【摘 要】
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大量堆置的粉煤灰造成了严重的资源浪费、土地侵占和环境污染,其超细化、规模化利用是资源可持续和环境保护的双重需求。目前粉煤灰利用呈现低效、低值、高能耗等关键行业痛点,超细粉碎对粉煤灰高值化、规模化利用至关重要,传统粉碎技术因不能超细化或大型化等诸多不足限制了粉煤灰大规模利用,急需研发规模化的粉煤灰超细粉碎工艺、技术和装备。为此,本文采用工业余热制备过热蒸汽作为粉碎介质实现粉煤灰的规模化、低成本超细粉
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大量堆置的粉煤灰造成了严重的资源浪费、土地侵占和环境污染,其超细化、规模化利用是资源可持续和环境保护的双重需求。目前粉煤灰利用呈现低效、低值、高能耗等关键行业痛点,超细粉碎对粉煤灰高值化、规模化利用至关重要,传统粉碎技术因不能超细化或大型化等诸多不足限制了粉煤灰大规模利用,急需研发规模化的粉煤灰超细粉碎工艺、技术和装备。为此,本文采用工业余热制备过热蒸汽作为粉碎介质实现粉煤灰的规模化、低成本超细粉碎,通过理论计算和FLUENT流体仿真分析了从工业余热到粉碎动能的能量转化模型,阐明了蒸汽转化为粉碎动能的规律,研究了设备结构尺寸、蒸汽参数等关键控制条件与粉碎分级流场之间的关系,揭示了蒸汽粉碎的动力学机,建立了蒸汽粉碎关键控制技术体系。基于以上研究,设计建成了单机蒸汽量10t/h的蒸汽动能磨工业产线,通过工业实验验证和优化了蒸汽粉碎的关键控制技术体系,并分析评价了经济与环境效益。主要研究工作及取得的成果如下:（1）基于热力学第一定律,从能量转化过程和粉碎介质动能利用率的匹配角度,研究了工业余热到粉碎动能的能量转换过程和转化率、蒸汽粉碎分级流场特征,揭示了工业余热转化为蒸汽有效粉碎动能的转化机理,建立了蒸汽粉碎的动力学机制。利用工业余热作为能源供给的蒸汽粉碎,具有能量转换环节少、有效粉碎动能转化率高、粉碎动能大等特点。空气粉碎的动能转化率随粉碎压力的增加而降低,在常规空气粉碎压力为0.5-1.3 MPa范围内的平均动能利用率为8.58%,而蒸汽粉碎在常规压力0.5-4.0 MPa范围内的平均动能利用率为17%,是常规空气粉碎的2倍,且最小利用率为10%;蒸汽压力4.0 MPa的速度可达到1200 m/s。（2）研究了不同蒸汽参数、喷嘴尺寸和数量、叶片角度、进料粒径、筒体角度等关键控制条件下,喷嘴的蒸汽相变、粉碎流场、颗粒加速、分级流场的特征之间变化规律,建立了蒸汽粉碎的关键控制技术体系。结果表明,在喷嘴进口蒸汽压力0.5 MPa时,温度高于饱和度120℃,喷嘴出口蒸汽不会产生相变;马赫数越高颗粒加速性能越好,加速50μm颗粒时,1.78Ma比1Ma颗粒获得最高速度高320 m/s;颗粒越大加速性越差,在1.48 Ma时,20μm颗粒获得最大速度和最大速度的位置是550 m/s和11.7倍,而1000μm颗粒的是147 m/s和19.1倍。蒸汽分级流场特性研究表明,该条件下蒸汽分级最优关键控制条件为,流量1.4 kg/s、叶片角度在25°、筒体角度9°。（3）粉碎和分级耦合流场特性研究结果显示,3喷嘴较6喷嘴所形成的耦合流场更均匀,且其分级区域流线无涡流产生,其旋流流线优于6喷嘴;同时相同粒径下颗粒获得的最大速度差50 m/s,3喷嘴的颗粒加速特性优于6喷嘴,综合来看大型蒸汽动能磨选择3喷嘴设计更好。（4）设计建成了单机蒸汽耗量10 t/h的蒸汽动能磨粉碎粉煤灰工业产线,已稳定运行3年,通过工业实验分析了蒸汽磨的蒸汽参数、喷嘴尺寸和数量、叶片角度和进料粒径等关键控制条件对产量、成品粒径和能耗的影响,验证和优化了前面的蒸汽粉碎关键控制技术体系。实验表明,用原灰生产d90＜10μm的最优控制条件为:喷嘴数量3个、蒸汽进口压力1.0 MPa、叶片角度0,此时产量2.56 t/h,能耗3.34 t蒸汽/t产量;用一级灰生产d90＜10μm的最优控制条件为:喷嘴数量3个、蒸汽压力0.95 MPa和叶片角度25°时,产量3.06 t/h、能耗3.01 t蒸汽/t产量。（5）10 t/h蒸汽磨经济效益分析表明,生产一级灰产量21.6万吨/年,总投资1270万元（不含土地费）,投资回收期为9个月（不含工厂建设）,比传统球磨机生产一级灰节能40%,具有较好的经济效益。本论文为工业余热的高效利用提供了新途径,为粉煤灰的高产量、低能耗粉碎提供了新方法、新工艺及新装备,建立了利用工业余热规模化超细粉碎粉煤灰的节能减排新机制,为推动大宗固体废弃物资源化工业应用奠定了基础。
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