对撞式流化床气流粉碎机内腔结构 及气流场数值模拟

  4) 设备运转自动化程度高 ,进料及从分级机分 离出的粗颗粒不用向外排出 ;

  5) 与扁平式气流粉碎机相比 ,系统噪音小 ; 6) 结构紧密相连 ,占地面积小[8 ] . 2. 2 气流粉碎机的主要结构元件 2. 2. 1 喷嘴 对撞式流化床气流粉碎机喷嘴形式 与扁平式气流粉碎机喷嘴相似 ,其功能是把工质的 压强能转换为速度能. 一般粉碎机都采用渐缩型喷 嘴或缩扩型喷嘴 (亦称拉乌尔型喷嘴) . 缩扩型喷嘴 能产生超音速喷气流 ,喷气流的出口速度可高达数 马赫 (mach) . 针对不一样粉碎机 ,喷嘴的数量及结构 有多种型式 ,但均要求粉碎喷嘴的中心轴线能汇聚 到一点. 目前较多采用的为喷嘴处于同一平面 、在 空间汇聚于一点的正锥型及倒锥型几种. 一些设计 在粉碎机底部加设防止积料的喷嘴[9 ] . 2. 2. 2 分级叶轮 分级叶轮是粉碎机的重要部 件 ,分级叶轮设置在粉碎机上部. 粉碎后的物料被 上升气流携带进入分级叶轮 ,分级叶轮的非常快速地旋转 产生离心力场. 细粉通过叶轮缝隙进入后续捕集系 统 ,粗粉在离心力作用下 ,被抛向壁面 ,返回粉碎机

  对撞式流化床气流粉碎机的独到之处 ,在于将 传统气流粉碎机的线 、面冲击粉碎改为空间立体冲 击粉碎 ,并将喷射冲击产生的高速气流流能充分利 用于粉碎室的物料流动中 ,使粉碎区产生类似于流 化状态的气固粉碎及分级循环流动效果 ,提高了冲 击粉碎效率和能量的综合有效利用率. 由于冲击粉 碎区和气固流动带置于粉碎室中部空间内 ,避免了 粉碎室壁面受高速料流的冲击磨蚀作用 ,改善了喷 射冲击粉碎中最严重的磨损问题. 2. 1. 2 特点 对撞流化床气流粉碎与别的类型的 气流粉碎机相比 ,有如下特点 :

  各种不同的加料位置和加料方式均有各自的 特点 ,故选择的依据是由粉碎机的结构型式决定其 加料的位置与方式[13 ] .

  由于该机与传统气流粉碎机相比有诸多优点 , 所以对撞式流化床气流粉碎机推广很快 ,各种机型 不断涌现. 但对对撞式流化床气流粉碎机粉碎效果 影响极大的的内腔流场的研究却少见报道. 在开发 新机型的过程中 ,主要是依靠经验和测试其最终的粉 碎效果 ,存在比较大的盲目性. 研究粉碎机内腔流场 的分布特点 ,对优化粉碎机的设计大有裨益.

  (01 KJB530004) 资助课题. 作者简介 : 刘雪东 (1965 - ) ,男 ,江苏滨海人 ,工学硕士 ,副教授. 主要是做过程装备与控制工程 、粉体工程的研究.

  与大颗粒粉粒明显不同的物理化学性能 ,其应用领 域更趋广阔. 生产超细粉体材料的方法很多 ,根据 不一样的要求或不同的粒径范围 , 可以再一次进行选择适当的物 理 、化学方法和其它综合性的方法[1 ,2 ] . 文中介绍 的是起源于 20 世纪 70 年代且近年来在国内外得到 广泛应用的对撞式流化床气流粉碎机.

  进一步粉碎. 目前分级叶轮从叶片结构上可分为前 弯 、后弯及径向 3 种. 从分级叶轮的轴线方向看 ,又 可分为卧式和立式的分级叶轮两种[10 ] . 2. 2. 3 底部结构 对撞式流化床气流粉碎机的底 部结构 ,大体有平底 、倒锥型及球型几种. 由于底部 不同的结构影响到粉碎室的流场分布 ,近年来有一 些研究不同底部结构对粉碎效果影响的成果报道 , 球形底部结构能有效减少底部积料 ,有利于粉碎腔 稳定流场的形成[11 ,12 ] . 2. 2. 4 加料位置与加料方式 该型粉碎机的加料 位置大致有 3 种 ,即处于喷嘴上方 、喷嘴平面以及 底部加料. 加料方式也大致有 3 种 , 即 : ①重力加 料 ,当加料口位于喷嘴上部时 ,多采用重力加料 ; ② 螺旋挤压加料 , 多用于加料位置在喷嘴平面或底 部. 加料时通过螺旋输送 ,将物料送入粉碎室 ; ③引 射加 料 或 喷 射 加 料 , 物 料 通 过 引 射 喷 嘴 送 入 粉 碎区.

  (1. 江苏工业学院 机械工程系 ,江苏 常州 213016 ; 2. 南京理工大学 国家特种超细粉体工程技术 研究中心 ,江苏 南京 210049)

  摘 要 : 通过分析对撞式流化床气流粉碎机的喷嘴结构 、分级叶轮型式 、加料口位置及底部结构

  2. 1 粉碎原理及特点 2. 1. 1 粉碎原理 对撞式流化床气流粉碎机将单 向喷射气流与逆向对喷源自文库流相互迭加. 单向喷射气 流束通过喷嘴进入粉碎室 ,在粉碎区形成对心逆喷

  射流场 ,被粉碎的物料在压差作用下形成流态化. 所谓流态化 ,就是在流场中使颗粒床层在临界流态 化速度下膨胀 ,床层中的固体颗粒具有流体的流动 特征. 粉碎区的被粉碎物料在高速对心逆喷射流场 中被加速 ,在各喷嘴喷出的射流交汇点处产生剧烈 的冲击碰撞 、摩擦 ,导致物料被粉碎[7 ] .

  文中采用计算流体力学软件 Fluent ,对一内径 为 200 mm 、工质入口压力 0. 8 M Pa 的对撞式流化 床气流粉碎机的内腔气流场进行三维数值计算. 该 粉碎机数值模拟对象结构 、计算对象的结构尺寸见 图 2.

  等 ,阐述了该型气流粉碎机的结构型式及特点. 为了克服设计该型粉碎机过程中的盲目性 ,采用计

  算流体力学软件 fluent ,对内径为 200 mm 的对撞式流化床气流粉碎机的内腔气流场进行了有限元

  分析计算 ,并根据计算结果绘制内腔气流场的速度和压力分布云图 ,描绘了粉碎机内腔流场的气

  粉体材料在工农业生产以及人们的日常生活 中得到普遍的应用. 超细粉体由于粉体自身具有的

  图 1 为德国 A1pine 公司开发的一种对撞式流 化床气流粉碎机. 被粉碎物料通过输送装置 1 和料 位显示控制器 3 、4 控制的双翻板阀 2 进入料仓 ,翻 板阀的作用在于避免空气进入料仓. 物料通过螺旋 加料器 5 送入粉碎室 8 内. 气流从安装在腔壁同一 平面内的 4 个喷嘴 (图 1 中 6 、7 喷嘴) 中进入粉碎 室 ,使物料流态化 ,在逆向对喷气流束的汇交点上 , 被加速的物料颗粒由于相互撞击而得以粉碎. 在汇 交点周围则形成一股向上的气流 ,把粉碎的物料带 到上部水平放置的涡轮分级机 9 中.

  计算流体力学 ( CFD) 理论和计算机技术的发 展 ,为粉碎机内腔流场的数值求解提供了可能 ,高 速流场的测试技术又能进一步验证数值计算结果. 目前 流 体 力 学 数 值 计 算 的 商 用 软 件 主 要 有 p hoenics、fluent 、CFX 等.

  数值计算程序多采用通用形式的微分方程描 述流体流动 ,用离散化方法对偏微分方程进行数值 计算. 此外 ,流体流动还应满足质量守恒方程. 采用 三维坐标系下的的 k2ε湍流双方程模拟粉碎机内腔 的气流场情况 ,由此可构建流场三向的动量方程 、 湍流动能方程及湍流动能耗散方程[14 ] .

  这种分级机的优点 ,在于它几乎不受进料粒度 和进料量的影响. 经过分级后的细粉进入后续旋风 分离器和脉冲袋滤器收集 ,不合格的粗颗粒被分级 机抛出并沿粉碎室壁回到流化床层中继续粉碎. 粉 碎机 中 的 最 佳 料 位 由 料 位 显 示 及 控 制 装 置 保 证[3～6 ] . 目前国内外对撞式流化床气流粉碎机的结 构型式很多 ,但粉碎的原理相似.

  1) 能耗低. 与别的类型的气流粉碎机相比 ,可 节能 30 %～40 % ;

  2) 由于主要的粉碎作用是颗粒在流态化中的 相互冲击碰撞 、高速颗粒很少碰撞器壁以及物料不 通过喷嘴等原因 ,因此磨损轻微 ,适用于粉碎高硬 度物料 ;

  3) 采用涡轮式超细分级机分级 ,分级精度高 , 产品粒度分布范围窄 ;