流態(tài)化焙燒是一種利用氣體與固體顆粒間的接觸來(lái)進(jìn)行焙燒的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將固體破碎并研磨成細(xì)粉，增加了固體與氣體的接觸面積，縮短了顆粒內(nèi)部的傳遞和反應(yīng)距離。當(dāng)氣體流速達(dá)到一定值時(shí)，固體顆粒會(huì)被懸浮起來(lái)，形成類(lèi)似流體的狀態(tài)，因此被稱(chēng)為流態(tài)化。這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于化工和冶金領(lǐng)域。
工藝原理
流態(tài)化焙燒
流態(tài)化焙燒是指在氣體流速超過(guò)臨界值的情況下，固體顆粒被懸浮起來(lái)，形成類(lèi)似于沸騰液體的狀態(tài)。在此過(guò)程中，氣泡的尾跡中裹挾著固體顆粒，使得上下物料得以混合，有助于整個(gè)料層溫度的均勻化。如果繼續(xù)增加流速，氣泡數(shù)量和大小都會(huì)增加，最終形成連續(xù)的氣固混合相。然而，某些不易相互粘附、流動(dòng)性差的顆粒，在達(dá)到臨界流速后可能會(huì)形成溝渠，導(dǎo)致氣體短路流出，影響氣固接觸。這種情況下，只有當(dāng)流速非常大時(shí)才會(huì)形成顆粒團(tuán)絮的第二種流型。這種流型被稱(chēng)為聚式流態(tài)化，其中氣體匯聚成氣泡，顆粒匯聚成絮團(tuán)。與此相反的是散式流態(tài)化，顆粒在液體中的流態(tài)化表現(xiàn)為隨著流速的增加，顆粒逐漸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有明顯的泡和團(tuán)現(xiàn)象。
聚式流態(tài)化
聚式流態(tài)化的特點(diǎn)是在氣體流速超過(guò)臨界值后，固體顆粒開(kāi)始流態(tài)化，被氣體所懸浮。隨著流速的增加，顆粒床層會(huì)上漲，空隙度也會(huì)相應(yīng)增加。在快速流態(tài)化床中，氣體和固體的接觸和混合更加優(yōu)越，但由于固體料量有限，必須將頂部被氣體攜帶出的顆粒物料收集后再返回床底。
散式流態(tài)化
散式流態(tài)化通常應(yīng)用于顆粒散料的浸取和洗滌過(guò)程中。例如，礦漿在頂部加料，與中部加入的浸洗液逆流接觸，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)逆流傾析工藝，使用極低的液固比，可以從貧料中獲得較濃的溢流溶液。
應(yīng)用實(shí)例
流態(tài)化焙燒已在礦冶工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，形式多樣。例如，空氣焙燒黃鐵礦是一個(gè)放熱反應(yīng)，采用特殊的裝置可以使冷空氣通過(guò)多孔板將焙燒著的黃鐵礦粉料噴吹至沸騰狀態(tài)，與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫。對(duì)于吸熱反應(yīng)，如鐵精礦的氫氣還原，可以通過(guò)多層床流態(tài)化焙燒反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)，以提高氫的利用率。此外，還有貧鐵礦的磁化焙燒工藝，其中氫氣用于還原氧化鐵，產(chǎn)生的廢氣可用于加熱和干燥新加入的鐵精礦。對(duì)于吸熱較多的反應(yīng)，可通過(guò)循環(huán)固體的方式增加熱量輸入。例如，從黃鐵礦制備濃二氧化硫氣體的工藝，就是通過(guò)Fe2O3與FeS2的固-固反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。另外，Al(OH)3的吸熱脫水制備Al2O3的過(guò)程也可以與油或粉煤燃燒同時(shí)進(jìn)行，以提高效率。
熱力學(xué)分析
流態(tài)化焙燒涉及多種流型，包括聚式流態(tài)化和散式流態(tài)化。在液-固體系中，隨著流速的增加，顆粒相互離散而單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，不具什么明顯的泡和團(tuán)的現(xiàn)象。這種流態(tài)化稱(chēng)為散式流態(tài)化。而在氣體-固體體系中，固體床層起伏不定，床層壓降波動(dòng)頻繁，形成了鼓泡床，俗稱(chēng)沸騰床。在較高的流速下，絮狀體成為非連續(xù)相，分散于連續(xù)的稀相中。這兩種現(xiàn)象可以歸納為兩種聚式流態(tài)化：①在鼓泡床中，氣體聚集為氣泡，成為非連續(xù)相，散布于周?chē)B續(xù)的乳相中；②在較高流速下，絮狀體成為非連續(xù)相，分散于連續(xù)的稀相中。顯然兩者之間的過(guò)渡，可看作為聚式流態(tài)化的一種倒置過(guò)程。
數(shù)學(xué)建模
針對(duì)流態(tài)化焙燒的不同流型，已經(jīng)提出了一些數(shù)學(xué)模型，用于定量描述這一現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單的模型是將鼓泡床分割為氣泡區(qū)和乳相區(qū)的兩相模型。還包括了暈的三相模型，即泡相、暈相和乳相。這些模型為設(shè)計(jì)流態(tài)化焙燒反應(yīng)器提供了基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)與研發(fā)
流態(tài)化焙燒反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要綜合考慮顆粒與氣體之間的反應(yīng)機(jī)理、傳熱傳質(zhì)特性以及流型等因素。設(shè)計(jì)不僅涉及到反應(yīng)器及其尺寸的選擇，還需要考慮操作條件的確定。更高級(jí)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合具體的礦物及其加工工藝，從化學(xué)和工程原理出發(fā)，開(kāi)發(fā)合理的焙燒反應(yīng)器。
參考資料 >
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流化床設(shè)備中聚式流化態(tài)的特點(diǎn)_快速了解.百家號(hào).2024-11-21
散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化流化床的區(qū)別.分析測(cè)試百科網(wǎng).2024-11-21