流化床氣流粉碎分級技術(shù)的研究與應(yīng)用.pdf

1、縱觀氣流粉碎與氣流分級技術(shù)的開發(fā)研究現(xiàn)狀，大部分集中在應(yīng)用開發(fā)、氣流粉碎分級設(shè)備的形式、各種操作參數(shù)對氣流粉碎分級性能的影響方面，而關(guān)于氣流粉碎和氣流分級的機(jī)理，氣流粉碎和分級流場的特性、甚至結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究還很不成熟。我國氣流粉碎技術(shù)研究開始于是在20世紀(jì)80年代，并且主要是仿制設(shè)備，在氣流粉碎和氣流分級技術(shù)的理論上的研究及成果極少。 本論文按氣流粉碎分級的基本原理對氣流粉碎分級機(jī)進(jìn)行了分類。應(yīng)用FLUENT流體計算軟件，首次對

2、流化床氣流粉碎分級機(jī)進(jìn)行整體建模，分析和研究氣流粉碎流場和氣流分級的流動狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果表明：噴嘴設(shè)計馬赫數(shù)越高，噴嘴出口的氣流速度越大，對直線噴嘴來說，噴射氣流的發(fā)散情況越明顯。超音速噴嘴出口氣流速度和最大負(fù)壓出現(xiàn)在噴嘴出口幾毫米處，噴嘴出口氣流速度的衰減極快，在噴射氣流中心區(qū)負(fù)壓上升迅速。對氣流分級區(qū)徑向速度、切向速度和軸向速度的分析，表明：進(jìn)入分級輪的氣流徑向速度不均勻，分級輪的高度越高，徑向速度越不均勻，較高的分級輪會有部分氣

3、流外溢，外溢位置、大小與分級輪的高度相關(guān)，從而引起進(jìn)入分級輪的徑向氣流速度反而增大，分級輪的高度與直徑之比從數(shù)值模擬來看應(yīng)控制在0.5以下；由于氣流在軸向運(yùn)動過程中逐步進(jìn)入分級輪，從分級輪底部向上分級區(qū)軸向氣流流量逐步減少，從而軸向氣流速度從分級輪底部向上逐步減少，會造成分級區(qū)上下區(qū)域的顆粒濃度不均勻和顆粒的粒徑大小不均勻；分級輪的氣流切向速度在葉片外緣距內(nèi)幾毫米處達(dá)到最大，分級輪向外切向速度急劇衰減。當(dāng)分級輪高徑比較大時，形成的外溢氣

4、流，對軸向氣流速度和分級區(qū)的切向速度有明顯的影響。這些結(jié)輪對一些重要參數(shù)(如超音速噴嘴出口流場分布、分級輪高度)具有較大的指導(dǎo)作用。氣流粉碎超音速噴嘴的工況參數(shù)的分析，表明氣流粉碎超音速噴嘴的設(shè)計，除要考慮噴嘴速度外，還應(yīng)考慮噴嘴出口的動壓和粉碎區(qū)的背壓；在相同馬赫數(shù)噴嘴中加速，噴嘴入口壓力越大，粉碎區(qū)背壓要求越低，噴嘴出口動壓越高；為確保獲得設(shè)計的噴嘴出口速度，粉碎區(qū)的背壓應(yīng)控制在噴嘴出口壓力左右，若馬赫數(shù)設(shè)計太高，而噴射區(qū)的背壓達(dá)不

5、到要求的負(fù)壓，則會產(chǎn)生激波，噴射速度會大大降低。從氣流粉碎背壓的要求、噴嘴出口動能、出口氣流的發(fā)散程度幾個方面來說，氣流粉碎噴嘴的設(shè)計馬赫數(shù)應(yīng)在1.4-2.05范圍內(nèi)較為合理。利用熱的壓縮空氣可以產(chǎn)生更大的氣流速度，提高氣流粉碎的生產(chǎn)能力，同時高溫氣體，還能夠有效的影響物料的粉碎效果和特性。 首次對氣流引射式顆粒加速過程進(jìn)行了分析，有益于高速氣體的動能有效地轉(zhuǎn)化為顆粒的粉碎能，噴嘴出口的氣流速度衰減極快，顆粒越細(xì)，被加速達(dá)到的顆

6、粒速度越大，加速到最大速度需要的加速距離也越短；顆粒越粗，顆粒加速到最大速度也越小，需要的加速距離越長，因此，確定流化床噴嘴的最優(yōu)加速距離，提供最優(yōu)的粉碎條件是非常重要的。噴嘴之間的加速距離與氣固濃度、顆粒的性質(zhì)(如比重，進(jìn)料粒度等)和產(chǎn)品的粒度要求有關(guān)。同時噴嘴之間的距離還會影響產(chǎn)品的成品率、粒度的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的粒度分布。噴嘴之間的加速距離通常在10-20倍的無因次距離范圍內(nèi)，但對較粗的顆粒粒度(≥500μm)其加速距離會超過20倍的

7、無因次距離。 噴嘴噴射氣流中心速度較高，噴射氣流中心顆粒的碰撞機(jī)率也較大，因此，流化床中氣流粉碎的設(shè)計應(yīng)讓更多的顆粒進(jìn)入噴射氣流中心。作者首創(chuàng)的同軸心噴嘴的實(shí)驗(yàn)證明了結(jié)論的正確性。不同的碰撞方式，對粉碎效率亦有不同的影響，通過水平圓盤式，流化床式與靶式氣流磨的理論分析和實(shí)驗(yàn)對比，證明單噴式的粉碎效率比對噴式的低，對噴式的效率又比靶噴式的低。 氣流粉碎的操作參數(shù)(噴嘴入口壓力、持料量、入料粒度等)對氣流粉碎性能有較大的影響

8、，本文首次給出并驗(yàn)證了氣流粉碎分級腔內(nèi)的持料量的計算方法，探討了傳輸區(qū)的上升氣流速度對氣流粉碎和分級的影響。首次設(shè)計和研究了新型流化床氣流粉碎結(jié)構(gòu)，在下部和上部加入氣流，提高了氣流粉碎區(qū)的上升氣流速度，補(bǔ)充噴嘴引射的氣流，使底部的顆粒易于被流化沸騰起來，減少渦流強(qiáng)度，從而減少合格顆粒再粉碎的機(jī)率，這對較粗、密度高和成品率要求高的顆粒的加工具有極大的價值，并得到廣泛的推廣與應(yīng)用，取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。首次實(shí)驗(yàn)研究了流化床氣流粉碎顆粒

9、形貌的控制技術(shù)。氣流粉碎分級過程中進(jìn)行顆粒形貌控制，關(guān)鍵是控制顆粒選擇性粉碎的機(jī)會、顆粒間相互作用的機(jī)理、碰撞次數(shù)、力度、顆粒在粉碎區(qū)停留時間。因此氣流粉碎區(qū)的結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)、形狀、位置和個數(shù)，流體性質(zhì)(如壓力、流量、噴射速度、溫度)，顆粒加速距離、位置，氣固濃度，分級流場等因素均是影響顆粒形貌的基本因素。實(shí)驗(yàn)證明氣流粉碎可以在一定程度上改變顆粒的形貌。 分級機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量、二次風(fēng)大小、分級區(qū)的氣固濃度和進(jìn)料粒度組成等操作參數(shù)對

10、其分級性能的影響是至關(guān)重要的。本文實(shí)驗(yàn)研究得出的分級機(jī)的操作參數(shù)與切割粒徑和分級精度的關(guān)系，對分級機(jī)合理的操作參數(shù)的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。新設(shè)計的氣流分級機(jī)可達(dá)到對顆粒進(jìn)行亞微米分級的要求。同時證明縮小分級輪的高徑比可獲得更高的分級精度。 過熱蒸汽為介質(zhì)的流化床氣流粉碎技術(shù)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，表明蒸汽氣流磨的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣氣流磨，蒸汽氣流磨的粉碎力大大高于空氣氣流磨，對氣流粉碎能耗的降低和大型設(shè)備的開發(fā)有較大的意

11、義。為確保過熱蒸汽通過噴嘴后不結(jié)露，應(yīng)嚴(yán)格控制噴嘴出口的壓力和噴嘴出口馬赫數(shù)。首次提出并實(shí)驗(yàn)了利用電廠低品位過熱蒸汽為工作介質(zhì)，將電廠產(chǎn)生的粉煤灰超細(xì)化，結(jié)果表明該方法能滿足低成本、大規(guī)模的粉煤灰應(yīng)用需求。 流化床氣流粉碎分級機(jī)已在國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用，但針對它的研究卻非常少。流化床氣流粉碎分級機(jī)內(nèi)部流場極為復(fù)雜，難以通過理論及實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文對流化床氣流粉碎分級設(shè)備的關(guān)鍵實(shí)用技術(shù)作了較為全面的分析和研究，對其工業(yè)設(shè)計和設(shè)