究成為一項重要工作.

為達到優化床內流化質量的目的，可在流化床中加入機械攪拌，從床層內部改變流化質量.李文金、張永俊等[6-7]研究了多種槳型對流化床中顆粒行為的作用，結果表明攪拌槳的轉動有破碎和抑制氣泡的作用，可以達到優化床內氣-固流化質量的目的，其中框式槳等小槳葉面積的攪拌槳在轉速較高時有更好的攪拌效果.Wang等[8]模擬了框架葉輪對流化床內顆粒運動的影響，結果表明機械攪拌可以使床內顆粒運動加劇，同時產生劇烈的橫向運動，達到優化床內流化質量的目的.Reina等[9]研究了木屑在流化床中的流化行為，發現機械攪拌可消除溝流現象，使床層空隙率降低、壓降增長，還會使臨界流化速度有所降低.Leva等[10]研究了攪拌器對流化床的影響，包括葉片位置、攪拌速度、攪拌槳個數等因素，發現攪拌槳轉動會降低床層壓降，攪拌槳個數越多，降低越明顯，同時導致床內運行變得不穩定.粘結現象主要由鐵礦粉在還原時顆粒表面出現鐵瘤、鐵晶須等相互勾連，以及鐵高溫熔化粘連等引起[11-12]，因此機械攪拌的加入還可以對粘結形成的大顆粒進行破壞，從而抑制粘結失流現象的發生.安卓卿等[13]通過實驗發現攪拌槳轉速增加會使床內粉體黏度變小，表明攪拌器的加入對粘結現象有抑制作用.Pang等[14]研究了攪拌流化床中超細氧化鐵粉的還原過程，結果表明攪拌器可使粘結現象發生的時間延后，且提高發生粘結失流時的金屬化率.

在流態化煉鐵工藝中，已有的垂直攪拌流化床雖然可以一定程度上提高流化床內氣-固流化質量，進而提升床內氣體利用率、傳熱傳質效率，縮短反應時間并抑制粘結失流現象的發生，但垂直攪拌槳的轉動僅能對水平方向上的氣-固兩相運動產生影響，作用區域有限，并易在攪拌過程中形成漩渦，使攪拌效果有所削弱.為進一步提高流化床中氣-固兩相流的流化質量，本文首次在流化床中加裝側攪拌器，建立新型側攪拌流化床.側攪拌器可在水平和豎直兩個方向上影響床內氣-固兩相的運動，大幅增加攪拌槳作用區域，提高床內氣-固兩相的混合程度.

本文通過物理模擬的方法對側攪拌流化床進行研究，以幾何相似、動力相似為依據建立物理模型，模擬真實流態化煉鐵體系內產生的現象，對新型側攪拌流化床中顆粒流化狀態及壓強變化進行研究，從而為高溫流態化煉鐵反應器的設計與生產提供理論依據.

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗設備

本文建立的側攪拌流化床物理模型實驗系統如圖1所示.根據工業上已有流化床尺寸，并以幾何相似原則為依據，將流化床主體設計為70 mm(內徑)×700 mm(高)的圓柱體結構.為了直觀觀測到流化床內部的流化狀態，選用有機玻璃作為設備主體材料，并制作為多段組合的形式，便于側攪拌裝置的拆卸與角度的變更，每段之間通過法蘭連接.根據動力相似原則，氣體需由流化床底部均勻通入，因此將流化床底部設計為倒錐形氣室，在倒錐形氣室與上部流化床之間設置分布板，以保證顆粒不會落入到倒錐型氣室中，同時可以保證氣體通入流化床時的均勻性.此外，每兩部分之間需要加裝一層膠墊以保證流化床整體的氣密性.

圖1 流化床物理模擬實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluidized-bed physical simulation experiment device

實驗中，攪拌電機選擇JB300-SH 型，以便于調整攪拌槳的位置及角度；攪拌槳選用TBBP槳，槳葉直徑為50 mm(如圖2所示)；氣源由空氣壓縮機提供；空氣體積流率由轉子流量計控制，其量程為0～240 L/min，并通過U形管對床內壓降進行實時檢測.因在實際生產中，FINMET，FINEX等工藝均可處理粒徑0.1～1 mm的鐵礦粉[15-16]，所以本實驗所用顆粒選擇粒度為0.425～0.55 mm的玻璃珠，其密度為 2 500 kg/m3.流化床內氣-固流化狀態由高速攝像機進行實時拍攝記錄.

圖2 50 mm TBBP槳Fig.2 50 mm TBBP propeller

1.2 實驗方案

向流化床中填入料高為300 mm的玻璃珠顆粒，設定攪拌器傾斜角度θ=45°，攪拌轉速N=800 r/min，啟動空壓機向流化床中通入空氣，體積流率由0開始緩慢提升.用高速攝像機記錄在空氣體積流率Q分別為100，110，120 L/min下的一段時間內流化床中顆粒運動狀況，并記錄U形管讀數.關掉空壓機重新裝填玻璃珠顆粒，啟動攪拌電機，調整攪拌轉速分別為400，1200 r/min，記錄新的條件下流化床中顆粒運動狀況及U形管所示數值.更換流化床部件，使攪拌器傾斜角度分別為30°，60°，以及垂直攪拌，之后重復上述步驟.在分布板上方150 mm處設置壓力測量點，此位置處于兩攪拌槳中間，通過連接U形管測量兩槳之間與流化床氣體出口處壓力差值變化[17].

1.3 數據處理方法

由于流化床內部顆粒始終處于運動狀態，因此床內壓力也會實時發生變化，需連續記錄一段時間內床內壓力變化，以對床內顆粒的流化情況進行處理分析.對床內壓力的分析分為兩個部分，分別是對壓強變化的統計分析和功率譜圖分析.

具體方法如下：在一段時間內，連續且等時間間隔地讀取各條件下多點壓力值并記錄，繪制成表；通過Origin中的快速傅里葉變換得到壓強變化的功率譜圖，譜圖中峰值代表有相應頻率氣泡的存在，峰值大小表示該頻率氣泡的數量[18].

2 實驗結果與討論

2.1 垂直攪拌與側攪拌的對比

本文對于流化床攪拌方式的研究分為垂直攪拌和側攪拌兩種.圖3為垂直攪拌與側攪拌流化床中物料流化行為、邊壁氣泡運動的狀況及對有氣泡聚集的區域的局部放大圖，圖中標記為氣泡所在區域及攪拌槳所在位置.為保證攪拌器有較好的作用效果，垂直攪拌流化床中攪拌槳應置于物料內部并靠近流化床分布板，本實驗中垂直攪拌流化床攪拌槳位于分布板上方65 cm處[19].側攪拌流化床中攪拌器共有兩個，側攪拌器與豎直方向夾角為45°，攪拌槳分別位于分布板上方65，265 cm處[20]，空氣的體積流率為100 L/min，攪拌槳轉速為800 r/min.由圖中可以看出，在垂直攪拌流化床中，攪拌槳作用區域內并沒有可見氣泡生成，但在攪拌槳作用區域上方的大范圍空間中，氣泡開始長大聚合.而在側攪拌流化床中，并沒有可觀察到的氣泡出現.

圖3 不同攪拌方式下流化床中氣-固運動行為Fig.3 Gas-solid movement behavior in fluidized bed with different stirring methods(a)—垂直攪拌流化床；(b)—側攪拌流化床.

圖4、圖5分別為兩種攪拌方式的流化床中壓強變化及其功率譜圖的對比圖.由圖4可知，在垂直攪拌流化床中床內壓強變化的波動程度要大于側攪拌流化床，側攪拌流化床中壓強變化的平均值有所上升，但波動較小，表明床內流化過程更加穩定.由圖5可知，在垂直攪拌流化床中，功率譜圖呈現為多峰狀態，而在側攪拌流化床中的功率譜圖峰值有明顯的左移并降低，表明在側攪拌流化床中只有低頻且少量的氣泡存在.

在流化床中加入攪拌器是為了通過攪拌槳的轉動改變原本床內顆粒及氣體運動的行為，擾亂流化床內流場，達到使床內氣-固分布更加均勻的目的.但在傳統的垂直攪拌流化床中，顆粒因攪拌槳轉動而受到的力主要沿水平方向使顆粒向流化床邊壁運動，受到來自槳的提升作用有限，并且在垂直攪拌的流化床中易有漩渦出現，使得槳附近顆粒的運動行為具有一定的規律性，削弱了攪拌槳所能影響到的床內空間范圍，因此槳附近的區域雖有較好的流化質量，但在流化床的上部空間依然有大量氣泡出現.而在側攪拌流化床中，在攪拌槳擊打的作用下，顆粒會沿與水平呈一定角度的方向向流化床邊壁運動，在與顆粒所受重力的共同作用下，顆粒無法在流化床內形成漩渦，運動行為更加無規律，攪拌效果更好，同時攪拌槳能影響到的區域更大，床內流化質量優于垂直攪拌的流化床.為了使攪拌槳能影響到的區域更大，本實驗在新型的側攪拌流化床中加裝了兩個側攪拌裝置，使流化床上部空間也能具有較好的流化質量.

圖4 不同攪拌方式下流化床壓強變化Fig.4 Pressure change of fluidized bed under different stirring modes

圖5 不同攪拌方式下流化床功率譜圖Fig.5 Power spectrum of fluidized-bed under different stirring modes

2.2 空氣體積流率對流化質量的影響

圖6為攪拌器傾斜角度為45°且攪拌槳轉速為800 r/min時不同的空氣體積流率下流化床內的物料流化行為、邊壁氣泡運動情況及對有氣泡聚集的區域的局部放大圖.隨著空氣體積流率的升高，床層高度增加，兩攪拌槳作用區域外的空間有氣泡生成；空氣體積流率越高，氣泡的尺寸越大.

圖6 不同空氣體積流率下流化床中氣-固運動行為Fig.6 Gas-solid movement behavior in fluidized bed under different air volume flow rates(a)—Q=100 L/min；(b)—Q=110 L/min；(c)—Q=120 L/min.

圖7、圖8分別為不同空氣體積流率下的側攪拌流化床中壓強變化及其功率譜圖的對比圖.隨著空氣體積流率的增加，床內的壓強變化劇烈，較大的空氣流速會使床內穩定性變差.由功率譜圖可以看出，在不同的空氣體積流率下，峰值所在頻率大致相同，但振幅隨體積流率的增大而增大，表明隨著空氣流速的增加，床內氣泡數量增加，但頻率基本不變.尤其是當Q由100 L/min升至110 L/min 時，峰值振幅大幅增加，結合圖6可知，此時床內開始有可能觀察到的氣泡出現，與壓強變化功率譜圖所示相符.

圖7 不同體積流率下流化床壓強變化Fig.7 Pressure change of fluidized bed under different volume flow rate

圖8 不同體積流率下流化床功率譜圖Fig.8 Power spectrum of fluidized-bed under different volume flow rates

在攪拌槳作用區域內，攪拌槳轉動作用于床內顆粒，使顆粒運動方式發生改變.攪拌槳的擊打使顆粒沿槳徑的方向向著流化床的邊壁運動，顆粒會以一定的速度沖擊并剪切產生的氣泡，使得原本應該存在的大氣泡被破碎為兩個或多個小氣泡，甚至消失.空氣體積流率的增大會使流化床內氣泡尺寸變大且數量增多[21]，在攪拌槳轉速一定的條件下，顆粒對氣泡的破碎能力相同，空氣體積流率越大，距離攪拌槳較遠的氣泡越難以被破碎，因此大氣泡多出現在兩槳之間及流化床的上部空間.

2.3 攪拌轉速對流化質量的影響

圖9為攪拌器傾斜角度為45°且通入流化床中的空氣體積流率為110 L/min時，攪拌槳轉速分別為400，800，1200 r/min的條件下，流化床內的物料流化行為、邊壁氣泡運動情況及對有氣泡聚集的區域的局部放大圖.由圖可知，在N=400 r/min時側攪拌流化床內的兩攪拌槳之間及上方區域還存在較多氣泡.隨著轉速的增加，氣泡尺寸減小，可觀察到氣泡存在的區域也隨之減小，床層高度基本保持不變.

攪拌槳轉速的增加使受到攪拌槳作用而向流化床邊壁運動的顆粒速度增加，顆粒對氣泡的剪切及破碎效率隨之提高.并且由于攪拌槳傾斜放置，其轉速的增加會使顆粒受到槳轉動作用而沿豎直方向運動的距離更大，可以破碎距離攪拌槳更遠處的氣泡，使氣泡可以長大、并聚的區域更小.

由圖10、圖11中不同攪拌槳轉速下側攪拌流化床中的壓強變化及其功率譜圖可知，床內壓強變化范圍最小的是攪拌槳轉速為800 r/min的側攪拌流化床；此時相比于轉速為400 r/min的側攪拌流化床，其床內攪拌槳有更好的作用效果及更大的作用區域.當轉速為1 200 r/min時攪拌槳的作用更強，成為了影響床內壓強變化的主要因素，雖然床內可觀察到的氣泡數量更少，但是床內壓強變化更加劇烈.由功率譜圖可以看出，隨著攪拌槳轉速的增加，譜圖中波峰逐漸左移，峰值逐漸增加.結合圖9可知，攪拌槳轉速的增加使得顆粒對床內氣泡的破碎能力提高，床內氣泡由少量高頻的大尺寸氣泡被破碎為大量低頻小氣泡.

圖9 不同攪拌槳轉速下流化床中氣-固運動行為Fig.9 Gas-solid motion behavior in fluidized bed under different stirring speeds(a)—N=400 r/min；(b)—N=800 r/min；(c)—N=1200 r/min.

圖10 不同攪拌槳轉速下流化床壓強變化Fig.10 Pressure changes of fluidized bed under different agitator speeds

圖11 不同攪拌槳轉速下流化床功率譜圖Fig.11 Power spectrum of fluidized bed under different stirring speeds

2.4 傾斜角度對流化質量的影響

攪拌器放置方式如圖12所示，盡管攪拌器的傾斜角度有所不同，但保持槳與分布板的距離相同.圖13為攪拌器傾斜角度為30°，45°，60°時流化床中物料流化行、邊壁氣泡運動情況及對有氣泡聚集的區域的局部放大圖，空氣的體積流率為110 L/min，攪拌槳轉速為800 r/min.由圖13可知，當θ=30°時，床內依然有較大氣泡產生；在θ=45°/60°的側攪拌流化床中，氣泡尺寸明顯減小.

圖12 側攪拌器傾斜角度及裝置位置示意圖Fig.12 Schematic diagram of side agitator inclination angle and device location

圖13 不同攪拌器傾斜角度的流化床中氣-固運動行為Fig.13 Gas-solid movement behavior in a fluidized bed with different agitator inclination angles(a)—θ=30°；(b)—θ=45°；(c)—θ=60°.

結合圖14、圖15中不同攪拌器傾斜角度的側攪拌流化床中壓強變化及其功率譜圖可知，側攪拌器傾斜角度的改變對床內氣泡頻率并不會產生較大影響.當θ=30°時床內壓強變化范圍最大，譜圖峰值最高；當θ=45°時側攪拌流化床內壓強變化的功率譜圖峰值最低；當θ=60°時側攪拌流化床的譜圖峰值高于同條件下θ=45°時.

圖14 不同攪拌槳轉速下流化床壓強變化Fig.14 Pressure changes of fluidized bed under different agitator speeds

圖15 不同攪拌槳轉速下流化床功率譜圖Fig.15 Power spectrum of fluidized bed under different stirring speeds

當攪拌器傾斜角度發生改變時，攪拌槳轉速并未改變，顆粒受到來自槳的作用力相似，因此顆粒破碎氣泡的能力也大致相同，對床內氣泡頻率影響不大.在θ=30°的側攪拌流化床中，攪拌槳的豎直方向作用區域較小，顆粒受到攪拌槳作用后破碎大氣泡能力有限，在攪拌槳的作用區域外氣泡仍然可以長大、聚合，因此床內兩槳之間有較大氣泡存在.當θ=45°時，攪拌槳在流化床的豎直及水平兩個方向都有較大的作用區域，床內流化質量良好.當θ=60°時，攪拌槳雖在豎直方向上有較大的作用范圍，但沿流化床水平方向的攪拌效果弱于θ=45°時的側攪拌流化床，結合圖15可知，此時床內氣泡總量多于θ=45°時，表明其床內流化質量相比于θ=45°時要差.

3 結 論

(1)新型側攪拌流化床相較于垂直攪拌流化床，可有效增大攪拌槳作用區域，并且在雙側攪拌器共同作用下，有效抑制了攪拌槳上方氣泡長大并聚合的現象.側攪拌流化床還可有效減弱床內壓強變化，使床內流化過程變得更加穩定.

(2)在攪拌器傾斜角度及攪拌槳轉速不變的前提下，顆粒受到攪拌槳的作用效果相似，空氣體積流率的增大會使顆粒剪切、破碎氣泡的能力減弱，導致氣泡尺寸增大.流化床內的壓強變化也會隨著空氣體積流率的增大而變得劇烈，功率譜圖中峰值也隨著空氣體積流率的增大而增大，但最高峰值對應的頻率基本保持不變.

(3)攪拌槳的轉動可使攪拌槳周圍顆粒沿其水平方向向流化床邊壁運動，達到了剪切、破碎流化床內大氣泡的目的.當提高攪拌槳的轉速時，顆粒剪切、破碎大氣泡的效果隨之增強，床內的氣泡尺寸明顯減小.隨著攪拌槳轉速升高，床內氣泡向著低頻轉變.

(4)攪拌器傾斜角度的改變主要影響了攪拌槳在床內作用區域的變化，而氣泡頻率并未發生較大變化.當θ=45°時，攪拌槳在流化床內的豎直方向和水平方向上都有較大的作用區域，床內氣泡尺寸最小，壓強變化功率譜圖峰值最低.