流態化焙燒

在圖1中用uf來表示臨界流態化速度。若將流速u增至超過臨界值,即u＞uf,一部分氣體會形成氣泡，使整個料層具有沸騰着的液體的狀態,採用這種氣體-固體接觸的焙燒方法叫做流態化焙燒又稱沸騰焙燒。上升氣泡的尾跡中裹有一部分固體顆粒，隨之夾帶而上，使上下的物料混合，有利於整個料層温度的均勻化，如此，可避免其他常用設備中的不利現象：部分地區因温度偏低，反應不足；部分地區因温度偏高，易引起燒結等。若再進一步增加流速，氣泡增多、加大，逐步匯合成一連續氣固混合相；而另一部分顆粒卻團聚為時而形成、時而解體的絮狀體,如此,再次強化顆粒與氣體之間的接觸。但是，不是所有的物料在達到臨界流速uf後都進入沸騰狀態。有些易於相互粘附、流動性不好的顆粒，特別是較細的粉末，在流速達到臨界值後,會形成溝渠，使部分氣體短路流出,減弱氣、固之間的接觸。對這種內聚性強的物料，只有當流速很大時才形成顆粒團絮的第二種流型。上述的流型，總稱為聚式流態化：氣體匯聚成氣泡，顆粒匯聚成絮團。與這些不同的是顆粒物料在液體中的流態化。在液－固體系中，隨着流速的增加，顆粒相互離散而單獨運動，不具什麼明顯的泡和團的現象。這種流態化稱為散式流態化，如圖1的下方所示。 　工藝流態化焙燒已廣泛用於礦冶工業，具有多種形式。空氣焙燒黃鐵礦是一個放熱反應,採用如圖2的裝置，使冷空氣通過一個多孔板將焙燒着的黃鐵礦粉料噴吹至沸騰狀態，與氧反應生成二氧化硫。一般流態化焙燒爐中需設水冷管或水冷箱，除去多餘的熱量。 　圖3表示了一個吸熱反應的流態化焙燒裝置。這一工藝將鐵精礦用氫氣還原至金屬鐵粉。用氫還原氧化鐵是個吸熱反應，所需熱量由進入焙燒反應器的高温氫氣提供。為了提高氫的利用率，採用多層牀流態化焙燒反應器，使最下層排出來的氣體與上段的物料接觸,進行預還原；最後,將預還原後的氣體用於加熱和乾燥從反應器頂部加入的鐵精礦。 　對於吸熱反應，所需的熱量也可用固體物料帶入反應區,如圖4所示。這是一個貧鐵礦的磁化焙燒工藝,將貧鐵礦中的Fe2O3還原至有磁性的Fe3O4,然後用磁選法與脈石分離。用於反應的氫很少，但加熱貧鐵礦的熱量卻很大。所以，這一工藝將還原後的廢氣用空氣燃燒，在稀相流態化狀態下使加入的貧鐵礦預熱至略高於反應温度;然後進入還原段,與煤氣中的氫和一氧化碳反應，生成Fe3O4。 　上述過程中，熱載體為加入的固體爐料，對於吸熱較多的反應，熱量往往還不夠，因此，要採用不斷循環固體的方法，增加載入的熱量。例如圖5所示的從黃鐵礦制濃二氧化硫氣體的工藝。這一工藝依靠Fe2O3與FeS2的固-固反應,生成SO2。在反應中，Fe2O3被還原至Fe3O4,在一個提升管中用空氣再氧化至Fe2O3,在這氧化過程中固體的温度上升。這一工藝因用於氧化的空氣與生成的 SO2隔絕，可製成含SO2大於80%的氣體,除制硫酸外還適用於直接製取液態SO2。 　吸熱反應所需熱量也可靠耦合一個放熱反應，在同一個流態化焙燒裝置中進行。例如圖6所示的Al(OH)3吸熱脱水制Al2O3的工藝，在一個快速流態化牀中與油或粉煤燃燒同時進行。所謂的快速流態化牀指的是圖1中u»uf的沸騰狀態,此時氣體和固體的接觸和混合都比經典的鼓泡型沸騰牀更為優越，但是，為了保證牀中有足夠量的固體料，必須將快速牀頂部被氣體攜帶出的顆粒物料經旋風器捕集後返回牀底。 　為了進一步闡明圖1所示流態化焙燒的氣-固流型的範圍，圖7表示了與流態化焙燒毗鄰、但與之不同的在顆粒散料的浸取和洗滌中應用的散式流態化。以礦漿為例，在頂部加料，與中部加入的浸洗液逆流接觸；從頂部周圍溢流中回收來自固體顆粒中的溶質，浸完的礦渣於底部排出，這種流態化浸洗過程能將逐級逆流傾析工藝在單一塔型設備內進行，且可採用極低的液固比，從而可自貧料獲得較濃的溢流溶液。 　流動規律散式流態化流動規律 具有最簡單流動規律的流態化體系是以液體－固體為代表的散式流態化。如圖8左下方所示，在低流速時，牀層為固定牀，其壓降在對數座標上隨液體的流速線性上升，而其空隙度維持一常數ε0。所謂空隙度 ε為牀層中未被顆粒所佔的空間體積與牀層總體積之比。在流速u達到某一臨界值uf時，顆粒開始流態化，被液體所懸浮。從開始到全部流態化的流速區間一般很短。在達到流態化以後，所有顆粒被流體所懸浮，因此，從力的平衡考慮，流體通過顆粒料層的壓降與物料在液體中的有效重量相等，於是，壓降不再隨流速增加而增大，維持恆值。但是，顆粒牀層卻隨着流速而上漲，空隙度加大。牀層的上漲説明，隨着流速的加大，顆粒自動拉開其間距，容許更多流體流通而不增加阻力。對液-固體系而言，在對數座標上,空隙度也隨着流速而近似線性上升，直至線速達到顆粒的自由沉降速度ut時,ε=1,也即是説,此時,單個顆粒被懸浮於無窮大的液體中。 　若將液- 固流態化中，顆粒開始至全部流態化的間距看作為零，即可將之稱為臨界流態化“點”。這一臨界流速uf截然劃分出左方的固定牀區和右方的流態化區(見圖8左下方)，在右方，壓降△p等於單位面積上料層的有效重量：

△p=(ρs－ρf)(1－ε)H

其中ρs和ρf分別為固體顆粒和流體的重度;H為牀高。再進一步,可將空隙度隨流速u在對數座標上的近似線性關係寫成線性，即

u=utεn

其中空隙度指數n為這線性關係的斜率。

以上兩個近似處理,可將一般的液-固流態化的規律抽象為理想流態化。理想流態化這一概念對許多複雜的工程問題提供了簡化的途徑。例如對於同時加入和送出固體顆粒的流態化系統，就可採用液、固相對速度代替上式中的流速u，從而形成廣義流態化的關係式：其中ud為固體的速度。從這一關係，可以定量地描述流體向上或向下、顆粒向上或向下、稀相或濃相、受阻沉降或移動牀輸送等多種流態化操作，甚至包括加速運動。

聚式流態化流動規律 以氣體-固體為代表的聚式流態化體系的行為與液－固散式流態化有本質上的不同。如圖1所示,在開始流態化後，固體牀層起伏不已,牀層壓降波動頻繁。圖8右下方用波動範圍的虛線代表這一不穩定的流動。超過臨界流態化的氣體，大部分以氣泡通過牀層，因此牀層的膨脹遠小於散式流態化。這種聚式流態化牀又稱為鼓泡牀，俗稱沸騰牀。當氣速再進一步增大，氣泡逐步消失，而牀中出現絮狀的固體密集體，時而形成，時而消失。這一狀態可見於快速流態化和載流過程中，此時，牀層一般呈下部濃上部稀。圖8右中的凸形空隙度曲線表明，在同一流速下，牀中同時存在濃、稀兩個相。

由此可見,上述現象可以歸納為兩種聚式流態化:①在鼓泡牀中，氣體聚集為氣泡，成為非連續相，散佈於周圍連續的乳相中；②在較高流速下，絮狀體成為非連續相，分散於連續的稀相中。顯然兩者之間的過渡，可看作為聚式流態化的一種倒置過程。

鼓泡牀中氣體和顆粒的流型遠比散式流態化複雜。氣體從分佈板孔中射出,先形成長形空穴,如圖9a所示,待其長大後,即與底板脱離，成為懸浮於周圍濃相或乳相中的單泡。除了基本上不含顆粒的空穴外，氣泡周圍有一外殼，如圖9b所示，其中的氣體在泡底進入泡內，在泡頂回入外殼。這一外殼稱為“暈”。泡底一般向上隆起，帶有從氣泡生成區的顆粒，隨着氣泡尾跡在乳相中上升。在達到牀頂部界面時，氣泡破裂，如圖9c所示，尾跡中的顆粒一般形成環狀結構，撒於牀面。氣泡尾跡中所夾帶的顆粒,在上升過程中不斷脱落,形成指形料柱。撒於料面的環狀體夾帶顆粒，則在氣泡周圍的乳相中再度下沉。鼓泡牀中這種顆粒的流動混和機理，與散式流態化中以單獨顆粒為主、隨機行走產生離散的現象，完全不同。 　流動模型及其數學模擬 基於上述流型，近年來提出了許多數學模型，用於定量地描述這一現象。最簡單的是將鼓泡牀分割為氣泡區和乳相區的兩相模型。圖10表示了包括了暈的三相模型，即泡相、暈相和乳相。進入流態化牀的氣流分為三部分，分別以uB、uC和uE的速度流入泡相B、暈相C和乳相E。泡相中顆粒甚少,氣-固反應一般可以忽略。在暈相和乳相中氣體按不同流型和固體反應。因此，在相鄰地區這三相中的氣體成分也不相同。泡相和暈相之間的氣體進行交換，在一定程度上使氣體成分趨於接近。同時，暈相和乳相之間的氣體以及固體顆粒也相互交換。按這一物理模型,即可寫出一組描述鼓泡牀中氣-固行為的公式，為設計這種反應器提供方法。 　具有顆粒集聚的快速流態化和載流過程中的氣體和顆粒的流動，又與鼓泡牀截然不同。在這種聚式流態化中,牀內的顆粒下濃上稀,已如前述。圖11左方表示出不同流速下這種空隙度分佈。在中流速下，顯然下部有濃相牀、上部有稀相牀。在低流速下，濃相區變稠，空隙度下降，牀面上移，甚至可超出設備頂部。同樣，在高流速下，濃相區稀釋，牀面可下移至設備底部以下。圖11右方表示了用於數學模擬的物理模型。在任意牀高z處,顆粒的密集體，在下部的濃相區按擴散規律向上轉移，而一旦進入上部較稀牀層後，這些密集體又按重力而下沉、離析。在穩態下，向上的擴散和向下的離析的通量相等，由此可推導出空隙度隨牀高的分佈。

焙燒反應器的設計和研製流態化焙燒反應器的設計，與其他異相反應裝置一樣，必須依靠對顆粒與氣體之間反應機理和速率、顆粒內部以及顆粒與氣體之間熱量和質量的傳遞、以及顆粒和流體的流型的瞭解。簡單的設計包括對反應器及其尺寸的選擇以及操作制度的確定。較高級的設計則包括對某種特定礦物及其加工工藝，從化學和工程原理出發研製合理的焙燒反應器。

基本的異相化學反應的考查始於單粒礦物，如圖12左方所示。單一礦物本身不具孔隙，因此稱為堅粒。礦物反應的產物可為氣態物質或固態物質，後者或從外部剝落，不斷暴露新的反應界面，或者包裹在其外部，要求反應的氣體通過這產物層，向內擴散至反應界面，進行反應。外圍的氣體又需通過礦粒周圍的氣膜層向內擴散。設計中的一個重要問題是確定，整個單粒反應過程的主要阻力為化學反應還是氣體通過氣膜（或產物層）的擴散，也即是説，反應速度是化學反應控制還是擴散控制。只有在明確這一前提後，才能選擇合適的數學模型。一個常用的判據式為以下的無量綱數Da： 其中k為不包括擴散的本徵反應速率係數；De為擴散係數；R為顆粒的半徑。一般來説,若Da＞25,需考慮由於擴散而帶來的阻力。

若礦粒本身為若干礦物的團粒，可將上述堅粒的基本模型組合成具有堅粒與堅粒之間有空隙擴散的松粒，如圖12b所示。這樣,在堅粒的氣膜和產品層之外，還需加上堅粒之間的擴散。可以設想，接近團粒外圍的堅粒由於粒間擴散離氣體主流近，要比位於內部的堅粒反應得更快,如圖12b所示。 　在焙燒反應器中的眾多礦石顆粒，各自帶着它內部的堅粒，還與周圍的氣體一起，進行着具有各自特徵的、但並不是相互無關的運動,如圖12c所示。這種運動對反應器設計帶來新的粒羣問題：反應不全的顆粒可能提前從連續操作的反應器中排出，而反應完全的顆粒卻可能留着不走；對於返回混合的氣體，也存在着類似的停留時間分佈的問題。 　參考書目

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