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。* _$ I& j# L1 j" {5 c1 V" m
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( J9 D* I9 d4 P( V# u4 |2 E7 D(1)颗粒在烟气中受力分析3 K* j" O# f: A; _/ T
: X4 M- V3 }# x% R# x, ~假设颗粒为球形颗粒,则其在烟气中受到的力主要有三类:1 Y& h9 ^0 \2 ?4 f2 i
1 t" c k1 s7 E* s① 重力:G=mp*g=ρp*Vp*g,其中ρp 为颗粒密度,Vp 为颗粒体积
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② 浮力:Fb=ρg*Vp*g,其中ρg 为烟气密度% w4 `* X s! ?; C
' W. m! u( K" C9 I, [9 s③ 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/ u# M/ m; a) V% s1 f7 v' h. |
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2 P/ `8 Y8 d- r图1 不同Re下曳力系数的求解公式" Q8 h+ ]' M+ \# W o' f3 [2 @* j
7 W, E8 ~. D; u* i: z
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。7 d% M3 Q' C- L- ~! e0 e7 U
- y# t! D8 t2 M9 H6 |* x! T F' _5 G(2)求解" v$ q+ v9 @( k- X& @% V- J3 K
; }4 G' M" @$ T! e: t1 J' Y基于以上分析,可以列出颗粒受力方程,即:
. W4 P* U8 I- O, G5 V: y
, e' o0 U. ?# A! z2 AG=Fb+FD
! k! w, U8 [+ M! M$ W
5 M/ n! a ~5 M- ^0 X4 B" n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。4 Z7 A) W& C; k4 V9 m
. m6 Z- O9 g9 v& T
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4 a% x8 `( I; a S' Y
) m# p! I9 }- b7 u- V! h6 N# O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。4 I# [( h$ T1 v5 s
4 b- ^% y# X" b5 Y/ K& I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。- ]$ {8 u6 b. [0 D5 S6 V
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0 f! ]+ r; s# ~) R2 ?/ B& C$ K; F% t7 N' F/ J9 s; Y6 Z
; c" S$ B. `0 q+ k5 R& R% K7 c* L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。
; p P% j6 H5 O9 M+ E# u2 B% L+ U0 }) p) | G2 K* j5 r
(3)疑问6 T$ l! z& o) b) t, K
( b8 U8 n4 o g* f6 N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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原因是 粉体的团聚!9 H" J g6 O. X9 n3 F+ j* a- w- Z
- s& X) W' d% C d; I& V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。: J5 n1 m2 ^ w, ~8 g) r$ w5 ~* w+ \
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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。0 K N: [( e- P1 k
) a# Y3 H& \+ F8 A! s @- u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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/ N& a2 i/ n( ^) Q% v& ?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)7 n# x7 E1 S/ D% Q
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