电石渣除杂用水力旋流器结构设计研究-冯静安

第42卷2014年第11期本栏目编辑　张代瑶分·选98电石渣是电石法乙炔生产中由电石(CaC2)与水反应生成的废渣[1]。电石渣中的主要成分Ca(OH)2经煅烧后转化为石灰(CaO)，可替代石灰石作为生产电石的原料。受电石渣中杂质的影响，电石渣不能直接利用，而需预先进行除杂处理。水力旋流器是工业生产中常用的两相分离设备，它利用其内部强大的离心力场，能够根据颗粒的粒度和密度差异进行快速分离[2-3]。由于水力旋流器内部流场的复杂性，以及影响因素的多样性和综合性，尽管国内外学者进电石渣除杂用水力旋流器结构设计研究1华中科技大学机械科学与工程学院　湖北武汉　4300742石河子大学机械电气工程学院　新疆石河子　832003应用手工筛分法测试并分析了某厂电石渣的粒度分布，结合该厂电石渣检测数据，分析了电石渣主要成分及杂质含量，应用XRD分析了不同粒度范围的电石渣组成成分及成分含量，通过试验确定了电石渣中主要成分及杂质的密度。基于电石渣的物理特性，进行了电石渣除杂工艺分析，制定了电石渣除杂工艺方案。基于电石渣物理特性及除杂工艺方案，结合水力旋流器的结构设计理论及经验公式，对电石渣除杂用水力旋流器进行了结构设计，分析了结构设计的合理性，为电石渣除杂用水力旋流器的结构优化研究奠定了基础。电石渣；除杂；物料特性；水力旋流器；结构设计ResearchonstructuraldesignofhydrocycloneforrefiningofcarbideslagFENGJing'an1,2,WANGWeibing2,TANGXiaoqi1,QIUYanjun2,YINGRui21SchoolofMechanicalScience&Engineering,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,Hubei,China2CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832003,Xinjiang,ChinaAbstract：Manualscreeningmethodwasappliedtotestandanalyzetheparticlesizedistributionofcarbideslagfromafactory,andincombinationwithdetectiondataofthecarbideslag,mainingredientsandimpuritycontentswereanalyzed.Inaddition,XRDwasappliedtoanalyzetheconstitutionandcontentsofcarbideslaginvarioussizescopes,andtestwascarriedouttoobtainmainingredientsandimpuritydensityofthecarbideslag.Basedonphysicalpropertiesofthecarbideslag,refiningprocessofcarbideslagwasanalyzed,andrefiningschemewassetup.Afterthat,incombinationwiththehydrocyclonestructuraldesigntheoryandempiricalformula,thestructureofthehydrocycloneforrefiningofcarbideslagwasdesigned.Thereasonablenessofthehydrocyclonestructuraldesignwasanalyzedlater.Thestudyofferedfoundationforstudyonstructuraloptimizationofthehydrocycloneforrefiningofcarbideslag.KeyWords：carbideslag;refining;materialfeature;hydrocyclone;structuraldesign国家自然科学基金(51264034)冯静安，男，1977年生，博士研究生，讲师，主要研究方向为机械设计理论与方法。唐小琦，男，1957年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为机械制造装备。第42卷2014年第11期本栏目编辑　张代瑶分·选99行了大量研究[4-10]，但目前水力旋流器的结构设计仍然以经验和半经验设计为主[11]。笔者针对电石渣除杂这一具体工程问题进行研究，详细分析并确定了电石渣除杂用水力旋流器的结构参数及操作参数，为电石渣除杂用水力旋流器的结构优化研究奠定了基础。将电石渣烘干后，采用手工筛分法进行5组试验。每组精确称量50.00g电石渣，应用300、200、150、100、74、45、25µm标准筛网进行筛分，得到的电石渣粒度分布如表1所列。由表1可知，在电石渣粒度大于45µm范围，变异系数小于10%，手工筛分能够较好地反映出电石渣的粒度分布；当粒度小于45µm时，变异系数超过25%。因此，对于粒度小于45µm的电石渣不宜用手工筛分进行粒度分级。将试验数据中的底盘质量统一划入小于45µm范围，根据表1中的电石渣各粒度区间的质量平均值，得电石渣各粒度区间的质量百分比与累计分布如表2所列。试验中所用的电石渣为某厂干法乙炔生产后的废渣，取电石渣钙含量最低的检验结果，电石渣主要成分如表3所列。由表3可知，电石渣中CaO含量达67.02g，折算为Ca(OH)2质量达88.56g，质量百分比达88.93%。由折算后的Ca(OH)2质量计算的烧失量Loss为21.54g，小于表3中的Loss值，因此，可以判断，电石渣中还存在有少量的CaCO3，这可能是由于生产CaC2时，C不足造成的；也可能是含有少量的C在生产CaC2时，C过量造成的。由于CaCO3和C都能在电石渣循环利用中被有效利用，因此不作为杂质对待。电石渣杂质的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，这4种杂质总量为8.56g，质量百分比为8.60%，其他杂质约占电石渣总质量的0.56%。通过XRD(X射线衍射)定性分析了电石渣粒度小于45µm时的电石渣组成成分，如图1所示。通过定量分析，计算的Ca(OH)2含量达98%，并含有近1%的CaSi2及少量单质Fe。通过对不同粒度范围的电石渣颗粒进行分析发现，随着电石渣粒度增加，电石渣中的Ca(OH)2含量减少，杂质含量增大，并且杂质中的Fe主要以硅铁的形式存在；随着电石渣粒度的减小，硅铁的密度增大，平均密度达3.2g/cm3。通过对不同粒度范围的电石渣进行密度测量发现，电石渣密度随粒度减筛网尺寸/µm(目)300(60)200(80)150(100)100(150)74(200)45(325)25(500)底盘粒度分布/µm300200~300150~200100~15074~10045~7425~452513.551.101.834.635.6228.174.640.4623.511.251.904.295.7029.543.040.7733.631.271.794.805.5729.412.660.8743.101.311.984.494.8528.655.150.4753.441.251.683.954.9028.515.360.91均值/g3.451.241.844.435.3328.864.170.70标准偏差0.180.070.100.290.370.531.110.19变异系数/%5.335.785.526.626.991.8426.6127.88质量百分比/%6.892.473.678.8610.6657.718.341.39分组测量质量/gTab.1Particlesizedistributionofcarbideslag注：底盘中的电石渣质量在计算时包含了试验过程中产生的电石渣质量损失。Tab.3Mainingredientsofcarbideslagg成分LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OR2OCL-∑水分平均23.444.271.940.8367.021.520.10.210.240.0199.585.86粒径/µm区间质量/％累计质量/％≤459.739.7345~7457.7167.4474~10010.6678.10100~1508.8686.96150~2003.6790.63200~3002.4793.103006.8999.99Tab.2MassdistributionofcarbideslaginvarioussizescopesµFig.1XRDanalysisofcarbideslagwhosesizelessthan45µm第42卷2014年第11期本栏目编辑　张代瑶分·选100小而增大，小于45µm的电石渣颗粒密度最大达2.234g/cm3。通过试验及查阅资料，对电石渣中主要成分密度进行确定，如表4所列。为实现电石渣的循环利用，需要对电石渣进行除杂工艺的设计。由表2可知，粒度大于150µm的电石渣颗粒占总量的13.03%，所占比例不大，但该部分电石渣杂质含量较大。因此，工艺方案中考虑不对该部分颗粒进行杂质分离处理。由图1分析结果可知，粒度小于45µm的电石渣中Ca(OH)2含量达98%，能够直接进行利用，但由于含量较少，仅占9.73%，因此不宜单独处理；对于45µm粒度≤150µm的电石渣颗粒需要进行杂质分离处理。由于同一电石渣颗粒中既包含有Ca(OH)2，又包含有杂质，因此，要实现除杂，首先要将电石渣颗粒进行磨粉处理，将电石渣颗粒磨至小于45µm。由表4可知，电石渣中密度最小的主要杂质为硅铁，与Ca(OH)2存在一定的密度差，因此可以据颗粒的密度差异进行分离。水力旋流器是工业生产中常用的两相分离设备，它利用其内部强大的离心力场，能够根据颗粒的粒度和密度差异进行快速分离，具有结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面积小等诸多优点，适于电石渣的除杂处理。由上述工艺分析，制定工艺方案如图2所示。首先用150µm(100目)筛网对电石渣筛分，将筛下的电石渣送入磨粉机磨至粒度小于45µm，然后将磨后的电石渣颗粒加水调浆，送入水力旋流器进行分离，从旋流器溢流口收取提纯后的Ca(OH)2。水力旋流器的基本直径D=19.5qm0.5ρm0.25ΔPm-0.25，(1)其中ρδδmww=+−CC()1，(2)式中：qm为生产能力，m3/h；ρm为矿浆密度，t/m3；ΔPm为给矿压力，MPa；δ为矿石密度，t/m3；Cw为矿浆质量浓度，%。水力旋流器矿浆由矿石和水混合而成，矿石密度δ=2.234t/m3。根据试验要求，选定单个水力旋流器生产能力qm=2~5m3/h，设计水力旋流器给矿矿浆质量浓度Cw=10%～30%，根据分级粒度为45µm，确定给矿压力ΔPm=0.12~0.18MPa。由式(1)、(2)可得水力旋流器的直径范围：43mm≤D≤78mm，按中值选取D=60mm。选取水力旋流器结构参数经验公式如下：圆柱段长度，H=(0.7~1.6)D；给矿口直径，di=(0.15~0.25)D；矩形入口长宽比，L/B=0.33~0.424；溢流口直径，d0=(0.20~0.30)D；溢流管插入深度，h=(0.5~0.8)D；底流口直径，du=(0.2~0.07)d0。由于分级粒度较小，取锥角β=15°，圆柱段长度H=1.15D≈70mm，给矿口直径di=0.2D=12mm，对应的矩形尺寸为L=7mm，B=16mm。因杂质比例较少，取溢流口直径d0=0.3D=18mm，底流口直径du=45d0≈8mm，溢流管插入深度h=0.65D≈40mm。根据给矿矿浆质量浓度Cw=10%~30%，由式(3)得体积浓度4.7%≤Cv≤16.1%。水的黏度µ=0.001Pa·s，由式(4)可得矿浆黏