氣流粉碎機(jī)用蒸汽加料器設(shè)計(jì)參數(shù)研究

作者： 2018年02月05日 來源：全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量：
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我們?cè)谖墨I(xiàn)中已經(jīng)對(duì)適用于氣流粉碎機(jī)、以壓縮空氣為工作介質(zhì)的氣力加料器的設(shè)計(jì)計(jì)算理論及工程實(shí)踐作了詳細(xì)的研究，為設(shè)計(jì)氣流粉碎機(jī)的氣力加料器提供了可靠的方法。在此基礎(chǔ)上，本文將對(duì)適用于氣流粉碎機(jī)的以過熱蒸
    我們?cè)谖墨I(xiàn)中已經(jīng)對(duì)適用于氣流粉碎機(jī)、以壓縮空氣為工作介質(zhì)的氣力加料器的設(shè)計(jì)計(jì)算理論及工程實(shí)踐作了詳細(xì)的研究，為設(shè)計(jì)氣流粉碎機(jī)的氣力加料器提供了可靠的方法。在此基礎(chǔ)上，本文將對(duì)適用于氣流粉碎機(jī)的以過熱蒸汽為工質(zhì)的氣力加料器(簡(jiǎn)稱蒸汽加料器)的設(shè)計(jì)理論作進(jìn)一步研究，以便提供一個(gè)蒸汽加料器的設(shè)計(jì)方法。
 
    以過熱蒸汽為工質(zhì)的氣流粉碎機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)在于具有極大的粉碎力，可提高產(chǎn)品的細(xì)度，尤其適用于難以粉碎的非熱敏性物料，如氧化鈦、硅藻土、無煙煤、滑石、炭黑、云母、方解石及氧化鋁等難以粉碎的高表面能的物料；而以壓縮空氣為工質(zhì)的氣流粉碎工藝難以得到令人滿足的細(xì)度，單位能耗也較高。
 
    以過熱蒸汽為工質(zhì)的氣流粉碎機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一在于合理設(shè)計(jì)蒸汽加料器。這是因?yàn)檎羝べ|(zhì)與引射物在加料器中要進(jìn)行動(dòng)量傳遞、能量轉(zhuǎn)化及工質(zhì)與引射物的混合等一系列復(fù)雜的變化過程，蒸汽工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生迅速劇烈的變化，過熱蒸汽有可能轉(zhuǎn)化成飽和蒸汽或濕蒸汽，尤其是最初和固體物料接觸的蒸汽工質(zhì)最易變?yōu)闈裾羝麪顟B(tài)，使部分物料變濕而易于粘壁，使加料器通道變窄，導(dǎo)致其引射功能逐漸減弱，最終完全不能進(jìn)料。雖然引起粘壁的原因是多樣的、復(fù)雜的，如粉體的極性、分子附著力及超細(xì)粉體的二次凝聚等的協(xié)同作用，但從宏觀角度看，維持加料器中的蒸汽始終處于干蒸汽狀態(tài)，是蒸汽加料器設(shè)計(jì)最需要注意的。
 
    1蒸汽加料器的特點(diǎn)
 
    蒸汽加料器和以壓縮空氣為工質(zhì)的氣力加料器雖同屬氣力輸送噴射器，有著相同的內(nèi)部形狀及相同的工作原理，但因工作介質(zhì)及工作溫度的不同，蒸汽加料器必然有自己的特點(diǎn)，特別是由不同材質(zhì)構(gòu)成的加料器組件需頻繁地經(jīng)歷從常溫到高溫(400℃)的變化，這就要求蒸汽加料器必須有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法及特有的部件構(gòu)造。
 
    1.1蒸汽加料器的基本原理與主要參數(shù)
 
    本文借用文獻(xiàn)的圖1作為蒸汽加料器的原理圖，因?yàn)檎羝恿掀髋c以壓縮空氣為工質(zhì)的氣力加料器內(nèi)部腔體形狀基本相同，它們的工作原理也基本一樣。但過熱蒸汽與壓縮空氣之間的顯著差別使得它們的設(shè)計(jì)公式及有關(guān)參數(shù)有不同的表達(dá)。本文正是要研究它們的共同點(diǎn)及不同點(diǎn)，以便為蒸汽加料器提供正確的工程設(shè)計(jì)方法。
 
 
    本文所應(yīng)用的符號(hào)定義與文獻(xiàn)完全相同，不作新規(guī)定，但新出現(xiàn)的參數(shù)符號(hào)除外。
 
    1.2不同工質(zhì)在工作噴嘴出口處的速度
 
    選取Laval型噴嘴作氣力加料器工作噴嘴，并分別算出以壓縮空氣作工質(zhì)及以過熱蒸汽作工質(zhì)的噴嘴出口速度，以比較二者的大小。
 
    1.2.1壓縮空氣工質(zhì)噴嘴出口速度
    （1）
    式中，空氣k=1.4。
 
    對(duì)氣流粉碎機(jī)如不計(jì)工作流體在進(jìn)氣口的速度wp，可取p0≈pp=0.85MPa，T0≈T1=293K，pp1=0.1MPa，則由式(1)可得wp1=519m/s。
 
    1.2.2過熱蒸汽工質(zhì)噴嘴出口速度
    wp1=[2(i0-ip1)]1/2  (2)
 
    如選一般的工業(yè)鍋爐，易取p0=pp=1.2MPa，tp=350℃則i0=3151kJ/kg，可設(shè)定pp1=0.16MPa，tp1=160℃，則ip1=2792kJ/kg。將i0及ip1值代入式(2)，可得wp1=847m/s。
 
    比較由式(1)、式(2)得出的自工作噴嘴出口的速度，可見過熱蒸汽比壓縮空氣的大了63%，而單位工質(zhì)的動(dòng)能更大了1.67倍，使加料器引射能力大大提高。同樣，粉碎機(jī)的粉碎噴嘴出口速度也一樣增大，粉碎力提高，有利于物料的超細(xì)粉碎。這些正是以過熱蒸汽作為氣流粉碎機(jī)工質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)。
 
    如果把電能當(dāng)作二次能源，則蒸汽便為一次能源，經(jīng)氣固分離后的余氣中的余能還可再用作生產(chǎn)或生活，可以有效提高能量利用率，降低單位能耗。實(shí)踐證明，一個(gè)有規(guī)模的以過熱蒸汽為工質(zhì)的氣流粉碎系統(tǒng)不但有理想的粉碎力和產(chǎn)量，同時(shí)還可節(jié)能約40%。
 
    2蒸汽加料器的構(gòu)造特點(diǎn)
 
    蒸汽加料器一般在常溫到400℃的溫度下工作，這種溫度變化在氣流粉碎機(jī)開始工作預(yù)熱階段或粉碎結(jié)束停機(jī)階段表現(xiàn)尤為劇烈。氣流粉碎機(jī)和加料器通常襯以堅(jiān)硬耐磨的剛玉內(nèi)襯，巨大的溫度變化必然使不同材質(zhì)的內(nèi)襯與金屬外殼產(chǎn)生很大的熱膨脹差異。圖1表示在JGM-Q 系列中采用的一種結(jié)構(gòu)，已經(jīng)經(jīng)受了長期的運(yùn)行考驗(yàn)。由圖1可見，將加料器的接受室和混合室內(nèi)襯做成一體化的剛玉件。無論是工作噴嘴還是混合室均以耐高溫且有一定彈性的密封墊片1、4、5、6、7、8與金屬外殼相壓緊固定，而不采用常溫時(shí)傳統(tǒng)的粘結(jié)工藝，這使金屬外殼和剛玉內(nèi)襯在溫度變化時(shí)能自由伸縮，釋放熱應(yīng)力。蒸汽加料器具有常溫工作的氣力加料器同樣的調(diào)節(jié)手段，可確保其有良好的工作狀態(tài)。
 
    3引射系數(shù)及幾何尺寸的確定
 
    文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)適用于氣流粉碎機(jī)的以壓縮空氣為工質(zhì)的氣力加料器的設(shè)計(jì)理論作了詳盡的研究，在蒸汽加料器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮蒸汽的行為特點(diǎn)，同時(shí)還要考慮到過熱蒸汽作工質(zhì)時(shí)，蒸汽加料器出口的混合流體中含兩種氣體(空氣和水蒸汽)和一種固體，而非壓縮空氣作工質(zhì)時(shí)含一種氣體和一種固體的工況，故有關(guān)比容及引射物料的溫度則要以下列方法求取。
 
    3.1蒸汽加料器各比容的確定
 
    工作介質(zhì)蒸汽在加料器中各處的比容及比焓均可從水蒸汽圖表中直接查取，它們是vp、vp3、vpm及ip、ipm，有別于空氣作工質(zhì)的情況。
 
    引射介質(zhì)中的氣體在蒸汽加料器出口的比容
    v1,gm=RTm/pm (3)
    混合流體中的氣體在加料器出口處的比容
    vm,g=(vpm+v1,gmug)/(1+ug) (4)
    引射介質(zhì)中的氣體在截面3處比容
    (5)
    混合流體在截面3上的比容
    v3=(vp3+v1,g3ug+v1,sus)/(1+u) (6)
 
    將以上方法確定的比容及比焓值代入文獻(xiàn)的有關(guān)公式，便可以確定蒸汽加料器的引射系數(shù)及各幾何尺寸，從工程應(yīng)用的角度，這種計(jì)算方法已足夠精確了，我們的工程實(shí)踐結(jié)果也很令人滿意。
 
    3.2引射介質(zhì)的預(yù)熱
 
    需要特別注意的是，蒸汽加料器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行要確保加料器中物料始終處于干燥狀態(tài)，避免物料受潮粘壁結(jié)垢而使流道堵塞。所以，在蒸汽加料器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須驗(yàn)證是否要對(duì)引射流體進(jìn)行預(yù)熱，確定預(yù)熱引射流體需附加的功率N(J/s)及引射流體應(yīng)達(dá)到的最低溫度t1,min。
 
    引射流體所需的最小附加功率
     (7)
    式中，(cp)s及(cp)g分別為引射介質(zhì)中固體及氣體的比熱容，J/(kg·℃)。
 
    引射流體應(yīng)達(dá)到的最低溫度
     (8)
 
    利用式(7)、式(8)可分別得到Ⅳ 及t1，min值，可以此判斷是否需要對(duì)引射流體進(jìn)行預(yù)加熱，以保證混合室中蒸汽始終處于干蒸汽狀態(tài)。具體的判斷準(zhǔn)則是：
 
    N＞0或t1,min＞t。，則需對(duì)引射流體進(jìn)行預(yù)熱；
    N≤0或t1,min≤ts，則不必對(duì)引射流體進(jìn)行預(yù)熱。
 
    4結(jié)論
 
    (1)因?yàn)檫m用于氣流粉碎機(jī)的以過熱蒸汽為工質(zhì)的氣力加料器的混合物是由兩種性質(zhì)不同的氣體(空氣和水蒸汽)和一種固體所組成，因而在確定相關(guān)比容時(shí)需按本文提供的方法，蒸汽加料器引射系數(shù)及有關(guān)幾何尺寸的計(jì)算完全可以應(yīng)用文獻(xiàn)中的公式及方法。
 
    (2)以過熱蒸汽為工作介質(zhì)的加料器需避免加料器中物料變濕，應(yīng)始終保持加料器中的蒸汽處于干蒸汽狀態(tài)，這對(duì)保持加料器的正常工作狀態(tài)十分必要，否則會(huì)引起加料器粘壁堵塞，使功能惡化。
 
    (3)應(yīng)用此文介紹的方法設(shè)計(jì)制造了JGM-Q系列以過熱蒸汽為工質(zhì)的強(qiáng)力氣流粉碎機(jī)，同時(shí)也證實(shí)了文獻(xiàn)[1]中介紹的3種調(diào)節(jié)手段同樣是有效的。
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