超細粉體冷卻技術及傳熱特性研究

劉人滔 李育亮 王 瓊 袁 臻 中國成達工程有限公司 成都 610041

固體顆粒的流動性較差，從顆粒內部到表面的熱傳遞方式主要為熱傳導，因此其傳熱相比氣/液流體較困難。在無機鹽、金屬氧化物、金屬粉末的生產中，常需將煅燒得到的高溫固體產品進行冷卻，以滿足包裝和運輸設施對溫度的要求。對于粒徑小、活性高、易于與氧氣或水發生反應的粉體物料，使用傳統的冷卻技術存在各種弊端，需要有針對性地研發新的粉體冷卻技術。

1 傳統的粉體物料冷卻方法

1.1 槳葉式冷卻器

槳葉式冷卻器是一種臥式間接換熱設備，物料在圓筒中被槳葉不斷翻動并向一端推進，槳葉內腔和圓筒壁下部夾套通入冷卻水，物料在被緩慢輸送的過程中得到冷卻。該技術傳熱效率較低，設備占地面積大，難于清理，因有轉動部件導致維修相對頻繁。通常用于物料溫度不高，流動性差，且不宜直接接觸空氣的介質，溫度過高的物料則因為容易板結而不適用。該技術在純堿工業中應用于冷卻來自煅燒爐的高溫純堿[1]，現在,已被更先進的粉體流換熱器部分取代。

1.2 粉體流換熱器冷卻器

粉體流換熱器是一種間接換熱的粉體冷卻設備，通常由進料倉、傳熱板組、下料倉等組成[2]。這種換熱方式結合了粉體密相輸送和傳統板式換熱器的設計思路，高溫固體粉料依靠自身重力自流通過板式換熱器的狹窄通道，與另一側的冷卻水進行間接換熱，達到將物料冷卻的目的，必要時可以副產熱水，回收熱量。但這種技術只適用于具有良好流動性的粉體物料，通常要求粉料粒徑>150μm，安息角<40°。該技術由加拿大Solex公司最早推廣，在重質純堿、尿素、氯化鉀、蔗糖等產品上得到廣泛應用。但對于流動性差的粉料，在換熱板間流動時極易架橋堵塞，不能使用。該技術具有傳熱效率高、設備占地面積小、無轉動設備、運行維護費用低的優點。

1.3 氣固流化床冷卻

氣固流化床具有傳熱系數高(可達200～400W/m2/K)、溫度均勻可控、顆粒輸送方便等特點，是目前最常用的一類冷卻器。該技術是利用流態化原理，以空氣或惰性氣體為載體氣，將粉料流化起來。以臥式流化床為例，粉料在流態化狀態下依次通過多個流化腔室，每個流化腔室下均有冷卻氣體通入，氣體與粉料直接接觸換熱，達到逐級冷卻的目的。換熱后的氣體從頂部引出，經旋風分離器和布袋除塵器后排空。也可以將氣體間接冷卻后循環使用。在氯化鎂、氧化鋁等顆粒的冷卻上，流化床冷卻器獲得大量應用。氣固流化床的關鍵是顆粒需滿足可以穩定流態化的條件，一般適合流態化的顆粒尺寸在30μm～3mm之間，在夾雜有小顆粒的條件下，部分顆粒可大至6mm[3]。

根據流化床的布置方式，可分為臥式流化床和立式流化床；根據是否有內置移熱裝置，又可分為絕熱式流化床和移熱式流化床。

2 超細粉的冷卻難題

對于粒徑小、易吸潮、易氧化、性質活潑的超細粉體物料，現有的冷卻方法均存在弊端。以煅燒電石渣生產活性氧化鈣為例，煅燒后的氧化鈣溫度≈500～700℃，需要冷卻到≈80℃才能進行包裝和運輸。以75萬t/a電石渣煅燒裝置為例，需要冷卻的活性氧化鈣量為50t/h，冷卻的熱負荷高達7836kW。一方面，從設備選型上分析:如果選用槳葉式冷卻器，設備龐大、運行費用高；而由于氧化鈣粉料流動性差，極易架橋粘附，粉體流換熱器并不適用；另外，氧化鈣粉料粒徑分布在0～100μm，其中粒徑<30μm的占比超過40%，無法形成穩定的流態化床層，因此，氣固流化床冷卻器也不適用。另一方面，從能耗方面分析：活性氧化鈣顆粒反應活性高，遇到空氣中的水和二氧化碳均會快速反應生成碳酸鈣和氫氧化鈣，導致產品純度下降，因此必須使用干燥空氣冷卻。以干燥空氣為20℃，出口溫度為80℃計算，將耗費363000Nm3/hr干燥空氣(折標油13794kg[5])；同時，高溫粉料中的熱量被空氣帶走，無法回收利用，使裝置的整體經濟性降低。綜上所述，需要研發一種新的換熱技術來解決超細粉料的冷卻難題。下面介紹一種新型粉體流化冷卻系統。

3 粉體流化換熱技術

3.1 粉體流化冷卻系統

針對粒徑0～100μm，溫度300～900℃的粉料，成達公司工藝專業人員開發了粉體流化冷卻系統。粉體流化冷卻系統由循環風機、粉體流化冷卻器、旋風分離器、布袋除塵器、及粉料輸送機組成。高溫物料從冷卻器下端進入，冷卻器立式安裝，頂部出口與旋風分離器進口通過風管相連，底部氣體進口與循環風機出口相連，旋風分離器底部為冷卻后產品出料口，頂部為尾氣出口，尾氣至布袋除塵器收集超細粉后，連接至循環風機進口，作為流化氣體循環使用。系統示意圖詳見圖1。

圖1 粉體流化冷卻系統示意圖[6]

冷卻器的主體結構為立式安裝的列管式換熱器。高溫粉料與載氣充分混合，并一同向上流動進入各換熱管內，在流經換熱管的過程中，粉體不斷傳熱給載氣，載氣通過換熱管傳熱給殼程的冷卻介質，完成冷卻。冷卻介質采用水，副產的80～90℃熱水可供冷凍機組生產冷凍水使用，能量得到回收利用。

3.2 粉體流化冷卻器及其傳熱特性

粉體流化冷卻器是本系統核心設備，其結構見圖2。

圖2 粉體流化冷卻器結構示意圖

冷卻器由流態化腔室和管殼式換熱器組成，流態化腔室底部設置有布風板，布風板可根據粉體物料性質，選擇雙層篩孔式、風帽式、鰓孔式等，其具有兩個主要作用：①布風板可以承受落料時物料的重量，防止物料落入進風管導致管道堵塞；②布風板可以使氣體均勻進入流態化腔室，有利于粉料的均勻分布、充分換熱。布風板上部為流態化腔室，提供流態化床層空間，起到增加停留時間、分散物料的作用；流化空間上部為換熱管管板，換熱管作為流動通道，粉料在氣相曳力作用下在換熱管中向上流動，粉料和載氣之間、載氣和管壁之間、粉料和管壁之間充分換熱，冷卻介質的流量受氣固相出口溫度控制；換熱段殼程可根據粉料的溫度設置膨脹節，消除因管程溫度遠高于殼程溫度而產生的溫差應力。

在換熱器中，氣固兩相并不需要形成界限分明的穩定床層，在換熱管內處于密相氣力輸送狀態，只需要克服流動阻力，通過換熱管即可完成冷卻操作，對控制要求低。

粉體顆粒在通過換熱器的過程中，熱量從高溫顆粒首先傳遞給流化載氣，此處為顆粒與氣流傳熱，再經對流傳熱，從載氣傳遞給換熱管壁面，再經熱傳導傳遞到殼程的冷卻介質?？梢钥闯?，相較常規的列管換熱器，粉體流化冷卻器多一個粉體顆粒與流化載氣傳熱的過程。因此，使用常規的EDR或HTRI換熱器分析軟件，其計算結果存在偏差，需要分析其傳熱特性。本文推導了一種適合工程應用的校正計算方法：

(1)確定流化的固氣比。

固氣比定義為顆粒與載氣的質量比。通常，對于細顆粒，固氣比在8～20之間：

(1)

式中，ms為固體質量流量，kg/h；mg為氣體質量流量，kg/h。

(2)用上述換熱器分析軟件進行換熱器分析。

在列管換熱器分析中，管側采用載氣的物性，并修正比熱為氣固相的平均比熱，使計算熱負荷與實際基本相符。采用校核型計算方式，設定一組結構參數，得到該結構參數下的總傳熱系數K。

(3)進行總傳熱系數的校正計算。

換熱器分析計算出的K值，由管內熱阻1/h1、管外熱阻1/h2、換熱管壁面熱阻d/kw，以及兩側的污垢熱阻Rs1,Rs2加和所得，本文中的熱阻均以換熱管外表面積為基準(下同)：

(2)

軟件計算的K值中沒有包含顆粒與載氣之間的傳熱熱阻，因此需要對軟件計算的K值進行校正。對于流動的顆粒，借鑒使用流化床傳熱計算中常用的Rowe準數關聯式[4]：

(3)

式中：

(4)

(5)

(6)

聯立式(3)～(6)，可以得到顆粒與載氣的給熱系數表達式：

(7)

式中，ρ為顆粒真密度，kg/m3；Dp為顆粒平均粒徑，m；u為流速，m/s；μ為粘度，Pa·S；Cp為顆粒比熱，kJ/kg/K；k為載氣的導熱系數，W/m/K；l為傳熱面特征尺寸(此處為換熱管直徑)，m。

將式(7)所表達的熱阻1/hp加入式(2)，即得到校正后的總傳熱系數K′的表達式：

(8)

上述表達式將顆粒的給熱系數類比對流給熱系數，使用準數關聯式這種半經驗計算方法，給工程計算提供了極大的便利。適用于粉體流化冷卻器的顆粒粒徑通常在100μm以內，考慮到冷卻器針對的金屬氧化物的導熱系數為10～100W/m/K，用導熱系數除以顆粒粒徑可以得到從顆粒中心到表面的傳熱系數為105～106W/m2/K數量級，即顆粒內部熱傳導熱阻遠小于顆粒表面通過層流底層向載氣傳熱的熱阻。因此，顆粒與載氣的傳熱受對流傳熱控制，上述計算方法也符合其物理特性。

(4)校核臨界流化速率。

通過上述計算，得到校正后的總傳熱系數K′，可得到校正后的換熱面積，而后進一步修正換熱器結構。還需要再校核在換熱器內的任意位置，粉料中最大顆粒的流化速度大于其臨界流化速度，以確保顆粒不因沉降而堵塞換熱管。臨界流化速率的計算如下式[3]：

(9)

式中，ρf為載氣的密度，kg/m3；Dp為最大顆粒的當量粒徑，m；g為重力加速度，m/s2。

如果計算所得的u≤um,則應減少換熱管數量，增加換熱管長度，再重復上述四步，直到滿足要求，計算的邏輯如圖3所示。

圖3 流化冷卻器傳熱計算邏輯圖

4 結語

(1)本文介紹的粉體流化冷卻系統，相對傳統的冷卻方法，具有操作簡單、易控制、熱量可回收等優點，適用于粒徑小、易吸潮或氧化變質的高溫粉體顆粒的冷卻。

(2)通過分析流化冷卻器的傳熱特性，推導了顆粒流化冷卻器總傳熱系數的計算方法，解決了換熱器分析軟件對顆粒熱阻計算的缺失。將顆粒與載氣的給熱系數類比對流給熱系數，使用準數關聯式這種半經驗計算方法，給工程計算提供了極大的便利，且符合其傳熱特性。

(3)對于600℃以上的高溫物料，輻射傳熱不可忽略，因為有一部分熱量是從粉體顆粒外表面輻射傳熱至換熱管壁。因此，實際的總傳熱系數相較本文介紹的計算方法偏大。輻射傳熱因受溫度和距離控制，其傳熱與顆粒運動狀態、空間位置相耦合，具有復雜性，有待后續研究。