朱桂華,唐浩亭,易山圳,何偉澤,陳 勇

(1.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083;2.湖南中大山水環(huán)?？萍加邢薰?湖南 長沙 410000)

0 引 言

鹽泥是制鹽工業(yè)中鹵水凈化的產(chǎn)物,當(dāng)前我國鹽行業(yè)對鹽泥的處理方式一般為回井和堆放。這樣的處置方式不僅加劇了環(huán)境的污染,也浪費了鹽泥的可利用價值,因此需要一種新型工藝對鹽泥進行無害化、資源化處理,筆者對該工藝中的一環(huán)[1]進行研究。

含水率15%以上的塊狀物料被稱為高濕物料,高濕物料因水分含量過高在進行粉碎時常常會粘結(jié)在粉碎設(shè)備上,導(dǎo)致電機負(fù)載加大,效率降低,甚至燒壞電機,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。在普通物料粉碎方面,學(xué)者們進行了大量的研究。曹麗英等[2-3]研究了粉碎機篩片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和分離裝置的氣流速度對篩分效率之間的影響規(guī)律;王德福等[4]得出了玉米秸稈的主要粉碎形式及合適的粉碎機運行參數(shù);馬彥軍等[5]建立了破碎函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,為圓錐破碎機破碎過程中破碎生產(chǎn)率的動態(tài)優(yōu)化提供了理論模型。

這些研究結(jié)果并不適用高濕物料的粉碎,主要是因為:(1)國內(nèi)外研究的多數(shù)為含水率較低的物料,這類物料粘性小,幾乎沒有粘壁情況[6];(2)國內(nèi)外的成果主要集中在農(nóng)業(yè)、飼料和巖石等行業(yè)[7],沒有鹽泥粉碎方面的研究;(3)粉碎機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還停留在普通的刀片和錘片結(jié)構(gòu),沒有用鏈條類的柔性結(jié)構(gòu)進行試驗分析;(4)當(dāng)前物料粉碎的研究成果中,大多數(shù)通過定性分析的方法來指導(dǎo)粉碎機的設(shè)計,統(tǒng)一適用的定量研究分析成果不多。

本文將以自制立式鹽泥粉碎機為研究對象,設(shè)計雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合式3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),采用試驗的方法研究3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下對粒徑分布以及粘壁厚度的影響。

1 鹽泥物理特性及粉碎機結(jié)構(gòu)

1.1 鹽泥物理特性

鹽泥資源化處理項目的工藝為:

(1)在鹽泥儲泥罐添加藥劑和絮凝劑,令鹽泥加速沉降;

(2)通過固液分離設(shè)備對鹽泥進行深度固液分離,得到鹽泥泥餅;

(3)利用粉碎機對鹽泥泥餅進行粉碎制粒;

(4)對粉碎過后的鹽泥顆粒進行烘干,使其成為燃煤脫硫劑。

鹽泥物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 鹽泥物理特性及成分

1.2 粉碎機結(jié)構(gòu)的提出

鹽泥粉碎機主要由電機、皮帶輪、轉(zhuǎn)子部件、粉碎室以及轉(zhuǎn)子支撐架等組成。

筆者提出一種雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合式3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

其中,刀片鏈條組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刀片鏈條組合式粉碎機結(jié)構(gòu)

2 鹽泥粉碎及粘附機理分析

通過觀察發(fā)現(xiàn),鹽泥粉碎的主要形式是打擊粉碎和撞擊粉碎,同時顆粒與顆粒之間也有接觸力作用。打擊粉碎是指高速旋轉(zhuǎn)的刀片和鏈條打擊鹽泥泥餅發(fā)生的粉碎現(xiàn)象,撞擊粉碎是鹽泥經(jīng)打擊初碎后與壁面發(fā)生的粉碎現(xiàn)象[8-9]。由于鹽泥泥餅含水率較高且具有粘性,在撞擊粉碎過程中有小部分鹽泥顆粒會粘附在粉碎機壁面上。

顆粒和刀片,顆粒和顆粒間的整體受力分析如圖2所示。

圖2 整體受力分析圖

(1)

(2)

(3)

Ft,ij=-δtSt

(4)

(5)

由圖2可知:顆粒在運動過程中受重力Gs,i和顆粒碰撞接觸力Fc,ij。根據(jù)牛頓第二定律可得,顆粒在t時刻的運動狀態(tài)方程[10-11]為:

(6)

(7)

式中:m—顆粒i的質(zhì)量;us,i—速度;Ii—顆粒i的轉(zhuǎn)動慣量;ωi—角速度;Tt—為切向力矩;Tr—滾動摩擦力矩;i—顆粒i接觸對象編號;j—顆粒j接觸對象編號。

2.1 打擊粉碎

當(dāng)鹽泥泥餅由皮帶機輸送至進料口后,高速旋轉(zhuǎn)的刀片及鏈條和鹽泥泥餅發(fā)生碰撞,一部分鹽泥泥餅經(jīng)過打擊后和壁面進行撞擊,另外一部分鹽泥泥餅被擊飛到刀片上部,導(dǎo)致掉落下來發(fā)生二次碰撞。

不考慮粉碎室內(nèi)的氣流和轉(zhuǎn)子的自重,根據(jù)沖量-動量定理可知:

FΔt=m(v1-v2)

(8)

(9)

式中:F—刀片對鹽泥泥餅的打擊力;Δt—打擊時間;m—鹽泥泥餅的質(zhì)量;v1—刀片打擊速度;v2—鹽泥泥餅接觸刀片時的速度。

打擊力越大,泥餅粉碎效果越好,但粘壁厚度會相對增加。由式(9)可知,打擊力的大小和鹽泥泥餅的質(zhì)量、刀片的速度、鹽泥泥餅的速度及打擊時間有關(guān)。泥餅相對于刀片的速度越大,打擊力越大;打擊作用時間越短,鹽泥泥餅受到的打擊力越大;打擊時間和鹽泥的硬度有關(guān),硬度高則打擊時間短。

另外,第一次打擊前鹽泥還未破碎,質(zhì)量相對較大,打擊力大;破碎后被擊飛到上部等待第二次打擊的泥餅質(zhì)量減小,打擊力相對減小。

2.2 撞擊粉碎

鹽泥泥餅受刀片打擊之后,以較高的速度撞擊粉碎機壁面,當(dāng)撞擊力大于泥餅內(nèi)聚力時泥餅會產(chǎn)生進一步破碎。

根據(jù)沖量—動量定理,泥餅與壁面的撞擊力為：

(10)

式中:F1—鹽泥泥餅與壁面的撞擊力;vn—鹽泥泥餅接觸壁面時的速度:m—鹽泥泥餅撞擊前的質(zhì)量;Δt1—撞擊時間;λ—鹽泥泥餅的彈性恢復(fù)系數(shù);α—鹽泥泥餅對壁面的入射角。

由式(10)可知,鹽泥泥餅與壁面發(fā)生撞擊的撞擊力和撞擊前的速度vn以及鹽泥泥餅的彈性恢復(fù)系數(shù)有關(guān)。撞擊速度vn隨著第一次打擊力的增大而增大,泥餅彈性恢復(fù)系數(shù)與其含水率和彈性模量有關(guān)。

2.3 粘結(jié)機理分析

由于鹽泥含水率約為30%,且具有粘性,在撞擊粉碎的同時會有一小部分的鹽泥顆粒粘結(jié)在粉碎室的壁面上。對于完全粘結(jié)在壁面上的鹽泥小顆粒,粘結(jié)過程遵循牛頓第二定律,由于顆粒很小,可將顆?？醋髑蝮w。

忽略重力及氣流阻力等影響,其粘結(jié)方程為:

(11)

式中:s—碰撞點指向球心的壓縮位移;Fad—顆粒和壁面粘性力;Fc—顆粒和壁面件的彈性力。

其中,彈性力Fc與物料的彈性模量E和泊松比μ有關(guān),最大可壓縮位移Smax受物料碰撞之前的速度v影響,速度越大,最大可壓縮位移越大。因此,減少碰撞前的速度能夠很好地減小物料和壁面的粘結(jié)力。

3 試驗方法

筆者通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率對粉碎機主軸進行調(diào)速,每次試驗數(shù)據(jù)記錄完畢之后更換對應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本文主要考察轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速兩個因素對物料的粉碎粒度和粘壁厚度影響。

根據(jù)上節(jié)理論分析和預(yù)實驗的效果,筆者最終確定了3種結(jié)構(gòu)方式和6個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的參數(shù)水平。

試驗的因素水平表如表2所示。

表2 試驗因素水平表

在項目現(xiàn)場,筆者采用自行研制的立式粉碎機進行試驗，具體的試驗步驟如下:

(1)通過預(yù)實驗,確定可行的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并制作數(shù)據(jù)記錄表;

(2)將制作好的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安裝至粉碎機,調(diào)節(jié)變頻器獲得試驗所需的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;

(3)設(shè)置合適的物料進給量和進料速度,依次啟動粉碎機和進料皮帶機對物料進行粉碎作業(yè)。粉碎完成,關(guān)閉電源;

(4)每隔0.5 h,用游標(biāo)卡尺測量粉碎室壁面物料粘結(jié)厚度,并記錄;

(5)將粉碎過后的物料進行篩分并對每個篩分區(qū)間的顆粒進行稱量。記錄每次試驗結(jié)果,對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 粒徑分布

由于實際生產(chǎn)需要,筆者以20 mm以下粒徑質(zhì)量占比為評價指標(biāo)表征粉碎機的性能,通過大量試驗得到數(shù)據(jù),同時剔除異常數(shù)據(jù)。

所得到的顆粒粒徑質(zhì)量分布表,如表3所示。

筆者對粉碎后的粒徑進行分析,在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下,雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的粒徑變化曲線如圖3所示。

表3 顆粒粒徑質(zhì)量分布

圖3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下的粒徑分布曲線

由圖3可知:

(1)轉(zhuǎn)速對粒徑分布的影響要大于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對其的影響,隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加,粒度逐漸減小,粉碎效果越好;

(2)以小于20 mm的粒徑占總質(zhì)量的比值為衡量指標(biāo),雙刀片結(jié)構(gòu)和刀片鏈條組合結(jié)構(gòu)的粉碎效果優(yōu)于雙鏈條結(jié)構(gòu),隨著轉(zhuǎn)速的增大,小顆粒比重逐漸減小。1 200 r時雙刀片、雙鏈條和刀片鏈條組合20 mm以下粒徑占比分比為96.0%、89.9%和94.6%,小顆粒粒徑比重最大,粉碎效果最佳;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時,粉碎顆粒向大粒徑方向偏移,這是由于轉(zhuǎn)速過大,賦予第二次粉碎的顆粒能量就大,導(dǎo)致粉碎后的一部分小顆粒之間互相粘結(jié),但再次粘結(jié)后的顆粒間粘結(jié)鍵強度遠小于初始物料的粘結(jié)鍵強度。

4.2 粘壁厚度

由于鹽泥泥餅是含水率為25%～30%的粘性物質(zhì),在粉碎過程中會出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象。

粉碎機粘壁厚度的試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下的粘壁厚度變化

由表4可知:粘壁現(xiàn)象會使粉碎機的粉碎效率降低,甚至造成粉碎機停車。通過分析粘壁現(xiàn)象可以選擇更好的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù),有效地提高粉碎機的粉碎效率。

根據(jù)表4所得的試驗數(shù)據(jù),筆者繪制了粘壁厚度隨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的曲線,如圖4所示。

由圖4可知:

(1)粘壁厚度起初增速很大,隨后逐漸減小。隨著轉(zhuǎn)速的增加,粘壁厚度也隨之增加,與上節(jié)粘結(jié)機理分析相吻合。當(dāng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為雙刀片結(jié)構(gòu)時,粘壁厚度一直增加,而雙鏈條和雙刀片結(jié)構(gòu)則逐漸趨于穩(wěn)定。相同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),同一時刻,不同轉(zhuǎn)速下,粘壁厚度最大差值分別為23.40 mm、13.08 mm、17.06 mm;相同轉(zhuǎn)速下,同一時刻,不同結(jié)構(gòu)下,粘壁厚度最大差值分別為24.62 mm、28.76 mm、30.08 mm、29.68 mm、32.96 mm、34.94 mm。從數(shù)據(jù)可以看出,結(jié)構(gòu)不同,粘壁厚度差值越大,表明粉碎機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對粘壁厚度的影響大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;

(2)雙刀片結(jié)構(gòu)的粘壁厚度持續(xù)增長,而雙鏈條結(jié)構(gòu)和刀片鏈條結(jié)構(gòu)的粘壁厚度逐漸趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定的時間分別為240 min和300 min,這是因為粘壁厚度與顆粒撞擊壁前的速度有關(guān),刀片為剛性打擊裝置,打擊后的速度大,鏈條為柔性打擊裝置,在打擊過程中末端的鏈節(jié)會繞鏈環(huán)進行轉(zhuǎn)動,可以有效地降低撞擊速度,抑制粘壁厚度無限制增長,因此,將粘壁厚度穩(wěn)定的時間稱之為柔性粘壁拐點。

該拐點對鹽泥泥餅粉碎機的設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下的粘壁厚度變化曲線

4.3 粒徑分布選擇函數(shù)

粒徑分布函數(shù)能夠有效地表征粉碎顆粒的分散程度,也可以預(yù)測粒徑的分布范圍[12]。筆者利用MATLAB對得到的試驗結(jié)果,按正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和R-R分布進行擬合。根據(jù)擬合所得到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),鹽泥破碎后的粒徑遵循R-R分布函數(shù)。

由于篇幅有限,現(xiàn)只給出R-R擬合函數(shù)、破碎程度指數(shù)λ、破碎程度指標(biāo)數(shù)n以及回歸值R2。

R-R的函數(shù)表達式為:

(12)

式中:F(d)—累積量的百分?jǐn)?shù);d—粒徑尺寸;d50—粒徑累計質(zhì)量分布F為50%對應(yīng)的粒徑尺寸;n—破碎性指標(biāo)[13]。

為了便于數(shù)據(jù)分析和擬合,將式(12)改寫為:

F*(D)=ln{-ln[1-F(d)]}=nlnd+λ

(13)

λ=-nln(d50)

(14)

式中:λ—破碎程度指數(shù);n—破碎程度指標(biāo)[14]。

根據(jù)式(14)可得到3種結(jié)構(gòu)下顆粒累計質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的擬合函數(shù)及回歸值R2,如表5所示。

表5 粒徑分布選擇函數(shù)的擬合公式

由表5可知:

(1)R2大于0.9的占比為83.3%,擬合效果較好,擬合結(jié)果可以用來預(yù)測顆粒的粒徑分布;

(2)粉碎程度通常用來表征粉碎后的小顆粒粒徑占總破碎量的比例,λ越大占比越大。3種結(jié)構(gòu)下,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時,λ值分別為-0.284 36、-0.609 99和-0.351 90,小顆粒比重最大,粉碎效果最好;相同轉(zhuǎn)速下,雙刀片和刀片鏈條組合結(jié)構(gòu)的粉碎效果相差無幾,均優(yōu)于雙鏈條結(jié)構(gòu),與試驗結(jié)果吻合。同種結(jié)構(gòu),不同轉(zhuǎn)速λ差值最大為0.420 88,相同轉(zhuǎn)速,不同結(jié)構(gòu)下λ差值最大為0.218 38,說明轉(zhuǎn)速對粉碎后的小顆粒分布的影響大于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);

(3)粉碎特性指標(biāo)n用來表征粉碎后顆粒的均勻程度,n值越大,顆粒分布越均勻,從表5中數(shù)據(jù)可以看出3種結(jié)構(gòu)不同轉(zhuǎn)速下的n值相差較小,說明粒度均勻性相當(dāng)。3種結(jié)構(gòu)下,轉(zhuǎn)速為900 r/min、1 300 r/min及1 400 r/min時,粒度均勻性稍高于其他轉(zhuǎn)速,但平均粒度集中在20 mm以上,和4.1所得出的隨著轉(zhuǎn)速的增加,小顆粒會再次粘結(jié)的結(jié)論相吻合。

5 結(jié)束語

本文以自制的式鹽泥粉碎機為研究對象,設(shè)計了雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合式3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);在不同轉(zhuǎn)速下,采用試驗法研究了3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對粒徑分布以及粘壁厚度的影響,得到以下結(jié)論:

(1)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對粒徑分布的影響大于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對粘壁厚度的影響要大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為刀片鏈條組合式結(jié)構(gòu)時,20 mm以下粒徑占比均在75%以上,和雙刀片結(jié)構(gòu)相差無幾,優(yōu)于雙鏈條結(jié)構(gòu);雙鏈條和鏈條刀片組合式結(jié)構(gòu)的粘壁厚度隨著時間的增長逐漸趨于穩(wěn)定,而雙刀片則持續(xù)增加。綜合粒徑分布、20 mm以下粒徑占比及粘壁厚度的影響,最終選定鏈條刀片組合式結(jié)構(gòu)為鹽泥粉碎機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);

(2)隨著轉(zhuǎn)速的增加,顆粒粒徑分布隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸向小粒徑方向偏移,20 mm以下粒徑占比增加,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時,3種結(jié)構(gòu)20 mm以下粒徑占比分別為96%、90%和95%,比重最大,粉碎效果最好。轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時,由于鹽泥具有粘性,在粉碎過程中小顆粒會重新發(fā)生粘結(jié),20 mm以下粒徑占比增大，筆者選定1 200 r/min為鹽泥粉碎機工作時的運行參數(shù);

(3)柔性粘壁拐點:由于雙鏈條和刀片鏈條組合式結(jié)構(gòu)中鏈條為柔性裝置,在打擊過程中末端的鏈條會在一定的速度條件下繞鏈環(huán)進行轉(zhuǎn)動,可以有效地降低撞擊速度,抑制粘壁厚度無限制增長。因此在這兩種結(jié)構(gòu)下,粘壁厚度隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大,最終趨于平穩(wěn),平穩(wěn)時間分別為360 min、240 min和300 min;

(4)通過MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行分析,選擇合適的粒徑分布函數(shù),并對函數(shù)進行擬合后發(fā)現(xiàn),鹽泥破碎后的粒徑遵循R-R分布函數(shù)，回歸值R2大于0.9的占比為83.3%,擬合效果較好；根據(jù)粉碎程度及粉碎特性指標(biāo)n對粉碎后的粒徑分布和均勻程度進行分析后發(fā)現(xiàn)和試驗結(jié)果吻合,因此,該結(jié)果可以用來預(yù)測顆粒的粒徑分布。