流態(tài)化冷卻器設(shè)計(jì)優(yōu)化及換熱研究

曹萬(wàn)秋

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110001)

1 研究的背景及意義

在氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)中，流態(tài)化冷卻器是氧化鋁產(chǎn)品冷卻的關(guān)鍵設(shè)備，流態(tài)化冷卻器的作用是將焙燒生成的高溫氧化鋁由250 ℃冷卻到80 ℃[1]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)存在進(jìn)料端換熱管束磨漏的現(xiàn)象，對(duì)于已經(jīng)干燥的產(chǎn)品而言是二次污染，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。多年來(lái)，對(duì)于國(guó)內(nèi)氧化鋁流態(tài)化冷卻器沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的研究，本文分別從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)行研究，對(duì)于未來(lái)流態(tài)化冷卻器的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有重要的意義。

2 流態(tài)化冷卻器工作原理

氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)中，流態(tài)化冷卻器如圖1所示，通過(guò)擋板將流態(tài)化冷卻器分隔成多個(gè)腔室。氧化鋁從進(jìn)料口進(jìn)入流態(tài)化冷卻器，在流化風(fēng)的作用下氧化鋁處于懸浮狀態(tài)，通過(guò)與換熱管束的充分接觸，冷卻后的物料通過(guò)出料口流出，完成整個(gè)系統(tǒng)的換熱，因?yàn)橛懈舭宕嬖冢匝趸X在流態(tài)化冷卻器中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈S形，延長(zhǎng)了其停留時(shí)間，提高了換熱效果。

1.物料入口 2.流化風(fēng)出口 3.冷卻水入口 4.冷卻水出口 5.流化風(fēng)管 6.擋板 7.物料出口 8.換熱管束圖1 流態(tài)化冷卻器

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行存在的問(wèn)題及解決方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氧化鋁生產(chǎn)實(shí)際情況的了解，現(xiàn)場(chǎng)主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

3.1 換熱效果不好

經(jīng)過(guò)多方面的研究，可以從以下幾個(gè)方面解決：

(1)增加換熱面積。根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，在不改變現(xiàn)有流態(tài)化冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸的前提下增加換熱面積(即不增加換熱管束的長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量)，只能改變換熱管束的換熱面積，本文改用了一種翅片式換熱器，如圖2所示。

圖2 流態(tài)化冷卻器換熱管束

通過(guò)計(jì)算，改用翅片式換熱管束后，在其他條件不變的條件下，對(duì)應(yīng)同一臺(tái)焙燒爐系統(tǒng)，換熱面積增加了約41%，換熱效果由原先的出料溫度80 ℃降低為62 ℃，效果明顯增加。

(2)降低冷卻水進(jìn)水溫度。

(3)增加冷卻水量。

(4)定期清理?yè)Q熱管束結(jié)垢或更換新的換熱管束。

(5)采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的管熱管束材料。

3.2 進(jìn)料端管束易磨漏

現(xiàn)場(chǎng)通常的做法是提高進(jìn)料端換熱管束的更換頻率，但這種做法對(duì)于企業(yè)運(yùn)營(yíng)而言成本增加，不利于企業(yè)的降本增效，本文從以下兩方面解決此問(wèn)題：

(1)增加進(jìn)料端換熱管束壁厚或在管束外壁焊接抗耐磨的不銹鋼，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，本方法對(duì)換熱效果幾乎無(wú)影響。

(2)增加進(jìn)料端換熱管束和物料進(jìn)入時(shí)的間距，這樣可以減少物料對(duì)換熱管束的沖刷，延長(zhǎng)換熱管束的使用壽命，本方法會(huì)對(duì)換熱效果有輕微的影響，同時(shí)在改造項(xiàng)目中會(huì)存在規(guī)格不統(tǒng)一的換熱管束單元。

4 流態(tài)化冷卻器換熱理論研究

4.1 初始流化速度研究

由于空氣受溫度的影響比較大，且流化床內(nèi)各段物料溫度是不同的，所以流化風(fēng)速受到流太化冷卻器內(nèi)物料溫度的影響存在一定的梯度變化。所以在冷卻器內(nèi)初始流化速度是不同的。

本文研究的是氧化鋁顆粒，其堆積密度為1 000 kg/m3，真密度為3 940 kg/m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)品測(cè)定氧化鋁平均粒徑dp約為60 μm，根據(jù)斯托克斯公式可以計(jì)算初始流化風(fēng)速[2]。

(1)

式中Umf—初始流化風(fēng)速，m/s；

dp—顆粒平均直徑，m；

ρs—固體顆粒真密度，kg/m3；

ρg—?dú)怏w密度，kg/m3；

μg—?dú)怏w粘度，Pa·s。

從而可以計(jì)算出不同溫度下氧化鋁顆粒的初始流化速度，如圖3所示。

圖3 冷卻器內(nèi)溫度變化對(duì)初始速度的影響

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，初始流化風(fēng)速越來(lái)越低，這是因?yàn)榱骰L(fēng)的粘度隨著溫度的升高不斷增大引起的，從圖中可以看出80 ℃時(shí)初始流化風(fēng)速約為0.048 m/s，250 ℃時(shí)初始流化風(fēng)速約為0.038 m/s，所以在250 ℃時(shí)流化風(fēng)速約為80 ℃時(shí)的79.2%，也就是說(shuō)在250 ℃風(fēng)量?jī)H用80 ℃時(shí)79.2%的風(fēng)量即可實(shí)現(xiàn)氧化鋁流化。

4.2 流態(tài)化冷卻器換熱系統(tǒng)研究

流態(tài)化冷卻器換熱床層與受熱面的總換熱量按公式(2)[2]計(jì)算。

Q=KA(tb-t0)

(2)

式中A—換熱面積，m2；

t0—床層溫度和換熱介質(zhì)溫度，℃；

K—總換熱系數(shù)。

其中，K包括三部分：管路內(nèi)側(cè)熱阻、管壁自身熱阻、管外側(cè)與床層之間的熱阻，可按公式(3)[3]計(jì)算。

(3)

式中k1—換熱管束內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)；

k2—換熱管道外側(cè)換熱系數(shù)；

r0—受熱面的內(nèi)徑，m；

ri—受熱面的外徑，m。

流化風(fēng)的主要作用是起到流化物料的作用，所以忽略其冷卻作用。流態(tài)化冷卻器中換熱主要靠冷卻水完成間接換熱，管路內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)k1經(jīng)計(jì)算約為5 788 W/(m2·K)，遠(yuǎn)大于k2，因此在計(jì)算總換熱系數(shù)K時(shí)可以忽略k1的影響。對(duì)于本文而言，管道壁厚很小，所以管道的內(nèi)外徑比值約為1，因此可以忽略公式(3)中中間項(xiàng)的影響，所以公式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化即為K=k2。接下來(lái)對(duì)系數(shù)k2進(jìn)行研究，由于床層的溫度沿物料運(yùn)行方向逐漸降低，所以運(yùn)行速度也逐漸降低，而床層外側(cè)換熱系數(shù)k2是溫度和運(yùn)行速度的函數(shù)，所以換熱系數(shù)k2沿著物料運(yùn)行方向是不斷變化的。通過(guò)計(jì)算得知，換熱系數(shù)k2與床層溫度和流化風(fēng)速成正比。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的了解和存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)方案，對(duì)今后現(xiàn)場(chǎng)改造和設(shè)計(jì)優(yōu)化具有較好的指導(dǎo)意義。

(2)對(duì)初始流化風(fēng)速進(jìn)行了研究，得到流化風(fēng)速受床層溫度的影響，且物料沿運(yùn)行方向存在一定的溫度梯度，所以在流態(tài)化冷卻器中物料在各處的初始流化風(fēng)速是不同的。

(3)對(duì)換熱系數(shù)的影響因素進(jìn)行了研究，換熱系數(shù)k2是影響換熱效果的主要因素。