新型鎂熔爐設(shè)計(jì)中的壓力損失特性分析

陳長(zhǎng)征，谷曉嬌，谷艷玲

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

1 引言

氧化鎂作為一種重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品用途非常廣泛，被應(yīng)用于醫(yī)療化工、冶金材料、石油化工、建材工業(yè)、食品加工業(yè)等眾多領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要戰(zhàn)略資源，與國(guó)家發(fā)展和人民生活息息相關(guān)[1-3]。在我國(guó)，菱鎂資源礦藏豐富，儲(chǔ)量和產(chǎn)量均在世界前列，是鎂化合物生產(chǎn)大國(guó)，歷年均有大量出口。但我國(guó)的大多數(shù)菱鎂生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)工藝比較落后，這導(dǎo)致了氧化鎂礦產(chǎn)資源和生產(chǎn)能源的巨大浪費(fèi)并對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞[4-6]。

為改變菱鎂產(chǎn)業(yè)能耗高、污染重、產(chǎn)品差、效益低的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)菱鎂產(chǎn)業(yè)高效低耗、清潔生產(chǎn)，需對(duì)現(xiàn)有的鎂礦石生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行全面的改革創(chuàng)新[7-9]。沈陽(yáng)金和節(jié)能工程有限公司研發(fā)了首臺(tái)套國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品電熔鎂余熱回收生產(chǎn)自力用高效節(jié)能一體化設(shè)備JHSHX-01，但該設(shè)備的壓力損失特性尚沒(méi)有明確的研究結(jié)論。

因此，基于產(chǎn)品構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)工況及改造前設(shè)備爐內(nèi)動(dòng)態(tài)溫度數(shù)據(jù)，分別對(duì)余熱聯(lián)產(chǎn)鎂雙品熔煉爐的除塵裝置和余熱回收裝置的壓力損失特性進(jìn)行研究，為新型鎂熔爐的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 除塵裝置壓力損失計(jì)算

從工況、產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性三方面考慮采用脈沖袋式除塵裝置，袋式除塵器的壓力損失主要由三部分構(gòu)成，除塵器管道結(jié)構(gòu)阻力Δpj，清潔濾料的阻力Δpq和濾料上粉塵層的阻力 Δpf[10]。

2.1 結(jié)構(gòu)壓力損失計(jì)算

由于余熱回收爐的體積龐大，而除塵裝置需要經(jīng)常進(jìn)行清灰處理必須貼近地面，所以要通過(guò)管道將含塵氣體從余熱回收爐導(dǎo)入到除塵器內(nèi)，設(shè)備具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 新型生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of the New Production Equipment

熔爐高約5m，含塵氣體需經(jīng)過(guò)5m管道和兩個(gè)彎頭才能進(jìn)入除塵設(shè)備。其中管道直線部分的阻力計(jì)Δpz，彎頭處的阻力計(jì)Δpw，結(jié)構(gòu)阻力，如式（1）表示。

式中：λ─摩擦阻力系數(shù)；L─風(fēng)管長(zhǎng)度，m；ν─風(fēng)管內(nèi)氣體的平均流速，m/s；D─圓形風(fēng)管的直徑，m；ρt─實(shí)際狀態(tài)下煙氣的密，kg/m3；n─彎頭數(shù)量；ξ─局部阻力系數(shù)。

其中實(shí)際狀態(tài)下煙氣的密度要根據(jù)具體工況確定，在本工況下，高溫?zé)煔庵兄饕蠱gO和CO2，其中MgO呈顆粒狀占總體積的1%，CO2氣體占總體積的99%。分別將兩種成分的相關(guān)參數(shù)代入式（2），計(jì)算可得 ρt=1.88 kg/m3。

式中：t─煙氣溫度，°C；P─管道內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，kPa；ri─高溫?zé)煔庵心骋怀煞蒹w積百分比，%；Mi─高溫氣體中某一成份的分子量。

故除塵系統(tǒng)管路直線部分阻力為115Pa，彎頭部分的阻力為140Pa，管道總阻力（結(jié)構(gòu)阻力）為255Pa。

2.2 清潔濾料壓力損失計(jì)算

由袋式除塵器的工作原理可知即便是清潔的濾料也會(huì)對(duì)氣體產(chǎn)生阻力，這部分阻力僅與過(guò)濾的氣體特性和濾料的特性有關(guān)，用Δpq表示，由式（3）可以計(jì)算出這部分的阻力值。

式中：μ─空氣的黏度，Pa·s；∈q─濾袋孔隙率，%；∈C─粉塵層孔隙率，%；d─塵粒平均直徑，m。

在200°C的狀態(tài)下，空氣粘度值為2.6*10-5Pa·s，過(guò)濾風(fēng)速10m/s，濾袋孔隙率70%，粉塵層孔隙率60%，塵粒平均直徑0.001m，故濾料的壓力損失為593Pa。

2.3 濾料粉塵層壓力損失計(jì)算

隨著袋式除塵器除塵工作的進(jìn)行，濾袋上的粉塵逐漸增多，這時(shí)粉塵層也會(huì)對(duì)氣體產(chǎn)生阻力，用Δpf表示。在同一脈沖周期內(nèi)Δpf隨著時(shí)間增加而增加，具體變化關(guān)系，如式（4）表示。

式中：C─氣體含塵濃度，kg/m3；τ─過(guò)濾時(shí)間，s；ρ─塵粒密度，kg/m3。

在本工況下，氣體含塵濃度為1g/m3，塵粒密度為2960kg/m3，故粉塵層的阻力為13.28τ。按照傳統(tǒng)的袋式除塵器壓力損失計(jì)算方法得到除塵器壓力損失隨時(shí)間變化的關(guān)系式為848+13.28τ。在同一脈沖周期內(nèi)，壓力損失隨時(shí)間的變化呈線性關(guān)系。

3 余熱回收裝置壓力損失計(jì)算

為了節(jié)約能源，礦石在電解之前先進(jìn)行預(yù)熱，此時(shí)的熱量來(lái)源于正處于電解爐內(nèi)的廢氣，同時(shí)也使得氣體再進(jìn)行除塵前降低氣體的溫度，大大降低了除塵設(shè)備的成本，此過(guò)程需進(jìn)行10h。每12min記錄一次爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化散點(diǎn)圖，如圖2所示。

圖2 爐內(nèi)溫度變化散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter Diagram of the Temperature in the Furnace

從圖3可以看出鎂礦石在預(yù)熱過(guò)程中溫度的變化趨勢(shì)也在不斷改變，可將預(yù)熱過(guò)程分為三個(gè)階段即預(yù)熱初期、預(yù)熱中期和預(yù)熱后期。在預(yù)熱的初期溫度隨時(shí)間增長(zhǎng)較快，到2h左右的時(shí)候增長(zhǎng)速率趨于某一恒定的值，在2h以后進(jìn)入了溫度隨時(shí)間均勻增長(zhǎng)的吸熱區(qū)，此時(shí)礦石溫度的增長(zhǎng)速度較為緩慢，到預(yù)熱的后期，溫度的增長(zhǎng)速率進(jìn)一步加大，與初期不同的是增長(zhǎng)速率形成先快后慢的趨勢(shì)。因三個(gè)階段溫度變化特征存在差異，故對(duì)這三個(gè)階段分別進(jìn)行研究，以便得到更為準(zhǔn)確變量關(guān)系式。

3.1 初期溫度變化

對(duì)預(yù)熱初期時(shí)間與溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別考慮擬合成多項(xiàng)式函數(shù)、線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)三種形式，三種函數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系及R2值，如圖3所示。從圖3中可以看出在預(yù)熱初期階段，溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線與二次多項(xiàng)式函數(shù)最為接近，故選用二次多項(xiàng)式代表溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖3 初期函數(shù)擬合圖Fig.3 Function Fitting Graph in the Early Stages

設(shè)擬合曲線方程形式，如式（5）所示。

以（0～2）h記錄的溫度與時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)為樣本，采用最小二乘法中的非線性多項(xiàng)式擬合法計(jì)算預(yù)熱初期相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 預(yù)熱初期相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical Data of the Early Stages

再按如下式（12）和式（13）進(jìn)一步計(jì)算最佳直線的斜率b和截距a，故在加熱中期內(nèi)菱鎂溫度變化與時(shí)間的關(guān)系式，如式（14）所示。

3.3 后期溫度變化

由表1相關(guān)數(shù)據(jù)得該二次擬合多項(xiàng)式正規(guī)方程矩陣：

對(duì)預(yù)熱后期的時(shí)間與溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，先采用與中期相同的方法計(jì)算后期溫度變化的采集樣本的R值，計(jì)算得R值小于R0值，故不能擬合成線性關(guān)系，且在后期的預(yù)熱過(guò)程中溫度的變化速率隨時(shí)間呈先大后小的趨勢(shì)，參照預(yù)熱初期的數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)計(jì)算擬合成不同形式曲線的R2值發(fā)現(xiàn)按二次擬合多項(xiàng)式計(jì)算更為精確，故采用二次多項(xiàng)式代表溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，設(shè)擬合曲線方程形式，如式（15）所示。

解正規(guī)方程得a0的值為19.9248，a1的值為230.7337，a2的值為（-47.2865），故預(yù)熱初期溫度隨時(shí)間變化的擬合多項(xiàng)式為式（7），式中：x—時(shí)間；y—溫度。

以（8～10）h記錄的溫度時(shí)間數(shù)據(jù)為樣本計(jì)算相關(guān)數(shù)，如表2所示。

3.2 中期溫度變化

對(duì)預(yù)熱中期的時(shí)間與溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別考慮擬合成多項(xiàng)式函數(shù)、線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)三種形式，三種函數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系及R2值，如圖4所示。從圖4中可以看出在預(yù)熱中期階段，溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系與這三種函數(shù)形式接近程度基本相同，具體表現(xiàn)在R2值十分接近，三種函數(shù)形式R2的差值在0.001以?xún)?nèi)，可以忽略不計(jì)。在這三種函數(shù)形式中線性函數(shù)的計(jì)算和應(yīng)用最為簡(jiǎn)便，也是所有形式中最先考慮被采用的，所以采用線性函數(shù)代表溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖4 中期函數(shù)擬合圖Fig.4 Function Fitting Graph in the Middle Stages

表2 預(yù)熱后期相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical Data of the Middle Stages

得如下正規(guī)方程式：

解正規(guī)方程得a0的值為-0.149，a1的值為5.601，a2的值為5.539，故預(yù)熱后期溫度隨時(shí)間變化的擬合多項(xiàng)式為式（17）。

3.4 新型設(shè)備新增阻力計(jì)算

設(shè)擬合曲線方程形式為式（8），用式（9）、式（10）、式（11）分別計(jì)算預(yù)熱中期（2～8）h期間所采集的溫度與時(shí)間樣本的Sxx、Sxy、Syy值。

在對(duì)預(yù)熱初期、預(yù)熱中期、預(yù)熱后期三個(gè)階段的溫度采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了具體的分析計(jì)算后，可以得出在預(yù)熱的全部時(shí)間段內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的具體關(guān)系式，如式（18）所示。

預(yù)熱爐內(nèi)壓力由自動(dòng)控制系統(tǒng)保證內(nèi)部壓力恒為2個(gè)大氣壓，故所以預(yù)熱爐內(nèi)的空氣密度用式（19）表示。將式（18）代入式（19）中的t，得到爐內(nèi)空氣密度與時(shí)間的關(guān)系式為式（20）。

氣體通過(guò)預(yù)熱爐加熱礦石的過(guò)程產(chǎn)生的壓力損失用式（21）表示，其中氣體密度ρ代入式（20），其余參數(shù)根據(jù)實(shí)際工況選定。總體料倉(cāng)高度約為5m，考慮到實(shí)際應(yīng)用中有板的厚度和頂部留有的空隙高度取H=4m。礦石開(kāi)采后由虎牙機(jī)破碎成小石塊后再進(jìn)行電解，實(shí)際測(cè)得石塊直徑在（5～9）cm，顆粒直徑計(jì)h=0.07m。阻力系數(shù)ξ在（）之間，采用華羅庚優(yōu)選法選取ξ=4。大多數(shù)粒狀物堆積的孔隙率在（0.3～0.5）之間，球形粒子的孔隙率在（0.4～0.55）之間，菱鎂礦石的粒子與 C60結(jié)構(gòu)相似，其 ε=0.55。粒子的形狀系數(shù)φs代表粒子的表面積與此粒子等體積的球體的表面積之比，對(duì)礦石顆粒取樣計(jì)算分析得φs=0.7。按式（21）計(jì)算得新型設(shè)備的新增阻力隨時(shí)間變化的關(guān)系式，如式（22）所示。

式中：H─顆粒層高度，m；h─顆粒直徑，m；ξ─阻力系數(shù)；ε─顆粒

層孔隙率，%；φS─離子形狀系數(shù)。

通過(guò)以上分析計(jì)算推導(dǎo)出阻力變化曲線方程，為新型鎂熔爐除塵回?zé)嵋惑w化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)除塵裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，結(jié)構(gòu)壓力損失和清潔濾料壓力損失的值固定不變，而由粉塵層產(chǎn)生的壓力損失在單個(gè)脈沖周期內(nèi)隨時(shí)間的增加而增加，與時(shí)間的變化規(guī)律呈線性關(guān)系。（2）在預(yù)熱單個(gè)周期內(nèi)，余熱回收爐內(nèi)的溫度不斷上升，壓力損失也隨之變化，根據(jù)爐內(nèi)溫度變化趨勢(shì)的不同，從初期、中期和后期三個(gè)階段分別計(jì)算了溫度隨時(shí)間變化的特征函數(shù)，由爐內(nèi)的溫度變化推導(dǎo)出單個(gè)預(yù)熱周期內(nèi)壓力損失隨時(shí)間變化的分段函數(shù)關(guān)系式。（3）所采用的壓力損失推導(dǎo)分析方法具有一定的普遍性，可以用于此類(lèi)型熔煉除塵一體設(shè)備壓力損失分析與設(shè)計(jì)。

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