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硕士论文 气动给粉试验研究 摘要 在涉及到粉体处理的生产设施中，给粉机是一种常用的关键设备：在燃煤电厂中， 短时间的断煤、断粉会对设备带来很大的危害，为保证设备和锅炉的安全运行，需要 给粉装置能够满足给粉的均匀性和连续性；在气力输送系统中，则需要一种高浓度且 连续的给粉装置以提高输送效率；在粉体分选方面，同样需要一种给粉均匀稳定的装 置来满足分选设备的要求。因此设计出一种连续、均匀和高浓度的气动给粉装置，通 过对三种不同试验物料的试验研究，分析了影响给粉性能的几种因素。本文的研究工 作主要包括： 1 对现有的给粉技术，进行了综合分析和评价。 2 论述了粉料的基本性质，如粒子尺寸、粒子密度、粒子形状等对气动给粉的影响。 选择三种试验物料，分别为粉煤灰、石英砂和玻璃珠，对其基本性质进行了测定。 3 通过计算分析，设计了一套新型的气动给粉装置，整个装置包括气动输送和气 固分离两大部分，为了减少能耗，系统采用局部流态化输送技术，使用布袋除尘技术 完成气固分离。 4 在不同操作参数、不同结构下进行气动给粉的单因素试验研究，通过单因素试 验总结出各试验因素对气动给粉装置性能的影响。 5 对气动给粉进行正交试验研究，针对三种不同试验物料，得到优化结构参数和操 作参数。 试验结果表明，各结构参数和操作参数对给粉能耗、给粉均匀性、给粉速率都有 明显影响。设计的气动给粉装置满足预想要求。 最后，对研究工作进行了总结陈述，对设计气动给粉装置的进一步的优化研究进 行了展望。 关键词：给粉，均匀性，设计，结构参数，操作参数 硕士论文 a b s t r a c t p o w d e rf e e d i n gd e v i c ei so n eo ft h em o s tp i v o t a lp o w d e rh a n d l i n g 。q 【u j 弘n 黜i n c o a l f i r e dp o w e rp l a n t s ，t h ed i s c o n t i n u o u ss u p p l yo fc o a lo rp o w d e rw i l ld og r e a th a r mt ot h e p o w d e rf e e d i n ge q u i p m e n t i no r d e rt oe n s u r et h es a l t yo f b o i l e r sa n do t h e re q u i p m e n t s ，t h e p o w d e rf e e d i n gs h o u l db ec o n t i n u o u sa n du n i f o r m i np n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m s ，t h e p o w d e rf e e d i n gd e v i c es h o u l dw o r kc o n t i n u o u s l yt os u p p l yh i g hc o n c e n t r a t i o np o w d e rw i t h l l i g hc o n v e y i n ge f f i c i e n c y i np o w d e rs e p a r a t i n gs y s t e m s ，p o w d e rf e e d i n gd e v i c et op r o v i d e p o w d e ru n i f o r m l ya n ds t a b l ei sa l s or e q u i r e d t h ea u t h o rd e s i g n sa n db u i l d sap n e u m a t i c p o w d e rf e e d i n gd e v i c e ，w h i c hc a np r o v i d eh i g hc o n c e n t r a t i o np o w d e rc o n t i n u o u s l ya n d u n i f o r m l y t h r e ep o w d e r sa r eu s e dt op e r f o r mt h ee x p e r i m e n t st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f v a r i o u sf a c t o r s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ra e rs u m m a r i z e d 弱f o l l o w s ： t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo fp o w d e rf e e d i n gi sa n a l y s e da n de v a l u a t e d t h ee f f e c to fp o w d e rp r o p e r t i e s ，s u c ha sp a r t i c l es i z e ，p a r t i c l ed e n s i t y , p a r t i c l es h a p e ，o n t h ep n e u m a t i cp o w d e rf e e d i n gd e v i c ep e r f o r m a n c ei sd i s c u s s 。d t h ep r o p e r t i e so ft h r e e p o w d e r s ，i e c o a l f i r e df l ya s h , q u a r t zs a n da n dg l a s sb e a d sa r et e s t e d b a s eo nt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，d e s i g n sa n db u i l d san e wt y p eo fp n e u m a t i c p o w d e rf e e d i n gd e v i c e ，w h i c hi n c l u d e st w op a r t s ，i e p n e u m a t i cc o n v e y o ra n dg a s s o l i d s e p a r a t o r i no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n , l o c a lf l u i d i z a t i o nd e l i v e r yt e c h n o l o g yi s s e l e c t e dt os u p p l yp o w e ra n dt h eb a gf i l t e ri sc h o s et oc o m p l e t et h eg a s - s o l i ds e p a r a t i o n t h ep o w d e rf e e d i n gp e r f o r m a n c ei st e s t e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o r v a r i o u sp n e u m a t i ca r c h i t e c t u r ea n df i n dt h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n t a lf a c t o r s t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so ft h ep n e u m a t i cp o w d e rf e e d i n gw i t ht h r e e d i f f e r e n t m a t e r i a l sa r ea c c o m p l i s h e da n dt h eo p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r e a c h i e v e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h e p n e u m a t i cp o w d e rf e e d i n gd e v i c eh a v et h ei n f l u n c e o nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n 、t h e u n i f o r m i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo fp o w d e rf e e d i n g t h ep n e u m a t i cp o w d e rf e e d i n gd e v i c e d e s i g h e di nt h i sp a p e rh a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n da c h i e v et h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ko ft h ew h o l et h e s i si ss u m m a r i z e da n df u r t h e ro p t i m i z a t i o n s t u d i e so fp n e u m a t i cp o w d e rf e e d i n gd e v i c ea r ee n v i s a g e d k e yw o r d s ：p o w d e rf e e d i n g , u r l i f o r m i t y , d e s i g n , s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ， o p e r a t i n gp a r a m e t e r s t i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：；丕么金喜仂9 年月力归研究生签名：再笠每仂9 年6 月力归 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盎么乏蔓 协b 年6 其| b 硕士论文气动给粉试验研究 1 绪论 1 1 选题的背景与意义 颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。例如：自然界中沙 石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、 矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质【l 】。在工业生产中，存在很多与 颗粒粉料生产运输相关的技术。 在我国一次能源消费中，煤炭占绝大比重，二十世纪5 0 、6 0 年代都占9 0 左右，7 0 年代占8 0 左右，9 0 年代以来，一直在7 5 - - - 7 6 之间，到2 0 1 5 年， 煤炭还要占到6 2 6 【羽。煤炭总产量的相当大一部分用于发电行业，由于我国能 源结构和布局上的原因，这种以燃煤发电为主导的局面在未来长时期内不会改变 3 - 6 。燃煤电厂锅炉运行表明，不仅要求给煤、给粉设备供给一定的煤量、粉量， 而且要求有良好的调节性能和高度的连续性和均匀性。连续性能保证制粉设备和 锅炉的安全运行，因为即使短时间的断煤、断粉也会对设备带来很大的危害。而 均匀性会对制粉设备的稳定运行和锅炉燃烧的稳定及经济性产生显著影响 7 t 。这 就需要一种给粉装置来满足燃煤电厂给粉的均匀性和连续性要求。 一个3 0 0 m w 火电机组，年消耗煤约1 0 0 万吨，排出的粉煤灰2 0 万吨左右。 如此大量的粉煤灰处理问题一直困扰着燃煤电厂。传统的处理方式是水力冲灰， 这不但要浪费大量的水资源，引起水的二次污染，而且还要占用大量的土地。随 着环境要求的日益提高和国民经济的不断发展，这种处理方式显然不可取。取而 代之的是将捕集到的煤灰进行综合利用，变废为宝，而要进行干灰综合利用，第 一步就必须解决煤灰的干式输送问题1 8 】。气力输送系统正适应了这一需求。 另外，由于气力输送自身的一些特点，在工业生产的各个部门应用越来越广 泛，如电力、化工、轮胎、制药、钢铁、冶金等。随着技术的发展，在气力输送 系统中越来越需要一种高浓度的给粉装置以提高输送效率降低能耗，并且对给粉 的连续性和均匀性要求很高。 给粉装置在粉体分选方面同样应用广泛。例如我国粉煤灰仅有3 0 左右得 到综合利用，其余的都存入储灰场，不仅占用大量土地，而且对周边环境造成严 重威胁 9 1 。粉煤灰开发利用是固体废弃物处理的一个主要方面，开发利用好粉煤 灰，不仅能够有效解决环境污染问题，而且能够变废为宝，为我国经济发展提供 一个新的增长点。粉煤灰用作水泥和混凝土的掺合料，具有良好的形态效应、活 性效应和微集料效应，对提高和改进水泥、混凝土的性能发挥着很好的作用，而 各厂的粉煤灰差异较大，因此需要对原灰进行分级或粉磨处理才能进一步激发粉 1 绪论硕士论文 煤灰的活性【协1 1 】。特别是粉煤灰中含有一种微小、质轻、空心而呈圆球形的颗粒， 称之为“漂珠 1 2 - 1 5 。由于漂珠具有颗粒微小、绝缘、质轻、抗压强度大、热稳 定性好等独特优点，已用于建材、塑料、涂料、化学冶金、航空等领域，并且它 的应用效果已展现了很好的光辉前景 m 1 9 1 。将漂珠从粉煤灰中分选出来是提高粉 煤灰综合利用的重要途径。另外，根据粉煤灰的含碳量对粉煤灰进行干法分选， 是提高粉煤灰品质的重要技术路径。所以，粉煤灰的干法分选，无论是漂珠富集 还是碳富集，都对给粉的连续性和均匀性有很高的要求。 综上所述，给粉装置在煤粉燃烧、粉体输送和粉体分选方面应用广泛，如何 获得一种高浓度且连续均匀的给粉成为需要考虑的一个技术问题，这也是本文要 研究的主要内容。 1 2 给粉技术概述 1 2 1 给粉装置的分类 迄今为止，人们已经开发出了许多具有实用价值的给粉装置，主要分为两大 类：机械给粉和气动给粉。 1 2 2 机械给粉设备概述【2 0 3 0 】 ( 1 ) 有挠性牵引构件的给粉设备 这种给粉装置主要是带式给粉机。带式给粉机实际上是一种短小的带式输送 机，它可以水平或倾斜安装，如图1 1 所示。 图1 1 带式给粉机 带式给粉机主要用于粒状和小块状的物料，其优点是：结构比较简单，投资 少，运行可靠；在稳定运行时所需功率较低；喂料量调整性能良好，可实现自动 控制和计量。它的缺点是：需要占据较大的空间；胶带易磨损，因此不适宜于具 有磨蚀性且温度高的物料。 ( 2 ) 转动式给粉机 转动式给粉机的特点是工作构件绕着固定轴转动，属于这类给粉机的有螺旋 式、叶轮式和盘式。 2 硕士论立气自给精试验研究 a 螺旋给粉机 螺旋给粉机如图】2 所示。它主要由螺旋轴、料槽和驱动装置组成。螺旋轴 沿纵向放在槽内。当螺旋轴转动时，物料由于其质量及它与槽壁之间摩擦力的作 用，不随同螺旋一起转动，这样由螺旋轴旋转而产生的轴向推力就直接作用到物 料上而成为物料运动的推动力，使物料沿轴向滑动到卸料口处卸出。 图1 2 螺旋给粉机 螺旋输送机是一种最常用的粉体连续输送设各。其优点是：构造简单，在机 槽外部除传动装置外，不再有转动部件；占地面积小；容易密封；管理、维护、 操作简单；便于多点装料和多点卸料。它的缺点是：功率消耗大，生产率低，螺 旋表面磨损大，由于摩擦大，所以在输送过程中物料易碎。 b 叶轮给粉机 叶轮给粉机如图13 所示。 骚盈 ( 曲弹性叶轮培糟机( b ) 刚性叶轮给粉机 图1 , 3 叶轮给粉机 它具有一个能与存仓受料设备衔接的外壳，中间为叶轮转子，转子由单独的 电动机通过链轮传动。当转子不动时，物料不能流出，当转子转动时，物料便可 随转子的转动卸出。叶轮给粉机有弹性叶轮给粉机和剧性叶轮给耪机两种。叶轮 给粉机结构简单，造价便宜，容易维修，封闭性好并兼有锁风作用；它只适用于 3 预论文 干燥粉状或小颗粒状的物料，适用于气力输送系统的喂料。 c 圆盘给粉机 圆盘给粉机如图1 4 所示。它具有旋转的圆盘l ，圆盘上方有着套在存仓2 的卸料1 ：3 上面的伸缩套筒3 。活动套简距圆盘的高度可以通过螺杆4 调节。物料 从存仓落到圆盘上堆积成一截锥形料堆。传动装置经立轴带动水平圆盘回转时， 物料被固定的刮板5 刮下，卸落到卸料管6 中。圆盘下面装有盘壳7 ，盘壳有一 圈高出盘面的盘边围在圆盘外围，以防物料由盘上撤落下来。当有物料颗粒掉入 盘壳内时，随盘一起回转的刮灰板8 就能将这些物料刮入下料口，以防堆积产生 阻塞。 1 圆盘；2 存仓：3 活动套倚：4 螺杆；5 一刮板：6 - 卸料管；7 - 盘壳；8 - 刮灰板 图1 4 圆盘给粉机 圆盘给粉机的优点是结构简单、使用可靠、调节方便。缺点是运行不平稳。 出料不均匀，噪音和振动大，对于流动性特别良好的粉状物料，容易窜料不宜 使用。 f 3 1 振动式给粉机 振动式给粉机根据槽和物料的运动状态，可分为惯性式和振动式两类。在惯 性式振动给耪机上，物料在惯性力的作用下，在任何时间都与槽底保持接触，且 沿槽底作滑落运动：在振动式给粉机上。物科在惯性力的作用下，由槽底脱离， 向上作抛掷运动，物料在料槽中作“跳跃”式运动。 a 惯性式振动给粉机 惯性式振动给粉机由图1 5 所示。它由惯性激振器驱动，惯性激振器有单轴 式和双轴式两种。驱动装置将交变的往复运动传给料槽，靠科槽与物料间的摩擦 力带动物料前进与此同时，存仓中的物料落人卸料口下方所形成的自由空间而 碗* iq 自培粉试验研究 将其充满。当料槽反向运动时出于槽后壁的阻挡，物料不能随料槽一起返网， 一部分物料便由料槽前缘落入出料口中。这种给粉机只有当料槽进行反向运动 时，物料才被卸出。每当料措往复一次，物料就沿着料槽向前运动一个区段，连 续运动的结果，就形成了物料沿料槽的总的工作运动。 图i5 惯性式振动给扮机 惯性式振动给粉机的优点是结构简单，成本低。缺点是能耗太部件易磨损。 b 振动式给粉机 振动式给粉机的特点是振幅小，频率高，物料在槽中可作一定的跳跃运动， 所以具有较高的生产能力，减小了槽的磨损。振动式给粉机的激振方式一般为电 磁振动，所以，又称为电磁振动给粉机。它由料槽、电磁激振器、减振器及电器 控告0 箱四个部分组成。电磁振动喂料机具有许多优点：它体积小且易于制造、维 修方便：无相对运功的零部件、几乎没有机械摩擦，无润滑点，密封性好，能耗 低，设备运转费用低。其缺点是安装调试要求较高，调整不好就不能正常工作， 产生噪声甚至不振动：电压变化会影响给粉的准确性；不宜供送极细的粉状物料。 1 2 3 气动给粉设备概述口5 j 0 4 1 ( 1 ) 喷射式供料器 喷射式供料器又称文丘里供料嚣，如图16 所示，它是气力输送的最简单供 料装置。它经常在短距离输送和较低的输送量情况下应用，根据气源压力的不同， 可分为采用低压风机和高压空气压缩机作气源。原理是利用喷嘴喷出的高速空气 在喉管部位造成等于或略低于大气压的压力，使粉粒料靠自重下落或被吸入供料 器内。高速空气能将粉粒料加速在扩散管内转换为输送所需的压力对物料进行 压力气力输送。传统文丘里供料器结构简单，无运动部件，也不需要机械传动， 对小颗粒料的供斟尤为有效。但也存在一些缺陷：被输送物料往往不是流畅进入， 输送量难以控制；喉管处的高速空气使其磨蚀和物料粒子破碎均较严重；耗气量 大、效率低、输送量有限。 绪论硕士论立 图1 6 文丘里供料器 ( 2 ) 容积式给粉系统 窖积式供料器是高压密相气力输送系统广泛采用的供料设备。它的密封性能 好- 除空气与物料进入需要阀门外，无其它运动部件，因此故障少。仓泵是主要 的容积式给粉系统，上部为圆柱形下部为锥形的压力容器罐体上装有必需的阀 件和仪表配件以满足特定的供料要求。仓泵有两种基本型式，即上出料式和下出 料式，如图17 所示。 前确 上出料式 下出料式 图l7 发送罐结构示意图 上出料式仓泵内物耕的排出要依靠物料有效流态化而喂入输送管，因此仅适 用于输送可流态化的粉料。若罐内物料不能完全排空，本身压损也就相对较大。 上出料式发送罐以往曾经被普遍应用，而今仅在安装空间受限制或要求上出料布 置的情况下才采用。下出料式发送罐能得到最高的料气比值，最好在罐底部配备 出料阀。输送糟料时在锥体部位应有使物料流态化的措旌，罐内物料可全部排空， 本身压损也相对较小，因而太多数新型高压供料装置均按下出料方式设计，其应 用日益广泛。 但容积式供料器造价高，耗气量大，需要大的空压机配套。同时容积式供料 器多数属于问歇输送，存在的主要问题是密相输送所具有的低速、磨损小、尾气 过滤量少等优点在一次输送循环即将完毕时不再存在，因为最后的物料与大量压 硕士论文气动给粉试验研究 缩空气经输送管排空时，可能出现比稀相输送更高的速度，以致产生更大的管道 磨损和料粒破碎，而且料气比降低。 综上所述，机械给粉设备机件局部磨损严重，维修工作量大，不可避免的泄 漏，将会使容积效率下降，严重时会影响到物料的下落。气动给粉设备结构简单、 工艺布置灵活，便于自动化操作，一次性投资较小，易密封，但给粉的连续性与 均匀性受到很大的限制。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 设计一套新型的局部流化输送的气动给粉装置。装置包括流化输送、气 固分离及测量系统。 ( 2 ) 选定三种不同物性的粉料，测定粉料的基本性质参数，以确定不同性质 粉料对气动给粉装置的影响。 ( 3 ) 搭建气动给粉试验台，在不同操作参数、不同结构下进行气动给粉的单 因素试验研究，通过单因素试验以期发现各试验因素对气动给粉装置性能的影 响。 ( 4 ) 对气动给粉进行正交试验研究，针对三种不同试验物料，得到优化结构 参数和操作参数。 7 2 糟料基本性质定论速度计算 顶士论文 2 粉料基本性质参数测定及理论速度计算 2 1 粉料基本性质参数测定 本文选用三种不同物性的物料进行气动给粉试验研究，以研究不同性质参数 物料的给粉特性。三种物科分别为粉煤灰、石英砂和玻璃珠。如图21 所示。 a 粉煤莰 2 1 1 粒级分布 b 石英砂p 玻璃珠 圈2 1 试验物科 颗粒粒级分布是一项定义散料本质的参数，能较好地评估粒径对散料特性以 及气动给粉特性的影响口”。通常粒级分布较均匀的物料有利于流动，也容易输 送些。如果粒级分布不均匀，不仅输送压力损失大，且容易堵塞或产生颗粒离析。 一个颗粒系统内的颗粒不可能是同样大小的，它总是由不同大小粒径分布的颗粒 所组成。粒级分布即将颗粒群以一定的粒度范围按大小顺序分为若干级别( 粒级) 各级别粒子占颗粒群总量的分数口”。 散料粒级分布的确定方法有机械筛分法、体积测量法、沉降法、显微镜法、 激光法等等【”】。其中，机械筛分法是应用最广的一种方法，它是由筛分法测出筛 上或筛下粒子质量所占散料总质量的分数，然后根据筛孔尺寸来定义。本文采用 机械筛分法。 取充分混合后的试样约l o o g , 从上至下按目数依次增大排列筛网将试样倒 入筛网最上层。盖上筛盖，扣紧全套筛子，开动振筛机，同时启动秒表，振动 2 0 a f i n 。检查是否达到筛分终点，将各筛网中的试样手筛i m i n ，手筛通过筛子的 物料量与原始试样量之l t d , 于01 则认为筛分已达到终点，否则应延长筛分 时间。 测定结果如下： 硕士论文气动给粉试验研究 表2 1 粉煤灰筛分结果 粒径范围( m )实验l实验2实验3实验4实验5 平均测量结平均相对 果( )误差( ) 3 0 0 4 5 0 2 0 0 3 0 0 1 5 4 2 0 0 1 1 3 1 5 4 9 0 1 1 3 7 5 - 9 0 4 5 - 7 5 2 8 4 5 测量结果( ) 1 3 31 2 91 2 01 1 l1 1 0 1 2 0 相对误差( ) 1 0 8 37 507 58 3 36 8 3 测量结果( ) 9 3 49 1 39 6 91 0 2 61 1 4 19 9 7 相对误差( ) 6 3 2 8 4 3 2 812 9 11 4 4 46 9 8 测量结果( ) 1 1 3 41 1 6 71 1 3 61 1 7 01 2 6 81 1 7 5 相对误差( ) 3 4 9o 6 83 3 20 4 37 9 13 1 7 测量结果( )8 7 58 7 08 0 18 5 39 4 18 6 8 相对误差( ) 0 8 1o 2 38 3 61 7 38 4 13 9 1 测量结果( ) 8 7 09 0 08 1 87 2 76 9 78 0 2 相对误差( ) 8 4 81 2 2 22 0 09 3 51 3 0 99 0 3 测量结果( ) 1 8 6 41 7 8 4 1 8 0 41 8 0 71 7 8 41 8 0 9 相对误差( ) 3 0 41 3 80 2 80 1 l1 3 8 测量结果( ) 1 8 8 81 9 7 51 9 9 42 0 9 31 9 7 81 9 8 6 相对误差( ) 4 9 30 5 5 0 4 05 3 90 4 0 测量结果( ) 6 3 28 2 64 8 25 9 66 4 06 3 5 相对误差( ) 0 4 73 0 0 82 4 0 96 1 40 7 9 测量结果( ) 1 6 7 01 4 3 81 8 7 6 1 6 1 61 4 4 01 6 0 8 相对误差( ) 3 8 6l o 5 71 6 6 70 5 01 0 4 5 2 3 3 1 2 3 l 8 4 l 表2 2 石英砂筛分结果 9 6 3 0 相对误差( )8 51 1 5 0 1 5 4 51 8 1 810。7610 05 51 15 0 1 54 51 81 8 相对误差( 8 测量结果( ) 6 7 7 76 8 4 47 0 0 3 7 4 9 66 5 0 2 6 9 2 4 4 5 0 6 3 0 相对误差( 1 2 1 1 1 48 6 6 0 937612 1 6 2 6 相对误差( ) 2 1 8 测量结果( ) 4 7 6 5 9 97 4 63 5 2 4 9 95 3 4 3 0 0 4 5 0 相对误差f ) 1 2 1 73 9 7 0 6 5 5 206710 8 63 40 8 2 0 相对误差( ) 测量结果( ) o 1 20 1 30 1 1 o 1 30 0 9o 1 2 石英砂 粉煤灰。 2 1 2 粒子密度 单个粒子的质量除以该粒子体积的值即为粒子密度。但是由于颗粒内部有孔 洞，颗粒的体积会因测量和计算方法不同而不同，粒子内部的孔洞可按与粒子表 面连接与否分为开放孔洞和封闭孔洞，由此粒子密度又分为真实密度、有效密度 和表观密度3 种不同表示方法m 。 ( 1 ) 真实密度。颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的密度值； ( 2 ) 有效密度。颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积除得的密度值； ( 3 ) 表观密度。颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒体积除得的密度值。 很明显，真实密度 有效密度 表观密度，但是真实密度的测量难度很大，所以， 工程上一般采用有效密度。 通常有效密度采用排液置换法进行测量。将粉料置于测量容器中，加入液体 介质，并让这种液体介质充分地浸透到粉料颗粒的开孔隙中。根据阿基米德原理， 2 粉科基本性质测定及理论速度计算硕士论文 测出粉料的有效体积，从而计算出单位有效体积的质量，即测得了粉料有效密度。 试验物料的有效密度测定结果如表2 5 所示。 表2 5 试验物料有效密度 试验物料粉煤灰石英砂玻璃珠 查墼查壅! 垦竖壁!1 2 里q 一 至主! q兰至塑 通过对三种试验物料有效密度的测定可知，粉煤灰的有效密度最小，石英砂 和玻璃珠相当。 2 1 3 堆积密度 散料的密度一般用堆积密度来表示。堆积密度定义为散料质量与所占体积的 比值。因为散料是由大量性能不同的粒子组成，包含粒子的体积和粒子间的空隙， 因此散料的堆积密度数值的大小和粒子堆积状态及填充的紧密程度有关。物料的 堆积密度越大，用于输送的能量消耗也越大。 测量物料的堆积密度通常有以下三种方法： ( 1 ) 倒出状态堆积密度( 松散堆积密度) 。此堆积密度是将粉料倒成一堆或倒 入容器中，但不施加任何外力紧实得出。 ( 2 ) 紧实堆积密度。这是施加了紧实力，如撞击或振动容器后得出的堆积密 度。 ( 3 ) 充气堆积密度。这是粒子由于空气膜而彼此分开的堆积密度，仅用于细 干的粉料。 粉料是在松散状态下进行给粉，所以测定松散堆积密度。粉末从漏斗孔按一 定高度自由落下充满杯子。在松装状态下，以单位体积粉末的质量表示粉末的松 装密度。 试验物料的松散堆积密度测定结果如表2 6 所示。 表2 6 试验物料松散堆积密度 试验物料 粉煤灰石英砂玻璃珠 通过对三种试验物料颗粒松散堆积密度的测量，可以发现松散堆积密度的大 小顺序是玻璃珠 石英砂 粉煤灰。 1 2 硕论文 气动给粉试验研究 2 1 4 粒子形状 粉体颗粒形貌是粉体颗粒特性的基本参数之一，对粉体的许多性质均有直接 的影响，例如粉体流动性、压缩性、偏析等4 ”。对颗粒形状进行定量表征的参 数有九种 4 3 1 。在分析问题或者进行计算的时候，往往把颗粒视为球形，但实际 上却并不如此。为此，通常把不规则的的颗粒等效地用相应的球形颗粒来代替。 在众多表示颗粒形貌的特征参数中，球形度可用来表征粉体颗粒接近球的程 度。其计算公式为： 巾= r ( 24 ) 式中“旷一与颗粒体积相等的球体的表面积i d 广颢粒的表面积。 对于形状不规则的颗粒，当测定其表面积有困难时可采用实用球形度由， 中。d a ，岛 ( 25 ) 式中也。一与颗粒投影面积相等的圆的直径 如颗粒投影的最小外接圆的直径 采用图像分析仪法统计颗粒的实用球形度。常用的图像分析仪由光学显微 镜、摄像机、图像板和计算机组成。应用图像处理软件将摄像机所得到的图像进 行灰度化、二值化处理，测量每个颗粒的面积，最小外接圆等形状参数，应用公 式( 25 ) 计算粉煤灰的实用球形度，如图2 3 所示。在进行图像处理过程中，要求 原始图像的质量要好，边缘轮廓清晰，分辨率要高，颗粒与颗粒之间不能重叠， 对于不能完全分开的颗粒要进行人为分割，如可以在载有颗粒的载玻片上滴少许 酒精，使颗粒溶于酒精以达到分割目的，待酒精完全挥发后就可提取图像。 图2 3 颗粒图像处理后的二值圈及形状参数 为了保证结果的代表性，需要得到尽可能多颗粒的实用球形度数值，每种粉 1 3 2 粉料基本性质测定及理论速度计算 硕士论文 料提取1 0 0 个颗粒进行统计计算并取平均值。测定结果列于表2 7 中。通过对三 种物料的实用球形度的测量，可以发现，玻璃珠最接近于球形，石英砂实用球形 度略大于粉煤灰。 表2 7 试验物料实用球形度 2 2 临界流化速度 2 2 1 流态化现象m 流态化技术已广泛地应用于工业实际，流态化研究基于气固两相流理论，当 流体连续向上流过固体颗粒堆积的床层，颗粒就会被流化，随着操作气流速度的 变化，床内颗粒可以有各种不同的流型。 ( 1 ) 固定床阶段。在流体速度较低的情况下，固体颗粒静止不动，流体从颗 粒之间的间隙流过，床层高度维持不变。 ( 2 ) 流化床阶段。( a ) 临界流化床：当流体速度增大到一定程度时，颗粒开始 松动，床层膨胀，继续增大流体速度，直到所有颗粒被上升的气流悬浮起来，此 时颗粒所受的浮力和重力与流体和颗粒之间的摩擦力相平衡，称为临界流化床。 ( b ) 流化床：当流速继续增加，床层高度不断增加，固体颗粒运动活跃，称为流 化床。 ( 3 ) 颗粒输送阶段。进一步增加流体速度，当流体在床层中的实际流速超过 颗粒的沉降速度时，流化床上界面消失，颗粒将随流体被带出容器外，这就是输 送床。 2 2 2 临界流化速度计算方法【3 8 】 在设计的局部流化输送气动给粉系统中，临界流化速度是设计中的一个重要 基本参数，是流态化操作的最小速度。 当气体速度小于临界流化速度时，固体颗粒处于固定状态，气体速度牡与床 层压差卸的关系可用经典的厄根( e r g u n ) 公式来表示。 a h p _ 1 7 5 x 孚筹删学南( p a m ) 亿6 ， j 7 占3 矽p d p 占3 ( 矽p d p ) 2 、7 式中日床层高度，m ； s 床层空隙率； 1 4 硕士论文气动给粉试验研究 店气体密度，k g m 3 ； 矿。颗粒的球形度； d 口颗粒直径，m ； 气体的动力黏度，p a s 。 式( 2 6 ) 右第一项表示动能损失项，第二项表示粘滞损失项。 当床层处于流化态时，气体对固体颗粒曳力等于颗粒在气体中的重力( 扣 除浮力) 。忽略颗粒与气体以及颗粒与床壁之间的摩擦力，床层压降全部转化为 气体对颗粒的曳力。所以有 垒h = ( 1 一s ) ( 乃一以) g ( p 洳) ( 2 。7 ) 式中 p 口颗粒密度，k g m 3 。 在临界流化点，固定床层压降与流化床层压降是相等的。把式( 2 6 ) 与式( 2 7 ) 联立起来，就能得到求解临界流化速度的方程式，即 罢盘丝)：+150(1-c,矿)(dpu,cpg)：_d；pg(pp-pg)g ( 2 8 ) 巾p s 蔷p蚱s 备p t u 。 式中 床层处于临界流化态时的空隙率。 引入临界雷诺准则和阿基米德准则，即 rd p u 孵p g e村22 卫卫 么，= d ；p g ( p p = - p g 一) g 则式( 2 7 ) 变为 老c 半n 笋础 亿9 ， 9 p s 蔷p9 ；s 蔷 j 在总结大量实验数据的基础上发现，对于各种不同的系统式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 均近似成立。 _ 1 下= 1 4 ( 2 1 0 ) 砟靠 、 1 5 2 粉料基本性质测定及理论速度计算 硕士论文 掣23 - 1 l 咖p s 醇“ 于是式( 2 9 ) 可简化为 2 4 5r e + 1 6 5 0 r e 珂= a r 由此可以计算出理论临界流化雷诺数r e 形和理论临界流化速度“可。 2 2 3 计算结果 ( 2 1 1 j ( 2 1 2 查阅物性参数，可知2 0 c ，1 0 1 3 2 5 k p a 时，空气密度胪1 2 0 k g m 3 ，空气的 动力黏度胪1 7 9 x 1 0 石p a s ，重力加速度g = 9 8 1 m s 。2 。试验物料物性参数依据 测定结果，计算结果列于表2 8 中。 表2 8 试验物料理论临界流化速度计算结果 垡堕塑型堕茎鲞堡塑坐! 堕墨重适鏊垦鲤堕墨运丝蕉壁些翌4 望尘2 粉煤灰 7 6 110 0 4 66 8 0 x1 0 。3 石英砂 1 7 9 x 1 0 31 0 75 9 4 x l o 。3 玻璃珠1 5 6 x1 0 48 4 12 2 6 6 xl o 。3 2 3 颗粒终端速度 2 3 1 颗粒终端速度计算方法【3 8 】 颗粒终端速度是粉体流态化输送设计操作的另一个重要参数。颗粒在静止的 气体中受重力作用而沉降，当气体对颗粒的向上曳力与颗粒扣除浮力后的重力相 平衡时，颗粒做等速降落，此时的速度称为颗粒的自由沉降速度，又称颗粒终端 速度。颗粒终端速度可由力的平衡方程式( 2 1 3 ) 确定。 c d 百口p 2 互1b 坼2 = - 万g ，( 砟一岛) g o , g 。m s 2 ) ( 2 1 3 ) 式中g 厂曳力系数 于是颗粒终端速度u ，即为 2( m s )( 2 1 4 ) 曳力系数c b 依赖于终端雷诺数r e ，。根据尺白的不同，曳力系数c o 计算式 如公式( 2 1 5 ) ： 1 6 硕士论文气动给粉试验研究 层流区：c d = 面2 4 r e t 0 4 过撼= 睾2 妣f 5 。 ( 2 1 5 ) 湍流区：c d = 0 4 4 5 0 0 r e f 2 1 0 5 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 4 ) ，可得颗粒终端速度u t 的解析式，即 层流区：坼：! 塑旦巳二兰 0 4 1 -ret89 过渡区：坼= 。- 5 3 篁秽2 姐p 5 。 c 2 6 ， 湍流区：= 1 7 4 其中终端雷诺数r e ，计算方法为： 4 ，= 三r q 5 0 0 芥制套惫 啪q 渤 艏 “ 铊 柏 辞制察繇 6 4 2 o 8 们 钔 钔 们 哥制鑫如 o 1h 弱d 瑚 拗 啪q 硕士论文气动给粉试验研究 ( 9 篁 。 固 2 3 0 2 2 0 墨2 1 0 匦2 0 0 1 1 图4 4 3 各因子对固气比的影响 对粉煤灰的正交试验结果，总结如下： ( 1 ) 对系统物料输送不稳定性，由表4 1 8 的极差分析结果可知，各因素的影 响顺序为：h q h d 。 ( 2 ) 对系统给粉速率，由表4 1 8 的极差分析结果可知，各因素的影响顺序为： q d h h 。 ( 3 ) 对系统出口物料固气质量比，由表4 1 8 的极差分析结果可知，各因素的 影响顺序为：d h q h 。 ( 4 ) 由图4 4 1 、图4 4 2 和4 4 3 可知，对于因素q ：标准偏差的值越小越好， 给粉速率值越大越好，固气比的值越大越好，所以q = 6 0 0 l h 所对应的指标都是 较好的。对于因素d ：若主要考虑稳定性指标应选择d = 4 5 m m ，若主要考虑给粉 速率和固气比指标应选择d = 2 5 m m ，而两种情况下，稳定性指标相差不大，给粉 速率和固气比指标有较大差别，综合考虑应选择d = 2 5 m m 。对于因素h ：三种指 标的影响是一致的，应选择h = 3 0 m m 。对于因素h ：三种指标的影响同样是一致 的，应选择h = 1 5 m m 。 ( 5 ) 综合考虑三种指标，最佳参数组合为q 2d lh 3h 3 。即输送空气量为6 0 0 魄 局部流化直径为2 5 m m ，局部床层高度为3 0 m m ，物料终端高度距输送管入口距 离为1 5 m m 。 ( 6 ) 由表4 1 8 可以看出所进行的正交试验中，粉煤灰给粉的固气比最低超过 1 0 0 k g k g ，最高接近2 7 0k g k g ，说明设计的气动给粉装置对于粉煤灰达n t 高浓 度输送的目的，节约了能耗。 ( 7 ) 对结构参数进行无量纲化处理。以局部流化有效面积与物料输送管的面 积之比确定局部流化直径；以局部流化床层高度与局部流化直径之比确定局部流 化床层高度；以物料终端高度距输送管入口距离与物料输送管道内径之比确定物 料终端高度距输送管入口距离；将输送气体流量转化为气体流速处理，即气体流 量与有效局部流化面积的比值。由所得的最佳参数组合q 2d l h 3h 3 ，经过处理， 即局部流化区域输送气体流速为0 5 0 m s ，局部流化有效面积与物料输送管的有 4 9 4 气动给粉试验研究 硕士论文 效面积之比为4 2 9 ，局部流化床层高度与局部流化直径之比为1 2 ，物料终端高 度距输送管入口距离与物料输送管内径之比为1 5 。 表4 1 9 石英砂正交试验结果 标 准 偏 差 给 粉 速 率 固 气 比 1 ( 1 2 0 0 ) 1 l 2 ( 1 4 0 0 ) 2 2 3 ( 1 6 0 0 ) 3 3 4 1 5 4 6 2 4 7 2 1 3 8 1 5 4 1 - 5 7 0 1 9 q i 1 1 1 9 l 1 2 4 5 3 1 4 0 2 6 3 7 3 0 4 1 5 1 4 6 7 5 9 4 5 q 3 2 7 9 7 6 2 6 6 8 6 2 6 3 0 0 9 3 2 5 8 8 9 5 8 7 6 7 5 5 8 q l 1 ( 2 5 ) 2 ( 3 5 ) 3 ( 4 5 ) l 2 3 l 2 3 4 5 l 5 5 7 3 4 1 1 5 0 1 8 6 1 1 4 o 7 2 d 3 1 5 2 2 4 1 2 9 0 9 9 5 3 7 5 0 7 5 4 3 0 3 3 1 7 9 1 8 9 6 d l 3 2 9 4 6 2 7 3 1 4 2 0 7 0 2 1 0 9 8 2 9 1 0 5 6 9 o l 4 0 8 1 d i 1