使用新的相互关系和数学模型预测填充床系统中空腔的尺寸

摘要

本发明涉及填充床系统中空腔的尺寸预测，其中使用新的相互关系和数学模型，更详细地讲，使用根据描述空腔尺寸和滞后现象的空腔相互关系，基于一维数学模型的分析求解而研究出的简化方程式，给出了预测空腔尺寸的一般方法，这种方法可以应用于任何填充床系统中，例如高炉、熔铁炉、熔融还原炼铁炉、催化回热炉等，而且可以在微粒摩擦特性已知时很好地体现其他研究者的数据。

说明书

技术领域

本发明涉及使用新的相互关系和数学模型预测填充床系统中空腔的尺寸。根据描述空腔尺寸和滞后现象的空腔相互关系，基于一维数学模型的分析求解，研究出了简化的方程式。提出的相互关系和数学模型给出了预测空腔尺寸的一般方法，这种方法可以应用于任何填充床系统中，例如高炉、熔铁炉、熔融还原炼铁炉、催化回热炉等，而且可以在微粒摩擦特性已知时很好地体现其他研究者的数据。研究出的相互关系和模型能够被直接用于优化上述和其他相关的工序。

背景技术

关于填充床：已经广泛研究了在填充床内粒子与壁粒子之间的接触力，以解释其在不同环境中的行为。可以参考F.J.Doyle III，R.Jackson andJ.C.Ginestra，“The phenomenon of pinning in an annular moving bed reactor withcrossflow of gas”，Chem.Eng Sci，41(6)1986 1485，其中他们为了研究催化重整器中的针扎效应而在理论上研究了错流的移动床。他们的分析是基于考虑气体的拉力、应力和重力的力平衡的方法。他们所提出的简化模型的缺点是：(1)它是基于移动床中的应力径向变化这一武断的假设。由于这个原因他们的数值大于限定的试验数值的两倍。(2)他们假设，作用于移动床反应堆的壁的剪应力的作用方向向下。(3)仅限于对移动床中固体流终止前空腔的增大进行分析。

可以参考  V.B.Apte，T.F.  Wall  and  J.S.Truklove：AIChEJ，1990，vol.36(3)，pp.461-468，其中他们分析了从二维填充床底部向上鼓入的气流形成的空腔上面的应力分布。他们描述了压力、床重力和摩擦力之间沿与风口轴线重合的流线的一维基本力平衡。他们的模型的缺点是：(1)他们假设摩擦力总是作用于向上的方向。(2)他们不能显示任何滞后现象的结果。(3)  他们忽略了任何由于气体的减速而产生的加速效应。(4)  没有预测空腔的尺寸。他们的研究主要集中于在提高速率的情况下填充床内的应力分布。

可以参考  J.F.  MacDonald，  and  J.Bridgwater，Chem.Eng.Sci.，1997，vol.52(5)，pp.677-691，其中他们研究了固体的静态和移动床中空隙形成的现象并统一了应用维量分析的行为。他们的相互关系的缺点在于，虽然他们认识到摩擦力在错流中的重要性但没能将其包括于他们的维量分析之中。

关于(炼铁、铅、熔融还原炼铁炉等)高炉：在高炉中，气体以很高的速率通过一个被称为风口的管子从侧面引入焦炭填充床中。这就在风口前面产生了一个叫做燃烧空窝的空腔。焦炭在这个区域燃烧以提供生产过程所需的热能。因此，焦炭粒子在此区域消耗并被来自燃烧空窝顶端的新鲜的焦炭粒子所补充。所以整个炉料是沿向下的方向下降的。燃烧空窝的尺寸和形状影响熔炉的空气动力学并且因此影响到全部热能和材料的传递。由于这个原因，燃烧空窝在理论上和试验上都被广泛研究。对于高炉的情况，许多作者提出如表1列出的预测燃烧空窝尺寸的燃烧空窝相互关系。这些相互关系中的大部分是基于冷模型研究，有些相互关系是基于热模型和工厂数据研究。

可以参考  J.D.Lister，  G.S.  Gupta，  V.R.  Rudolph  and  E.T.White：CHEMECA’91  Conf.，1991  Newcastle，  Australia，vol.  1,476 and S.Sarkar，G.S.Gupta，J.D.Litster，V. Rudolph，E.T.White and S.K.Choudhary：Metall Trans.，2003，34B(2)，183-191，其中这些相互关系都不能在工业环境下合理地预测燃烧空窝的尺寸，而且他们互相之间也不相同。这可以看出所有的试验相互关系是基于各种形式的佛鲁特(Froude)数。燃烧空窝尺寸原则上与这个数值相关，同时也与其他的一些参数如床的高度、模型和风口开口的宽度相关。

可以参考J.F.Elliott，R.A.Bachanan and J.B.Wagstaff：Trans.AIME，1952，vol.  194，pp；  709-717.J.Taylor，  G.Lonie and R.Hay：  JISI，1957，vol.187，p330；J.B.Wagstaff and W.H.Holman：Trans.AIME，March 1957，pp.370-376.M；Hatano，B.Hiraoka，M.Fukuda and T.Masuike：Int.ISIJ，1977，17，pp.102-109；M.Nakamura，T.Sugiyama，T.Uno，Y. Hara and S.Kondo：Tetsu-to-Hagane，1977，vol 63，pp.28，可以看出这些相互关系(见表1)不是基于一个系统性研究，即通过应用维量分析和找到相关的组，而得出的。

另一方面，在P.J.Flint and J.M.Burgess：Metall.Trans.，1992，vol.23B，pp.267-283 and J.Szekely and J.J.Poveromo：Metall Trans.，1975，vol.6B，pp.119-130中，理论的相互关系通过合理地简化实际理论方程式得到。这些相互关系更系统化。同样，二维和三维模型的所有根据经验的相互关系，是在速率增加的情况下得到的。

这里必须提到，根据测定是实施于上升还是下降的气体速率，在同一气体速率上可以得到两个燃烧空窝尺寸。这一现象叫作燃烧空窝的滞后现象。可以参考J.D.Lister等(1991)和S.Sarkar等(2003)的上述文章，其中滞后现象已经被详细描述，并且报导了下降速率相互关系与高炉更相关。

由于燃烧空窝尺寸在上升和下降速率情况下有大约四倍的差异，燃烧空窝的尺寸可以显著地影响对高炉内热能、物质和动能传递的预测。这时关于燃烧空窝的滞后现象应该被提及，因为本研究中开发的相互关系/数学模型的背景就是依据这一现象。可以参考S.Sarkar等(2003)的上述文章，其中他们基于他们的试验结果，详细解释了燃烧空窝的滞后现象，并且提出燃烧空窝滞后现象能够用下面的方程式表示。

压力-床重±摩擦力(应力)＝0    (1)

这个方程式的物理解释是当燃烧空窝扩张时，邻近燃烧空窝和在燃烧空窝上面的粒子被推向向上的方向。所以摩擦力将趋向与这个粒子运动相反的方向，因此作用于向下的方向并且充分作用。当我们从一个最大值开始降低鼓风速率，燃烧空窝上面的粒子将开始下落。这样摩擦力作用相反于这个运动，并且开始逐步地提高向上方向的值。一旦作用于向上方向的摩擦力充分作用，鼓风速率的进一步降低将导致燃烧空窝深度的下降。方程式(1)中，与摩擦力项连接的正号表示空腔壁的摩擦力作用向上(使速率下降)，负号表示空腔壁的摩擦力作用向下(使速率上升)。压力始终作用于向上的方向而床的重力始终作用于向下的方向。

发明目的

本发明的主要目的在于提供一个用于预测填充床内空腔尺寸的方法和系统，其中使用避免上面所述缺点的新的相互关系和/或数学模型。

发明内容

因此，本发明基于二维冷模型试验的π定理，提供了一个预测填充床内空腔尺寸的方法和系统，其中使用新的相互关系和数学模型，所述相互关系和数学模型包括两个相互关系的改进，每一个分别对应于上升的和下降的气体速率，所述二维冷模型试验具有变量如床高、风口开口、空隙分数、各种材料的摩擦和物理特性、气流速率和模型宽度，同时本发明也改进了依赖于力平衡方法(如在前背景技术中讨论的)的一维数学模型，并且分析求解了改进的关于压力、摩擦力和床重力的方程式以描述填充床中空腔滞后现象并且预测空腔/燃烧空窝尺寸和最小喷射速率/不稳定性，随后就空腔的尺寸把相互关系与模型的结果和实验以及已经发表的数据/工厂的数据作比较。

在本发明的一个实施例中，阐明了摩擦力的方向并且给出了一个合理的解释，以描述填充床中的滞后现象。

在本发明的另一个实施例中，也说明了下降速率数据与运行高炉相关。

在本发明的另一个实施例中，通过数学模型给出了填充床中的最大运转气体速率，超过这一速率填充床将变得不稳定。

具体实施方式

本发明提供了一个基于计算机的确定填充床系统中空腔尺寸的方法，其中使用相互关系或数学模型，所述方法包括步骤：

a)获得关于填充床系统材料特性的数据；

b)使用引入应力/摩擦力的数学模型，分别计算气体速率上升和气体速率下降时的空腔半径，用公式表示为：