振动流化床中磷石膏颗粒流态化性能研究*

贾 辉 ，刘少文 ，，吴元欣

（1.武汉工程大学化工与制药学院，绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉 430073；2.黄冈师范学院化工学院）

磷石膏是湿法磷酸生产过程中所产生的工业废渣，其主要成分是CaSO4·2H2O，此外还含有少量的SiO2、Fe2O3、MgO、P2O5、F 等杂质。 据统计，世界磷石膏年排放量超过2.8亿t，湿法磷酸生产工艺年副产磷石膏1亿t以上，而平均利用率还不到5%。中国磷石膏年排放量约占世界排放量的1/3，目前利用率不到20%［1-2］。国内外处理磷石膏的方式多为陆地堆放或直接排放入海，这样不仅浪费大量的土地还污染环境［3］。磷石膏制酸联产水泥是目前利用磷石膏的重要途径之一，整个生产过程中废物排出少，资源得到了高效循环利用，形成一个生态产业链［4］。传统的磷石膏制酸联产水泥工艺技术虽成熟可靠，但该工艺存在回转窑热利用率低，水泥熟料质量差，制酸气体中SO2浓度偏低的一系列问题，使得该工艺难以推广应用［5-6］。磷石膏流态化分解技术是目前磷石膏制酸联产水泥技术的主要研究方向，但磷石膏颗粒在普通流化床中流态化分解仍存在一系列问题，如：流化质量差、物料易结渣，且制酸气体中SO2浓度低、粉尘含量高等，严重制约了该技术的应用［7］。笔者将振动引入到磷石膏流态化中，并在自制的振动流化床冷模装置中，对磷石膏颗粒的流态化性能进行了研究，以期能为磷石膏流态化分解提供新思路，为磷石膏振动流态化热分解反应提供理论支持。

1 实验部分

1.1 实验装置与方法

振动流化床冷模实验装置见图1。流化床反应器是由有机玻璃为材料制作的，其主要结构包括床体、布风板和风室。流化床反应器的内径为42 mm，高700 mm，气体分布板为不锈钢材质，开孔率为1.79%，气体分布板上方有两层织布以利于气体分布均匀，并防止物料落入。

图1 实验装置流程图

实验在常温常压下，以气瓶提供的空气为流化介质。流化风进入流化床内，经分布板后进入颗粒床层内，然后直接排空。采用床层压降曲线法和床层膨胀比曲线法分析磷石膏颗粒流态化行为。其中，流化风的大小由转子流量计控制，振幅由振动参数测量仪测量，床层压降差值和床层膨胀比分别由U型压差计和标尺显示，整个系统在全正压条件下运行。

1.2 实验原料

磷石膏由武汉市中东化工有限公司提供，经烘干破碎过筛，筛余量为：w（粒径≥0.080 mm的粒子）≤12%且w（粒径≥0.200 mm的粒子）≤1.5%。磷石膏颗粒尺寸见图2，颗粒D50=13.57 μm。

图2 磷石膏颗粒粒径分布图

2 结果与讨论

2.1 普通流化床中磷石膏颗粒流化性能

振动流化床中，不提供振动能量的条件下进行流态化冷模实验。磷石膏颗粒床层压降、膨胀比和气体流速的关系曲线见图3。由图3可知，随气速增加，床层压降和膨胀比先急剧增大，随后在较短时间内降低到一个很低的稳定值，最后在较大气速时达到稳定，但床层压降和膨胀比均较低。分析认为，随气速增加，床层首先出现活塞流现象，活塞流破碎后，床层以固定床形式存在且出现严重的沟流，当气速增大到0.00156 m/s时床层中有大气泡生成，物料开始实现流化，但部分物料仍然以固定床形式存在，床层表面波动剧烈并可观察到乳相中的大气泡，气泡破裂时将一定量的磷石膏颗粒带出床外。这说明磷石膏在普通流化床中难以实现正常的流态化。

图3 普通流化床中不同气体流速下床层压降和床层膨胀比曲线

2.2 振幅和物料高径比对磷石膏床层压降的影响

在室温、振动频率为48 Hz的条件下，分别考察了不同振幅和物料高径比对磷石膏颗粒床层压降的影响，结果见图4。由图4a和4b可知，随着振幅和物料高径比的增加，磷石膏的床层压降与气速的关系曲线均向上升。当流化气速较小时，床层压降的增幅较大；而当流化气速较大时，床层压降的增幅较为平缓。然而，其产生本质的原因不同，振幅增大，意味着振动强度增大，不仅加剧磷石膏颗粒之间的碰撞，增大了颗粒团聚化破碎的机会，而且有利于流化气体在床内的均匀分布，从而提高床层的充气量，造成床层压降的增加。而物料高径比的增加会引起床层阻力的增大，减弱了振动能量通过颗粒间的作用向上传递，从而增加了床层的压降。

图4 振幅和物料高径比对磷石膏颗粒床层压降的影响

2.3 振幅和物料高径比对磷石膏床层膨胀比的影响

在室温、振动频率为48 Hz的条件下，分别考察振幅和物料高径比对磷石膏颗粒床层膨胀比的影响，结果见图5。由图5a可知，在同一高径比和气速条件下，随着振幅增加，磷石膏颗粒床层的膨胀比随之增大。这是由于，振幅的增加加剧了磷石膏颗粒的运动程度，增加了颗粒运动的自由程，改变了床层的结构，提高了床层的充气量，从而增加颗粒床层的膨胀比，大大提高了流化质量。膨胀比曲线平滑说明床层没有出现沟流及活塞流，流化质量较好。由图5b可知，对不同高径比的物料，在较低气速下，随气速增大，物料的床层膨胀比迅速地增加，但在高气速下，床层的膨胀比增加幅度缓慢。当高径比为1.2和2.4时，较高气速时，磷石膏膨胀比不再增加。原因可能是气速、床层高度和振动强度对磷石膏的流态化有协同作用。首先在低的流速下，振动起主要作用，在高的流速下，振动能量的作用减弱，气速影响占主要地位。黏性力较大流化时易团聚。额外加入的振动能一方面可以促进团聚物的破碎；另一方面又增加了聚团间或颗粒间的接触机会，这两种影响在流化床中竞相存在，此消彼长。同时床层越高，振动能传至床层顶部稀相时能量损失越多，降低了聚团碰撞的激烈程度。这也说明了振动对磷石膏颗粒流态化影响的复杂性。当高径比小于4.8时，高气速对磷石膏颗粒流态化影响微弱；高径比在4.8时，3种因素的影响达到平衡，此时膨胀效果最好；高径比大于4.8时，床层高度的影响较大，磷石膏颗粒的膨胀比下降。

图5 振幅和物料高径比对磷石膏颗粒床层膨胀比的影响

2.4 振幅与高径比对磷石膏最小流化速度的影响

在室温、振动频率为48 Hz的条件下，分别考察振幅和高径比对磷石膏颗粒床层最小流化速度的影响，结果见图6。由图6a可知：在不同振幅下，磷石膏颗粒最小流化速度基本不变，为0.000602 m/s。说明振幅对磷石膏颗粒的最小流化速度影响较小，这是因为对于磷石膏颗粒而言，颗粒床层在不同振幅下的流动形式、结构和空隙率较接近，从而使得不同振幅下的磷石膏颗粒具有相近的最小流化速度。由图6b可知：随高径比增加，磷石膏最小流化速度增加。这是因为物料高径比的增大，造成物料流化时单位体积床体内物料的量增加，增大了气体流经床层时克服物料重力所做的功，从而增加了床层流化所需的气速。实验发现当物料高径比在1.2时，磷石膏的最小流化速度较小，为0.00048 m/s。

图6 振幅和物料高径比对磷石膏最小流化速度的影响

3 结论

1）磷石膏颗粒在普通流化床中流化性能很差，磷石膏颗粒流化时床层出现沟流、活塞流、颗粒团聚等现象；部分物料仍以固定床存在，且床层压降和膨胀比较低。磷石膏颗粒在普通流化床中难以实现正常流态化。2）在振动流化床中，随着振幅的增大，床层压降和床层膨胀比均增加，但其对最小流化速度影响不大。当进料高径比增大时，床层压降和最小流化速度均增加，但膨胀比先增加后降低，且当高径比为1.2时，磷石膏颗粒的最小流化速度较小，为0.00048 m/s；当高径比为4.8时，磷石膏颗粒床层膨胀性能最好。3）振动场中的床层压降和膨胀比曲线均非常平滑，且膨胀比较高，说明振动能量的引入极大地改善了磷石膏颗粒的流态化性能。

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