流化床气流粉碎分级技术的研究与应用

摘要

纵观气流粉碎与气流分级技术的开发研究现状，大部分集中在应用开发、气流粉碎分级设备的形式、各种操作参数对气流粉碎分级性能的影响方面，而关于气流粉碎和气流分级的机理，气流粉碎和分级流场的特性、甚至结构参数的研究还很不成熟。我国气流粉碎技术研究开始于是在20世纪80年代，并且主要是仿制设备，在气流粉碎和气流分级技术的理论上的研究及成果极少。 本论文按气流粉碎分级的基本原理对气流粉碎分级机进行了分类。应用FLUENT流体计算软件，首次对流化床气流粉碎分级机进行整体建模，分析和研究气流粉碎流场和气流分级的流动状态，数值模拟结果表明：喷嘴设计马赫数越高，喷嘴出口的气流速度越大，对直线喷嘴来说，喷射气流的发散情况越明显。超音速喷嘴出口气流速度和最大负压出现在喷嘴出口几毫米处，喷嘴出口气流速度的衰减极快，在喷射气流中心区负压上升迅速。对气流分级区径向速度、切向速度和轴向速度的分析，表明：进入分级轮的气流径向速度不均匀，分级轮的高度越高，径向速度越不均匀，较高的分级轮会有部分气流外溢，外溢位置、大小与分级轮的高度相关，从而引起进入分级轮的径向气流速度反而增大，分级轮的高度与直径之比从数值模拟来看应控制在0.5以下；由于气流在轴向运动过程中逐步进入分级轮，从分级轮底部向上分级区轴向气流流量逐步减少，从而轴向气流速度从分级轮底部向上逐步减少，会造成分级区上下区域的颗粒浓度不均匀和颗粒的粒径大小不均匀；分级轮的气流切向速度在叶片外缘距内几毫米处达到最大，分级轮向外切向速度急剧衰减。当分级轮高径比较大时，形成的外溢气流，对轴向气流速度和分级区的切向速度有明显的影响。这些结轮对一些重要参数(如超音速喷嘴出口流场分布、分级轮高度)具有较大的指导作用。气流粉碎超音速喷嘴的工况参数的分析，表明气流粉碎超音速喷嘴的设计，除要考虑喷嘴速度外，还应考虑喷嘴出口的动压和粉碎区的背压；在相同马赫数喷嘴中加速，喷嘴入口压力越大，粉碎区背压要求越低，喷嘴出口动压越高；为确保获得设计的喷嘴出口速度，粉碎区的背压应控制在喷嘴出口压力左右，若马赫数设计太高，而喷射区的背压达不到要求的负压，则会产生激波，喷射速度会大大降低。从气流粉碎背压的要求、喷嘴出口动能、出口气流的发散程度几个方面来说，气流粉碎喷嘴的设计马赫数应在1.4-2.05范围内较为合理。利用热的压缩空气可以产生更大的气流速度，提高气流粉碎的生产能力，同时高温气体，还能够有效的影响物料的粉碎效果和特性。 首次对气流引射式颗粒加速过程进行了分析，有益于高速气体的动能有效地转化为颗粒的粉碎能，喷嘴出口的气流速度衰减极快，颗粒越细，被加速达到的颗粒速度越大，加速到最大速度需要的加速距离也越短；颗粒越粗，颗粒加速到最大速度也越小，需要的加速距离越长，因此，确定流化床喷嘴的最优加速距离，提供最优的粉碎条件是非常重要的。喷嘴之间的加速距离与气固浓度、颗粒的性质(如比重，进料粒度等)和产品的粒度要求有关。同时喷嘴之间的距离还会影响产品的成品率、粒度的稳定性和产品的粒度分布。喷嘴之间的加速距离通常在10-20倍的无因次距离范围内，但对较粗的颗粒粒度(≥500μm)其加速距离会超过20倍的无因次距离。 喷嘴喷射气流中心速度较高，喷射气流中心颗粒的碰撞机率也较大，因此，流化床中气流粉碎的设计应让更多的颗粒进入喷射气流中心。作者首创的同轴心喷嘴的实验证明了结论的正确性。不同的碰撞方式，对粉碎效率亦有不同的影响，通过水平圆盘式，流化床式与靶式气流磨的理论分析和实验对比，证明单喷式的粉碎效率比对喷式的低，对喷式的效率又比靶喷式的低。 气流粉碎的操作参数(喷嘴入口压力、持料量、入料粒度等)对气流粉碎性能有较大的影响，本文首次给出并验证了气流粉碎分级腔内的持料量的计算方法，探讨了传输区的上升气流速度对气流粉碎和分级的影响。首次设计和研究了新型流化床气流粉碎结构，在下部和上部加入气流，提高了气流粉碎区的上升气流速度，补充喷嘴引射的气流，使底部的颗粒易于被流化沸腾起来，减少涡流强度，从而减少合格颗粒再粉碎的机率，这对较粗、密度高和成品率要求高的颗粒的加工具有极大的价值，并得到广泛的推广与应用，取得了较大的经济和社会效益。首次实验研究了流化床气流粉碎颗粒形貌的控制技术。气流粉碎分级过程中进行颗粒形貌控制，关键是控制颗粒选择性粉碎的机会、颗粒间相互作用的机理、碰撞次数、力度、颗粒在粉碎区停留时间。因此气流粉碎区的结构、喷嘴结构、形状、位置和个数，流体性质(如压力、流量、喷射速度、温度)，颗粒加速距离、位置，气固浓度，分级流场等因素均是影响颗粒形貌的基本因素。实验证明气流粉碎可以在一定程度上改变颗粒的形貌。 分级机的转速、流量、二次风大小、分级区的气固浓度和进料粒度组成等操作参数对其分级性能的影响是至关重要的。本文实验研究得出的分级机的操作参数与切割粒径和分级精度的关系，对分级机合理的操作参数的选取和结构设计具有一定的指导作用。新设计的气流分级机可达到对颗粒进行亚微米分级的要求。同时证明缩小分级轮的高径比可获得更高的分级精度。 过热蒸汽为介质的流化床气流粉碎技术的理论分析和实验研究，表明蒸汽气流磨的能耗远远小于空气气流磨，蒸汽气流磨的粉碎力大大高于空气气流磨，对气流粉碎能耗的降低和大型设备的开发有较大的意义。为确保过热蒸汽通过喷嘴后不结露，应严格控制喷嘴出口的压力和喷嘴出口马赫数。首次提出并实验了利用电厂低品位过热蒸汽为工作介质，将电厂产生的粉煤灰超细化，结果表明该方法能满足低成本、大规模的粉煤灰应用需求。 流化床气流粉碎分级机已在国内外广泛地应用，但针对它的研究却非常少。流化床气流粉碎分级机内部流场极为复杂，难以通过理论及实验手段进行系统研究。本文对流化床气流粉碎分级设备的关键实用技术作了较为全面的分析和研究，对其工业设计和设备应用提供了一定的依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1气流粉碎分级技术的现状与发展

1.1气流粉碎分级设备的分类

1.1.1分级方式

1.1.2碰撞方式

1.1.3颗粒加速的方式

1.2气流粉碎理论的研究

1.2.1高速气流的形成

1.2.2颗粒在气流中的加速规律研究

1.2.3气流冲击粉碎规律的研究

1.2.4气流粉碎机的参数研究

1.3气流分级的理论研究

1.3.1分级流场及分级机的结构参数

1.3.2分级操作参数

1.4存在的问题及发展趋势

1.5本文研究的目的、内容

2气流粉碎分级机内部流场的数值模拟

2.1 CFD的现状与发展

2.1.1 CFD的主要特点和结构

2.1.2 FLUENT软件

2.1.3 CFD研究的方向

2.2几何模型的建立

2.2.1 LNJ-120型流化床气流磨

2.2.2物理模型

2.2.3 Gambit建立三维几何模型

2.3流场数值计算

2.3.1 Gambit模型的导入

2.3.2紊流模型的选取

2.3.3边界条件设置与假定

2.3.4流场计算

2.4流化床气流粉碎分级机的分区

2.5气流粉碎流场后处理与分析

2.5.1 Z=0的速度等值线分布图

2.5.2喷嘴入口中心到气流粉碎中心的速度和静压数值变化情况

2.6分级区流场后处理与分析

2.6.1分级轮径向速度分布

2.6.2分级区轴向速度分布情况

2.6.3分级区切向速度分布

2.7本章小结

3气流粉碎的超音速喷嘴

3.1喷嘴流动分析

3.1.1喷嘴流动

3.1.2背压对流动状态的影响

3.2喷嘴出口动能的影响分析

3.2.1喷嘴设计马赫数

3.2.2喷嘴入口压力与背压

3.3压力对流量的影响

3.4粉碎区背压对粉碎的影响

3.4.1粉碎区背压对粉碎影响的试验研究

3.4.2气流粉碎系统运行中影响系统背压的因素

3.5热空气

3.6本章小结

4颗粒的加速与碰撞

4.1颗粒在喷射气流中的加速

4.1.1颗粒在喷射气流中的流动状态分析

4.1.2单颗粒的加速

4.1.3计算与分析

4.2喷嘴加速距离

4.2.1喷嘴加速距离的确定

4.2.2实验与分析

4.3同轴心加速喷嘴

4.4不同碰撞方式的比较

4.4.1实验与结果

4.4.2分析与结论

4.5本章小结

5气流粉碎的操作参数和新型流化床气流粉碎结构

5.1气流粉碎过程参变量

5.2喷嘴入口压力

5.3气固浓度与加料控制

5.3.1气固浓度

5.3.2进料粒度

5.4传输区

5.4.1传输区内的气流上升速度

5.4.2颗粒的分离平衡方程

5.4.3传输区中颗粒的运动状态

5.4.4分析与结论

5.5新型流化床气流粉碎

5.5.1新旧流化床气流粉碎区流场对比

5.5.2新型流化床气流粉碎的实验

5.6本章小结

6气流粉碎中颗粒形貌控制技术的研究

6.1研究意义与现状

6.2气流粉碎的机理

6.2.1气流冲击粉碎

6.2.2气流粉碎机理

6.3流化床气流粉碎中超细粉的形貌控制技术

6.3.1碳化硅

6.3.2颗粒形貌的控制

6.3.3颗粒形貌控制的整形技术

6.4颗粒形貌控制的预处理技术

6.5本章小结

7气流分级机操作参数对分级性能的影响

7.1实验方案与系统

7.2试验结果与分析

7.2.1转速与流量

7.2.2二次风

7.2.3气固浓度与进料粒度分布

7.2.4流量与转速同步变化

7.3颗粒密度与形状

7.3.1颗粒密度与形状

7.3.2硬质合金碳化钨的分级

7.4气流分级机的改进设计与效果

7.5本章小结

8用过热蒸汽制备微细粉煤灰的实验研究

8.1研究的意义

8.2以过热蒸汽为介质的气流磨

8.2.1超微粉碎技术

8.2.2过热蒸汽气流磨特点

8.3试验一

8.3.1试验设备

8.3.2运行参数与实验结果

8.3.3分析与结论

8.4试验二

8.4.1试验设备

8.4.2运行参数与分析

8.4.3大掺量粉煤灰水泥性能试验

8.4.4结论

8.5本章小结

9总结与展望

9.1本文的贡献

9.2本文存在的问题和进一步的研究方向

参考文献

作者在读期间科研成果

致谢