1、收稿日期：作者简介：胡祥东（），高级工程师；离心粒化的黄磷渣颗粒直径尺寸的研究胡祥东 郭 英 张道明 何 苗（.中节能工业节能有限公司，.重庆赛迪热工环保工程技术有限公司）摘 要 为研究高温黄磷熔渣转杯粒化后的颗粒直径，通过中试试验考察了熔渣温度、熔渣流量、转杯转速以及转杯直径等因素对粒化颗粒直径的影响，同时通过波理论建立了粒化颗粒直径的模型公式，试验结果与模型计算结果拟合较好，表明模型计算结果对工程应用有一定的参考意义。关键词 黄磷渣 转杯粒化 颗粒直径文献标识码：文章编号：（）（.，.，），黄磷炉渣是电炉法制备黄磷时产生的固体废物，每生产 黄磷副产熔渣.。从电炉中排出的熔融黄磷渣温度为 ，
2、炉渣热量为.，相当于.，占电炉能耗的.。黄磷渣后续资源化利用的主要方式有 将黄磷渣用作水泥原料、磷渣水泥掺和料或生产磷渣硅酸盐水泥和废渣砖、利用黄磷渣制备免烧砖路基材料、陶瓷材料、白炭黑、微晶玻璃、耐火保温纤维及生产混凝土等。目前对黄磷渣的处理主要是水淬法，即高温熔渣与水直接接触换热，产生的淬渣水直接用作喷淋洗涤水或者制备热水，回收热量约占炉渣显热的.，这种处理方法不仅浪费了熔融态黄磷渣的显热，还造成了水资源的浪费与污染。因此，为充分利用黄磷高温熔渣的余热资源，可借鉴高炉渣粒化方法，即通过转杯粒化形成凝固的高温渣粒，再利用自流床余热锅炉进行高温颗粒的余热回收。近几年针对高温熔渣粒化进行了大量研
3、究。已公开发表的文献中虽然对高温熔渣离心粒化机理有所阐述，并且给出粒化颗粒直径的经验公式，但大部分都是针对高炉渣的粒化特性进行研.冶 金 能 源 究。要保证转杯粒化的效果，就必须保证熔渣有良好的流动性，熔渣在转杯上的粒化过程中温度保持在 以上，粘度约为.。尚未见对于黄磷熔渣粒化研究的报道。文章详细分析了高温黄磷炉渣离心粒化过程及机理，在此基础上进行了黄磷炉渣离心粒化实验，并对实验结果进行了分析，修正了颗粒直径经验公式。黄磷炉渣物理性质.化学成分通过 荧光射线（）定性及半定量测试，得到黄磷渣主要成分为、，含有部分、，及少量的、等金属氧化物以及和等，具体见表。表 黄磷渣主要成分.粘度黄磷渣粘度随着
4、温度的变化关系见图。随着温度降低，黄磷渣的粘度缓慢增加，在 左右出现凝固相之后，黄磷渣的粘度急剧上升，即黄磷渣在 以下不易粒化，需保证粒化过程中黄磷渣温度在 以上。图 黄磷渣粘度随温度的变化关系.比热比热随着温度变化曲线见图。随着温度升高，黄磷渣比热逐渐升高。通过积分求平均值得 的平均比热为.（）。转杯粒化试验.试验装置整套装置主要由电炉、中间包、旋转粒化部分、视频采集部分（高速相机采集、常规视频采集）以及渣粒收集部分组成。其中定径水口主要作用是准确控制熔渣流量；烘烤装置用于保持渣温稳定，减少熔渣凝固。.试验步骤图 黄磷渣比热随温度的变化关系 试验过程首先分批次进行熔炼化渣，待渣粒全部熔化后测
5、温达到目标温度，对出渣口吹氧出渣，同时启动粒化系统，转杯按设定转速进行离心粒化，并启动各检测装置。而后收集固体渣粒筛分称重，读取检测数据，分析试验结果。实验流程见图。.试验参数选取主要影响参数：排渣温度、熔渣流量、转杯转速、转杯直径，进行多组正交试验，分析每个参数对粒化后颗粒直径的影响规律，部分试验参数见表。波理论的转杯粒化计算图 描述了熔渣液膜破碎的过程。熔渣液膜在离开转杯后表面出现扰动波，当扰动波的振幅达到临界振幅时，液膜破碎形成圆柱状的液丝，液丝在飞行过程中受到表面张力和黏性力的作用，最终断裂、破碎成球形的液滴。冶 金 能 源 .图 试验流程表 试验参数转杯直径 转杯转速（）熔渣流量（）
6、熔渣温度.图 膜状破碎过程 当溶液的供入流量一定时，在转杯的半径方向上液膜的厚度是不一样的。溶液在与转杯内壁交界面处受到摩擦力的作用，沿液膜厚度方向受到黏性力的作用，并且这个黏性力是与离心力相平衡的。液膜在转杯内倾斜壁上流动的过程中，受离心力的作用，共有两个速度分量，一个是沿内倾斜壁方向的速度，一个是沿转杯方位角方向的速度，转杯边缘处液膜的速度分量见图。假设初始时间 时，液膜在 点，经过时间 后，液膜达到了 点（，），将速度带入后，液膜在 点处的厚度为：图 转杯边缘处液膜的速度分量（）（）（）（）（）式中：为到转杯中心距离为 处液膜的厚度，；为溶液的体积流量，；为转杯外壁的倾角；为转杯边缘处液
7、膜沿内倾斜壁方向的.冶 金 能 源 速度；为转杯边缘处液膜沿方位角方向的速度；为转杯外缘半径，；为溶液的动力粘度，；为溶液的密度，；为转杯的角速度，。当液膜上扰动波的振幅达到临界振幅时，扰动波的波峰和波谷位置发生断裂、破碎成液片，此时液片的宽度为半个波长。在表面张力的作用下液片形成圆柱状的液丝，由质量守恒可知：（）式中：为破碎后液丝的直径，；破碎时波长 ，为扰动的增长率达到最大值时相应的波数。根据 理论，液丝破碎时，膨胀波的最佳波长 为：（）（）式中：为最佳波长；为奥内佐格数，是流体力学中用来度量黏性力与惯性力和表面张力的相互关系的无量纲量。根据质量守恒可得破碎后液滴的直径：（）（）式中：为破
8、碎后液滴的直径，。液滴在飞行过程中冷却，当液滴温度低于凝固点温度时，液滴凝固成固态颗粒，颗粒的直径根据式（）计算。（）式中：为膜状破碎凝固后颗粒的直径，；为凝固后颗粒的密度，。试验破碎方式均为膜状破碎，因此采用式（）的计算结果与试验结果进行对比分析。结果分析.颗粒平均直径将所有收集槽的渣粒收集到一起，用不同目数标准筛进行筛分，获得粒径不同的渣粒，用天平称量每个标准筛内渣粒的质量，记录下不同粒径渣粒的质量，得到粒径分布和平均粒径，平均粒径计算公式为：.将 组试验数据处理后，得到颗粒平均直径与模型计算颗粒平均直径进行对比，见图。模型计算结果与试验结果总体在可接受范围内，部分存在误差，其中有两组误差
9、在 左右，其他误差几乎都在 以内，因此模型计算结果对工程应用有一定的参考意义。图 试验数据与模型数据对比.影响因素接下来分别分析熔渣温度、熔渣流量、转杯转速以及转杯直径对颗粒直径影响情况。（）熔渣温度试验选取熔渣温度为 、和 ，在其他参数不变的情况下进行了 组试验，通过筛分计算粒化后的颗粒平均直径，以及模型计算颗粒直径，见表。表 不同熔渣温度下的颗粒平均直径熔渣温度 试验颗粒平均直径 模型计算颗粒直径 .从表 中可以看出，在 时，熔渣温度对平均粒径的影响较小，整体上平均粒径随温度提高而略有增大。这是因为熔渣粘度随温度增加而变小，但变小幅度不大，因此破碎熔渣需要克服的黏性力变小，故平均粒径变大，
10、但冶 金 能 源 .变化幅度不大，因此温度对颗粒直径的影响可忽略。（）熔渣流量选取熔渣流量为 、和 ，在其他参数不变的情况下进行 组试验，通过筛分计算粒化后的颗粒平均直径，以及模型计算颗粒直径，见表。表 不同熔渣流量下的颗粒平均直径熔渣流量（）试验颗粒平均直径 模型计算颗粒直径.从表 中可以看出，随着熔渣流量增大，平均粒径增大，这是因为转杯边缘处的液膜随着熔渣流量变大而变厚，液膜破碎形成圆柱状的液丝直径变大，最终断裂、破碎成球形的液滴的直径变大。（）转杯转速选取转杯转速为、和 ，其他参数不变的情况下进行 组试验，通过筛分计算粒化后的颗粒平均直径以及模型计算颗粒直径，见表。表 不同转杯转速下的颗
11、粒平均直径转杯转速（）试验颗粒平均直径 模型计算颗粒直径.从表 中可以看出，随着转杯转速的提高，渣粒平均直径呈下降趋势，但是转速不宜过大，转速过大时对渣粒平均直径的影响程度会变小，且造成了电能的浪费，而且高转速会使丝状物占比增多。（）转杯直径选取转杯直径为、和 ，其他参数不变的情况下进行 组试验，通过筛分计算粒化后的颗粒平均直径以及模型计算颗粒直径，见表。表 不同熔渣流量下的颗粒平均直径转杯直径试验颗粒平均直径模型计算颗粒直径.从表 中可以看出，随着转杯直径的增大，平均粒径减小。这是因为转杯直径增大，杯缘处离心力增大，使得液膜厚度变薄，产生的渣粒直径变小。结论对黄磷炉渣转杯粒化进行了试验研究，
12、得到颗粒直径的计算公式。对公式计算结果以及试验结果进行对比，在大部分试验中，计算结果与试验结果误差较小，因此该公式可对工程中的操作参数起到预测作用。同时，分析了熔渣温度、熔渣流量、转杯转速和转杯直径对粒化颗粒直径的影响规律，熔渣温度对渣粒直径没有明显影响，但对后续的凝固有影响。另外，进行放大试验或者工程应用，需要增加熔渣流量时，建议增加转杯转速或者转杯直径，可获得适宜的熔渣颗粒直径。参考文献 孙成，郑峰伟，任园园，等.黄磷渣资源化利用研究 现代化工，（）：.张儒学，李树建，王孟来，等.黄磷渣粉替代矿渣微粉生产高性能胶固料可行性试验 化工矿物与加工，（）：.熊学海，邓涛，徐绍飞，等.关于黄磷渣作
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