立式高濕鹽泥粉碎機的結構參數研究*

朱桂華,唐浩亭,易山圳,何偉澤,陳 勇

(1.中南大學 機電工程學院,湖南 長沙 410083;2.湖南中大山水環保科技有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引 言

鹽泥是制鹽工業中鹵水凈化的產物,當前我國鹽行業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[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在粉碎設備上,導致電機負載加大,效率降低,甚至燒壞電機,嚴重影響生產。在普通物料粉碎方面,學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構參數和分離裝置的氣流速度對篩分效率之間的影響規律;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;馬彥軍等[5]建立了破碎函數的數學模型,為圓錐破碎機破碎過程中破碎生產率的動態優化提供了理論模型。

這些研究結果并不適用高濕物料的粉碎,主要是因為:(1)國內外研究的多數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)國內外的成果主要集中在農業、飼料和巖石等行業[7],沒有鹽泥粉碎方面的研究;(3)粉碎機的轉子結構還停留在普通的刀片和錘片結構,沒有用鏈條類的柔性結構進行試驗分析;(4)當前物料粉碎的研究成果中,大多數通過定性分析的方法來指導粉碎機的設計,統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,設計雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合式3種轉子結構,采用試驗的方法研究3種轉子結構在不同轉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構

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。

鹽泥物理特性參數如表1所示。

表1 鹽泥物理特性及成分

1.2 粉碎機結構的提出

鹽泥粉碎機主要由電機、皮帶輪、轉子部件、粉碎室以及轉子支撐架等組成。

筆者提出一種雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合式3種轉子結構。

其中,刀片鏈條組合結構如圖1所示。

圖1 刀片鏈條組合式粉碎機結構

2 鹽泥粉碎及粘附機理分析

通過觀察發現,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的刀片和鏈條打擊鹽泥泥餅發生的粉碎現象,撞擊粉碎是鹽泥經打擊初碎后與壁面發生的粉碎現象[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。根據牛頓第二定律可得,顆粒在t時刻的運動狀態方程[10-11]為:

(6)

(7)

式中:m—顆粒i的質量;us,i—速度;Ii—顆粒i的轉動慣量;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

當鹽泥泥餅由皮帶機輸送至進料口后,高速旋轉的刀片及鏈條和鹽泥泥餅發生碰撞,一部分鹽泥泥餅經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,導致掉落下來發生二次碰撞。

不考慮粉碎室內的氣流和轉子的自重,根據沖量-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量、刀片的速度、鹽泥泥餅的速度及打擊時間有關。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,硬度高則打擊時間短。

另外,第一次打擊前鹽泥還未破碎,質量相對較大,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,當撞擊力大于泥餅內聚力時泥餅會產生進一步破碎。

根據沖量—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量;Δt1—撞擊時間;λ—鹽泥泥餅的彈性恢復系數;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系數有關。撞擊速度vn隨著第一次打擊力的增大而增大,泥餅彈性恢復系數與其含水率和彈性模量有關。

2.3 粘結機理分析

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在粉碎室的壁面上。對于完全粘結在壁面上的鹽泥小顆粒,粘結過程遵循牛頓第二定律,由于顆粒很小,可將顆粒看作球體。

忽略重力及氣流阻力等影響,其粘結方程為:

(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,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力。

3 試驗方法

筆者通過調節變頻器的頻率對粉碎機主軸進行調速,每次試驗數據記錄完畢之后更換對應的轉子結構。本文主要考察轉子結構和轉子轉速兩個因素對物料的粉碎粒度和粘壁厚度影響。

根據上節理論分析和預實驗的效果,筆者最終確定了3種結構方式和6個轉子轉速的參數水平。

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)通過預實驗,確定可行的轉子轉速并制作數據記錄表;

(2)將制作好的轉子結構安裝至粉碎機,調節變頻器獲得試驗所需的轉子轉速;

(3)設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。粉碎完成,關閉電源;

(4)每隔0.5 h,用游標卡尺測量粉碎室壁面物料粘結厚度,并記錄;

(5)將粉碎過后的物料進行篩分并對每個篩分區間的顆粒進行稱量。記錄每次試驗結果,對試驗數據進行處理。

4 試驗結果與分析

4.1 粒徑分布

由于實際生產需要,筆者以20 mm以下粒徑質量占比為評價指標表征粉碎機的性能,通過大量試驗得到數據,同時剔除異常數據。

所得到的顆粒粒徑質量分布表,如表3所示。

筆者對粉碎后的粒徑進行分析,在不同轉子轉速下,雙刀片、雙鏈條及刀片鏈條組合3種轉子結構的粒徑變化曲線如圖3所示。

表3 顆粒粒徑質量分布

圖3 不同轉子結構和轉速下的粒徑分布曲線

由圖3可知:

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

(2)以小于20 mm的粒徑占總質量的比值為衡量指標,雙刀片結構和刀片鏈條組合結構的粉碎效果優于雙鏈條結構,隨著轉速的增大,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;當轉速超過1 200 r/min時,粉碎顆粒向大粒徑方向偏移,這是由于轉速過大,賦予第二次粉碎的顆粒能量就大,導致粉碎后的一部分小顆粒之間互相粘結,但再次粘結后的顆粒間粘結鍵強度遠小于初始物料的粘結鍵強度。

4.2 粘壁厚度

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

粉碎機粘壁厚度的試驗數據如表4所示。

表4 不同轉子結構和轉速下的粘壁厚度變化

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

根據表4所得的試驗數據,筆者繪制了粘壁厚度隨轉子結構和轉子轉速的曲線,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。隨著轉速的增加,粘壁厚度也隨之增加,與上節粘結機理分析相吻合。當轉子結構為雙刀片結構時,粘壁厚度一直增加,而雙鏈條和雙刀片結構則逐漸趨于穩定。相同轉子結構,同一時刻,不同轉速下,粘壁厚度最大差值分別為23.40 mm、13.08 mm、17.06 mm;相同轉速下,同一時刻,不同結構下,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。從數據可以看出,結構不同,粘壁厚度差值越大,表明粉碎機轉子結構對粘壁厚度的影響大于轉子轉速;

(2)雙刀片結構的粘壁厚度持續增長,而雙鏈條結構和刀片鏈條結構的粘壁厚度逐漸趨于穩定,穩定的時間分別為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,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會繞鏈環進行轉動,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計有重要的指導意義。

圖4 不同轉子結構和轉速下的粘壁厚度變化曲線

4.3 粒徑分布選擇函數

粒徑分布函數能夠有效地表征粉碎顆粒的分散程度,也可以預測粒徑的分布范圍[12]。筆者利用MATLAB對得到的試驗結果,按正態分布、對數正態分布和R-R分布進行擬合。根據擬合所得到的數據發現,鹽泥破碎后的粒徑遵循R-R分布函數。

由于篇幅有限,現只給出R-R擬合函數、破碎程度指數λ、破碎程度指標數n以及回歸值R2。

R-R的函數表達式為:

(12)

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

為了便于數據分析和擬合,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;n—破碎程度指標[14]。

根據式(14)可得到3種結構下顆粒累計質量分數隨轉速的擬合函數及回歸值R2,如表5所示。

表5 粒徑分布選擇函數的擬合公式

由表5可知:

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

(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種結構下,轉速為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;相同轉速下,雙刀片和刀片鏈條組合結構的粉碎效果相差無幾,均優于雙鏈條結構,與試驗結果吻合。同種結構,不同轉速λ差值最大為0.420 88,相同轉速,不同結構下λ差值最大為0.218 38,說明轉速對粉碎后的小顆粒分布的影響大于轉子結構;

(3)粉碎特性指標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中數據可以看出3種結構不同轉速下的n值相差較小,說明粒度均勻性相當。3種結構下,轉速為900 r/min、1 300 r/min及1 400 r/min時,粒度均勻性稍高于其他轉速,但平均粒度集中在20 mm以上,和4.1所得出的隨著轉速的增加,小顆粒會再次粘結的結論相吻合。

5 結束語

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

(1)轉子轉速對粒徑分布的影響大于轉子結構,而轉子結構對粘壁厚度的影響要大于轉子轉速。當轉子結構為刀片鏈條組合式結構時,20 mm以下粒徑占比均在75%以上,和雙刀片結構相差無幾,優于雙鏈條結構;雙鏈條和鏈條刀片組合式結構的粘壁厚度隨著時間的增長逐漸趨于穩定,而雙刀片則持續增加。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構為鹽泥粉碎機的轉子結構;

(2)隨著轉速的增加,顆粒粒徑分布隨著轉速的增大逐漸向小粒徑方向偏移,20 mm以下粒徑占比增加,當轉速為1 200 r/min時,3種結構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生粘結,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;

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

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