引言随着闪速煅烧技术的应用，将菱镁矿煅烧时间缩短到秒级反应[1]，同时能耗降低约20%~30%，体现了闪速煅烧技术的优势。但目前闪速煅烧炉的设计均依靠生产经验完成，缺少系统设计理论和计算支撑，导致高温烟气与物料混合不充分，使得传热效率降低、煅烧能耗上升。由于闪速煅烧炉建设周期长、成本高，导致相关试验很难开展。根据相似性原理设计模型试验，简化实验设备，缩短建设周期，降低试验成本[2]，通过试验研究闪速炉结构，分析炉内两相流运动的影响规律。1模型试验的研究及设计本研究设计的轻烧氧化镁闪速煅烧炉模型实验装置目的是为探究炉体结构与进料形式对闪速炉内部流场的影响，因此本模型主要考虑炉内两相流的流动规律。若要实现模型装置和原型设备内部两相流的相似性，首先需要保证缩比模型和原设备中各单相流流动的相似性。故采用相似转换法[3-4]导出建立闪速炉模型试验系统需要保证的相似准则。1.1试验系统中气相的相似准则确定实验模型设计计算时，假设闪速炉内部气体为连续不可压缩流体，对于非定常、不可压缩的气体运动方程为[5]：连续性方程：∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=0 (1)运动方程（x轴）：ρvx∂vx∂x+vy∂vx∂y+vz∂vx∂z=ρgx- ∂p∂x+μ∂2vx∂x2+∂2vx∂y2+∂2vx∂z2 (2)对于原型设备中的气体运动方程组表示为：连续性方程：∂vxp∂xp+∂vyp∂yp+∂vzp∂zp=0 (3)运动方程：ρpvxp∂vxp∂xp+vyp∂vxp∂yp+vzp∂vxp∂zp=ρpgxp- ∂pp∂xp+μ∂2vxp∂x2p+∂2vxp∂y2p+∂2vxp∂z2p (4)对于模型设备中的气体运动方程组表示为：连续性方程：∂vxm∂xm+∂vym∂ym+∂vzm∂zm=0 (5)运动方程（x轴）：ρmvxm∂vxm∂xm+vym∂vxm∂ym+vzm∂vxm∂zm=ρmgxm- ∂pm∂xm+μ∂2vxm∂x2m+∂2vxm∂y2m+∂2vxm∂z2m (6)保证两个系统内部流场相似，模型设备中的气体运动方程组可以转化为：连续性方程：kvkl∂vxp∂xp+∂vyp∂yp+∂vzp∂zp=0 (7)运动方程（x轴）：kρkv2ρpklvxp∂vxp∂xp+vyp∂vxp∂yp+vzp∂vxp∂zp=kρkgρpgxp- kpkl×∂Pp∂xp+kμkvkl2μp(∂2vxp∂x2p+∂2vxp∂y2p+∂2vxp∂z2p) (8)式中：k——相似比例常数。由于关系式(3)和式(7)及式(4)和式(8)都是描述同一模型内的气体运动，所以两组方程式应该完全一致。只有当两组方程中等式两边各项的相似比例系数组合能够约去才能使两组方程完全一致：kvkl=任意常数 (9)kρkv2kl=kρkg=kpkl=kμkvkl2 (10)可以得到关系式：kρkv2kl=kρkg (11)kρkv2kl=kpkl (12)kρkv2kl=kμkvkl2 (13)关系式(11)~式(13)为相似关系式和式(9)的不相似关系式分别对应y轴和z轴的气体运动方程的推导结果，与x轴的结果一致，得到新的相似关系式。将两系统的相似倍数关系式带入式(11)~式(13)相似关系式中可得：glv2=Fr (14)Pρv2=Eu (15)ρvlμ=Re (16)1.2试验系统中颗粒相的相似准则确定闪速炉内的气固两相流中，物料颗粒运动需保证的相似准数可根据两系统中颗粒流动的运动相似和动力相似进行推导[6]。两系统中气固两相流中对应点的气相速度和物料颗粒速度之比为同一常数，即满足运动相似。由于物料颗粒细小，进入闪速炉后瞬间就可以达到气流速度：vgmvsm=vgpvsp=kv (17)在轻烧氧化镁闪速炉作用在物料颗粒上的作用力主要包括气体和物料颗粒间相对运动引起的作用力等。假定闪速煅烧炉内物料颗粒只受气体对物料颗粒的推力（F1）和颗粒的重力（F2）的影响：F1=a(vdsu)k×π4ds2×ρv22=πa8v2-kukρds2-k (18)F2=π6ds3ρsg (19)根据动力相似则有关系式：(πa8v2-kukρds2-k)p(πa8v2-kukρds2-k)m=(π6ds3ρsg)p(π6ds3ρsg)m (20)将对应的相似比例常数带如式(20)得到相似关系式为：kv2-kkukkρkds2-k=kds3kρskg (21)将相似比例常数替换为对应物理量可得相似判据为：v2-kukkgds1+k×ρρs=一般性相似判据(22)式中：k值根据颗粒雷诺数的值进行确定。由于进入轻烧氧化镁闪速煅烧炉中的物料颗粒都很细小，且浓度也低，物料颗粒进入煅烧炉之后在很短时间内就经过了充分的加速，所以闪速炉内的物料颗粒和高温烟气之间相对速度很小，颗粒雷诺数计算公式为：Res=dsvμp (23)式中：ds——物料颗粒粒径，mm；v——物料颗粒和高温烟气之间的相对速度，m/s；μp——高温烟气的运动黏滞系数。由于物料颗粒和高温烟气之间的相对速度非常小，所以闪速炉内的颗粒雷诺数Res≤1，则一般性相似判据中的k=1，相似判据为：vμgds2ρs=St (24)设计过程中闪速炉内颗粒运动应满足颗粒雷诺数和斯托克斯数相等，将式(23)和式(24)联立可得：μm2gmdsm3ρsm=μp2gpdsp3ρsp (25)设定Fj=μm2gmdsm3ρsm，并命名Fj为附加准则数。保证模型装置和原型设备之间符合所有的相似准则难度较大，因此只保留起主要作用的相似准则[7]，闪速炉模型装置保证其内部气相雷诺数位于同一自模区间，物料颗粒运动保证颗粒雷诺数和斯托克斯数相等即可确定模型装置和原型设备中两相流流动相似。1.3模型比例计算以原型设备为例进行计算。原型设备直径D为1.5 m，高35 m，炉内高温烟气流速约16 m/s。根据实验室条件限制，确定几何比例为10。即相当于建立直径为150 mm，高为3.5 m的圆柱状闪速炉实验模型。计算原闪速炉内气体雷诺数：Re=vpDpμp (26)式中：μ——运动黏滞系数，1 000 ℃空气取值为177.1×10-6 m2/s，Re=16×1.5177.1×10-6=135 517。当气体雷诺数大于50 000时，气体具有“自模性”只要模型设备和原设备的雷诺数均在同一自模区，两者流场相似[8]。在模型试验中，以进口空气为常温选择物性参数，空气运动黏滞系数μ取值为1.502×10-5 m2/s，则可根据气体雷诺数计算模型装置内空气流速为：vm=RemμmDm (27)带入数据，得vm=50 000×1.502×10-50.15=5 m/s。实际设备与模型装置内气体流速之比为3.2∶1，模型试验中的物料颗粒粒径为：dsm=dspμm2μp23=15×10-6 m。故实际设备与模型装置使用的物料颗粒粒径之比为5∶1。2试验系统方案的研究根据上述模型实验装置计算可得，原型设备与模型实验装置的几何比例为10∶1，模型直径为0.15 m，高度为3.5 m。炉内气体速度之比为3.2∶1，原设备内气体流速为16 m/s，故模型装置内气体流速为5 m/s。炉内物料颗粒粒径之比为5∶1，原设备采用的物料颗粒粒径为75 μm，则模型装置采用的物料颗粒粒径为15 μm。根据计算结果进行试验系统设计，还要确保模型装置和实际设备的进料位置、方向和物料颗粒直径分布均相似[9]。本研究设计的模型试验系统可以保证试验所需要的空气和物料参数符合相似要求，并能提供准确可靠的试验数据，模型试验系统如图1所示。模型试验中对实验装置内流体的参数进行测量，物料粒径通过激光粒度测试仪测量，采用粒子示踪和高速摄影的方式，对闪速炉内物料颗粒的运动情况进行观测。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.014.F001图1模型试验系统3结语轻烧氧化镁闪速煅烧炉内部高温烟气和物料颗粒的流动复杂，影响因素多，对煅烧炉的进料形式和炉体结构进行设计，使进入煅烧炉的物料颗粒能迅速有效地分散在高温烟气中，进而消除落料、煅烧质量不稳定的现象。根据轻烧氧化镁闪速煅烧炉实际生产情况，依据相似原理简化原型设备的影响因素和炉内两相流的运动方程组，推导出原型设备与模型装置的相似准则，根据相似准则确定实验装置直径0.15 m，高度3.5 m，装置内气体流速5 m/s，物料颗粒径15 μm，为后续轻烧氧化镁闪速煅烧炉节能降耗研究提供理论基础。