（机械工程专业论文）氧化铝铁路罐车流态化卸车系统的改进设计.pdf

摘要 针对氧化铝铁路罐车暴露出卸车效果不良和维修工作量大的问 题 论文基于流态化基本理论 通过调研 对氧化铝铁路罐车流态化 卸车装置进行了改进设计 生产现场的使用表明 流态化理论在铁道 车辆领域的应用是成功的 从而为今后的更广泛更深入的应用提供参 考依据 论文分析得出了 造成氧化铝铁路罐车暴露出卸车效果不良和 维修工作量大问题的原因在于复杂的气体分布器结构及其与罐体底 部所形成的空问 氧化铝粉会破坏气体分布器并通过缝隙进入夹层空 间并永久地滞留在这里 使得无法形成氧化铝粉良好的流态化 同时 滑坡板和透气棒的设计不符合流态化的原理 并增加了车辆的自重 减少了罐体的有效容积 论文论述了流态化卸车装置的改进原理和设计方法 并以密相输 送速度的计算对设计进行了验证 本改进设计应用于中州分公司 2 0 0 3 年到2 0 0 4 年购买的2 0 0 辆新车 目前效果良好 同时 对三辆 已有的车的透气棒进行了改造 改造后卸车良好 流态化基本理论是卸车装置设计的理论依据 罐体内氧化铝粉的 流态化过程可分为三个相互关联的阶段来描述 即罐体内的流态化 出料管内的流态化和输送管中的气力输送 罐体内的流态化是出料管 内流态化的基础 它们共同维持了氧化铝罐车密相输送的存在 高效 率的密相输送又促进了罐体和出料管内形成良好的流态化 流态化卸 车装置中的气体分布器结构设计可以大量简化 原设计中的吹粉器 滑坡板和透气棒可以取消 以便彻底消除卸车效果不良和维修工作量 大的根源 关键词 氧化铝铁路罐车 流态化 卸车装置 改进设计 a b s t r a c t l o wu n l o a d i n ge f f e c ta n dl a r g eh e a v ym a i n t e n a n c e w o r k l o a da r et w od i s a d v a n t a g e st oa l u m i n ap o w d e rt a n kt r u c kf o r r a i l w a y t h r o u g hi n v e s t i g a t i n ge x i s t i n gt a n kt r u c k s t h e d e s i g nf o rf l u i d i z a t i o nu n l o a d i n gu n i to fa l u m i n ap o w d e rt a n k t r u c kf o rr a i l w a yi si m p r o v e d a n di t su s e o nt h ej o bs i t ep r o v e s t h a ta p p li c a t i o no ff l u i d i z a t i o np r i n c i p l et or a i l w a yt r u c k i ss u c c e s s f u la n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rw i d ea n dd e e p a p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h ep a p e rf i n d so u tt h a tc o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo fa i r s p a r g e ra n ds p a c eb e t w e e na i rs p a r g e ra n db o t t o mo ft a n kl e a d t oa b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s l u m i n ap o w d e rd a m a g e sa i r s p a r g e r t h e ng o e si n t oi n t e r l i n i n gs p a c ea n dp e r m a n e n t l y r e t a i n st h e r e w h i c hr e s u l t si nb a df l u i d i z a t i o nf o ra l u m i n a p o w d e r a n dd e s i g no fs l i d i n gp l a t ea n db r e a t h i n gr o dd o e s a t a c c o r dw i t h f l u i d i z a t i o n p r i n c i p l e i n c r e a s i n g t r u c k d e a d w e i g h ta n dr e d u c i n ge f f e c t i v ev o l u m eo ft a n k i m p r o v i n gt h e o r ya n dd e s i g n i n gm e t h o df o rf l u i d i z a ti o n u n l o a d i n gu n i tv e r i f i e db yc a l c u l a t i o no fd e n s ep h a s ec o n v e y s p e e da r ed e s c r i b e d 2 0 0n e wt a n kt r u c k sp u r c h a s e db yz h o n g z h o u b r a n c hf r o m2 0 0 3t o2 0 0 4a r em o d i f i e da c c o r d i n gt oi m p r o v e d d e s i g na n dt h e ya r ew o r k i n gv e r yw e l l b r e a t h i n gr o d so ft h r e e o l dt a n kt r u c k sa r ec h a n g e da n dg e tag o o du n l o a d i n ge f f e c t t h ep a p e ri n d i c a t e st h a td e s i g nt h e o r yo fu n l o a d i n gu n i t i sb a s e do nf l u i d i z a t i o np r i n c i p l e f l u i d i z a t i o np r o c e s so f a l u m i n ap o w d e ri nt a n ki n c l u d e st h r e er e l a t e ds t a g e s t h ef i r s t s t a g ei sf l u i d i z a t i o ni nt a n k t h es e c o n ds t a g ei sf l u i d i z a t i o n i no u t l e tp i p ea n dt h et h i r do n ei sa i rc o n v e yi nf e e d i n gp i p e t h ef l u i d i z a t i o ni nt a n ki st h eb a s eo ff l u i d i z a t i o ni no u t l e t p i p e b o t ho ft h e mp r o v i d ep o s s i b i l i t yw i t hh i g h l ye f f e c t i v e d e n s ec o n v e yo ft a n kt r u c k w h i c he n h a n c e sf o r mo fb e t t e r f l u i d i z a t i o n s t r u c t u r eo fa i r s p a r g e r c a nb e l a r g e l y s i m p l i f i e d a n dp o w d e rb l o w e r s l i d i n gp l a t ea n db r e a t h i n gr o d c a l lb ec a n c e l l e dt oc o m p l e t e l yr e s o l v ep r o b l e m so fb a d u n l o a d i n ge f f e c ta n dl a r g em a i n t e n a n c ew o r k l o a d k e y w o r d s a l u m i n ap o w d e rt a n kt r u c kf o r r a il w a y f l u i d i z a t i o n u n l o a d i n gu n i t i m p r o v e m e n t 符号表 d 管道直径 n 床层直径 m d p 颗粒平均直径 i b 岱 颗粒循环速率 g t 一最小颗粒循环速率 g 重力加速度 9 8 m s 2 空气重度 k g m s u 流体流速 m s l k 临界流态化速度 m s 载流速度 m s u t 自由沉降速度 m s u t p 一最小快速流态化速度 t i 管道内空气流速 m s p 床层压降 k g d q 空气流量 m 3 m i n 吼 空气的质量流率 k g 越i n p 流体密度 k g 一 见 固体密度 k g m 床层空隙率 ol 静止床层空隙率 e 稀相空隙率 占 浓相空隙率 f 局部压力损失系数 主管压力损失系数 s 形状系数 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明 作者签名 菹室堂 e t 期 2 鲤5 年2 月 e l 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位 论文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论 文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 作者签名 煎塞堂导师签名 二一日期 年 月一日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 氧化铝工业是我国重要的原材料产业 氧化铝铁路罐车是氧化铝的主要运 输工具 在运用中 氧化铝铁路罐车暴露出卸车效果不良和流态化卸车装置维 修工作量大两个主要问题 深入研究氧化铝铁路罐车流态化卸车装置对于进一 步改进流态化卸车装置的结构设计 从而改善氧化铝铁路罐车的卸车效果和减 少流态化卸车装置的维修工作量有着重要的现实意义 1 1 氧化铝工业概况 t 1 氧化铝工业概况 氧化铝是重要的工业原料 其主要用途是生产铝 其次氧化铝在其它工业 领域也得到了广泛应用 世界氧化铝工业有着百余年的历史 法国是氧化铝工业的诞生地 1 8 6 0 年 法国人发昵了烧结法生产氧化铝 1 8 9 2 年奥地利人发明了拜耳法生产氧化铝 一百多年来 随着全球工业对金属需求的增长 氧化铝工业得到迅速的发展 1 9 0 4 年世界氧化铝产量仅为l o o o 吨 2 0 0 3 年和2 0 0 哇年 全球氧化铝总产量分 别达到5 2 5 9 万吨和5 4 8 7 万吨 氧化铝工业是我国原材料的支柱产业 随着我国国民经济的迅猛发展 对 铝的需求越来越大 原铝产量已经仅次于钢铁而居各种有色金属的首位 这就 需要大力发展氧化铝工业 1 9 5 4 年 我国第一个氧化铝厂在山东建成投产 产 量不足l o 万吨 随后 我国又在河南 贵州 山西 广西等地陆续建成一批氧 化铝工厂 2 0 0 0 年 中国氧化铝总产量达到4 1 0 万吨 2 0 0 3 年 中国氧化铝产 量继续增长 总产量达到6 0 9 4 万吨 同比增长1 1 2 嘲 随着我国氧化铝厂的 扩建和新建 预计到2 0 1 0 年 我国氧化铝年产量将达到1 0 0 0 万吨 1 2 氧化铝运输 t 2 氧化铝运输 我国铝工业的布局是 氧化铝以中部地区为基地 电解铝以西北 西南为 基地 我国氧化铝企业在发展过程中重点以氧化铝为主导产品 这些企业只建 有极少量的电解铝产能 这样 所生产的大量氧化铝要销往各地的电解铝企业 销售量约占目前总产量的9 0 这就存在一个运输问题 硕士学位论文第一章绪论 由于各个电解铝厂卸车方式 仓储方式的不同 他们对氧化铝的运输也有 不同的要求 从运输方式上分 氧化铝运输分铁路运输和公路运输 从包装方 式上分 氧化铝运输分散装运输和袋装运输 2 0 0 3 年氧化铝铁路运输约占4 0 0 万吨 氧化铝铁路运输分散装和袋装两种 散装运输是通过专用氧化铝铁路罐车 运输 袋装运输是氧化铝经过包装后通过铁路敞车运输 2 0 0 3 年 散装氧化铝 铁路运输约占全部氧化铝铁路运输的5 0 散装运输的特点是运输成本低 没有 包装费用 装卸方便快捷 没有环境污染 装卸和运输不受天气影响 装卸和 运输过程中不存在氧化铝被污染等 所以散装运输受到了电解铝企业的普遍欢 迎 袋装运输的特点是运输成本高 仓储设施面积大 运输和装卸过程中受天 气影响 氧化铝易被污染 存在环境污染 存在二次运输等 随着我国铝工业 调控政策的逐步落实 规模小的电解铝企业将被关停或重组 规模大的电解铝 企业继续壮大 氧化铝散装铁路运输量将会逐年上升 所以 研究开发氧化铝 铁路罐车对于保证铝工业的快速发展有着重要的现实意义 1 3 氧化铝铁路罐车 1 3 1 氧化铝铁路罐车的技术要求 氧化铝铁路罐车的一般技术要求如下嘲 载重 6 0 t 自重 g s g m 对应予一定的颗粒循环速率氏操作气速必须满足 u f 其中 是由湍动流态化向快速流态化转变的速度 可由饱和夹带点确定 是快速流 态化向密相气力输送的转变速度 由床层轴向密度分布趋予均匀时的气速确定 随颗粒循环速率的变化而改变 如果颗粒的补入速率6 s 太小 达不到该气速下的饱和夹带率g 即g g g 则床内悬浮物密度增大 成为密相气力输送 对应于一定的气固两相流系统 要维持快速流态化状态 必须具有一定的 颗粒循环速率 并且当此速率超过最小速率后 快速流态化操作气速范围会增 大 2 5 3 快速流态化流动结构和模型 陈甘堂认为 快速流态化的一种显著特征是在转相过程中形成大量的颗 粒团聚物 这些大小不同的颗粒团聚物都在不断地形成 破碎或变形 始终处 于动态变化中 由于这些颗粒团聚物比单颗粒大 所以要被带出 其气速比单 颗粒的带出气速高得多 由于快速流态化是一个上稀下浓的复合操作床型 因而可以把它设想成如 图2 5 的形式 其中图扣 5 8 表示床层纵向空隙率分布曲线 z i 点为稀 浓两相分界点 可以看成快速流态化的床层高度 图争 5 b 即为流动的物理 模型 在床高z 处 浓相密集体从下部浓度较高的区域按类似扩散的规律上窜 当浓相密集体达z 之上时 其密度大于周围床层平均密度而反向下沉 稳定状 态下 这两股密集体作向上或向下运动的通量相等 关于快速流态化压降和速度的计算 研究者也给出了一些经验公式 但有 局限性 硕士学位论文 y q 上i 婺 肇暄 k 一 占乞 上土 辇 o z 莉 1 7 第二章氧化铝铁路罐车卸车的理论基础 烈醛斟寨譬嚓馕晕谁曝对举竹 fii 船q 徽船暴篷 辎堆球懈罂甏蜉卜 r髓 辎撼瓣御罂裁 军昔一年芒 璐 稼 一 j 0 k 口q 母o 一r i t j m 4 避 长 一 h 9 一 e 一 硕士学位论文第二章氧化铝铁路罐车卸车的理论基础 2 6 气力输送 2 8 氧化铝粉气力输送 通常 粉体物料的气力输送可分为稀相输送和密相输送 近代气力输送的 理论研究 把气一固两相流过程看成两相流态化的过程操作来进行研究和试验 我国学者郭慕孙等曾对颗粒和颗粒群的运动做过详细的的分析 秦霁光 李洪 对颗粒在垂直管和水平管的流动进行了较深入的研究 国外学者z e n z 李伐等 也做过大量的研究嘲 近2 0 多年对粉煤灰和f c c 催化剂密相输送的研究也取得 了新的成就 王尊孝m 1 认为在气力输送时气速有一个经济速度 当气速高于经 济速度时 输送管内的物料呈悬浮状态 这类输送称为稀相输送 当气速低于 或等于经济速度时 垂直管中的物料变得不稳定 水平管中的物料不再是飞翔 输送而是沉落管底 形成密相输送 研究和实践证明嘲 稀相输送属于悬浮输送 粉粒体在管内分布比较均匀 通常采用气速1 2 4 0 m s 输送固气比一般在l 5 之问 对粒料最大可取1 5 粉体气力输送中的功率消耗与输送速度的平方成正隧 管道的磨损与输送速度 的2 3 次方成正比 因此降低输送速度 提高固气比 进行高浓度密相输送有 很大优越性 通常 密相输送气速在8 一1 5m s 输送固气比达到5 0 以上 在 密相输送中 对流态性较好的物料 可预先流态化 然后进行流态化输送 这 样可以进行长距离输送 这时的固气比可达2 0 0 以上 物料的输送量可达1 0 0 吨 b 时 输送垂直距离可达5 0 米以上 水平距离2 0 0 米以上 氧化铝罐车的卸料方式为上卸式 即通过压缩空气把氧化铝罐车内的氧化 铝粉卸到几十米甚至数百米外的氧化铝仓中 所以流态化输送是氧化铝罐车要 实现的最终目的 氧化铝罐车流态化设计效果与氧化铝粉气力输送设计效果是相互关联的 氧化铝粉有良好的流动性 氧化铝罐车流态化效果好 可以实现氧化铝粉的密 相输送 氧化铝气力输送装置设计得好 可以减少输送时的压力损失 也能有 利于氧化铝罐车形成良好的流态化 并能减少动力消耗 2 7 本章结论一 流态化基本理论是氧化铝铁路罐车卸车装置设计的理论基础 流态化理论 是一门新兴学科 流态化技术亦被广泛应用于各工业领域 虽然流态化理论和 技术还在日益发展 但把流态化基本理论科学地应用于铁道车辆领域是解决氧 化铝铁路罐车存在两个主要问题的基础 硕士学位论文第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 氧化铝罐车存在着卸车效果不良和流态化卸车装置维修工作量大两个主要 问题 这两个问题都与流态化卸车装置的结构有关 气体分布装置是流态化卸 车装置的关键部件 通过对氧化铝罐车装车 卸车及流态化卸车装置检修情况 的调查 应用流态化基本理论对两种气体分布装置的结构设计进行分柝 是探 索氧化铝罐车存在两个主要闯题的关键 3 1 氧化铝铁路罐车的结构 3 1 氧化铝铁路罐车的结构 氧化铝铁路罐车由五个部分组成 走行部 制动装置 车钩缓冲装置 车 体 流态化卸车装置 其中走行部 制动装置 车钩缓冲装置的结构与通用型 铁道车辆如敞车的结构相同 并随我国铁道车辆工业的科技进步而改进 车体 部分由罐体和底架两部分构成 底架有两种结构型式 分为有中粱底架和无中 梁底架 实践证明t 有中梁氧化铝罐车和无中梁氧化铝罐车都能较好地满足氧 化铝运输的需要 流态化卸车装置一般由以下几个部分构成 气体预分布嚣 气体分布器 出料装置和附件组成 流态化卸车装置是氧化铝罐车的重要构件 它直接影嗨 着卸车的效果和维修工作量 同时不同的流态化卸车装置的结构也影响着氧化 铝罐车的制造成本 氧化铝罐车的结构如图3 1 3 心 3 3 3 一 所示 3 2 氧化铝铁路罐车运用情 兄 3 2 氧化铝铁路罐车的装料 近3 0 年来 氧化铝铁路罐车对我国氧化铝的运输起着重要的作用 广大科 研人员 工程技术人员进行了积极的研究和探索 使得氧化铝铁路罐车的设计 和改进日臻完善 但是随着新情况的出现 氧化铝铁路罐车也暴露出一些新的 问题 这些问题集中表现在卸车效果和维修工作量上 反映了流态化卸车装置 的设计在理论应用上还需要不断探索 氧化铝铁路罐车的装料采用上装式 罐体顶部布置有四个装料口 产品氧 化铝经管道输送至氧化铝仓中 氧化铝仓建在铁路线的上方 仓的下方布置着 硕士学位论文第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 图3 一l 氧化铝罐车怎田 图3 2 气体预分布器蛄袖 硕士学位论文第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 图 一 气体分布器结榭 图3 4 出料装置结构 硕士学位论文 第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 四个下料管 相邻两管中心距为2 7 5 0 m 装料时 打开下料管上的阀门 仓中 的氧化铝靠重力流进氧化铝罐车 砂状氧化铝在电解时有着更好的特性 所以砂状氧化铝的生产技术日益被 采用 砂状氧化铝相比粉状氧化铝有着较小的容积密度 现有氧化铝罐车的有 效容积在6 2 m s 6 4 m 3 装运砂状氧化铝时 标重6 0 吨的氧化铝罐车存在欠吨现 象 这对运输来说是不经济的 为了装足6 0 吨 装车时不得不采用压力空气 消除车内氧化铝的自然堆积 尽可能地利用车内容积 但这给装车带来多余的 工作量 同时也造成氧化铝飞尘 所以 设计罐体的容积时应尽可能大些 3 2 2 氧化铝铁路罐车的卸料 氧化铝铁路罐车的卸车设施包括 站台 空气压缩机 压缩空气管道 输 料管道 氧化铝储仓 专用工具等 卸料时 把氧化铝铁路罐车对到卸车位 检查进料孔盖的关闭情况 如有 松动 要拧紧锁闭机构 然后接上外接风源和排料软管 经检查各接合部完好 后 便可打开风源迸气阀 随着罐内压力的上升 氧化铝粉流态化后迅速通过 排科管道输送到储仓中 当压力表上压力开始下降时 表示罐内氧化铝粉基本 卸完 但此时罐车内的空气中含有大量粉尘 当表压力下降到接近零时 罐内 氧化铝粉已卸净 关闭风源 然后卸下进风软管和出料软管 卸车作业完毕 表明卸车效果的物理量有两个 即卸车时间和残存量 卸车时问越短 残 存量越少 证明卸车效果越好 已开发的氧化铝罐车技术参数中规定 卸料 速度为0 6 0 7 t m i n 剩灰率0 4 按载重6 0 吨计算 卸料时间最快8 5 分钟 残存量允许为2 4 0 公斤 新造车的装卸性能试验表明 一种氧化铝罐车卸车时间 1 0 0 1 1 0 分钟 残存量3 0 0 公斤以下泅 另一种氧化铝罐车卸料时甸为7 0 8 7 分 钟 残存量1 0 0 公斤以下伽 1 0 多年来 通过对包头铝厂 青铜峡铝厂 青海铝厂氧化铝罐车卸车情况 的跟踪观察表明 新造罐车的卸车效果能够达到设计指标 运用二个段修期后 卸车时间一般在1 5 2 个小时 残存量3 0 0 公斤到3 吨不等 当残存量较多时 需要工人进到罐内人工卸净剩余的氧化铝粉 表3 1 为青海铝厂一次卸车情况调查 3 2 3 流态化卸车装置的检修情况 流态化卸车装置的检修通常是不定期检修 即当出现卸车不良时开展检修 流态化卸车装置的检修是一项异常艰苦的工作 通常的检修过程是拆除气体预 分布装置和气体分布装置 清除结构内部的积灰 更换相关的部件 最后进行 硕士学位论文第三章氧化铝铁路罐车流态化卸车装置的运用分析 表3 l 青海铝厂卸车情况时问 2 0 0 1 年8 月3 日 1 3 日 车号卸车时间 m i n 残存量 k g 0 5 1 0 8 4 36 01 0 0 0 0 5 1 0 8 0 66 6l o o o 0 5 1 0 8 1 58 01 2 0 0 0 5 1 0 8 1 18 0 1 5 0 0 0 5 1 0 8 0 2 6 0 8 0 俘 0 5 1 0 8 0 38 01 5 0 0 0 5 1 0 8 9 03 5 2 0 0 0 5 1 0 8 8 74 0 2 0 0 0 5 1 0 8 9 93 5 2 0 0 0 5 1 0 8 9 83 5 2 0 0 0 5 1 0 8 9 1 4 0 2 0 0 0 5 1 0 8 9 2 4 0 2 0 0 0 5 1 0 8 8 94 0 2 0 0 0 5 1 0 8 2 07 08 0 0 0 5 1 0 8 3 17 01 0 0 0 0 5 1 0 8 0 9 7 08 0 0 0 5 1 0 8 1 27 0踟i o 0 5 1 0 8 4 58 0 1 1 0 0 0 5 1 0 8 3 06 0 6 0 0 0 5 1 0 8 2 17 07 0 0 0 5 1 0 8 4 6 9 01 5 0 0 0 5 1 0 8 2 88 0 1 1 0 0 0 5 1 0 8 8 3倚9 0 0 0 5 1 0 8 4 88o 1 0 0 0 0 5 1 0 8 4 1 8 0 1 3 0 0 0 5 1 0 8 3 36 07 0 0 0 5 1 0 8 9 43 5 2 0 0 0 5 1 0 8 7 84 0 4 53 0 3 53 0 4 0 比表面积 d g 3 5 3 5 容积密度 g c 酽 o 9 5 o 9 0 o 9 0 q a l 2 0 3 8 72 7 4 44 0 5 0 表4 1 表蹰 氧化铝颗粒具有较小的粒径和粒径分布 密度较小 4 4 壮摩 以下颗粒含量占1 0 5 0 氧化铝颗粒具有良好的流化性能 4 2 流态化卸车过程的描述 4 2 1 罐体内的流态化描述 氧化铝罐车在实际运用中出现了卸料速度慢 残余量大以及床层下部积料 等问题 这些闯题反映了气体预分布器和气体分布器等床层结构在设计上存在 着一些缺陷 更加准确地理解氧化铝罐车的流态化卸车过程有助于改进在结构 设计上的缺陷 氧化铝罐车的用途是实现氧化铝的散装运输和快速 干净地卸料 氧化铝 罐车的卸车过程是一个复杂的流态化过程 它的卸车效果除与卸车装置的设计 密切相关外 还与仓储设施 输送管道的设计以及卸车的操作过程有关 各电 解铝厂仓储设施 输送管道的设计不尽相同 从理论上讲 在物科输送速度不 变的情况下 不同的仓储设施和输送管道对应着不同的气速和固气比 或者换 句话说 在气速和固气比不变的情况下 不同的仓储设施和输送管道对应着不 同的物料输送速度 这就不难理解为什么同样的车在同样的操作条件下在不回 硕士学位论文第四章氧化铝罐车流态化卸车过程分析 的电解铝厂会有不尽相同的卸车效果 与操作有关的因素主要是卸车时的供气 压力 氧化铝罐车流态化卸车过程的复杂性就在于要在装满氧化铝的罐体内达到 较为理想的流态化过程并实现密相输送 罐体的直径一般为2 8 0 0 h m 或3 0 0 0 衄 罐体长度钿左右 总容积约6 4 一 通常装载6 0 吨氧化铝粉占6 l 至6 3 一的体 积 罐体剩余的空余体积不超过3 越i 所以罐体内氧化铝粉的流态化过程是一 个渐进式的过程 这个过程可分为三个相互关联的状态来描述 观察实际罐体内的氧化铝粉流态化过程是一件异常困难的事情 现以图2 吨 来描述罐体的流态化过程 如第二章所述 实际流态化的特点是 流速在接近临界流态化速度时 在 压降还未达到单位面积的浮重之前 床层即有所膨胀 若原固定床充填较紧密 此效应更明显 此外 由于颗粒分布的不均匀性以及床层充填时的随机性造成 床层内部局部透气性不一致 使固定床和流化床之间的流化曲线不是突变 丽 是一个逐渐过渡过程 在此过程中 一部分颗粒先被流化 其它颗粒的重量仍 部分由分布板承受 最后 随着流速的增加 床层颗粒重量才逐渐过渡到全部 由流体支撑 罐体的设计容积约为6 4m l 装载6 0 吨氧化铝后的空余体积约有i 3 矿 罐体内通入气体后 在初始阶段 罐内氧化铝粉只能是达到适度膨胀 所以从 总体上来讲 这时的床层结构是固定床到膨胀床的模糊阶段 但是从局部来讲 接近气体分布板的氧化铝粉能够实现局部流态化 随着氧化铝粉从出料管中的 带出和输送 罐体内氧化铝粉膨胀加刷 空隙率逐步增大 局部流态化的范围 在扩大 当氧化铝粉带出和输送的足够多日寸 罐体内氧化铝粉能实现临界流态 化 这时罐体内氧化铝粉的重量由气体 床层支撵过渡到完全由气体支撑 4 2 2 出料管内流态化描述 如第二章所述 快速流态化就是当气体通过流化床密相表面时 床中颗粒 会被气体夹带至稀相空问 随着气体速度增大 夹带愈益显著 床层界面已很 难分辨 当速度透一步加大到某一值时 颗粒被气体从床中大量带出 夹带量 可达饱和容量 此时为维持正常操作必须向床内补充颗粒 且要求补入颗粒量 相当 此时在高气速下形成一种不同于传统密相流化床的无气泡存在的密相状 态 即快速流态化 快速流态化具有以下特点 用于快速流态化操作的固体 颗粒一般粒度较细 特殊情况除外 平均粒径在1 0 0 um 以下 即图2 一l 中所 述的a 类颗粒 操作气速较高 可达到颗粒自由沉降速度的5 1 5 倍 操作 气速很高 固体的夹带量很大 然而由于颗粒的再循环量也很大 因而床层仍 硕士学位论文第四章氧化铝罐车流态化卸车过程分析 可保持较高的床密度 快速流态化床中不存在鼓泡床中的定形气泡 因为沿 整个横截面床密度分布均匀 气相返混小或不返混 并且气固接触良好 快速 流态化存在的条件是 操作气速及颗粒循环速率应大于最小快速流态化条件 即 u f u g s g 如果颗粒的补入速率g s 太小 达不到该气速下的饱和夹 带率g 即g s g 则床内悬浮物密度增大 成为密相气力输送 罐车的罐体内对称布置着两根出料管 两根出料管垂直地面布置 出料管 上端伸出罐体外部 出料管为两段结构 中间以法兰联结 出料管下端为喇叭 口结构 下口距床层约6 0 r a m 的距离 出料管是一个典型的流态化床 它具有流态化床的全部特征 出料管与嘲 叭口下方的气体分布板构成了床体结构 在装车阶段 氧化铝粉在重力作甩下 通过喇叭口自然堆积在出料管下部 罐体内通入气体时 在出料管下部的氧化铝粉能迅速流态化 并随气速的 增加迅速实现快速流态化 实现快速流态化的氧化铝粉伴有大量的颗粒夹带被 迅速带出出料管并进入密相输送状态 在这一过程中 出科管下部的氧化铝粉 迅速减少 但同时出料管外部的氧化铝粉又按一定的流率通过喇叭口下方的间 隙流入到出料管下部 从而维持出料管中快速流态化的继续 这一过程类似予 循环流化床并直至罐体内的氧化铝粉被全部输送完 4 2 3 输送管中的气力输送 通常 粉体物料的气力输送可分为稀相输送和密相输送 在气力输送时气 速有一个经济速度 当气速高于经济速度时 输送管内的物料呈悬浮状态 这 类输送称为稀相输送 当气速低于或等于经济速度时 垂直管中的物料变得不 稳定 水平管中的物料不再是飞翔输送而是沉落管底 形成密相输送 稀相输 送属于悬浮输送 粉粒体在管内分布比较均匀 通常采用气速1 2 4 0 m s 输送 固气比一般在1 5 之间 对粒料最大可取1 5 粉体气力输送中的功率消耗与输 送速度的平方成正比 管道的磨损与输送速度的2 3 次方成正比 因此降低输 送速度 提高固气比 进行高浓度密相输送有很大优越性 通常 密相输送气 速在8 1 5m s 输送固气比达到5 0 以上 在密相输送中 对流态性较好的物 料 可预先流态化 然后进行流态化输送 这样可以进行长距离输送 这时的 固气比可达2 0 0 以上 物料的输送量可达1 0 0 吨 小时 输送垂直距离可达5 0 米以上 水平距离2 0 0 米以上 氧化铝粉在输送管中的流动是气力输送阶段 一般要达到密相输送 氧化 铝气力输送装置设计得好 可以减少输送时的压力损失 也能有利予氧化铝罐 硕士学位论文 第四章氧化铝罐车流态化卸车过程分析 车形成良好的流态化 并能减少动力消耗 气力输送不属本文讨论的重点 这 里不作过多描述 在图2 2 中 是以载流点速度来划分快速流态化和气力输送 实际上这个 划分对氧化铝罐车卸车过程没有太多的实际意义 对快速流态化这一称谓也有 循环流化床 输送床等不同的名字哪 郭慕孙将不同的流化操作状态统称为广 义流太化 这三个不同的过程是相互关联的 罐体内的流态化是出科管内流态化的基 础 它们共同维持了氧化铝罐车密相输送的存在 周建刚等酬的研究以及刘光 临嘲的研究都证实罐体内粉体的流化质量对实现高浓度输送起着至关重要的作 用 4 3 本章结论 通过研究 论文认为氧化铝罐车的卸车机理是 1 罐体内通入气体后 在 初始阶段 罐内氧化铝粉只能是达到适度膨胀 从总体上来讲 这时的床层结 构是固定床到膨胀床的模糊阶段 但是从局部来讲 接近气体分布板的氧化铝 粉能够实现局部流态化 随着氧化铝粉从出料管中的带出和输送 罐体内氧化 铝粉膨胀加剧 空隙率逐步增大 局部流态化的范围在扩大 当氧化铝粉带出 和输送的足够多时 罐体内氧化铝粉能实现临界流态化 这时罐体内氧化铝粉 的重量由气体 床层支撑过渡到完全由气体支撑 2 出料管是一个典型的流态 化床 罐体内通入气体时 在出料管下部的氧化铝粉能迅速流态化 并随气速 的增加迅速实现快速流态化 实现快速流态化的氧化铝粉伴有大量的颗粒夹带 被迅速带出出料管并进入密相输送状态 在这一过程中 出科管下部的氧化铝 粉迅速减少 但同时出料管外部的氧化铝粉又按一定的流率通过喇叭口下方的 间隙流入刭出料管下部 从而维持出料管中快速流态化的继续 3 氧化铝粉在 输送管中的流动是气力输送阶段 氧化铝气力输送装置设计得好 可以减少输 送时的压力损失 也能有利于氧化铝罐车形成良好的流态化 并能减少动力消 耗 4 上述三个不同的过程是相互关联的 罐体内的流态化是出料管内流态化 的基础 它们共同维持了氧化铝罐车密相输送的存在 同时 论文还认为 氧化铝罐车的卸车过程是一个复杂的流态化过程 它 的卸车效果除与氧化铝罐车卸车装置的设计密切相关外 还与仓储设施 输送 管道的设计以及卸车的操作过程有关 硕士学位论文第五章流态化卸车装置的改进设计 第五章流态化卸车装置的改进设计 5 流态化卸车装置的设计要求 5 t 1 影响氧化铝罐车卸车效果的主要因素 氧化铝罐车卸车装置在运用中反映出的主要问题是卸车速度慢 残存量大 以及维修工作量大 产生这些问题的因素有 1 结构设计方面 氧化铝罐车卸车装置的结构设计是产生问题的主要因素 卸车装置的结构设计过于复杂 如床层下部空间 罐体内的夹层 透气棒 吹 粉器等 这些结构的存在是导致漏料 积料的主要原因 床层下部空闻积料或 吹粉器积料直接导致卸料困难 从而造成检修工作量增加 2 气力输送装置 各电解铝厂家气力输送装置备不相同 它们在输送距离 输送高度 管道布置和结构等方面千差万别 这就导致气力输送时管道内空气 的压力损失各不相同 从而造成管道内固气混合比和输送速度存在差异 3 操作压力 操作时的空气压力影响流态化效果 也影响管道内的物料流 速 过高或过低的空气压力都不是最好的选择 对于氧化铝罐车来说 这个操 作压力是一个范围 可结合各厂的气源及气力输送装置的结构具体确定操作压 力值 摹 t 2 流态化卸车装置的设计原则 通常 流态化卸车装置的设计应贯彻以下原则 1 卸料速度快 现在 仍然无法科学地定义快和慢 但是结合流态化在各 行业的实践来看 每分钟2 吨以上的卸料速度是能够实现的 2 残存量小 合理设计气体分布器 预分布器和床层结构 以使其达到良 好的流化质量 避免流化质量不良而出现积料现象 由于罐体容积在6 0 立方米 以上 而出料管下口必须接近罐体底部 所以 理论上残存量不可能为零 但 以残存量越小越好 3 维修工作量低 由于在罐体内作业条件差 环境恶劣 所以保持卸车装 置较长的使用周期 最大限度地减少维修工作量是十分必要的 s 1 3 流态化卸车装置的主要技术参数 1 罐体气体工作压力 o 4 m p a 2 卸料速度 2 t m i n 3 残存量 l o o k g 硕士学位论文第五章流态化卸车装置的改进设计 4 输送距离 5 2 出料管改进设计 垂直 3 0 m 水平 2 0 0 m 如第四章所述 出料管实际上是一个传统意义上的流化床 它具有流态化 床的全部特征 出料管与喇叭口下方的气体分布板构成了床体结构 在装车阶 段 氧化铝粉在重力作用下通过喇叭口自然堆积在出料管下部 罐体内通入气 体时 在出料管下部的氧化铝粉能迅速流态化 劳随气速的增加迅速实现快速 流态化 实现快速流态化的氧化铝粉伴有大量的颗粒夹带被迅速带出出科管并 进入密相输送状态 在这一过程中 出料管下部的氧化铝粉迅速减少 但同时 出科管外部的氧化铝粉又按一定的流率通过喇叭口下方的间隙流入到出料管下 部 从而维持出料管中快速流态化的继续 这一过程类似于循环流化床并直至 罐体内的氧化铝粉被全部输送完 它的流化质量直接影响气力输送的效果 出 料管的结构 形状 管径以及出料管下端距罐体底部的距离影响着流化质量的 好坏 5 2 1 出科管高度与直径 1 出料管选取圆形钢管 它的高度取决于罐体的直径d 一般取高度 d 2 0 0 3 0 0 m m 2 为了不妨碍氧化铝粉的流动 管内须尽可能平滑 管和管的接缝不应有 间隙 法兰连结时 衬垫也不能从接缝中突出 所以 选取的出料管直径应等 于气力输送管道的直径 通常电解铝厂气力输送管道内径为1 4 5 岫 则 出料管外径 气力输送管道外径 i 5 9 m m 出料管内径 气力输送管道内径 1 4 5 m m 5 2 2 出料管进口设计 1 出料管进口形状 氧化铝罐车的卸料采取上卸式 罐体内部安装两根出料管 两根出料管均 匀对称布置 出料管进口接近罐体底部 设计流化床时 由于气流在管口进口处的流动情况发生突变 会产生局部 的压力损失 设计时 这个压力损失要减为最小 喇叭口与直口相比 喇叭口 的阻力系数比直口的阻力系数小得多 一般直口的阻力系数为0 8 5 0 9 0 当喇 叭口的夹角为4 5 4 9 0 1 3 5 时 它的阻力系数分别为o 0 4 0 1 2 o 3 0 咖 硕士学位论文第五章流态化卸车装置的改进设计 5 1 所以氧化铝罐车出料管的进口形状选取夹角为4 5 的喇叭口 其形状如图 图5 l 2 出料管进口距罐底距离的设计 出料管进口与罐低的距离起着给出料管加料的作甩 所以这个距离的设计 对出料管内氧化铝的流化质量以及气力输送的情况有较大影响 出料管进口距罐底距离的设计原则是 面积相等原则 即喇叭口下端园的 面积 喇叭口下端园与罐底所围园柱的外表面积 在图5 一l 中 下端园外径2 5 2 哪 上端园外径1 5 9 啪 壁厚71 b m 设进 口与罐底的距离为o 则有 君f 竺学1 2 石 2 5 2 1 4 j b 5 9 5 呲 制作安装时不得小于此距离 1 幺3 出料管结构设计 为了制造与检修的方便 出料管做成上下两节 两节之间以法兰连结 出料 管上部与罐体焊接 下部以支架与罐体固定 出料管的结构设计如图5 2 5 3 气体分布器改进设计 如第四章所述 实际流态化的特点是 流速在接近临界流态化速度时 在 压降还未达到单位面积的浮重之前 床层即有所膨胀 若原固定床充填较紧密 此效应更明显 此外 由于颗粒分布的不均匀性以及床层充填时的随机性造成 床层内部局部透气性不一致 使固定床和流化床之间的流化曲线不是突变 而 是一个逐渐过渡过程 在此过程中 一部分颗粒先被流化 其它颗粒的重量仍 部分由分布板承受 最后 随着流速的增加 床层颗粒重量才逐渐过渡到全部 由流体支撑 硕士学位论文第五章流态化卸车装置的改进设计 铲爨 始 p 蓉h l n t o毒口 h 自一 毒o 掌i i 4 h 碎击基 ci 一 一 兽 娶蓉彗掣出m 硕士学位论文 第五章流态化卸车装置的改进设计 罐体的设计容积约为6 4m 3 装载6 0 吨氧化铝后的空余体积约有1 3m 3 罐体内的流态化过程是 罐体内通入气体后 在初始阶段 罐内氧化铝粉只能 是达到适度膨胀 所以从总体上来讲 这时的床层结构是固定床到膨胀床的模 糊阶段 但是从局部来讲 接近气体分布板的氧化铝粉能够实现局部流态化 随着氧化铝粉从出料管中的带出和输送 罐体内氧化铝粉膨胀加剧 空隙率逐 步增大 局部流态化的范围在扩大 当氧化铝粉带出和输送的足够多时 罐体 内氧化铝粉能实现l i 缶界流态化 这时罐体内氧化铝粉的重量由气体 床层支撑 过渡到完全由气体支撑 通过第三章的分析得知 以前所使用的气体分布器 通常在新车阶段能够 达到设计卸科效果 即卸车时间1 个小时 残留量3 0 0 公斤以下 但随着运用 时间增加 车内的氧化铝粉会通过缝隙逐渐地进入多孔板 支架与罐体底部所 组成的气体空间并永久地滞留在这里 久而久之 氧化铝粉会占居大部分直至 全部空间 这样压缩空气将难以透过气体分布器而形成均匀 稳定的气流 无 法形成氧化铝粉的流态化 从而造成卸车时间长 残留量大直至无法卸车 造 成这种结果的原因在于复杂的气体分布器结构及其与罐体底部所形成的空间 复杂的结构也导致了检修及清理氧化铝粉的异常困难 同时 滑坡板的设计不 符合流态化的原理 增加了车辆的自重 减少了罐体的有效容积 那么改进的 思路是 简化气体分布器结构设计 取消床层结构 取消滑板和透气棒 5 童l 气体分布器的作甩 气体分布器是流态化装置的重要部件之一 许多研究者指出分布器附近区 域对于流化质量有着重要影响 分布器对整个流态化床的作用范围仅为0 2 0 3 米 然而它对整个床层的流态化状态却有决定性的影响 所以气体分布器 的设计是流态化操作成败的关键之一 气体分布器的作用有五 1 它必须具有均匀分布气流的作用 同时其压降又最小 对氧化铝罐车来 说可通过选取合适的分布板以及适当的气体预分布手段来实现 2 它必须使流态化床有一个良好的起始流化状态 保证在分布器附近创造 一个良好的气固接触状态 使所有的氧化铝颗粒都动起来 从而排除形成 死 床 的可能 3 在氧化铝罐车长期的使用过程中 防止氧化铝粉进入分布器下方面造成 堵塞 4 使流化床的检修工作量最小化并且最方便 5 承受货物的重量 硕士学位论文第五章流态化卸车装置的改进设计 s 3 2 气体分布板的选型 在试验和工业应用上 常用的分布器型式可分为密孔板 直流式 侧流式 和填充式分布板 旋流式喷嘴及分枝式分布器等四种型式 其每一种型式又包 括多种不同的结构 这些不同型式的分布器各有其特点 在氧化铝罐车卸车装 置的发展过程上 使用时间最长的是直流式分布板与密孔扳相结合的复合结构 它的结构型式如图3 3 所示 在这种结构中 它的分布板由两层组成 其下层 是按一定密度分布的带孔的金属板 其上层是有良好的透气性能的维纶密孔透 气板 多孔金属板用支撑与罐底构成床层 其上固定维纶密孔透气板 实践证 明 多孔板与罐底组成的床层空间是这种分布板的致命弱点 由于多种原因 氧化铝粉会渗漏到床层中 这样造成床层堵塞 流态化失效 检修工作量大而 复杂 那么 能否取消多孔金属板与罐底构成的床层结构呢 多孔金属板与罐底构成的床层结构有两方面的作用 其一 它起初步均匀 布气的作用 其 它起支撑罐内氧化铝重量的作用 初步均匀布气这一作用 可以通过合理设计气体预分布器来解决 其目的只要能起初步均匀布气即可i 罐内氧化铝的重量可在设计预分布器的基础上由罐底来支撑 所以这种床