硫粉密闭式氮气保护冲击磨系统的研究与优化

  硫磺粉闭式氮气保护分级式冲击磨系统内部的压力分布是数值模拟中最为重要的关注点，根据各部位压力分布可以得知与外界空气的压差，如若压差过大则会过多的排出系统氮气或者吸入外部空气，会导致系统内空气含量增多而氧含量降低，给系统带来危险性。由于系统中的组成构件较多，所以影响压力分布的因素也有很多，比如风机出口压力、表冷器阻力、主机及分级机阻力、除尘器阻力等；根据工业现场已有的压力测点可得知表冷器出口、主机、除尘器出口压力，但测点的数量有限，不足以很直观的了解到闭式循环系统的压力分布状况；随着计算机质量的提高和计算流体力学（computational fluid dynamics）理论的完善，利用数值模拟手段可以将复杂的流体运行在计算机上得出结果。本章将利用数值模拟的方法，分析得出闭式系统内的压力分布状况并根据现场实际状况加以优化，为日后的工业生产提供依据。

  氧化剂、可燃物以及炸药等被列为易燃易爆材料，但是这些材料在很多领域都有着不可替代的作用。随着各类行业的迅速发展，工业中对该种材料的要求逐渐提高，其中较为典型的要求就是超细化，原因是细化后的材料能发挥出更强大的性能和作用。比如：作为火箭推进剂的强氧化剂高氯酸铵，当其粒径在 100-200μm 范围内，则固体推进剂可以达到 10-20mm·s-1的燃烧速度。在同等条件下，低于 2μm 的颗粒可以达到80-100mm·s-1 燃速。由于易燃易爆材料大多数用于军工行业，比如高氯酸铵、红磷等，所以国内外对这类材料在细化过程中的安全问题以及不同粒度下的作用披露很少，而且对该类型材料安全粉碎生产设备及生产工艺条件没有系统的介绍。目前，国内外的超细粉碎分为干式与湿式，干式粉碎有以下四大类：气流粉碎、机械旋转冲击粉碎、搅拌研磨粉碎与球磨粉碎，而湿式粉碎要借助水或者酒精等介质中，局限性较大。气流粉碎是利用喷嘴产生高速气流，而后物料在气流的带动下加速并且相互碰撞，以此来达到粉碎的目的。气流粉碎的优势在于动力来源为气体，可以根据物料的性质选择不同类型的气体，物料之间进行碰撞，不会引入杂质。罗文等利用气流粉碎技术与传统低热固相反应结合的方法，制备出了对氨基苯甲酸铜，并与固相研磨作进行对比。蔡艳华等利用超音速气流粉碎制备出了超细碳酸钙，并且原料转化率达到了 100％；胡建昌等以气流粉碎的方式制备碳酸钙粉体，发现静电对成品的影响效果，结果表明静电对中位径较大的原料粉碎后分散效果比较明显。Rangarajan等提出将低温技术应用于粉碎过程中，能取得较好的效果。吴建明将惰性气体保护应用在了气流粉碎中，并安全的制备出铝粉，以此来保护气流粉碎的安全性。气流粉碎不仅适用于工业生产，同时也可以应用于食品、医药等领域，并达到理想的效果。针对火药 RDX、HMX 和 TATB 这类比硫磺更易爆炸的物料，刘俊志采用气流粉碎的方式成功的制备出了微米级别的火药粉体，并且纯度优于湿式粉碎方法；邓国栋等利用扁平式气流粉碎机制备出了 d50＝2μm 高氯酸铵(AP)粉体；吴飞等通过对气流粉碎设备的改进与优化，易燃易爆的强氧化剂高氯酸铵在粉碎过程中并未发生燃烧爆炸事故；李广超等对圆盘式气流粉碎进行了改进与优化，并制备出了微米级别的高磷酸铵，解决了以往粉碎后 AP 吸湿性增强的缺陷。气流粉碎的强度一般比较大，常用于硬度较高、纯度要求较高的粉体，而硫磺粉自身脆性比较大，若使用气流粉碎会使粒度过小而不适用于后续的使用。旋转冲击粉碎设备是利用高速离心原理，使预留在颗粒粉碎腔内的冲击件与颗粒、粗颗粒与细颗粒之间进行混合碰撞、摩擦、破碎，将较粗颗在较短时间内粉碎到设定粒径。此外，为更大程度缩减粉碎时间、提升粉碎效率，在粉碎腔体中会将衬板和冲击件之间预留部分间隙，利用冲击效应使颗粒在间隙中充分摩擦混合，大大缩短颗粒在腔体内运动时间。而搅拌研磨粉碎是利用机械设备进行粉碎的另一种方式，其是利用轴承带动研磨件，进行规律式的运动，使物料之间产生摩擦力从而得以粉碎。球磨机的运作方式与旋转冲击粉碎设备相似，不同点在于其实依靠罐体旋转或者振动的方式带动内部研磨件运动，使器件之间相互碰撞得以粉粹颗粒。由于物料的性质、属性、硬度、形态差别巨大，对粉碎设备的选择和要求也相差甚远。为了适应不同的物料均能达到研磨粒度标准，我国一直在加大对研磨粉碎设备的开发。国家超细粉体工程技术中心已发明出 LG 型粉碎机，这种超新型研磨技术已能生产出亚铬酸铜纳米级催化剂，此设备融合机械、射流、剪切力这三种不同研磨方式，足以使物料粉碎至纳米级水平，可将脆性和韧性猛炸药最终粉碎至 8μm 以下，脆性猛炸药甚至可达到 5μm 以下。冯蒙蒙等对立式搅拌球磨机进行了 HMX 产品粉碎试验，根据调节研磨时间、浆料浓度、搅拌器转速、研磨器件和加入分散剂等工艺制备出了 d50 为 0.21μm 的成品。刘杰等改进优化了双向旋转球磨机，成功的制备出了 HMX 粉体，并且粒度分布与产量要优于湿式粉碎。宋健等选用氧化锆球作为研磨器件，利用球磨机制备出了亚微米级氧化剂 AP（高氯酸铵）。朱瀛波等对 CM51 型粉碎机的使用范围进行了进一步补充，使得在二十世纪九十年代，被大量的投产到生产应用中。张方强等添加了保护气体发生器和阻燃设备于广义磨中，生产出了 325 目过筛率达 90%的硫磺粉。孙可平等人对硫磺的粉碎方式进行了研究与对比认为，对于橡胶用硫磺的粒度范围，最为合适的粉碎方式是机械冲击法。虽然针对易燃易爆材料的粉碎方式方法众多，但大都停留于实验理论阶段，离投产使用还需补充更多的工艺和操作参数，故以上粉碎设备还未大范围投入的生产应用中。付瑜等在设备中增设雾化喷嘴，通过增大气流湿度缓解硫磺粉粉碎过程中静电团聚现象，但未在根本上解决粉尘爆炸的问题。

  2 氮气保护分级式冲击磨工业实验

  2.2 系统主要设备

  分级式冲击磨是一种干式械式设备，该设备同时包括了研磨与分级作用。机械粉碎法是制备硫磺最为合适的粉碎方法，硫磺颗粒硬度较低，不适用于粉碎强度较大的气流粉碎，所以本课题选取的 LNI-330A 型机械式冲击磨，在粉碎过程中，硫磺粉尘随着气流作用受到离心力和流曳力，如果离心力大于气流曳力，则会返回到粉碎腔，而那些粒度符合要求的粉体则会通过分级轮进入到除尘器从而被收集。王晓天对 LNI 型分级式冲击磨进行了实验研究，分别寻找了锤头数量、线速度、锤头高度的最优参数，研究结果显示了不同的试验参数对粉体成品的影响，最优值如下：锤头数量为 8 个，线速度为 90 m/s，锤头高度为 35 mm。本系统选取的粉碎设备为机械式冲击磨，主机电机为 55kw，分级机电机 7.5kw，磨盘采用不锈钢材质。研究人员同时也利用了数值模拟的手段验证了上述冲击磨参数的可靠性，并进一步的对分级机的参数做了一定的研究，结果如下：分级轮的叶片数量与粉碎腔内的气流运动有着直接关系，叶片的数量与气流径向速度成正比，但有一个上限值，并不会无限制的增大；分级轮的直径与高度的比值称为高径比，经研究发现 0.6~0.8 为最优比值，此时粉碎腔内的流场较为规律，有利于含尘气流通过分级轮，增加了颗粒通过效率。根据以上研究选取分级轮高度是 390mm，直径 490mm，高径比为 0.79，存在于最优范围内，叶片数量为 72 个，倾角 15。表面式冷却器简称表冷器，也被称为翅片管换热器。由于在硫磺粉碎的过程中，金属件与硫磺相互摩擦碰撞会产生大量的热量，而且高压引风机运行时也会产生热量，这些热量会一直存在于循环的氮气中而无法排出，导致系统温度逐渐升高，而粉碎的物料硫磺具有易燃易爆性，较高的温度会使硫磺粉升华而产生爆炸危险，所以要安装表冷器使系统温度维持在安全范围内，表冷器的安装位置在风机的出口，用于及时的对洁净气流进行降温。