振動流化床中磷石膏顆粒流態化性能研究*

賈 輝 ，劉少文 ，，吳元欣

（1.武漢工程大學化工與制藥學院，綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北武漢 430073；2.黃岡師范學院化工學院）

磷石膏是濕法磷酸生產過程中所產生的工業廢渣，其主要成分是CaSO4·2H2O，此外還含有少量的SiO2、Fe2O3、MgO、P2O5、F 等雜質。 據統計，世界磷石膏年排放量超過2.8億t，濕法磷酸生產工藝年副產磷石膏1億t以上，而平均利用率還不到5%。中國磷石膏年排放量約占世界排放量的1/3，目前利用率不到20%［1-2］。國內外處理磷石膏的方式多為陸地堆放或直接排放入海，這樣不僅浪費大量的土地還污染環境［3］。磷石膏制酸聯產水泥是目前利用磷石膏的重要途徑之一，整個生產過程中廢物排出少，資源得到了高效循環利用，形成一個生態產業鏈［4］。傳統的磷石膏制酸聯產水泥工藝技術雖成熟可靠，但該工藝存在回轉窯熱利用率低，水泥熟料質量差，制酸氣體中SO2濃度偏低的一系列問題，使得該工藝難以推廣應用［5-6］。磷石膏流態化分解技術是目前磷石膏制酸聯產水泥技術的主要研究方向，但磷石膏顆粒在普通流化床中流態化分解仍存在一系列問題，如：流化質量差、物料易結渣，且制酸氣體中SO2濃度低、粉塵含量高等，嚴重制約了該技術的應用［7］。筆者將振動引入到磷石膏流態化中，并在自制的振動流化床冷模裝置中，對磷石膏顆粒的流態化性能進行了研究，以期能為磷石膏流態化分解提供新思路，為磷石膏振動流態化熱分解反應提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與方法

振動流化床冷模實驗裝置見圖1。流化床反應器是由有機玻璃為材料制作的，其主要結構包括床體、布風板和風室。流化床反應器的內徑為42 mm，高700 mm，氣體分布板為不銹鋼材質，開孔率為1.79%，氣體分布板上方有兩層織布以利于氣體分布均勻，并防止物料落入。

圖1 實驗裝置流程圖

實驗在常溫常壓下，以氣瓶提供的空氣為流化介質。流化風進入流化床內，經分布板后進入顆粒床層內，然后直接排空。采用床層壓降曲線法和床層膨脹比曲線法分析磷石膏顆粒流態化行為。其中，流化風的大小由轉子流量計控制，振幅由振動參數測量儀測量，床層壓降差值和床層膨脹比分別由U型壓差計和標尺顯示，整個系統在全正壓條件下運行。

1.2 實驗原料

磷石膏由武漢市中東化工有限公司提供，經烘干破碎過篩，篩余量為：w（粒徑≥0.080 mm的粒子）≤12%且w（粒徑≥0.200 mm的粒子）≤1.5%。磷石膏顆粒尺寸見圖2，顆粒D50=13.57 μm。

圖2 磷石膏顆粒粒徑分布圖

2 結果與討論

2.1 普通流化床中磷石膏顆粒流化性能

振動流化床中，不提供振動能量的條件下進行流態化冷模實驗。磷石膏顆粒床層壓降、膨脹比和氣體流速的關系曲線見圖3。由圖3可知，隨氣速增加，床層壓降和膨脹比先急劇增大，隨后在較短時間內降低到一個很低的穩定值，最后在較大氣速時達到穩定，但床層壓降和膨脹比均較低。分析認為，隨氣速增加，床層首先出現活塞流現象，活塞流破碎后，床層以固定床形式存在且出現嚴重的溝流，當氣速增大到0.00156 m/s時床層中有大氣泡生成，物料開始實現流化，但部分物料仍然以固定床形式存在，床層表面波動劇烈并可觀察到乳相中的大氣泡，氣泡破裂時將一定量的磷石膏顆粒帶出床外。這說明磷石膏在普通流化床中難以實現正常的流態化。

圖3 普通流化床中不同氣體流速下床層壓降和床層膨脹比曲線

2.2 振幅和物料高徑比對磷石膏床層壓降的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察了不同振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層壓降的影響，結果見圖4。由圖4a和4b可知，隨著振幅和物料高徑比的增加，磷石膏的床層壓降與氣速的關系曲線均向上升。當流化氣速較小時，床層壓降的增幅較大；而當流化氣速較大時，床層壓降的增幅較為平緩。然而，其產生本質的原因不同，振幅增大，意味著振動強度增大，不僅加劇磷石膏顆粒之間的碰撞，增大了顆粒團聚化破碎的機會，而且有利于流化氣體在床內的均勻分布，從而提高床層的充氣量，造成床層壓降的增加。而物料高徑比的增加會引起床層阻力的增大，減弱了振動能量通過顆粒間的作用向上傳遞，從而增加了床層的壓降。

圖4 振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層壓降的影響

2.3 振幅和物料高徑比對磷石膏床層膨脹比的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層膨脹比的影響，結果見圖5。由圖5a可知，在同一高徑比和氣速條件下，隨著振幅增加，磷石膏顆粒床層的膨脹比隨之增大。這是由于，振幅的增加加劇了磷石膏顆粒的運動程度，增加了顆粒運動的自由程，改變了床層的結構，提高了床層的充氣量，從而增加顆粒床層的膨脹比，大大提高了流化質量。膨脹比曲線平滑說明床層沒有出現溝流及活塞流，流化質量較好。由圖5b可知，對不同高徑比的物料，在較低氣速下，隨氣速增大，物料的床層膨脹比迅速地增加，但在高氣速下，床層的膨脹比增加幅度緩慢。當高徑比為1.2和2.4時，較高氣速時，磷石膏膨脹比不再增加。原因可能是氣速、床層高度和振動強度對磷石膏的流態化有協同作用。首先在低的流速下，振動起主要作用，在高的流速下，振動能量的作用減弱，氣速影響占主要地位。黏性力較大流化時易團聚。額外加入的振動能一方面可以促進團聚物的破碎；另一方面又增加了聚團間或顆粒間的接觸機會，這兩種影響在流化床中競相存在，此消彼長。同時床層越高，振動能傳至床層頂部稀相時能量損失越多，降低了聚團碰撞的激烈程度。這也說明了振動對磷石膏顆粒流態化影響的復雜性。當高徑比小于4.8時，高氣速對磷石膏顆粒流態化影響微弱；高徑比在4.8時，3種因素的影響達到平衡，此時膨脹效果最好；高徑比大于4.8時，床層高度的影響較大，磷石膏顆粒的膨脹比下降。

圖5 振幅和物料高徑比對磷石膏顆粒床層膨脹比的影響

2.4 振幅與高徑比對磷石膏最小流化速度的影響

在室溫、振動頻率為48 Hz的條件下，分別考察振幅和高徑比對磷石膏顆粒床層最小流化速度的影響，結果見圖6。由圖6a可知：在不同振幅下，磷石膏顆粒最小流化速度基本不變，為0.000602 m/s。說明振幅對磷石膏顆粒的最小流化速度影響較小，這是因為對于磷石膏顆粒而言，顆粒床層在不同振幅下的流動形式、結構和空隙率較接近，從而使得不同振幅下的磷石膏顆粒具有相近的最小流化速度。由圖6b可知：隨高徑比增加，磷石膏最小流化速度增加。這是因為物料高徑比的增大，造成物料流化時單位體積床體內物料的量增加，增大了氣體流經床層時克服物料重力所做的功，從而增加了床層流化所需的氣速。實驗發現當物料高徑比在1.2時，磷石膏的最小流化速度較小，為0.00048 m/s。

圖6 振幅和物料高徑比對磷石膏最小流化速度的影響

3 結論

1）磷石膏顆粒在普通流化床中流化性能很差，磷石膏顆粒流化時床層出現溝流、活塞流、顆粒團聚等現象；部分物料仍以固定床存在，且床層壓降和膨脹比較低。磷石膏顆粒在普通流化床中難以實現正常流態化。2）在振動流化床中，隨著振幅的增大，床層壓降和床層膨脹比均增加，但其對最小流化速度影響不大。當進料高徑比增大時，床層壓降和最小流化速度均增加，但膨脹比先增加后降低，且當高徑比為1.2時，磷石膏顆粒的最小流化速度較小，為0.00048 m/s；當高徑比為4.8時，磷石膏顆粒床層膨脹性能最好。3）振動場中的床層壓降和膨脹比曲線均非常平滑，且膨脹比較高，說明振動能量的引入極大地改善了磷石膏顆粒的流態化性能。

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