| 工业固废应用技术专委会石膏类技术论文 磷石膏颗粒在振动流化床中的流态化行为研究 1 实验部分 1 1 实验原料 1 1 1 磷石膏 本实验室使用的磷石膏由武汉市中东化工有限公司提供。先将磷石膏在110℃下干 |
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工业固废应用技术专委会石膏类技术论文 |
磷石膏颗粒在振动流化床中的流态化行为研究
1 实验部分
1.1 实验原料
1.1.1 磷石膏
本实验室使用的磷石膏由武汉市中东化工有限公司提供。先将磷石膏在110℃下干燥脱去游离水，然后在650℃下僵烧脱去结晶水，冷却后过筛，80目筛下物即为实验磷石膏粉料，磷石膏的颗粒尺寸见图1，颗粒D50=13.57μm。
图1 磷石膏颗粒粒径分布图
Fig. 1 Size distributions of phosphogypsum particles
1.1.2 气体
试验所用空气，购于武汉明辉气体公司，试验中通过采用转子流量计控制气体流量来调整气速。
1.2 实验装置
振动流化床冷模装置如图1所示，主要由流化床、振动装置、转子流量计、U型压差计构成。流化床为有机玻璃材质，内径为42mm，高700mm。布风板为不锈钢材质，开孔率为1.79%，分布板上方铺设200目(75μm)的丝网防止漏料。
图2 实验装置流程图
Fig.2 Flow sheet of experimental apparatus
1—空气钢瓶；2—气体阀门；3—转子流量计；4—气体分布板；5—流化床；
6—标尺；7—振动装置；8—振动架；9—U型压差计
1.3实验方法
实验在常温常压下进行,流化介质为空气, 由气瓶提供。由减压阀出来的气体经转子流量计计量后进入流化床，再经过气体分布板均匀分布后进入床内，经颗粒床层后放空。床层压降由压差计读出，床层膨胀用标尺测量。所需振动场由振动电机提供,振动频率为48Hz，频率大小不可调,通过调整偏心轮的角度调节振幅大小。实验中振幅变化范围为0.5～5mm。流化床固定于振动架上。
实验采用床层压降和床层膨胀曲线法来表征磷石膏颗粒的流化性能,并定义最小流化速度umf为穿过颗粒床层的压降达到稳定时的最小表观气速。磷石膏颗粒的最小流化速度通过床层压降和床层膨胀曲线得出。
实验先将一定量的磷石膏颗粒加入流化床中,对比磷石膏颗粒在无振动和振动场中的流态化行为；并在不同振幅和物料高径比下考察了磷石膏颗粒在振动流化床中的流化性能。
2 结果与讨论
2.1磷石膏颗粒在传统流化床中的流化性能
磷石膏颗粒在传统流化床中不易流化,实验研究发现磷石膏颗粒在传统流化床中的流化示意图如图1所示。初始通入气速后, 低气速时就形成活塞,活塞随着气流沿着流化床壁向上移动,如果不将其破碎使其落下，则可以一直上升到流化床的顶部,甚至冲出流化床。在床层压降曲线上表现为压降陡然上升,相应的床层膨胀比突增（图3（b））。加入一个脉冲振动后活塞破碎，物料落下,形成沟流。压降降至最低值,形成很明显的沟流和裂纹，沟流处有明显小聚团产生（图3（c））。随着表观气速的增大,出现气泡，床层上层物料开始实现流态化并有部分物料被气流带出,此时底部物料在沟流处有较明显的聚团现象,在其他区域则是以块状的物料堆积在一起,未实现流态化（图3（d））。表观气速进一步增大则底部物料形成较大聚团,以固定床的形式存在（图4）。
图3 磷石膏颗粒在传统流化床中的流化示意图
Fig.3 Schematic diagram of phosphogypsum particles in the traditional fluidized bed
图4 磷石膏颗粒在传统流化床中的分层
Fig.4 Hierarchical of phosphogypsum particle in the traditional fluidized bed
实验表明气速的增大可以降低大聚团形成的固定床的高度,在没有振动的情况下,需要较高的气速来获得流化。由实验可知（如图5），当气速在0.0084m/s时，床层膨胀比继续增大，物料开始实现流态化。当气速为0.0108m/s时,压降达到一个稳定值。但从实验中得知，此时床层表面波动剧烈并可观察到乳相中的大气泡,气泡破裂时将一定量的磷石膏颗粒带出床外,发生扬析。当气速增大到0.0156m/s时底部聚团现象明显，仍没有实现流态化,而上部的磷石膏物料己经开始湍动,扬析严重,损失较大。之后表观气速继续升高，床层膨胀比变化不大。显然，过高的气速对实际操作不利,因此磷石膏在传统流化床中很难实现正常的散式流态化。
图5 磷石膏在传统流化床中的床层压降和膨胀曲线
Fig.5 Pressure drops and expansion curves of phosphogypsum in the traditional fluidized bed
2.2 磷石膏颗粒在振动流化床中的流化性能
2.2.1 振幅对磷石膏颗粒流态化行为的影响
通过上面研究可知,实验用的磷石膏颗粒在传统流化床中由于颗粒间较强的作用力,导致颗粒床层膨胀率较低,流化效果很差。为了研究振动对纳磷石膏颗粒流化行为的作用,首先在恒定振动频率（f=48Hz），高径比（H0/D=4.8）的情况下研究了磷石膏颗粒随振幅变化的振动流化行为。
实验研究发现磷石膏颗粒在振动流化床中的流化示意图如图6所示。初始通入气速后,床底部会出现相对较大的聚团,全床产生聚团分层现象（图6（b）），气速继续增加到某一值时,颗粒的流化随振动的增加得到很大改善，观察不到明显的大聚团，但由于强的颗粒间作用力以及颗粒特性,磷石膏颗粒床层底部仍然可观察到聚团现象（图6（c））。
图6 磷石膏颗粒在振动流化床中的流化示意图
Fig.6 Schematic diagram of phosphogypsum particles in the vibration fluidized bed
由图7和图8可知,对于磷石膏颗粒，其床层压降和床层膨胀率均随振幅的增加而增大。由图7也可看出,磷石膏颗粒的最小流化速度在相同振动频率下随振幅的变化而基本保持不变，为0.000602m/s。由图8也可以得到，磷石膏颗粒的鼓泡速度为0.004850m/s,较传统流化床大为降低，扬析较少，底部聚团现象不明显，说明流化效果较好。较为接近的床层膨胀曲线（如图8）也说明对于磷石膏颗粒来说,在三种振幅下的颗粒床层的流动形式、结构和空隙率非常接近。同时,颗粒获得的速度也很相近,这对最小流化速度影响微弱。但是，从总体来说,振幅的增大促进了团聚物之间的碰撞,增加了团聚物的破碎机会,使床内二次聚团的平均尺寸减小。随着床层结构的变化,颗粒的自由程增加,这也有利于气体在床中平均分配，提高床中的充气量，从而大大提高了流化质量。
图7 磷石膏颗粒在振动流化床中的床层压降随振幅变化曲线
Fig.7 Variations of pressure drop of phosphogypsum particles in the VFB with the amplitude
图8 磷石膏颗粒在振动流化床中的床层膨胀比随振幅变化曲线
Fig.8 Variations of expansion ratio of phosphogypsum particles in the VFB with the amplitude
2.2.2 高径比对磷石膏颗粒流态化行为的影响
一定的振幅（A=1.7mm）和频率（48Hz）下,不同高径比（初始静床高度与流化床直径的比值）下床层压降和膨胀比与流速的关系如图9，图11所示。
从压降与气速的关系曲线上(图9)可知,随着高径比的增大,物料实现流态化需要的床层压降和表观气速越大,最小流化速度也随之不断增大（图10）。这是因为初始静床层高度对床层阻力影响较大,单位体积床体内物料越多即静止床层高度越大,则流化后床层克服物料重力所做的功越多,相应的气体阻力也越大,从而需要较高的气速使物料流化。静止床高越高,振动从床底部传播到顶部受到的阻力就越大,床层流化所需的压降也就越大，实验发现当初始静床高度与流化床直径的比值在1.2左右时,磷石膏的最小流化速度较小，为0.00048m/s。
图9 磷石膏颗粒在不同高径比下床层压降曲线
Fig.9 Variations of pressure drop of phosphogypsum particles under different Ho/D
图10 磷石膏颗粒在不同高径比下最小流化速度曲线
Fig.10 Variations of minimum fluidization velocity of phosphogypsum particles under different Ho/D
从膨胀比与气速的关系曲线上(图11)可以看出，不同层床高物料在较低气速下均有较好的膨胀特性，但在高气速下膨胀比出现了先增大再降低的现象，且高径比在1.2和2.4，较高气速时，在实验中观察到物料表面出现喷动，膨胀比基本不变。原因可能是气速，床层高和振动对磷石膏的流态化有协同作用。首先在低气速时，振动起主要作用，高气速时，振动作用减弱，气速逐渐起主要作用。而振动对聚团大小的影响具有两面性。一方面,加入额外的振动能可以促进聚团的破碎；另一方面, 额外的振动能增加了聚团间或颗粒间的接触机会,在黏性力较大时易团聚，这两种影响在流化床中竞相存在,此消彼长。同时深床层增强了机械波的衰减,振动能传至床层顶部稀相时能量损失较多,降低了聚团碰撞的激烈程度。这也说明了振动对磷石膏颗粒流态化影响的复杂性。本实验条件下：高径比小于3.6时，高气速对磷石膏颗粒流化影响微弱；高径比在3.6时，三种因素的影响达到平衡，此时膨胀效果最好；高径比大于3.6时，床层高的影响较大，磷石膏颗粒的膨胀比下降。
图11 磷石膏颗粒在不同高径比下的床层膨胀曲线
Fig.10 Bed expansion ratio of phosphogypsum particles under different Ho/D
3 结论
（a）磷石膏颗粒在传统流化床中流化性能很差,在较低气速时形成沟流，活塞和大聚团,床层膨胀比不高,随气速增大压降有一定的波动,流化不均匀且有大气泡产生,床层压降曲线表明有部分物料以固定床的形式存在,没有实现流态化。随着气速的增大,磷石膏物料一直存在分层现象,且底部为固定床；
（b）通过磷石膏颗粒振动流态化实验发现：
实验气速范围内, 床层压降和床层膨胀率均随振幅的增加而增大；振幅增大有利于提高磷石膏颗粒的流化质量，但振幅对最小流化速度影响不大；
初始静床层高度对磷石膏颗粒压降和最小流化速度有较大影响。随着高径比的增大, 床层压降和最小流化速度也随之不断增大。当高径比在1.2时,磷石膏颗粒的最小流化速度最小，为0.00048m/s。
低气速时，磷石膏颗粒在不同条件下均表现出了较好的膨胀特性，在高气速时，由于气速，床层高和振动对磷石膏的流态化的协同作用，膨胀比出现了先增大再降低的现象，在高径比为3.6时，磷石膏颗粒床层膨胀性能最好；
（c）从无振动和加入振动后磷石膏床层压降和膨胀曲线中可以看出,振动场中的床层压降曲线均非常平滑, 膨胀比较高，说明振动的引入极大的改善了磷石膏颗粒的流化性能。
