氣流粉碎機用蒸汽加料器設計參數研究

作者： 2018年02月05日來源：全球化工設備網瀏覽量：

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我們在文獻中已經對適用于氣流粉碎機、以壓縮空氣為工作介質的氣力加料器的設計計算理論及工程實踐作了詳細的研究，為設計氣流粉碎機的氣力加料器提供了可靠的方法。在此基礎上，本文將對適用于氣流粉碎機的以過熱蒸

我們在文獻中已經對適用于氣流粉碎機、以壓縮空氣為工作介質的氣力加料器的設計計算理論及工程實踐作了詳細的研究，為設計氣流粉碎機的氣力加料器提供了可靠的方法。在此基礎上，本文將對適用于氣流粉碎機的以過熱蒸汽為工質的氣力加料器(簡稱蒸汽加料器)的設計理論作進一步研究，以便提供一個蒸汽加料器的設計方法。

以過熱蒸汽為工質的氣流粉碎機最大優點在于具有極大的粉碎力，可提高產品的細度，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的氣流粉碎工藝難以得到令人滿足的細度，單位能耗也較高。

以過熱蒸汽為工質的氣流粉碎機設計的關鍵技術之一在于合理設計蒸汽加料器。這是因為蒸汽工質與引射物在加料器中要進行動量傳遞、能量轉化及工質與引射物的混合等一系列復雜的變化過程，蒸汽工質的狀態參數會發生迅速劇烈的變化，過熱蒸汽有可能轉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最易變為濕蒸汽狀態，使部分物料變濕而易于粘壁，使加料器通道變窄，導致其引射功能逐漸減弱，最終完全不能進料。雖然引起粘壁的原因是多樣的、復雜的，如粉體的極性、分子附著力及超細粉體的二次凝聚等的協同作用，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，是蒸汽加料器設計最需要注意的。

1蒸汽加料器的特點

蒸汽加料器和以壓縮空氣為工質的氣力加料器雖同屬氣力輸送噴射器，有著相同的內部形狀及相同的工作原理，但因工作介質及工作溫度的不同，蒸汽加料器必然有自己的特點，特別是由不同材質構成的加料器組件需頻繁地經歷從常溫到高溫(400℃)的變化，這就要求蒸汽加料器必須有自己獨特的設計方法及特有的部件構造。

1.1蒸汽加料器的基本原理與主要參數

本文借用文獻的圖1作為蒸汽加料器的原理圖，因為蒸汽加料器與以壓縮空氣為工質的氣力加料器內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計公式及有關參數有不同的表達。本文正是要研究它們的共同點及不同點，以便為蒸汽加料器提供正確的工程設計方法。

本文所應用的符號定義與文獻完全相同，不作新規定，但新出現的參數符號除外。

1.2不同工質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及以過熱蒸汽作工質的噴嘴出口速度，以比較二者的大小。

1.2.1壓縮空氣工質噴嘴出口速度

（1）

式中，空氣k=1.4。

對氣流粉碎機如不計工作流體在進氣口的速度w_p，可取p₀≈p_p=0.85MPa，T₀≈T₁=293K，p_p1=0.1MPa，則由式(1)可得w_p1=519m/s。

1.2.2過熱蒸汽工質噴嘴出口速度

w_p1=[2(i₀-i_p1)]^1/2 (2)

如選一般的工業鍋爐，易取p₀=p_p=1.2MPa，t_p=350℃則i₀=3151kJ/kg，可設定p_p1=0.16MPa，t_p1=160℃，則i_p1=2792kJ/kg。將i₀及i_p1值代入式(2)，可得w_p1=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%，而單位工質的動能更大了1.67倍，使加料器引射能力大大提高。同樣，粉碎機的粉碎噴嘴出口速度也一樣增大，粉碎力提高，有利于物料的超細粉碎。這些正是以過熱蒸汽作為氣流粉碎機工質的主要優點。

如果把電能當作二次能源，則蒸汽便為一次能源，經氣固分離后的余氣中的余能還可再用作生產或生活，可以有效提高能量利用率，降低單位能耗。實踐證明，一個有規模的以過熱蒸汽為工質的氣流粉碎系統不但有理想的粉碎力和產量，同時還可節能約40%。

2蒸汽加料器的構造特點

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開始工作預熱階段或粉碎結束停機階段表現尤為劇烈。氣流粉碎機和加料器通常襯以堅硬耐磨的剛玉內襯，巨大的溫度變化必然使不同材質的內襯與金屬外殼產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構，已經經受了長期的運行考驗。由圖1可見，將加料器的接受室和混合室內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，而不采用常溫時傳統的粘結工藝，這使金屬外殼和剛玉內襯在溫度變化時能自由伸縮，釋放熱應力。蒸汽加料器具有常溫工作的氣力加料器同樣的調節手段，可確保其有良好的工作狀態。

3引射系數及幾何尺寸的確定

文獻已經對適用于氣流粉碎機的以壓縮空氣為工質的氣力加料器的設計理論作了詳盡的研究，在蒸汽加料器設計時必須考慮蒸汽的行為特點，同時還要考慮到過熱蒸汽作工質時，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時含一種氣體和一種固體的工況，故有關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v_p、v_p3、v_pm及i_p、i_pm，有別于空氣作工質的情況。

引射介質中的氣體在蒸汽加料器出口的比容

v_1,gm=RT_m/p_m (3)

混合流體中的氣體在加料器出口處的比容

v_m,g=(v_pm+v_1,gmu_g)/(1+u_g) (4)

引射介質中的氣體在截面3處比容

(5)

混合流體在截面3上的比容

v₃=(v_p3+v_1,g3u_g+v_1,su_s)/(1+u) (6)

將以上方法確定的比容及比焓值代入文獻的有關公式，便可以確定蒸汽加料器的引射系數及各幾何尺寸，從工程應用的角度，這種計算方法已足夠精確了，我們的工程實踐結果也很令人滿意。

3.2引射介質的預熱

需要特別注意的是，蒸汽加料器的設計及運行要確保加料器中物料始終處于干燥狀態，避免物料受潮粘壁結垢而使流道堵塞。所以，在蒸汽加料器進行設計計算時，必須驗證是否要對引射流體進行預熱，確定預熱引射流體需附加的功率N(J/s)及引射流體應達到的最低溫度t_1,min。

引射流體所需的最小附加功率

(7)

式中，(c_p)_s及(c_p)_g分別為引射介質中固體及氣體的比熱容，J/(kg·℃)。

引射流體應達到的最低溫度

(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引射流體進行預加熱，以保證混合室中蒸汽始終處于干蒸汽狀態。具體的判斷準則是：

N＞0或t_1,min＞t。，則需對引射流體進行預熱；

N≤0或t_1,min≤t_s，則不必對引射流體進行預熱。

4結論

(1)因為適用于氣流粉碎機的以過熱蒸汽為工質的氣力加料器的混合物是由兩種性質不同的氣體(空氣和水蒸汽)和一種固體所組成，因而在確定相關比容時需按本文提供的方法，蒸汽加料器引射系數及有關幾何尺寸的計算完全可以應用文獻中的公式及方法。

(2)以過熱蒸汽為工作介質的加料器需避免加料器中物料變濕，應始終保持加料器中的蒸汽處于干蒸汽狀態，這對保持加料器的正常工作狀態十分必要，否則會引起加料器粘壁堵塞，使功能惡化。

(3)應用此文介紹的方法設計制造了JGM-Q系列以過熱蒸汽為工質的強力氣流粉碎機，同時也證實了文獻[1]中介紹的3種調節手段同樣是有效的。

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