新型粉體流裝置下料流動(dòng)及其分選技術(shù)研究

張洪建，劉 峰，吳 靜，杜 濱

（山東天力能源股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

化工生產(chǎn)等領(lǐng)域中，最廣泛的原料或產(chǎn)品形態(tài)是粉體形態(tài)。隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)粉體的應(yīng)用研究逐漸向微納米尺度發(fā)展。顆粒粒徑的減小對(duì)粉體流動(dòng)性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，在粉體物料儲(chǔ)存、冷卻等領(lǐng)域，細(xì)顆粒粉體經(jīng)常出現(xiàn)偏流、溝流、架橋等流動(dòng)困難問(wèn)題［1］。

粉體在料斗中靠重力下料過(guò)程中有質(zhì)量流與中心流2種流動(dòng)模型［2］（見圖1）。質(zhì)量流是粉體在下料過(guò)程中理想的下料形式，現(xiàn)有的粉體處理技術(shù)，基本都采用敲擊錘、壓縮空氣噴吹、振動(dòng)料斗等方式，使粉體在料倉(cāng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻流動(dòng)的質(zhì)量流，但效果一般［3-4］。

圖1 重力下料流型分布

粉體流換熱器是一種用于冷卻粉體或顆粒狀物料的高效換熱設(shè)備，由進(jìn)料倉(cāng)、傳熱板束、下料倉(cāng)和控制系統(tǒng)組成。物料從進(jìn)料口進(jìn)入進(jìn)料段，經(jīng)過(guò)多組不同功能的冷卻器，經(jīng)出料段從出料口排出。冷卻器通冷卻水，與倉(cāng)中的高溫物料間接接觸，以達(dá)到降低物料溫度的目的［5-7］。

為改善流動(dòng)死區(qū)、架橋等問(wèn)題，使粉體下料向質(zhì)量流轉(zhuǎn)變，學(xué)者們提出不同的方式強(qiáng)化粉體流動(dòng)。改流體常常被用來(lái)內(nèi)置于料倉(cāng)內(nèi)部改善粉體流型。粉體受改流體的影響，顆粒被迫圍繞改流體運(yùn)動(dòng)，使粉體在料倉(cāng)內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡擴(kuò)大，可有效降低料倉(cāng)內(nèi)的死區(qū)面積，幫助粉體向質(zhì)量流轉(zhuǎn)變［8-9］。

筆者在傳統(tǒng)粉體流技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入通氣改流體技術(shù)，開發(fā)了一種集冷卻、分選、儲(chǔ)存功能為一體的新型粉體流裝置，使粉體在下料過(guò)程中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)粒度分選，極大地簡(jiǎn)化了冷卻分選的工藝流程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用自主設(shè)計(jì)制造的新型粉體流裝置進(jìn)行粉體物料下料流動(dòng)及分選實(shí)驗(yàn)研究。改流體是使物料能夠松動(dòng)、整體均勻下落的核心部件，重點(diǎn)研究了改流體的結(jié)構(gòu)及功能，結(jié)構(gòu)如圖2所示。改流體由進(jìn)風(fēng)管和流化管兩部分組成，其中流化管內(nèi)部分為3部分，兩側(cè)為流化區(qū)，中間為落料區(qū)。物料從流化管兩側(cè)的流化區(qū)形成流化，細(xì)小顆粒被工藝空氣從流化區(qū)帶至分選倉(cāng)，大顆粒物料從中間落料區(qū)落下，然后從主倉(cāng)的落料口排出。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)為方形倉(cāng)，具體見圖3，主倉(cāng)體上方為進(jìn)料口，下方為出料口，從倉(cāng)體上方到下方排列一組改流體。

圖2 改流體結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)

為了進(jìn)一步強(qiáng)化粉體下料及分選效果，在主機(jī)前后分別設(shè)置了風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)出風(fēng)速，以找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件，工藝流程見圖4。實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程簡(jiǎn)述如下：實(shí)驗(yàn)粉料從最上方的進(jìn)料口加入新型粉體流裝置，依靠重力作用下落，分別經(jīng)過(guò)改流體的進(jìn)風(fēng)管、流化管，最后經(jīng)過(guò)錐斗與出料口落下；進(jìn)風(fēng)機(jī)將分選冷卻風(fēng)送入進(jìn)風(fēng)管，通過(guò)進(jìn)風(fēng)管上多個(gè)密布的進(jìn)風(fēng)孔，均勻分布進(jìn)入新型粉體流裝置，在倉(cāng)體內(nèi)與物料接觸，在引風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入流化管，帶動(dòng)物料進(jìn)行噴吹松動(dòng)，風(fēng)從流化管出風(fēng)口排到分選倉(cāng)，將流化物料中粒度較小的顆粒帶至分選料倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)物料的分選。

圖4 新型粉體流裝置工藝流程

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)粉料采用精制工業(yè)鹽，物性參數(shù)見表1。

表1 原料參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

新型粉體流裝置集儲(chǔ)存、冷卻、分選于一體，重點(diǎn)研究物料在裝置中下落軌跡、狀態(tài)、物料分選條件及效果。物料下落軌跡及狀態(tài)通過(guò)示蹤顆粒進(jìn)行跟蹤；物料分選時(shí)通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)控制風(fēng)量，并通過(guò)便攜式風(fēng)速儀檢測(cè)風(fēng)量，準(zhǔn)確計(jì)算流化風(fēng)速。

2 結(jié)果與討論

2.1 改流體流化管結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

改流體的流化管工作原理如圖5所示，進(jìn)入粉體流的粉料在下落過(guò)程中，在通入的空氣的作用下按圖示箭頭方向流動(dòng)，在流化區(qū)實(shí)現(xiàn)物料流化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料分選功能。

圖5 改流體的流化管工作原理

實(shí)驗(yàn)考察流化管流化區(qū)與落料區(qū)之間隔板高度對(duì)能否完成設(shè)計(jì)理念的影響。如圖5中，p1、p2、p3分別為流化管3個(gè)位置的風(fēng)壓，其中p3在引風(fēng)機(jī)作用下為微負(fù)壓。經(jīng)進(jìn)風(fēng)機(jī)來(lái)的風(fēng)應(yīng)該穿過(guò)阻力更小的流化區(qū)而進(jìn)入流化管上段由引風(fēng)機(jī)引出粉體流裝置，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了落料區(qū)優(yōu)先流化的現(xiàn)象。經(jīng)分析原因?yàn)閔1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h2，p1與p2幾乎相等，又由于中間落料區(qū)優(yōu)于流化區(qū)出料，致使落料區(qū)料位高度降低，因此中間落料區(qū)壓阻最小，風(fēng)流經(jīng)落料區(qū)，達(dá)到一定風(fēng)速后出現(xiàn)流化現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：p1+p3-ρgh1＞0，風(fēng)流經(jīng)流化區(qū)，隨著風(fēng)速提高出現(xiàn)流化；p2+p3-ρgh2＞0，風(fēng)流經(jīng)落料區(qū)，隨著風(fēng)速提高出現(xiàn)流化；為保證新型粉體流能夠?qū)崿F(xiàn)流化分選功能，需保證流化管中h2＞h1。

2.2 粉料分選效果評(píng)價(jià)

不同流化風(fēng)速下，物料在流化管中的狀態(tài)如圖6所示，隨著流化風(fēng)速增加，物料流化狀態(tài)逐漸加劇，由剛開始的床層靜止到逐漸有少量顆粒吹動(dòng)，再到鼓泡流化。經(jīng)測(cè)試，最佳流化風(fēng)速為0.9 m/s，該流化風(fēng)速下，可實(shí)現(xiàn)物料在改流體的流化管中穩(wěn)定流化，且能實(shí)現(xiàn)物料的分選，分選出的細(xì)顆粒平均粒徑在55 μm，具體粒度分布見表2。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)分選的可調(diào)流化風(fēng)速范圍較小，可能與原料的粒度分布較窄有關(guān)系。

圖6 不同流化風(fēng)速下流化管內(nèi)物料狀態(tài)

表2 分選物料粒度分布

2.3 物料下料效果評(píng)價(jià)

在優(yōu)化出的流化風(fēng)速（0.9 m/s）條件下，進(jìn)行示蹤粒子實(shí)驗(yàn)，觀察物料在新型粉體流裝置內(nèi)的流動(dòng)軌跡及效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，物料在流經(jīng)改流體后運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了改變，避免了靠近料倉(cāng)壁面流動(dòng)死區(qū)的形成，形成了較好的整體均勻下料的質(zhì)量流。

3 結(jié)論

研究了粉體物料在新型粉體流裝置內(nèi)的下料流動(dòng)過(guò)程及物料分選過(guò)程，得出以下結(jié)論：

（1）新型粉體流裝置可以在流化管內(nèi)實(shí)現(xiàn)物料流化，但需保證流化管中落料段高度（h2）大于流化段高度（h1）；

（2）新型粉體流裝置可以實(shí)現(xiàn)物料的分選，但可調(diào)節(jié)的流化風(fēng)速范圍較小；

（3）新型粉體流裝置在改流體的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)物料在料倉(cāng)內(nèi)的整體均勻下落，達(dá)到較好的質(zhì)量流；

（4）通過(guò)引入新型粉體流裝置，可以將粉狀物料的冷卻、分選、儲(chǔ)存單元集為一體，極大地簡(jiǎn)化目前工業(yè)冷卻分選的工藝流程。