除灰除尘 探讨:不同粒径颗粒悬浮最低风速需求 [复制链接]

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发表于 2021-4-7 10:39:21 | 查看全部 | 阅读模式
京东
从直观感觉来看,当颗粒粒径越大时,越不容易悬浮于烟气之中。不同粒径下颗粒悬浮需要的最低风速,直接决定了立磨喷口环截面积、预热器换热管道直径、分解炉直径等设备的关键尺寸。6 j0 ^) k0 D: u$ o: r  H
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8 g  D# m4 S, J* x8 E, Q; ?  z(1)颗粒在烟气中受力分析
" ~) P' M& Q0 e9 }
1 c7 s2 q! R: N+ J! j- j假设颗粒为球形颗粒,则其在烟气中受到的力主要有三类:$ |& L2 x4 ^8 e5 i! ]% `. H% j
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① 重力:G=mp*g=ρp*Vp*g,其中ρp 为颗粒密度,Vp 为颗粒体积
  r1 s0 i$ q* x9 P1 y& x% V
  D4 E6 m6 H5 y) f! ^+ K② 浮力:Fb=ρg*Vp*g,其中ρg 为烟气密度; D( A9 e& J, D, T. N. u
  ~& n. a- T7 v0 p  n7 p
③ 曳力:FD=CD*0.5*ρg*Vr^2*Ap ,其中CD为曳力系数,随流体雷诺数不同而有较大差异,如下图所示;Vr为颗粒与流体的相对速度,即vg-vp; Ap 为颗粒截面最大面积,对于等直径球体,Ap = π*dp^2/4
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图1 不同Re下曳力系数的求解公式% C) u3 k0 P: Y# @
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假设烟气流速向上,为vg 。若想保持颗粒悬浮于流体中,则颗粒流速vp 必须要≥0,即运动方向向上或相对烟气保持静止,否则颗粒则会向下运动,从而无法实现悬浮。
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; W, i! I6 V2 Y" x% x% I(2)求解# F$ l9 @8 C! s4 W. O3 q3 B- y+ E& J7 ^
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基于以上分析,可以列出颗粒受力方程,即:
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: }( ~: _) `( ^3 wG=Fb+FD5 i5 q8 \2 l8 z3 F, H7 Z4 B

9 I9 u0 u2 [* V& T- m; O: `假设颗粒刚刚能够悬浮于烟气中,即vp=0,求解此时的vg ? 假设气体为空气,温度为常温,则不同粒径下烟气最低速度如下表所示。
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从上图可以看出来,即使颗粒粒度达到200μm,烟气只需要1.33 m/s就可以将颗粒悬浮起来,只要速度大于1.33 m/s,颗粒就可以向上运动。8 n1 E5 ?5 n( V3 u

$ s! \5 {( L5 Z那么温度对烟气最低速度的影响如何呢?温度的影响主要体现在烟气密度和粘度上。计算了1000℃下烟气的最低速度,结果如下表。
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# L' A8 s- i2 z. A$ c& j+ V可以看出,烟气温度增加后,烟气最低速度反而降低了。即使颗粒粒径达到200μm,烟气速度只需要1.21 m/s就可以悬浮起来。
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(3)疑问; N0 _( U4 ~. v( f3 q" O/ D, z- a

) r7 V, D* |. w7 l6 Z虽然最终的计算结果表明,对于像水泥生料类的颗粒,只需要1.2-1.3 m/s的烟气速度就可以将其悬浮起来。那么实际生产中,为什么烟气速度通常要设计在10m/s左右,甚至在预热器换热管道内要达到20 m/s以上呢?
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( g! y! r$ N9 M' v' p% E; i/ e原因是 粉体的团聚!7 A$ k$ b# k/ `, V  l: Q9 w$ Z
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计算了在1000℃下,不同粒径颗粒的最低烟气速度,结果如下图所示。; O0 Y. Y& O& `6 m. s7 x& Y

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可以看出,当颗粒粒径达到1000 μm时,烟气最低速度为6.3 m/s;当颗粒粒径达到2000 μm时,烟气最低速度达到了14.3 m/s。2 X- m6 l; h3 y
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曾分析了生料的团聚作用,结果表明理论换热量是实测换热量的20倍以上。在假定换热系数相同的情况下,生料颗粒团聚后的换热面积是充分分散情况下的1/20,即团聚后的生料直径应该为之前的4-5倍。
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* d9 m. L. S  X+ Z对于粒径在100μm左右的生料粉体,团聚后其粒径可能达到了400-500 μm,此时烟气最低速度就由0.4 m/s增加到了2.8 m/s;对于粒径更大的粉体而言,团聚后的直径甚至能够超过1000 μm。 再考虑生料要在烟气中向上运动,所需要的烟气速度必须要大于最小烟气速度。这可能是预热器换热管道、分解炉直径尺寸设计的因素之一。(除此之外,必须考虑当直径扩大后,粉体在烟气中的分布均匀性)0 d/ ?4 _# [7 G$ h
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