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大型蒸汽动能磨制备超细固硫灰的工艺

2016年04月08日 12:00点击数量:1032次


王沁淘 a ,陈海焱 a ,胥海伦 b ,赖小林 c ,石岩 a

(西南科技大学 a. 环境与资源学院; b. 土木工程与建筑学院; c. 制造科学与工程学院,四川绵阳 621010


摘要 :利用电厂温度为 250 ℃、入口压力为 0.25MPa 的过热蒸汽,采用 LNSJ-350A 型蒸汽动能磨对固硫灰渣进行超细加工。结果表明,制得的超细固硫灰平均粒径为 4.42 μ m ,产量为 10.8t/h ,加工每吨固硫灰消耗蒸汽 0.93t ,电耗为 19.97kW · h ;以质量分数为 10% 的超细固硫灰为掺合料制备强度等级为 32.5 的复合硅酸盐水泥,其强度和安定性均符合国家的标准要求。

关键词 :过热蒸汽;蒸汽动能磨;超细固硫灰


    随着循环流化床锅炉燃烧技术的迅速发展和推广,固硫灰渣的排放量急剧增大,目前年生产量约为 8000 t [1] ,主要以堆放形式为主,严重污染环境,制约了经济的发展。现代超细粉碎技术能实现工业废渣的无害化和资源再利用化。超细化固硫灰的氧化钙表层及硫酸钙层的破坏,有利于固硫灰渣作为水泥混合材料利用,并且粒度的减小使水泥强度增大,标准稠度需水量减小 [2-5] 。一般的传统机械磨,如球磨、冲击磨等,很难实现物料的超细化粉碎。超音速气流粉碎技术是公认的能获得最小颗粒的机械粉碎加工方法之一 [6] ,但是空气气流磨的能量利用率只有 2% 左右,能耗和成本高,且单机处理能力差,国内的单机处理能力一般小于 1t/h ,使得它在如固硫灰、粉煤灰、矿渣等低附加值产品的加工领域的应用受到限制 [7-9] 。蒸汽动能磨是一种以低品位过热蒸汽为动力的新型气流粉碎设备,具有粉碎强度大、能耗较低、单机处理能力大等优点,适合于企业规模化的生产,具有良好的市场前景 [10-12] 。西南科技大学与四川省绵阳流能粉体设备有限公司联合研发的 LNSJ-350A 型蒸汽动能磨是目前国内最大的超细粉体加工设备,山西某电厂采用此设备建立了年产 20 t 的超细固硫灰生产线。本文中以此生产线为实例,对蒸汽动能磨进行实验测试和理论分析。

设备与工艺

生产线主要分为预热、粉碎、收集 3 大部分,设备与工艺流程如图 1 所示。首先,打开连接预热器的蒸汽管道及灰斗加热器,对除尘器进行预热。预热后除尘器的温度必须高于 100 ℃,以防止产品收集过程中出现冷凝水而使物料粘附在布袋上,导致清灰困难。预热过程完成后,关闭预热系统。打开连接主机的蒸汽管道,来自电厂的过热蒸汽在动能磨的作用下形成高速气流,然后穿过分级机、除尘器,在引风机的作用下向外排出。待系统的蒸汽压力和温度稳定后开启加料螺杆,颗粒从原料仓进入蒸汽动能磨,在其引射的高速气流中加速、碰撞而粉碎;调节分级机变频器频率,使粒径不合格的物料回到流化床内继续粉碎;满足粒径要求的颗粒穿过分级机而进入除尘器。利用高温袋式除尘器以分室离线脉冲清灰方式,完成对产品的收集。所得产品输往成品灰库,可作为掺合料直接掺入水泥。除尘器箱体附上保温材料,以减少运行过程中的散热。整个系统采用上位机、可编程逻辑控制器 (PLC) 等一系列自动化硬件设施及软件程序,实现了对系统的自动化控制与实时监控。

结果与分析

按照超细固硫灰生产工艺流程,利用山西某电厂低品位过热蒸汽对 LNSJ-350A 型蒸汽动能磨制备的超细固硫灰进行实验测试。固硫灰原料的平均粒径约为 50 μ m ,蒸汽动能磨的运行参数如表 1 所示。

1 蒸汽动能磨制备超细固硫灰的运行参数

蒸汽温度 /

入口压力 /MPa

蒸汽耗量 /(t · h -1 )

实际总耗电量 /(kW · h)

产量 /(t · h -1 )

产品平均粒径 / μ m

250

0.25

10

215.7

10.8

4.2

2 传统气流磨与蒸汽动能磨电耗、能耗与成本

名称

耗电量 /(kW · h · t -1 )

能耗 /( kW · h · t -1 )

成本 /( 元· t -1 )

传统气流磨

1939.60

1939.60

1551.68

蒸汽动能磨

19.97

112.97

90.38

2.1 节能性

    为了对蒸汽动能磨的节能性进行研究,采用喷嘴体积流量为 6m 3 /min LNJ-36A 型流化床传统气流磨将固硫灰粉碎到平均粒径约为 4 μ m ,比较两者加工每吨固硫灰的电耗、能耗和成本,结果如表 2 所示。一般低品位过热蒸汽的发电量为 40~100kW · h/t [13-14] ,按蒸汽发电量为 100kW · h/t 将其折算为设备耗电量计入产品的能耗,加工成本按山西某电厂对外出售过热蒸汽的价格为 80 /t 以及市场平均电价为 0.8 /(kW · h) 来计算。由表可知,与传统气流磨相比,蒸汽动能磨节约电耗 99% ,节约能耗和成本 94% 。原因主要是传统气流磨和蒸汽动能磨的粉碎介质不同,能量转换方式也不相同,前者以压缩空气为动力,后者以低品位过热蒸汽为动力。以火力发电过程为例,传统气流磨的能量转换方式如下:燃料—过热蒸汽的势能和热能—电能—压缩空气势能—粉碎动能;蒸汽动能磨的能量转换方式如下:燃料—过热蒸汽势能和热能—粉碎动能,比传统气流磨少了 2 个转换步骤,减少了中间过程的能量损失 [10-11] 。蒸汽发电机组的效率约为 40% [15] ,空压机的功率因子约为 0.86 ,加上输电线和电路的损耗,使蒸汽动能磨的节能性远远优于传统气流磨的,具有能量转换方式简单,能量利用率高的优点。

2.2 粉碎强度

蒸汽动能磨中过热蒸汽在拉伐尔喷嘴的作用下形成超音速气流进入粉碎室,然后通过气流加速颗粒,带动其相互碰撞、剪切,最终完成物料的超细粉碎。在过热蒸汽温度为 250 ℃,入口压力为 0.25MPa ,分级机转速为 720r/min( 变频器设定频率为 24Hz) 的条件下制备超细固硫灰的 d 50 d 90 ( 特征粒径 d 50 d 90 是累积体积分数为 50% 90% 时对应的颗粒粒径 ) 分别为 4.20 10.36 μ m ,粒度小,粒度分布范围窄,且产量大,说明蒸汽动能磨具有很高的粉碎强度。

为了比较蒸汽动能磨与传统气流磨的粉碎强度,采用计算流体动力学( CFD )软件对入口压力为 0.25MPa ,中位粒径 d50 50 μ m 的固硫灰颗粒分别在蒸汽动能磨 (250 ℃过热蒸汽 ) 和传统气流磨 (25 ℃压缩空气 ) 喷嘴气流中心处的速度流场进行模拟,结果如图 2 所示。由图可知,入口压力为 0.25MPa 时,蒸汽动能磨比传统气流磨的喷嘴出口气流速度增大约 70% ,颗粒加速后的速度增大约 62% 。原因是气流经过超音速喷嘴的过程是压力能和内能转化为动能的过程,由单位质量的内能公式: U =∫ C V dT(U 为单位质量的内能, J C V 为比定容热容, J/ kg · K ); T 为温度, K) ,查表代入数据计算可得,过热蒸汽的内能远远大于空

气的内能,因此在相同压力能的情况下,蒸汽动能磨转化的气流动能更大,喷嘴出口气流速度大;气流加速颗粒的过程可以看作气流分子与颗粒无数次弹性碰撞的结果,符合动量守恒定理: m 1 v 1 +m 2 v 2 =m 1 v 1 '+m 2 v 2 '(m 1 m 2 分别为气流分子、颗粒的质量, v 1 v 2 分别为气流分子、颗粒碰撞前的速度, v 1 ' v 2 ' 分别为气流分子、颗粒碰撞后的速度 ) ,因此颗粒在蒸汽动能磨加速后的速度更大,获得更大的碰撞动能,同时大型磨机持料量多,也增大了颗粒的碰撞概率 [16] 。由此可知,蒸汽动能磨的粉碎强度大,加工粉体粒度小且产量大。

2.3 应用

将中位粒径 d 50 4.2 μ m 、质量分数为 10% 的超细固硫灰掺入水泥,在均化库混合均化后,制备强度等级为 32.5 的复合硅酸盐水泥。制得产品的安定性和胶砂流动度符合国家标准,并测试其抗压、抗折强度,结果如图 3 所示。由图可知,与国家标准 GB175 2007 《通用硅酸盐水泥》中强度等级为 32.5 的复合硅酸盐水泥的强度要求相比 [17] ,掺合质量分数为 10% 的超细固硫灰后, 3d 的抗压强度增大了 1.52 倍,抗折强度增大 1.16 倍; 28d 的抗压强度增大 56.9% ,抗折强度增大 50.9% 。主要原因是固硫灰中钙质固硫组分加入使其具有自硬性,从而可作为掺合剂以提高水泥强度 [18]

结论与展望

    1) 利用电厂温度为 250 ℃,入口压力为 0.25MPa 的过热蒸汽, LNSJ-350A 型蒸汽动能磨制备的超细固硫灰平均粒径为 4.42 μ m ,产量达 10.8t/h ,加工每吨固硫灰消耗蒸汽 0.93t ,电耗为 19.97kW · h ,表明蒸汽动能磨具有粉碎强度大、能耗低的特点,解决了固硫灰等低附加值产品加工需求大、成本高的问题。

     2) 以平均粒径为 4.42 μ m 、质量分数为 10% 的超细固硫灰为掺合料制备强度等级为 32.5 的复合硅酸盐水泥,其抗压强度和抗折强度均大于国家标准要求,表明通过蒸汽动能磨对固硫灰粉碎后,超细固硫灰可低成本地掺入水泥,大大提高了其利用率,实现了资源的再利用化。

    3) 通过优化过热蒸汽的压力、温度参数,可获得粒度更小的产品和更高的产量;同时,设备还可以通过大型化来提高生产效率。进一步研究蒸汽动能磨的优化与放大设计,对粉体加工有重要意义。

    4) 蒸汽动能磨除用于电厂外,还可与水泥、钢铁、冶金、玻璃等废气余热排放量大的行业结合,既能降低企业成本,又能创造节能减排的环保价值,符合国家“十二五”规划对绿色发展的要求。


参考文献

[1] 朱文尚 . 循环流化床固硫灰特性及作水泥混合材应用的研究 [D]. 北京 : 中国建筑材料科学研究总院 ,2011.

[2] 张克 . 流化床固硫灰渣配制的水泥与混凝土性能研究 [D]. 重庆 : 重庆大学 ,2012.

[3] 姚妮娜 , 张平 , 宋丽贤 , . 改性固硫灰对 PP-EVA 复合材料性能的影响 [J]. 西南科技大学报 ,2013,28(2):17-20.

[4] 霍琳 , 李军 , 卢忠远 , . 粉磨超细化对循环流化床固硫灰水化特性的影响 [J]. 武汉理工大学学报 ,2013,35(1):27-33.

[5] 牛茂威 , 谢小莉 , 林洲 , . 磨细固硫灰渣作为混合材对水泥性能的影响 [J]. 非金属矿 ,2013,36(3):1-3.

[6] NAKAYAMAN. Pulverizing of various materials by the supersonic jet mill [J]. Bulk Solids Handing,1986,6(1):24-27.

[7] 尹小冬 , 王长会 , 谭涌 , . 超细粉碎技术现状与应用 [J]. 中国非金属矿工业导刊 ,2009(3):46-49.

[8] 郑水林 . 中国超细粉碎和精细分级技术现状及发展 [J]. 现代化工, 2011,21(11):10-15.

[9] 杨伏生,周安宁 , 葛岭梅 . 我国超细粉碎技术现状与发展趋势 [J]. 化工矿物与加工 ,2001(5):1-6.

[10] 陈海焱 , 胥海伦 . 用电厂过热蒸汽制备微细粉煤灰的实验研究 [J]. 现代电力 ,2003,20(5):6-9.

[11] 陈海焱 , 李显寅 , 张家达 . 应用过热蒸汽干法制备超细粉的研究 [J]. 四川冶金 ,1997(3):23-55.

[12] 陈海焱 , 胥海伦 . 利用窑炉余热制备超细矿物掺合料的方法 : 中国 ,ZL200810045879.6[P].2011-11-30.

[13] 李丽 . 低压余热蒸汽发电的可行性探讨 [J]. 中小企业管理与科技, 2010(1):169-170.

[14] 王晓玲 . 利用螺杆膨胀动力机回收蒸汽余热发电 [J]. 广州化工, 2010,38(7):199-217.

[15] 周一工 . 中国燃煤发电节能技术的发展及前景 [J]. 中外能源 ,2011,16(7):91-95.

[16] TANAKA T. Scale-up theory of jet mills on basis of comminution kinetics[J]. Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development,1972,11(2):238-241.

[17] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 , 中国国家标准化管理委员会 .GB175 2007 通用硅酸盐水泥 [S]. 北京 : 中国标准出版社 ,2007:1-12.

[18] 钱觉时 , 郑洪伟,宋远明,等 . 流化床燃煤固硫灰渣的特性 [J]. 硅酸盐学报 ,2008,36(10):1396-1400.