何小鍇，王巍杰

(河北聯合大學化學工程學院，河北唐山 063009)

干熄爐內焦炭層壓降是干熄爐運行的重要評定指標之一，特別是斜道區(qū)壓力損失是直接影響干熄爐內各部工況及爐內焦炭狀態(tài)的重要因素。斜道區(qū)壓力損失過大，在區(qū)域內將產生焦炭的漂浮，嚴重的會有焦炭流向干熄爐后部的除塵器及鍋爐，同時全系統(tǒng)各部壓力將發(fā)生紊亂，影響總的鼓風動能的提高、空氣導入量及旁通控制流量的重要的工藝操作，最終導致裝置生產能力的下降。如何有效的降低干熄爐內焦炭層壓降特別是斜道區(qū)壓力損失，是目前干熄焦技術領域內的核心課題之一。

本研究通過對干熄爐斜道區(qū)局部區(qū)域內的動力學計算及工程實踐研究，探討了斜道區(qū)壓力損失的研究、計算方法，并總結了幾種可行的工程解決方案和建議。

1 氣流與焦炭床層作用原理的描述

本研究所討論的對象干熄爐斜道區(qū)內的焦炭層可近似看作是由惰性氣體通過多孔介質組成的兩相多孔床系統(tǒng)。通常多孔固定床層壓力損失計算方法借鑒管內阻力計算的方法，將多孔床層看作管束，采用實驗方法確定壓力損失系數，從而得到經驗方程。一般的，隨床層厚度的壓力損失的基本方程包含兩個部分:與流速成正比的摩擦損失和與流速平方成正比的動能損失:

其中ΔP是床層壓力損失;L是床層厚度;U為空床流速;a和b為經驗常數。在工程中最常用的適用于較寬的操作范圍的是 Ergun 方程［1］［2］:

式中A、B為Ergun常數;μ為流體運動黏度;ε為床層孔隙率;φp為床層介質形狀因子;dp為床層介質直徑。ρf為流體密度;Rep為床層介質顆粒雷諾準數。從以上公式中可看出，式(2)等號右邊第一項適用于層流狀態(tài)，第二項適用于湍流狀態(tài)。

隨著氣流流速的增大，床層將逐漸疏松，床層空隙率和厚度將有所增加，床層有流化的趨勢:

ρs為床層密度。由(5)式可見，雖然床層空隙率和厚度將有所增加，但是由于(1－ε)L是不變的，所以床層壓力損失是不變的，由于床層密度遠遠大于流體密度，此時床層壓力等于單位面積床層顆粒的重力，此時的流體空塔流速為臨界流速Umf，由(4)(5)式可知:

式中εmf表示臨界床層孔隙率。

若氣流流速繼續(xù)增大超越臨界流速，床層空隙率進一步增大，床層顆粒將懸浮并有部分顆粒隨流體流出。但由于干熄爐內的焦炭不斷補充，造成床層壓力損失不會隨著床層顆粒的流失而下降，這一過程會持續(xù)進行。

2 干熄爐斜道區(qū)焦炭層狀態(tài)描述及影響焦炭層壓降因素

干熄爐斜道區(qū)內的焦炭是依焦炭的自然休止角堆積的。焦炭不斷的在斜道區(qū)內流出和流入，循環(huán)氣體的氣流從此區(qū)域流向干熄爐循環(huán)氣道，宏觀上可認為此區(qū)域內仍然遵循多孔床的定義和規(guī)律，但是略有區(qū)別。圖1是單段式斜道結構和其中焦炭狀態(tài)的示意簡圖:

由于在干熄爐系統(tǒng)中，焦炭形狀因子、空隙率等物性參數基本恒定，惰性氣體的黏度可忽略，而其他物性參數可視為恒定，并且循環(huán)氣體在系統(tǒng)中的流動狀態(tài)以湍流為主，因此由公式(4)可知，對焦炭層壓降影響最大的因素依次為流體流速和焦炭層厚度:

取一個處于斜道部位的任意薄焦炭層作為研究對象，研究除流體流速以外的影響其焦層壓降的因素，如圖2:對于斜道區(qū)任意焦面上任意一點的壓降，式(7)可表示為:

由圖2可知:

式中x表示焦炭面任意一點的長度。

由(8)(9)式可知所研究焦層的壓力損失可由下式表示:

式(10)可表示為:

由圖2又有:

由(11)(12)兩式可知:

由(7)(11)(13)三式可以看出，在斜道區(qū)域內，壓力損失不僅與氣流的流體性質和焦炭的物性有關，還與流體流速、焦炭層長度和厚度有關，同時與斜道口的各個結構參數相關。

3 關于降低干熄爐斜道區(qū)壓力損失的工程方案的研究

3.1 環(huán)型氣道壓力補償方案

焦炭層壓力損失造成的最直接影響是當氣體流速超過臨界流速后發(fā)生焦炭的浮起，而抑制浮起的最直接手段莫過于對環(huán)形氣道進行直接的壓力補償。圖3是一種采用風機進行壓力補償的工程實踐方案。

此方案中采用了安裝在干熄焦環(huán)形煙道空氣導入管道上的可調速型風機，配合空氣導入閥門工作，在控制空氣導入量滿足工藝要求的情況下，通過控制轉速增加額外的壓頭，起到補償環(huán)形煙道壓力的作用，使整個系統(tǒng)的工藝狀況得到改善。

3.2 楔形、開放式斜道方案

此兩種方案所依據的原理都是通過斜道區(qū)內通風面積的突變，造成氣流流速的降低，從而增大焦炭層上表面的靜壓，減小焦炭層靜壓差，達到在斜道區(qū)內部抑制焦炭的浮起的目的。

圖3 壓力補償風機方案示意圖

圖4 楔形斜道和開放式斜道

3.3 多段式斜道方案

此方案是當前得到普遍應用的成熟方案［3］，其實現方法既在斜道區(qū)內每兩條牛腿間砌筑平行于斜道壁面的隔墻，將斜道區(qū)分割為若干層，示意圖如圖5:

圖5 單段式斜道與多段式斜道對比示意圖

通過式(11)的分析，可以看出，多段式斜道的壓力損失為:

可見，采用多段式斜道，在每個斜道內焦炭堆積厚度都顯著減薄，可有效降低焦炭層壓力損失。

4 結 論

(1)干熄爐斜道區(qū)內焦炭層壓力損失，即焦層上下表面壓差，是造成此區(qū)域內焦炭漂浮的直接原因。

(2)干熄爐斜道區(qū)焦炭層可近似看做氣固兩項多空流化床系統(tǒng)，通過分析得出對此區(qū)域壓力損失直接影響因素為流體流速和焦炭層厚度。

(3)通過對焦炭層在斜道區(qū)堆積形態(tài)分析，得出斜道區(qū)結構形式對焦炭層堆積形態(tài)有重要影響，即影響焦炭層堆積厚度，進而影響此區(qū)域的壓力損失。

(4)由于從工藝上難以對干熄爐內流體流速產生長期的、具有實質意義的影響，使得從工程角度對干熄爐斜道區(qū)結構的改進成為一條降低壓力損失的有效途徑。

［1］Ergun，S.Fluid flow through packed columns.Ergun［J］.Engineering Progre-ss，1952，48:9-94.

［2］Wen，C.Y，Yu，Y.H.Mechanics offluidiza-tion［J］.ChemicalEngineering Progress Symposium Series，1966，62(62):100-111.

［3］中島龍一，李鳳玉.雙氣道干熄焦裝置的開發(fā)與操作［J］.冶金能源，1988，8(4):54-59.