稻壳烧制纳米二氧化硅装置

(3)
式中 k —侧压系数，k＝0.4；
yb — 螺 旋 载 荷 产 生 的 轴 向 压 强 ， 约 为 4MPa；
d —轴内圈外径(m)；
l —轴承内圈宽度(m)；
µ —球面轴承内圈和外圈间的摩擦系数，本
设计中取 µ = 0.04；
V —接触面内圈表面线速度(m/s)。
设计中选用 TH22208 高温球面轴承，根据参数
4
3
2
1
收稿日期：2005-11-03 作 者 简 介 ：胡 小 芳（ 1956-），男 ，湖 南 郴 州 人 ，教 授 ，工 学 博 士 ，
(E-mail)123hudawei@163.com。
5 1.进料口 2.右旋螺旋推进器 3.燃烧筒
4.左旋螺旋推进器 5.出料口 图 2 螺旋推进器布局图
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2.1 螺旋输送器受力分析 螺旋输送器启动和工作时，受物料作用的主要
部位是螺旋面、筒壁和转轴表面[3]。 2.1.1 输料筒和螺旋面的受力情况
当螺旋输送器转动时，物料在螺旋面作用下沿 输料筒从进料口向出料口方向运动。此时，在物料 与输料筒壁的接触面上，因物料重力的作用而产生 摩 擦 阻 力 ，设 它 们 的 合 力 为 F1 且 均 匀 作 用 在 各 螺 旋 面上，如图 4 所示。
4) 料重力对转轴表面的作用产生的摩擦阻力 矩 M3。
5) 进料口物料堆积压力产生的与前述类似的 各种阻力、阻力矩及物料的剪切抗力。 2.2 螺旋输送器输送能力
dM22＝= dN·⋅ f ⋅·cosα ⋅ R · (b) 力矩图
图 7 螺旋面上受力单元面的受力分析
若螺旋输送器倾斜使用，当其工作时，因送料 筒 内 物 料 势 能 的 改 变 而 产 生 的 重 力 惯 性 阻 力 F3 也 会 作 用 在 螺 旋 面 上 。在 本 设 计 中 ，由 于 是 水 平 工 作 ， 所以不要考虑重力惯性阻力。 2.1.2 转轴表面受力情况
笔者设计了一种处理装置，实现了稻壳定向运 动、可控温度燃烧、连续运作、燃烧过程所产生的 热能可再利用、烧制好的成品能迅速离开高温环境 从而达到迅速冷却的要求，并能规模化生产得到含 纳米二氧化硅的低温稻壳灰。该设备还可应用于高 温稻壳灰和稻壳炭化等产品的生产，在其他有机质 的燃烧与炭化方面，具有广泛的实用性。
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1.3 燃烧温度控制 为使燃烧温度控制在 600℃左右，设计中采用
在燃烧筒的外表包裹冷却水层的方式，来带走燃烧 中产生的热量。测试表明，这样的设计可使燃烧温
度控制在(600 ± 20)℃。
1.4 燃烧时间控制 根 据 唐 晓 军 和 张 永 廉 [2]的 研 究 结 果 ，稻 壳 在 600
1 设计
1.1 物料（稻壳）输送与燃烧 稻壳是一种磨琢性小的物质，燃烧过程中无架
桥与粘联现象，为实现连续生产，稻壳在燃烧过程
中还需要向前运动。因此，本设计中稻壳的输送系 统 采 用 的 是 实 体 面 型 螺 旋 推 进 器 （ 如 图 1 所 示 ）。
图 1 实体面型螺旋叶片
螺旋推进器转轴采用空心结构，供给燃烧的空 气从空心轴的一端通入，通过转轴上的孔排出供给 燃烧。实体面型螺旋的主要尺寸参数如表 1 所示。
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稻壳烧制纳米二氧化硅装置
胡小芳 a，胡大为 b
(华南理工大学 a.工业装备与控制工程学院 粉体工程实验室；b.聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广州 510640)
摘 要：通过折回平行的螺旋推进器布局结构实现稻壳定向运动，采用从空心转轴中央通入供给燃烧的空
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dF11 = dF1 ⋅ cos α ⋅ sin α ⋅ f 横截面
dF1 ⋅ cosα ⋅ cosα ⋅ f
dF1 ⋅ cosα ⋅ f
图 5 受力单元面轴向力图
ds ⋅ cos α
R
dM1 = dF1 ⋅ cosα ⋅ cosα ⋅ f ⋅ R 图 6 受力单元面力矩图
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可 得 到 : d = 0.047m ， l = 0.023m 。
代入式(3)得到
N0 = 0.168kW
2.3.3 电动机总功率的选择
电 机 的 功 率 选 择 值 Pg 为
v = S/t
S —稻壳在装置中所经过的有效长度。
设计中， s ≈5m， t =0.1h
则
v = s /t = 50m/h
将以上数据代入式(1)中，得到
Q = 108.8kg/h
2.3 电机功率计算
2.3.1 螺旋推进器满载启动时电机功率
先对作用在螺旋面和转轴上的力及力矩做如下
规定：从螺旋输送器出料口端看，顺时针作用的转
关键词：农艺学；纳米二氧化硅；设计；可控温度燃烧；稻壳；螺旋推进器
中图分类号：S39
文献标识码：A
文章编号：1003—188X(2006)10—0127—04
0 概述
我 国 农 副 产 品 稻 壳 的 数 量 庞 大 ，每 年 超 过 4000 万 t，稻壳的开发应用途径是亟待解决的问题。自 然 界 中 的 SiO2 大 多 数 呈 结 晶 状 态 存 在 ，无 定 形 SiO2 很少，稻壳通过生物矿化的方式将土壤中稀薄的无 定形 SiO2（如蛋白石 SiO2ˇnH2O）等富集起来，其 中约 20%无定形态的 SiO2（蛋白石或硅胶）是宝贵 的非晶态的 SiO2 资源。当稻壳燃烧温度超过 750℃ 时 ，无 定 形 SiO2 转 化 为 结 晶 型 SiO2，活 性 和 利 用 价 值均大大降低；燃烧温度控制在 600℃左右时，可 以保证燃烧得到的稻壳灰具有较高的活性，即保持 SiO2 的无定型性（优异的火山灰活性及许多与硅粉 类 似 的 性 质 [1]）。合 理 地 设 计 稻 壳 燃 烧 炉 及 适 当 控 制 燃烧条件，才有可能烧制出优质的稻壳灰。
λ = t / 2r ；
K —电机安全系数；
η —螺旋输送器传送效率；
W —螺旋输送器的送料量(t/h)；
f —物料与送料筒壁材料的摩擦系数，本设
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计取 f = 0.9；
L —送料筒工作长度，即进料口中心线到出
料口中心线的距离(m)；
l —进料口长度(m)；
α
燃燃空烧烧气供供入给给口 空气入口
1.螺旋推进器 2.高温球面轴承 3.轴端迷宫密封 4.传动滚子链 5.链轮 6.进气端迷宫密封 图 3 密封示意图
设计采用的动密封均为迷宫密封，这样既可满 足在高温条件下工作的要求，又可以满足动密封的 要求。同时，将供给燃烧的空气由传动端输入，既 可以简化密封和安装，还可以降低传动端温度，保 证传动部件的正常工作。
矩为正，反之为负；方向指向出料口端的力为正，
反 之 为 负 。由 文 献 [3]得 知 ，单 个 螺 旋 推 进 器 满 载 启
动时电机功率计算式为
P电
=
kd ×W 367
⋅
K η
⎪⎧ ⎨
f
⎪⎩
⋅
λ
⋅
⎡ ⎢8
⋅
L
⋅
(
f
⎢⎣
+ λ )+15 H '
r
⎤ ⋅l⎥
⎥⎦
±
7 6
H
'
⎪⎫ ⎬
⎪⎭
(2)
式 中 kd — 填 充 系 数 ； λ —螺旋输送器公称螺距与螺旋直径之比，
表 1 实体面型螺旋主要尺寸参数
螺旋直径 D /mm
螺距
t /mm
螺旋轴直径
d /mm
输送倾角 ( °)
315
200
83
0
1.2 螺旋推进器的整体布局
由于在高温下转轴的挠度受温度的影响较为严
重，因此螺旋推进器不宜过长。本设计考虑到温度
和占地面积的因素，采用分段燃烧、螺旋推进与折
回平行的布局结构，如图 2 所示。
力 F1 的 作 用 方 向 与 转 轴 轴 线 是 平 行 的 ，因 此 这 个力对转轴的转动不产生影响。转轴转动时，仅受 物料重力对转轴表面的作用力 N 产生的摩擦阻力矩 M 3 的 作 用 ，如 图 8 所 示（ N 为 垂 直 转 轴 表 面 的 重 力 作 用 力 的 合 力 ， r1 为 转 轴 半 径 ）。
H′ —进料口处物料堆积压力的等效计算高
度(m)。
数据代入式(2)中得到
P电 = 8.04 ×10−3 kW
2.3.2 摩擦功率计算
设计采用的轴承为球面轴承，其摩擦功率计算
参照填料函密封摩擦功率计算[3]方式进行计算。摩
擦功率计算式为
N0 = 8 π⋅ d ⋅ l ⋅ k ⋅ yb ⋅ µ ⋅ V 102 (kW)
α
横横截截面面
dN
dN
2＝2 · ·
dF2 = 2dN ⋅ f ⋅ sinα
2dN ⋅·f 2dN ·⋅ f ⋅·cosα
(a) 受力图 ds ⋅·cosα
另外应注意的是，进料口处螺旋面上除了受上 述力和力矩的作用外，还要受到进料口处物料剪切 抗力的作用。
根据以上受力分析可知，一般情况下，螺旋输 送机满载启动时，主要受以下几个由物料引起的阻 力和阻力矩的作用：
M 3 = N ⋅ f ⋅ r1
图 8 物料重力对转轴表面的作用力 N 产生的摩擦阻力矩示意图
螺旋推进器输送能力计算式为[4]
Q
=
ρ
⋅
⎡ ⎢⎣
1π( 4
D
2
−
d
2
)k d
⎥⎦⎤v
(1)
式中 ρ —稻壳的密度， ρ =120kg/m3；
v —输送速度；
kd — 填 充 系 数 ， kd ＝ 0.25；
α
ds
横截截面面
dF1 cosα
dF1
dF1 ⋅ c·osα ⋅ f ·
图 4 摩擦阻力分析图
取 螺 旋 面 上 的 受 力 单 元 面 为 ds ， F1 作 用 在 受 力 单 元 面 ds 上 的 单 元 力 为 dF1 ，那 么 dF1 就 会 在 ds 上 产 生 摩 擦 阻 力 dF1 ⋅ cosα ⋅ f （ α 为 ds 处 的 螺 旋 升 角 ， f 为 物 料 对 钢 的 摩 擦 系 数 ，下 同 ）。而 dF1 ⋅ cosα ⋅ f 在 横 截 面上的投影与作用半径 R 的乘积和其在水平面上的 投 影 ， 分 别 是 作 用 在 ds 上 的 转 动 阻 力 矩 dM1 和 轴 向 力 dF11 ， 如 图 5 和 图 6 所 示 。
由于带传动不宜用于高温工作的环境中，因此 本设计的传动采用链传动，各级链轮相互采用短节 距滚子链连接，从而实现各级螺旋推进器的连动。 1.6 密封
本设计中，稻壳燃烧供给的氧气是从转轴的一 端输入的，要保证有良好的密封效果，转轴上要采 用动密封，其结构如图 3 所示。
6
54 3 2
1
2 受力分析与计算
℃ 左 右 燃 烧 完 成 需 要 6min 时 间 。因 此 ，本 装 置 的 稻 壳停留时间设计为 6min。 1.5 轴承与传动选择
在螺旋推进器两端轴承工作过程中，其温度可 达到 400℃，一般的轴承很难在这样高的温度下工 作，并且不能采用脂润滑和油润滑，所以推进器两 端的轴承要有在高温下工作寿命长与自润滑的特 点。本设计选择螺旋推进器两端的轴承为桂北高温 轴承厂生产的 TH20000 型高温球面轴承，与普通轴 承相比，该种轴承具有耐热 800℃、承载力更大、 抗氧化防腐蚀、高硬耐磨、抗强冲击与咬合、外表 光滑亮泽、有自润滑性、低转速者可不用润滑物及 平均寿命长的特点。
气和燃烧筒外包裹冷却水层的方式实现稻壳的可控温度燃烧。燃烧过程连续进行，燃烧余热回收利用预热
供给燃烧的空气，提高燃烧效率和能量利用率，烧制好的成品能迅速脱离高温环境得到冷却，保证稻壳灰
的活性，并可以实现规模化生产。机器除应用于低温稻壳灰的烧制外，还可应用于高温稻壳灰与炭化稻壳
等相关稻壳产品的生产，以及其他有机质的燃烧与炭化，具用较强的实用性。
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与 此 同 时 ，物 料 重 力 在 螺 旋 面 的 受 力 单 元 面 ds 左 右 两 个 面 上 的 作 用 力 dN 又 会 产 生 摩 擦 阻 力 2dN ⋅ f ， 而 2dN ⋅ f 又 可 产 生 为 力 矩 dM 2 和 轴 向 力 dF2 （此处把螺旋叶片的厚度忽略不计，因而可认为左 右 两 个 面 上 的 dN 大 小 相 等 、方 向 相 反 且 相 互 抵 消 ）， 如图 7 所示。
1) 螺 旋 输 送 机 推 动 物 料 前 进 时 ，送 料 筒 各 面 产 生 摩 擦 阻 力 F1 。
2) 摩 擦 阻 力 F1 在 螺 旋 面 上 造 成 的 物 料 对 螺 旋 面 的 摩 擦 引 起 摩 擦 阻 力 矩 M 1 和 轴 向 力 F11 。
3) 物料重力对螺旋面的作用产生的摩擦引起 的 摩 擦 阻 力 矩 M 2 和 轴 向 力 F2 。