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《中南大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要：

采用注水法并結(jié)合斷層圖像分析法對燒結(jié)礦床層內(nèi)平均空隙率和徑向空隙率分布規(guī)律進(jìn)行研究，考察床層幾何因子對床層平均空隙率的影響，以及在不同床層幾何因子條件下，床層徑向空隙率分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：影響床層空隙率分布的主要因素為燒結(jié)礦顆粒直徑和豎罐直徑。其中，在較小床層幾何因子(D/dp＜120)條件下，燒結(jié)礦顆粒直徑不變時(shí)，床層平均空隙率隨床層直徑的增大而減小；反之，床層平均空隙率不隨顆粒直徑和罐體直徑的變化而變化；床層空隙率在壁面處達(dá)到最大值，并向床層中心衰減，在床層中心處達(dá)到最小值。

關(guān)鍵詞：

燒結(jié)礦；填充床；固定床；床層幾何因子；空隙率

燒結(jié)過程余熱資源高效回收與利用是降低燒結(jié)工序能耗的主要途徑之一[12]。燒結(jié)余熱豎罐式回收是針對于傳統(tǒng)燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的弊端[3]，借鑒干熄焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)和工藝提出的一種燒結(jié)礦余熱高效回收方式[45]，其具有漏風(fēng)率低、氣固熱交換充分、出口熱載體能級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。就結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，燒結(jié)余熱回收豎罐是一種散料床式氣固逆流熱交換裝置，豎罐床層內(nèi)氣流阻力特性和氣固傳熱特性是決定燒結(jié)余熱罐式回收可行性的2個(gè)關(guān)鍵問題，而床層空隙率分布是影響床層內(nèi)氣體流動(dòng)，進(jìn)而影響氣流阻力特性和氣固傳熱特性的核心因素。近年來，許多學(xué)者為探索床層內(nèi)空隙率分布規(guī)律進(jìn)行大量工作。GOVINDARAO等[6]采取幾何計(jì)算的方法來預(yù)測空隙率分布；MUELLER[7]對前人的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，得到了僅包含1個(gè)方程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ涂紤]了空隙率的衰減分布，并引入了床層幾何因子(D/dp，其中，D為床層直徑，dp為顆粒平均粒徑)，即考慮床層直徑與顆粒粒徑的比值對空隙率變化的影響。隨后MUELLER[8]又通過實(shí)驗(yàn)提出了1個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但該公式不能與床層邊緣附近的空隙率波動(dòng)很好地吻合；NGUYEN等[9]采用核磁共振成像技術(shù)測定均勻顆粒條件下填充床內(nèi)空隙率分布；KUBIE[10]研究了非均勻顆粒條件下隨機(jī)填充床壁面區(qū)域的空隙率分布。此外，一些學(xué)者還采用其他方法對床層空隙率分布進(jìn)行了研究[1114]。由于燒結(jié)礦形狀的嚴(yán)重不均勻性，造成了燒結(jié)礦顆粒形狀因子(球形度)較小，而燒結(jié)豎罐內(nèi)徑較大，使得罐體內(nèi)床層幾何因子(床層直徑與顆粒粒徑之比)也較大，這2種情況給研究燒結(jié)礦床層空隙率分布規(guī)律增加了很大的難度。迄今為止，有關(guān)固定床層內(nèi)空隙率分布的研究對象主要為球體或者形狀均勻的顆粒，關(guān)于燒結(jié)礦這種形狀嚴(yán)重不均勻，顆粒形狀因子較小，同時(shí)罐體床層幾何因子較大的床層空隙率分布研究較少，為此，本文作者通過實(shí)驗(yàn)的手段，研究燒結(jié)床層內(nèi)平均空隙率和徑向空隙率的分布規(guī)律，得出床層幾何因子對床層平均空隙率和徑向空隙率分布的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，擬合出描述罐體內(nèi)床層空隙率的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，以便為研究罐體內(nèi)氣流阻力特性和氣固傳熱特性提供參考。

1實(shí)驗(yàn)方法及過程

1.1實(shí)驗(yàn)方法采用注水法和斷層圖像分析法研究罐體內(nèi)床層平均空隙率和徑向空隙率分布規(guī)律。斷面圖像分析法的基本原理是將不同粒徑的燒結(jié)礦隨機(jī)落入不同直徑的圓管之中，然后向圓管內(nèi)注入與燒結(jié)礦顏色形成強(qiáng)烈對比的淀粉溶液，待溶液達(dá)到一定高度后，利用高清相機(jī)對圓管斷面進(jìn)行拍照，而后利用圖片裁剪和ImageJ處理軟件對所拍相片進(jìn)行處理和分析，得到空隙部分面積所占整體截面面積的百分比，即床層截面的平均空隙率，最后再對該相片進(jìn)行徑向剖分和后續(xù)處理，得到床層徑向空隙率分布規(guī)律。淀粉溶液達(dá)到的高度將由對該組實(shí)驗(yàn)采用稱質(zhì)量法所得到的整體空隙率決定。稱質(zhì)量法的基本原理是將已浸泡至飽和狀態(tài)的燒結(jié)礦隨機(jī)落入不同直徑的圓管中，加入清水使之達(dá)到溢出的臨界狀態(tài)。通過稱量加水前后的質(zhì)量差，求得燒結(jié)礦之間的空隙體積，再根據(jù)圓管直徑和燒結(jié)礦床層高度，計(jì)算出床層體積，空隙體積與床層體積之比即為床層整體平均空隙率。由于采用稱質(zhì)量法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際床層空隙率相差不大，因此，可以將采用斷層圖像分析法所得到床層截面平均空隙率與采用稱質(zhì)量法得到的床層整體平均空隙率進(jìn)行對比，確定淀粉溶液的實(shí)際高度，以便于后續(xù)研究床層徑向空隙率分布規(guī)律。斷層圖像分析法有效地避免了對燒結(jié)礦顆粒的切割，同時(shí)繼續(xù)沿用剖分法中的分析過程，其主要研究的是燒結(jié)礦床層徑向空隙率分布，暫不考慮高度上的空隙率變化。因此，只分析表層斷面，對燒結(jié)礦的堆積高度無過多要求，但每次實(shí)驗(yàn)只能得到1組數(shù)據(jù)，這樣就需要多次重復(fù)試驗(yàn)來代替剖分效果，且此方法受人為偶然因素影響較大，同樣需要多次重復(fù)測量以減小誤差。

1.2實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)驗(yàn)所研究的燒結(jié)礦為不同粒徑且形狀不規(guī)則的顆粒。實(shí)驗(yàn)中將燒結(jié)礦分為篩分料和未篩分料。篩分燒結(jié)礦每組粒徑范圍為0~10，10~20和20~30mm。未篩分燒結(jié)礦主要由未經(jīng)過篩分的燒結(jié)礦顆粒組成，粒徑分布較廣，范圍為0~30mm，平均粒徑約20mm。將篩分后的燒結(jié)礦分組編號(hào)，用清水浸泡一段時(shí)間。計(jì)算床層幾何因子(D/dp)時(shí)前3組粒徑分別按各自的平均直徑計(jì)算，未篩分料不予計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中模擬床層的管道采用6種不同管徑PVC管(310，348，450，470，510和600mm)，管子高度為200~300mm。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為床層平均空隙率和床層徑向空隙率分布2部分。首先對斷面平均空隙率進(jìn)行測量，確定最佳的淀粉溶液高度，然后對測量后的圖片進(jìn)行后續(xù)處理分析，得到床層徑向空隙率分布規(guī)律。具體過程如下。1)將不同粒徑的燒結(jié)礦依次裝入10種不同直徑的管子內(nèi)，形成隨機(jī)填充結(jié)構(gòu)。將最上層顆粒所在的床層高度按顆粒粒徑劃分為5~10等份，然后將淀粉溶液按順序注入不同等份高度處。2)用相機(jī)對每個(gè)等份時(shí)的截面進(jìn)行拍照，得出不同等份高度時(shí)的床層斷面平均空隙率。利用ImageJ軟件先將所得照片改為8位像素即黑白照片以排除部分顏色對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，而后通過此軟件的Type工具將圖片處理成灰度圖，調(diào)整為適合觀察的灰度，然后使用Threshold工具將深顏色部分覆蓋。由于照片質(zhì)量存在差異且部分照片燒結(jié)礦位置上存在一些反光點(diǎn)，覆蓋前還需對灰度圖的補(bǔ)償率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，來補(bǔ)償因照片中反光點(diǎn)以及亮點(diǎn)造成的誤差。處理前后的圖片對比如圖1所示，圖1中黑色部分為燒結(jié)礦，白色部分為淀粉溶液。3)通過ImageJ軟件中的AnalyzeParticles工具對所得圖片進(jìn)行分析計(jì)算，得出黑色部分面積占整個(gè)圖片面積的百分比，再計(jì)算得到白色部分占整個(gè)部分的百分比，即床層斷面空隙率。4)將不同等份高度時(shí)的床層斷面空隙率與采用稱質(zhì)量法得到的床層整體空隙率進(jìn)行對比，越接近床層整體空隙率的等份高度，就是所要確定的最佳淀粉溶液高度。5)對每組最佳淀粉溶液高度所對應(yīng)的圖片沿徑向進(jìn)行分段剖分，將圓形的床層截面劃分為若干個(gè)環(huán)形區(qū)域，每個(gè)同心圓的大小由管徑和顆粒粒徑?jīng)Q定，白線為剖分曲線，如圖2所示，根據(jù)每個(gè)環(huán)形區(qū)域空隙率的變化情況即可得到床層斷面徑向空隙率變化規(guī)律。6)對以上5個(gè)過程進(jìn)行大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到可重復(fù)性，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間變化很小，然后對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。最后利用Origin軟件對得出的空隙率平均值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1床層平均空隙率隨床層幾何因子的變化實(shí)驗(yàn)設(shè)定的床層幾何因子D/dp范圍為12~120，表1所示為床層平均空隙率與床層幾何因子間的變化關(guān)系。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)繪制床層平均空隙率隨床層幾何因子變化的擬合曲線，如圖3所示。從圖3可知：床層空隙率隨床層幾何因子的增大而減小，并最終趨于定值。這是由于隨著床層幾何因子的增大，邊緣效應(yīng)對床層空隙率的影響也逐漸減弱，同時(shí)由于布料方式對床層空隙率的影響也會(huì)逐漸減小。在相同顆粒粒徑條件下，隨著管徑的不斷增大，與管壁接觸的顆粒數(shù)目也會(huì)不斷增加，由于燒結(jié)礦顆粒的不均勻性，燒結(jié)礦與管壁進(jìn)行面接觸的比率會(huì)越來越大，從而造成管壁邊緣處的空隙率不斷減小，邊緣空隙率隨床層幾何因子的變化如圖4所示。當(dāng)床層幾何因子大于某一數(shù)值后，邊緣處的空隙率幾乎不會(huì)發(fā)生變化，由于床層空隙率受邊緣效應(yīng)的影響很大，因此，床層空隙率也會(huì)隨著床層幾何因子的不斷增大而最終趨于定值。擬合所得的函數(shù)的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值之間的平均相對誤差為1.96%，所得預(yù)測函數(shù)基本符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體規(guī)律。由于函數(shù)表達(dá)式中D/dp的最小值為12，因此，床層幾何因子小于12的情況不能通過本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析得出。但基于本實(shí)驗(yàn)所圍繞的燒結(jié)余熱豎罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，較小床層幾何因子可不考慮。

2.2床層斷面徑向空隙率分布

2.2.1床層徑向空隙率分布規(guī)律本部分實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍λ谜掌M(jìn)一步處理，利用若干同心圓對原始斷面裁圖后，分析每個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的空隙率，進(jìn)而得到空隙率在半徑方向上的變化規(guī)律。以環(huán)形區(qū)域邊緣到管子中心的距離與圓管半徑之比為橫坐標(biāo)，以該環(huán)形區(qū)域的空隙率為縱坐標(biāo)，分別得到不同顆粒粒徑條件下不同管徑的空隙率分布情況，繪制全部結(jié)果如圖5所示。該部分實(shí)驗(yàn)對3組粒徑范圍和未篩分料進(jìn)行分析，管徑范圍為310~600mm。從圖5可知：燒結(jié)床層徑向空隙率變化規(guī)律基本符合HAMEL等[15]對木屑床層空隙率徑向分布的測量結(jié)果。床層空隙率在管壁附近存在峰值，并向床層中心衰減，到床層中心處達(dá)到最小值。在床層邊緣處存在空隙率的明顯波動(dòng)。由于圖5(b)和圖5(c)中所使用的燒結(jié)礦顆粒在篩分時(shí)較為均勻，并沒有混雜顆粒較小的燒結(jié)礦，因此，空隙率在床層中心處波動(dòng)較小，并且在床層中心到管壁的一段距離內(nèi)空隙率成線性增長趨勢，到管壁處由于邊緣效應(yīng)的存在而達(dá)到最大值。圖5(a)和圖5(d)所示的床層徑向空隙率分布規(guī)律較相似，在床層中心處存在較大的波動(dòng)，并且在床層中心到管壁的一段距離內(nèi)空隙率波動(dòng)很小，到管壁處由于邊緣效應(yīng)的存在而達(dá)到最大值，這與實(shí)際生產(chǎn)豎罐床層內(nèi)徑向空隙率分布較規(guī)律較相似。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，由于布料方式的影響，在布料時(shí)，顆粒大的燒結(jié)礦一般會(huì)集中在罐體內(nèi)壁處，而較小的燒結(jié)礦包括粉礦會(huì)集中在罐體中心處。同時(shí)，燒結(jié)礦在罐體內(nèi)下移的過程中，由于豎罐是中心處排料，這就造成中心處燒結(jié)礦的下移速度會(huì)大于內(nèi)壁處燒結(jié)礦的下移速度，這也為在下移過程中由于摩擦、碰撞等因素產(chǎn)生的粉礦向床層中心處偏移創(chuàng)造了條件。這2種情況造成中心處的空隙率要遠(yuǎn)小于床層的平均空隙率，從而造成豎罐內(nèi)氣流的嚴(yán)重偏析，在實(shí)際生產(chǎn)中要避免這種情況的發(fā)生。通過本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定，在非均勻顆粒作為物料的填充床中同樣有邊緣效應(yīng)的存在，其影響規(guī)律與使用均勻顆粒時(shí)基本相同。但使用均勻顆粒時(shí)，靠近壁面的顆粒與壁面大多為點(diǎn)接觸，此處空隙率為1或很接近1[16]。由于本實(shí)驗(yàn)所研究的燒結(jié)礦顆粒為形狀極不規(guī)則的顆粒，與均勻球體作為填料時(shí)的情況會(huì)有所不同。

2.2.2床層徑向空隙率分布函數(shù)由于未篩分料更符合實(shí)際生產(chǎn)條件，因此，研究未篩分床層徑向空隙率分布規(guī)律具有重要的意義。圖5(a)中所使用的燒結(jié)礦粒徑范圍為0~10mm，相比于10~20mm和20~30mm的粒徑范圍，其中混雜著很多粒徑較小的顆粒，與實(shí)驗(yàn)中所使用的未篩分料沒區(qū)別，圖5(a)和圖5(d)所示的床層徑向空隙率分布規(guī)律已經(jīng)說明了這一點(diǎn)，因此，可以將粒徑范圍為0~10mm的燒結(jié)礦當(dāng)作未篩分料處理。由圖3可知：在較大的床層幾何因子條件下，床層空隙率趨于定值，因此，可以用圖5(a)中D為470，510和600mm條件下的床層徑向空隙率分布規(guī)律替代在實(shí)際生產(chǎn)中較大床層幾何因子條件的床層徑向空隙率分布規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。將式(2)沿徑向積分得床層平均空隙率為0.4031，與實(shí)際值相比，相對誤差僅為1.92%。因此，可將式(2)作為在較大床層幾何因子條件下未篩分床層的徑向空隙率分布函數(shù)。

3結(jié)論

1)與稱質(zhì)量法測量床層平均空隙率相比，斷層圖像分析法不僅能得到床層平均空隙率，而且可以獲得床層徑向空隙率的變化規(guī)律。2)床層平均空隙率隨床層幾何因子的增大而減小，并最終趨于定值。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出了床層平均空隙率與床層幾何因子之間的函數(shù)關(guān)系。3)由于燒結(jié)礦填充床內(nèi)存在邊緣效應(yīng)，床層空隙率在壁面的附近有較大波動(dòng)。床層空隙率在管壁附近存在峰值，并向床層中心衰減，到床層中心處達(dá)到最小值。通過實(shí)驗(yàn)分析得出了在較大床層幾何因子條件下(D/dp＞100)未篩分料徑向空隙率分布函數(shù)關(guān)系式。

作者：馮軍勝 董輝 曹崢 王愛華 單位：東北大學(xué) 國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鞍鋼股份有限公司