流态化焙烧

流态化焙烧
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将所处理的固体破碎、研磨成细粉，增加固体与气体的接触面积，缩短颗粒内部的传递和反应距离。自下而上流经这些粉料的气体，在达到一定速度时，会将固体颗粒悬浮起来，使之不断运动，犹如流体，故称流态化。此项技术已广泛用于化工、冶金等领域。

正文

在图1中用uf来表示临界流态化速度。若将流速u增至超过临界值，即u>uf,一部分气体会形成气泡，使整个料层具有沸腾着的液体的状态，采用这种气体-固体接触的焙烧方法叫做流态化焙烧又称沸腾焙烧。上升气泡的尾迹中裹有一部分固体颗粒，随之夹带而上，使上下的物料混合，有利于整个料层温度的均匀化，如此，可避免其他常用设备中的不利现象：部分地区因温度偏低，反应不足；部分地区因温度偏高，易引起烧结等。若再进一步增加流速，气泡增多、加大，逐步汇合成一连续气固混合相；而另一部分颗粒却团聚为时而形成、时而解体的絮状体，如此，再次强化颗粒与气体之间的接触。但是，不是所有的物料在达到临界流速uf后都进入沸腾状态。有些易于相互粘附、流动性不好的颗粒，特别是较细的粉末，在流速达到临界值后，会形成沟渠，使部分气体短路流出，减弱气、固之间的接触。对这种内聚性强的物料，只有当流速很大时才形成颗粒团絮的第二种流型。上述的流型，总称为聚式流态化：气体汇聚成气泡，颗粒汇聚成絮团。与这些不同的是颗粒物料在液体中的流态化。在液－固体系中，随着流速的增加，颗粒相互离散而单独运动，不具什么明显的泡和团的现象。这种流态化称为散式流态化，如图1的下方所示。工艺流态化焙烧已广泛用于矿冶工业，具有多种形式。空气焙烧黄铁矿是一个放热反应，采用如图2的装置，使冷空气通过一个多孔板将焙烧着的黄铁矿粉料喷吹至沸腾状态，与氧反应生成二氧化硫。一般流态化焙烧炉中需设水冷管或水冷箱，除去多余的热量。图3表示了一个吸热反应的流态化焙烧装置。这一工艺将铁精矿用氢气还原至金属铁粉。用氢还原氧化铁是个吸热反应，所需热量由进入焙烧反应器的高温氢气提供。为了提高氢的利用率，采用多层床流态化焙烧反应器，使最下层排出来的气体与上段的物料接触，进行预还原；最后，将预还原后的气体用于加热和干燥从反应器顶部加入的铁精矿。对于吸热反应，所需的热量也可用固体物料带入反应区，如图4所示。这是一个贫铁矿的磁化焙烧工艺，将贫铁矿中的Fe2O3还原至有磁性的Fe3O4,然后用磁选法与脉石分离。用于反应的氢很少，但加热贫铁矿的热量却很大。所以，这一工艺将还原后的废气用空气燃烧，在稀相流态化状态下使加入的贫铁矿预热至略高于反应温度；然后进入还原段，与煤气中的氢和一氧化碳反应，生成Fe3O4。上述过程中，热载体为加入的固体炉料，对于吸热较多的反应，热量往往还不够，因此，要采用不断循环固体的方法，增加载入的热量。例如图5所示的从黄铁矿制浓二氧化硫气体的工艺。这一工艺依靠Fe2O3与FeS2的固-固反应，生成SO2。在反应中，Fe2O3被还原至Fe3O4,在一个提升管中用空气再氧化至Fe2O3,在这氧化过程中固体的温度上升。这一工艺因用于氧化的空气与生成的 SO2隔绝，可制成含SO2大于80%的气体，除制硫酸外还适用于直接制取液态SO2。吸热反应所需热量也可靠耦合一个放热反应，在同一个流态化焙烧装置中进行。例如图6所示的Al(OH)3吸热脱水制Al2O3的工艺，在一个快速流态化床中与油或粉煤燃烧同时进行。所谓的快速流态化床指的是图1中u»uf的沸腾状态，此时气体和固体的接触和混合都比经典的鼓泡型沸腾床更为优越，但是，为了保证床中有足够量的固体料，必须将快速床顶部被气体携带出的颗粒物料经旋风器捕集后返回床底。为了进一步阐明图1所示流态化焙烧的气-固流型的范围，图7表示了与流态化焙烧毗邻、但与之不同的在颗粒散料的浸取和洗涤中应用的散式流态化。以矿浆为例，在顶部加料，与中部加入的浸洗液逆流接触；从顶部周围溢流中回收来自固体颗粒中的溶质，浸完的矿渣于底部排出，这种流态化浸洗过程能将逐级逆流倾析工艺在单一塔型设备内进行，且可采用极低的液固比，从而可自贫料获得较浓的溢流溶液。流动规律散式流态化流动规律 具有最简单流动规律的流态化体系是以液体－固体为代表的散式流态化。如图8左下方所示，在低流速时，床层为固定床，其压降在对数坐标上随液体的流速线性上升，而其空隙度维持一常数ε0。所谓空隙度 ε为床层中未被颗粒所占的空间体积与床层总体积之比。在流速u达到某一临界值uf时，颗粒开始流态化，被液体所悬浮。从开始到全部流态化的流速区间一般很短。在达到流态化以后，所有颗粒被流体所悬浮，因此，从力的平衡考虑，流体通过颗粒料层的压降与物料在液体中的有效重量相等，于是，压降不再随流速增加而增大，维持恒值。但是，颗粒床层却随着流速而上涨，空隙度加大。床层的上涨说明，随着流速的加大，颗粒自动拉开其间距，容许更多流体流通而不增加阻力。对液-固体系而言，在对数坐标上，空隙度也随着流速而近似线性上升，直至线速达到颗粒的自由沉降速度ut时,ε=1,也即是说，此时，单个颗粒被悬浮于无穷大的液体中。若将液- 固流态化中，颗粒开始至全部流态化的间距看作为零，即可将之称为临界流态化“点”。这一临界流速uf截然划分出左方的固定床区和右方的流态化区(见图8左下方)，在右方，压降△p等于单位面积上料层的有效重量：
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