顆粒流體粘性表征及流化床粘結(jié)失流行為預(yù)測(cè)分析

顆粒流體粘性表征及流化床粘結(jié)失流行為預(yù)測(cè)分析流化床是冶金、化工等領(lǐng)域的重要單元生產(chǎn)工序。流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的最大技術(shù)瓶頸是粉體顆粒粘結(jié)失流問題。粘結(jié)失流問題本質(zhì)上由顆粒間相互作用力(粘結(jié)力)大于所受到的氣體曳力導(dǎo)致的。目前,關(guān)于氣固兩相流中顆粒所受到的曳力前人做了較為完善的研究工作,有多種成熟的模型能夠描述顆粒所受曳力大小。但關(guān)于顆粒間相互作用力的大小長(zhǎng)期以來一直缺乏有效的參數(shù)進(jìn)行表征。這也是盡管人們對(duì)粘結(jié)失流的機(jī)理做了大量研究,但卻無法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的主要原因。為了對(duì)顆粒間作用力的大小進(jìn)行有效表征,本論文提出了顆粒流體表觀粘度的基本概念,它本質(zhì)上反應(yīng)的是顆粒抵抗運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù),是顆粒間多種作用力相互作用的合力。同時(shí)基于能量耗散原理和顆粒運(yùn)動(dòng)方程設(shè)計(jì)了表觀粘度測(cè)試方法?；诒碛^粘度建立了流化床粘結(jié)失流預(yù)測(cè)模型,對(duì)初始流化速率和粘結(jié)失流溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。最后,探討研究了鼓泡流化床和循環(huán)流化床的表觀粘度,并設(shè)計(jì)開發(fā)了流化床還原過程表觀粘度原位在線測(cè)定系統(tǒng),論文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)本研究提出顆粒表觀粘度的基本概念。它借鑒了液體粘度的定義,用以表征顆粒間相互作用力的大小,同時(shí)基于能量耗散原理和顆粒運(yùn)動(dòng)方程設(shè)計(jì)了顆粒表觀粘度測(cè)試方法。測(cè)試過程中將槳葉放入粉體中旋轉(zhuǎn),在線記錄槳葉受到扭矩。據(jù)理論推導(dǎo),顆粒表觀粘度與槳葉力矩之間關(guān)系如下所示:η=A·T/πNrD式中,η為顆粒表觀粘度(Pa·s),T為扭矩(N·m),Nr為轉(zhuǎn)速(s-1),D為槳葉直徑(m),A為常數(shù)取決于槳葉形狀。(2)利用上述方法,獲得了鐵粉和銅粉等金屬粉體的表觀粘度,結(jié)果顯示,室溫條件下顆粒形狀對(duì)表觀粘度起主導(dǎo)作用,顆粒形狀越接近于球形,表觀粘度越小。高溫條件下,表觀粘度主要受顆粒大小影響,粉體顆粒越小,表觀粘度越大。同時(shí)發(fā)現(xiàn),對(duì)于75μm的金屬鐵粉,其表觀粘度對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)在不同溫度范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。(3)利用粉體顆粒的表觀粘度,基于粘性力和曳力的平衡,建立了流化床粘結(jié)失流預(yù)測(cè)模型,對(duì)流化床初始流化速率和粘結(jié)失流溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了球形銅粉的表觀粘度并用高溫可視流化床對(duì)初始流化速率和粘結(jié)失流溫度進(jìn)行測(cè)定。模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室流化床試驗(yàn)裝置測(cè)得數(shù)據(jù)基本一致,相對(duì)誤差在15%以內(nèi)。(4)研究了納米SiO2添加劑對(duì)于流化床粘結(jié)失流的抑制作用。在200r/min條件下,隨著納米SiO2添加劑加入量由0增加到1.5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)),鐵粉表觀粘度由90Pa·s降低到42Pa·s。實(shí)驗(yàn)室流態(tài)化試驗(yàn),當(dāng)納米SiO2添加劑加入量由0增加到1.5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)),鐵粉的粘結(jié)失流溫度由520℃升高到870℃,證明納米添加劑在流態(tài)化條件可以有效降低顆粒表觀粘度進(jìn)而抑制粘結(jié)失流發(fā)生。(5)論文同時(shí)探索了循環(huán)流化床中氣固兩相流表觀粘度的表征方法。通過測(cè)得的下行循環(huán)流化床中充分發(fā)展區(qū)的壓降計(jì)算得到摩擦系數(shù),結(jié)合管道粗糙度和雷諾數(shù)求得氣固兩相流表觀粘度。結(jié)果顯示,表觀粘度隨著固含率的增大而增大;在過渡區(qū),隨著氣速增大氣固兩相流表觀粘度逐漸減小;湍流區(qū),氣速的影響可以忽略。最后回歸得到下行循環(huán)流化床氣固兩相流表觀粘度預(yù)測(cè)模型,如下所示:湍流區(qū):μs=1.81×10-5×(8×εs-1)過渡區(qū):μs=εs×(4.87×10-3×e-v/2.5+3.39×10-4)+1.03×10-7×v/e0.64-2.01×10-4式中,μs為氣固兩相流表觀粘度(Pa·s),εs為固含率,V為氣速(m/s)。(6)基于以上研究,建立了鐵礦粉流化床還原過程表觀粘度在線測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在鐵礦粉還原過程中對(duì)氣固兩相流的表觀粘度進(jìn)行在線測(cè)試