一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉

专利名称：一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410596439.9

专利申请（专利权）人：吉安豫顺新材料有限公司,江西万集科技有限公司
权利人地址：江西省吉安市遂川县工业园区东区

专利发明（设计）人：张光辉,汤浩,黄旭华

专利摘要：本发明公开了一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，直通下料管下端连接有与其相通的螺旋下料管，螺旋下料管位于排烟管的首端内部，螺旋下料管的末端延伸出排烟管的首端；排烟管内部中端固定有螺旋通道，螺旋通道中心处固定有连通铜管，排烟管中端下部且位于连通铜管的两端分别贯穿固定有冷空气管道二和热空气管道。该基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，通过在直通式的直通下料管下端设置螺旋下料管，可以使硅微粉料沿着螺旋下料管呈螺旋滑落，增加硅微粉料滑落的时间，以此提高自预热效果。

主权利要求：
1.一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，包括料粉储存仓(1)、直通下料管(2)、球化炉体(3)和排烟管(10)，所述排烟管(10)首端贯穿至球化炉体(3)内部并与球化炉体(3)固定，所述直通下料管(2)贯穿固定在排烟管(10)首端，所述料粉储存仓(1)连接在直通下料管(2)上端，所述料粉储存仓(1)中部设有过渡腔(12)，其特征在于：所述直通下料管(2)下端连接有与其相通的螺旋下料管(13)，所述螺旋下料管(13)位于排烟管(10)的首端内部，所述螺旋下料管(13)的末端延伸出排烟管(10)的首端；
所述排烟管(10)内部中端固定有螺旋通道(15)，所述螺旋通道(15)中心处固定有连通铜管(14)，所述排烟管(10)中端下部且位于连通铜管(14)的两端分别贯穿固定有冷空气管道二(9)和热空气管道(11)，所述连通铜管(14)两端分别与冷空气管道二(9)和热空气管道(11)的首端连通；
所述球化炉体(3)上安装有喷枪组件，所述喷枪组件的输出端位于球化炉体(3)内部，喷枪组件的输入端位于球化炉体(3)外部，所述喷枪组件以球化炉体(3)水平截面的几何中心为圆心呈环形距安装有四组；所述喷枪组件包括氧气管(4)和可燃气体管道(5)，所述可燃气体管道(5)与球化炉体(3)连通，所述氧气管(4)套接在可燃气体管道(5)上并与球化炉体(3)连通；所述氧气管(4)的一端与热空气管道(11)末端连通；所述球化炉体(3)的一侧且位于过渡腔(12)下方安装有冷空气管道一(8)，所述冷空气管道一(8)的一端位于球化炉体(3)内部，所述冷空气管道一(8)的另一端连通有输风管(7)，所述冷空气管道二(9)末端与输风管(7)表面连接并相通，所述输风管(7)另一端连接有鼓风机(6)；
所述直通下料管(2)与螺旋下料管(13)为一体结构，所述直通下料管(2)和螺旋下料管(13)外壁均设有石墨烯导热层，所述连通铜管(14)外壁设有石墨烯导热层；
球化炉的参数配置方法，包括：
助燃混合气体配比：通过化学动力学模型计算最优氧/燃料比；将氧气与可燃气体分别送入氧气管(4)和可燃气体管道(5)，确保混合气体达到设定的氧/燃料比；
鼓风机风量与压力控制：根据氧气管(4)和可燃气体管道(5)的流量，利用伯努利方程计算所需的鼓风量与压力；启动鼓风机(6)，调整其转速以提供匹配的风量和压力，确保助燃空气和可燃气体在喷枪组件中均匀混合并顺利点燃；
螺旋下料管参数设定：计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系确定螺旋下料管(13)的螺距与长度；
温度与压力控制系统搭建：安装温度与压力传感器，实时监测球化炉体(3)内部状态，根据球化过程的热力学要求设定温度与压力的上下限；采用PID控制器，根据实测值与设定值的偏差动态调整氧气、可燃气体供应量、鼓风量参数，设置超限报警与保护机制；
质量流量控制与物料配比：在进料口安装质量流量计，测量各物料的质量流量；通过PLC或DCS系统，根据预先设定的配方比例自动调节各物料的进料速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，其特征在于：所述排烟管(10)为圆形管道，所述螺旋通道(15)外壁与排烟管(10)内壁无缝固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，其特征在于，确保混合气体达到设定的氧/燃料比，具体为：利用Levenspiel法、经验公式或实验测定得到特定可燃气体的最佳氧/燃料比，并将其设定为控制系统的目标值；实时监控混合气体的实际比例，并实时调节氧气与可燃气体的供给量，调节指标为，确保氧/燃料比与设定的目标值相同或接近。
4.根据权利要求1所述的一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，其特征在于，计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系确定螺旋下料管(13)的螺距与长度，具体的：螺距与线速度的关系为v＝πDn/60，其中v为线速度，D为螺旋下料管内径，n为螺旋下料管转速，通过流体力学模拟软件对螺旋下料管(13)进行仿真，根据仿真结果优化螺旋下料管(13)的螺距与长度，优化的评价指标为，确保硅微粉在预热阶段获得适宜且均匀的热量，降低后续熔化所需能耗，同时避免过度加热。 说明书 : 一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉技术领域[0001] 本发明涉及一种球化炉，具体为一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉。背景技术[0002] 随着新材料科技的快速发展，硅微粉作为一类具有优异性能的无机非金属粉末材料，广泛应用于电子封装、陶瓷、涂料、塑料、橡胶、耐火材料等领域。硅微粉的制备工艺对其纯度、粒度分布、球形度、表面性质等关键指标有着严格要求，而球化炉作为硅微粉生产的核心设备，其结构设计、热量管理、工艺控制等环节直接影响到产品的质量和生产效率。[0003] 目前市场上的硅微粉制造用球化炉主要面临以下几个方面的挑战与局限：[0004] 能源效率低下：传统的球化炉在运行过程中，往往存在大量的热量直接随烟气排放而损失，未能得到有效回收利用，导致能源消耗较大，不符合节能减排的现代工业理念。[0005] 预热效果不理想：硅微粉在进入高温区进行球化前，如果预热不足，会导致熔化过程所需能耗增加，同时可能影响球化效果和产品质量。然而，现有球化炉对硅微粉的预热处理方式简单，预热效率和均匀性有待提升。[0006] 燃烧效率不高：助燃混合气体(氧气与可燃气体)的配比、鼓风量与压力控制不够精确，可能导致燃烧不充分、火焰不稳定，影响球化温度的维持和硅微粉的充分球化，同时造成能源浪费。[0007] 工艺控制粗放：缺乏对球化炉内温度、压力的实时监测与精细调控，以及对物料配比的精确控制，使得球化过程易受外界因素影响，产品质量波动较大，难以满足高端应用领域对硅微粉性能的严苛要求。[0008] 热能回收系统设计不足：现有球化炉的热烟气回收系统往往结构简单，换热效率低，不能充分利用高温烟气的余热，导致总体能效较低。[0009] 针对上述问题，业界一直在探索改进硅微粉制造用球化炉的设计与控制策略，旨在提高燃烧效率、优化预热过程、增强热能回收能力、精准控制工艺参数以及精确控制物料配比，以实现硅微粉生产的高效、节能、稳定与精细化。然而，现有的改进措施尚存在一定的局限性，未能从根本上解决上述问题，仍存在较大的技术提升空间。[0010] 在此背景下，本发明提出了一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉及其参数配置方法，通过创新的结构设计、精准的工艺控制策略以及高效的热量管理手段，旨在克服现有技术的缺陷，提供一种燃烧效率高、硅微粉预热效果显著、热能回收效率提升、工艺过程控制精准、物料配比精确的硅微粉制造用球化炉，以满足现代工业对硅微粉高品质、低能耗生产的需求。发明内容[0011] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，以解决上述背景技术中存在的问题。[0012] 一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，包括料粉储存仓、直通下料管、球化炉体和排烟管，所述排烟管首端贯穿至球化炉体内部并与球化炉体固定，所述直通下料管贯穿固定在排烟管首端，所述料粉储存仓连接在直通下料管上端，所述料粉储存仓中部设有过渡腔；[0013] 所述直通下料管下端连接有与其相通的螺旋下料管，所述螺旋下料管位于排烟管的首端内部，所述螺旋下料管的末端延伸出排烟管的首端；[0014] 所述排烟管内部中端固定有螺旋通道，所述螺旋通道中心处固定有连通铜管，所述排烟管中端下部且位于连通铜管的两端分别贯穿固定有冷空气管道二和热空气管道，所述连通铜管两端分别与冷空气管道二和热空气管道的首端连通。[0015] 优选地，所述排烟管为圆形管道，所述螺旋通道外壁与排烟管内壁无缝固定。[0016] 优选地，所述球化炉体上安装有喷枪组件，所述喷枪组件的输出端位于球化炉体内部，喷枪组件的输入端位于球化炉体外部，所述喷枪组件以球化炉体水平截面的几何中心为圆心呈环形距安装有四组。[0017] 优选地，所述喷枪组件包括氧气管和可燃气体管道，所述可燃气体管道与球化炉体连通，所述氧气管套接在可燃气体管道上并与球化炉体连通。[0018] 优选地，所述氧气管的一端与热空气管道末端连通。[0019] 优选地，所述球化炉体的一侧且位于过渡腔下方安装有冷空气管道一，所述冷空气管道一的一端位于球化炉体内部，所述冷空气管道一的另一端连通有输风管，所述冷空气管道二末端与输风管表面连接并相通，所述输风管另一端连接有鼓风机。[0020] 优选地，所述直通下料管与螺旋下料管为一体结构，所述直通下料管和螺旋下料管外壁均设有石墨烯导热层。[0021] 优选地，所述连通铜管外壁设有石墨烯导热层。[0022] 优选的，球化炉的参数配置方法，包括：[0023] 助燃混合气体配比：通过化学动力学模型计算最优氧/燃料比；将氧气与可燃气体分别送入氧气管和可燃气体管道，确保混合气体达到设定的氧/燃料比；[0024] 鼓风机风量与压力控制：根据氧气管和可燃气体管道的流量，利用伯努利方程计算所需的鼓风量与压力；启动鼓风机，调整其转速以提供匹配的风量和压力，确保助燃空气和可燃气体在喷枪组件中均匀混合并顺利点燃；[0025] 螺旋下料管参数设定：计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系确定螺旋下料管的螺距与长度；[0026] 温度与压力控制系统搭建：安装温度与压力传感器，实时监测球化炉体内部状态，根据球化过程的热力学要求设定温度与压力的上下限；采用PID控制器，根据实测值与设定值的偏差动态调整氧气、可燃气体供应量、鼓风量参数，确保球化炉始终运行在最佳工况；设置超限报警与保护机制；[0027] 质量流量控制与物料配比：在进料口安装质量流量计，精确测量各物料的质量流量；通过PLC或DCS系统，根据预先设定的配方比例自动调节各物料的进料速度，保证最终产品的成分一致性与质量稳定性；[0028] 球化过程执行：a.启动喷枪组件，点燃氧气与可燃气体混合气体，释放大量热量，对硅微粉进行煅烧；b.硅微粉在高温区域熔化并球化，形成球化料粉；球化料粉在过渡腔12向下运动过程中不受外力干扰，自由漂浮，确保速度场均匀分布；c.球化料粉到达冷空气管道一8处，进行快速冷却，形成球形硅微粉产品；d.冷却后的球形硅微粉产品通过球化炉体3底部的输送带输出，完成整个制备过程。[0029] 优选的，确保混合气体达到设定的氧/燃料比，具体为：利用Levenspiel法、经验公式或实验测定得到特定可燃气体的最佳氧/燃料比，并将其设定为控制系统的目标值；实时监控混合气体的实际比例，并实时调节氧气与可燃气体的供给量，调节指标为，确保氧/燃料比与设定的目标值相同或接近。[0030] 优选的，计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系确定螺旋下料管(13)的螺距与长度，具体的：螺距与线速度的关系为v＝πDn/(6)0，其中v为线速度，D为螺旋下料管内径，n为螺旋下料管转速，通过流体力学模拟软件对螺旋下料管(13)进行仿真，根据仿真结果优化螺旋下料管(13)的螺距与长度，优化的评价指标为，确保硅微粉在预热阶段获得适宜且均匀的热量，降低后续熔化所需能耗，同时避免过度加热。[0031] 有益效果如下：[0032] 1、该基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，通过在直通式的直通下料管下端设置螺旋下料管，可以使硅微粉料沿着螺旋下料管呈螺旋滑落，增加硅微粉料滑落的时间，以此提高自预热效果；[0033] 2、该基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，将一根助燃热空气总管道分别分为冷空气管道二和热空气管道，同时在排烟管中端内部固定设置螺旋通道，而螺旋通道中心固定设置连通铜管，这样热烟气经过螺旋通道时，会沿着螺旋通道呈螺旋流动，以此来使热烟气沿着连通铜管外壁呈螺旋流动，使得热烟气可以对连通铜管全面加热，使得受热均匀，提高了对空气加热效果。[0034] 3、本申请能够在实现技术目的中更加精准，具体表现为：[0035] 燃烧效率提高：通过精确控制氧/燃料比、鼓风量与压力，实现高效稳定的燃烧过程，减少能源浪费。[0036] 硅微粉预热效果显著：科学设计螺旋下料管参数，确保硅微粉在预热阶段获得适宜且均匀的热量，降低后续熔化所需能耗。[0037] 热能回收效率提升：优化热烟气与助燃空气的换热系统设计，有效利用余热资源，进一步降低能耗。[0038] 工艺过程控制精准：实时监测与调控炉内温度、压力，确保球化过程始终处于最佳状态，提高产品质量与生产稳定性。[0039] 物料配比精确：精确控制硅微粉与其他添加剂的质量流量，确保产品质量一致性，满足下游应用需求。附图说明[0040] 图1为本发明整体示意图；[0041] 图2为本发明排烟管首端剖面示意图；[0042] 图3为本发明排烟管中端剖面示意图。[0043] 图中：1‑料粉储存仓、2‑直通下料管、3‑球化炉体、4‑氧气管、5‑可燃气体管道、6‑鼓风机、7‑输风管、8‑冷空气管道一、9‑冷空气管道二、10‑排烟管、11‑热空气管道、12‑过渡腔、13‑螺旋下料管、14‑连通铜管、15‑螺旋通道。具体实施方式[0044] 请参阅图1‑图3，一种基于自预热式热量循环利用的硅微粉制造用球化炉，包括料粉储存仓1、直通下料管2、球化炉体3和排烟管10，所述排烟管10首端贯穿至球化炉体3内部并与球化炉体3固定，所述直通下料管2贯穿固定在排烟管10首端，所述料粉储存仓1连接在直通下料管2上端，所述料粉储存仓1中部设有过渡腔12，所述直通下料管2下端连接有与其相通的螺旋下料管13，所述螺旋下料管13位于排烟管10的首端内部，所述螺旋下料管13的末端延伸出排烟管10的首端，料粉储存仓1用于储存硅微粉，而直通下料管2则用于将料粉储存仓1内的硅微粉排入球化炉体3中，而硅微粉排入球化炉体3中的过程中，硅微粉会沿着螺旋下料管13呈螺旋滑落，增加硅微粉料滑落的时间，而球化炉体3内的热烟气则会进入排烟管10，且排烟管10末端连接着旋风收尘器，其螺旋下料管13位于排烟管10中，这样热烟气就可对螺旋下料管13内的硅微粉自预热，以此达到热量循环利用，并且相对于传统只采用直通式的直通下料管2，可以提高自预热效果；[0045] 所述排烟管10内部中端固定有螺旋通道15，所述排烟管10为圆形管道，所述螺旋通道15外壁与排烟管10内壁无缝固定，所述螺旋通道15中心处固定有连通铜管14，所述排烟管10中端下部且位于连通铜管14的两端分别贯穿固定有冷空气管道二9和热空气管道11，所述连通铜管14两端分别与冷空气管道二9和热空气管道11的首端连通，热烟气流动过排烟管10中端的时候，会经过螺旋通道15，此时热烟气会沿着螺旋通道15呈螺旋流动，而螺旋通道15中心设置连通铜管14，因此热烟气沿着连通铜管14外壁呈螺旋流动，使得热烟气可以对连通铜管14全面加热，使得受热均匀，提高了对空气加热效果，以此进一步实现热量循环利用。[0046] 所述球化炉体3上安装有喷枪组件，所述喷枪组件的输出端位于球化炉体3内部，喷枪组件的输入端位于球化炉体3外部，所述喷枪组件以球化炉体3水平截面的几何中心为圆心呈环形距安装有四组，所述喷枪组件包括氧气管4和可燃气体管道5，所述可燃气体管道5与球化炉体3连通，所述氧气管4套接在可燃气体管道5上并与球化炉体3连通，所述氧气管4的一端与热空气管道11末端连通，所述球化炉体3的一侧且位于过渡腔12下方安装有冷空气管道一8，所述冷空气管道一8的一端位于球化炉体3内部，所述冷空气管道一8的另一端连通有输风管7，所述冷空气管道二9末端与输风管7表面连接并相通，所述输风管7另一端连接有鼓风机6，氧气管4和可燃气体管道5提供的助燃空气和可燃气体在球化炉体3内部被点燃，释放大量热量，对硅微粉进行煅烧，硅微粉在此区域熔化并球化，形成球化料粉，此区域温度最高，球化料粉在过渡腔12向下运动的过程中，不受任何外力，可自由漂浮，目的是使其速度场均匀分布，而后球化料粉到达冷空气管道一8处，进行快速冷却，即得到球形硅微粉产品，球形硅微粉产品经球化炉体3的底部的输送带输出，完成整个制备过程。[0047] 另外，所述直通下料管2与螺旋下料管13为一体结构，所述直通下料管2和螺旋下料管13外壁均设有石墨烯导热层，直通下料管2与螺旋下料管13可以采用焊接一体化结构，这样可以提高直通下料管2与螺旋下料管13之间的密封性，而且直通下料管2和螺旋下料管13外壁均设有石墨烯导热层，因为石墨烯导热性在5300W/mK以上远高于铜或钻石，所以可强化热传递效果，提高热能利用效率。[0048] 另外，所述连通铜管14外壁设有石墨烯导热层，通过在连通铜管14外壁设有石墨烯导热层，由于石墨烯导热性在5300W/mK以上远高于铜或钻石，因此可强化热传递效果，提高热能利用效率。[0049] 工作原理：首先，氧气管4和可燃气体管道5提供的助燃空气和可燃气体在球化炉体3内部被点燃，释放大量热量，对硅微粉进行煅烧，硅微粉在此区域熔化并球化，形成球化料粉，此区域温度最高，球化料粉在过渡腔12向下运动的过程中，不受任何外力，可自由漂浮，目的是使其速度场均匀分布，而后球化料粉到达冷空气管道一8处，进行快速冷却，即得到球形硅微粉产品，球形硅微粉产品经球化炉体3的底部的输送带输出，完成整个制备过程，而氧气管4和可燃气体管道5提供的助燃空气和可燃气体燃烧后产生大量热烟气，热烟气可进入排烟管10对通过螺旋下料管13进入球化炉体3内部的硅微粉进行预热，目的是降低硅微粉熔化时所需要的热量，最后经过换热的热烟气从排烟管10经过旋风收尘器除尘后排出，而冷空气管道一8处的冷风，是通过鼓风机6经输风管7提供，氧气管4中的助燃空气同样由鼓风机6经冷空气管道二9、连通铜管14和热空气管道11提供，其中连通铜管14位于排烟管10的内部，可对空气进行加热，形成助燃空气，助燃空气温度越高，越有利于提高球化炉体3内部的燃烧温度。[0050] 为了实现精确控制，本发明提供对螺旋下料管、螺旋通道的几何参数配置方法，以及球化炉在球化过程中工艺参数配置方法，具体包括以下几个方面：[0051] 1.确定氧气与可燃气体比例[0052] 在氧气管4和可燃气体管道5提供的助燃混合气体中，氧气与可燃气体的比例对燃烧效率和火焰温度有直接影响。可以通过化学动力学模型计算最优氧/燃料比(O/Fratio)，以确保充分燃烧的同时避免过氧或欠氧导致的热量损失。可采用Levenspiel法、经验公式或实验测定得到适合特定可燃气体(如天然气、丙烷)的最佳氧/燃料比，并将其设定为控制系统的目标值。[0053] 通过化学动力学模型计算最优氧/燃料比(O/Fratio)，在本发明的硅微粉制造用球化炉中，精确控制助燃混合气体的氧/燃料比(O/Fratio)对燃烧效率和火焰温度具有至关重要的影响。为了确保充分燃烧，同时避免因过氧或欠氧导致的热量损失，本发明采用了化学动力学模型这一科学手段来确定最佳氧/燃料比。[0054] 化学动力学模型是基于化学反应动力学理论，通过描述燃烧反应速率与反应物浓度、温度、压力等因素之间的关系，来预测和优化燃烧过程。在本发明的应用中，该模型能够深入分析硅微粉球化过程中氧气与可燃气体(如天然气、丙烷等)的反应特性，考虑到反应速率、燃烧产物、热效应等因素，计算出既能确保完全燃烧，又能最大限度减少热量损失的理想氧/燃料比。[0055] 采用Levenspiel法、经验公式或实验测定获取最佳氧/燃料比，[0056] 在实际操作中，本发明提供了多种途径来确定适合特定可燃气体的最佳氧/燃料比：[0057] Levenspiel法：这是一种基于化学反应工程原理的经验方法，通过估算燃烧反应的极限氧浓度和极限燃料浓度，进而推算出在给定条件下实现最大燃烧速率或最高热效率所需的氧/燃料比。Levenspiel法适用于快速估算，尤其适用于处理复杂多组分的可燃气体混合物，有助于简化计算过程，快速锁定大致的氧/燃料比范围。[0058] 经验公式：在工业实践中，针对特定可燃气体，往往已积累了丰富的实践经验并形成了相应的经验公式。这些公式通常以可燃气体的化学组成、物理性质、燃烧环境等因素为基础，直接给出与之对应的最优氧/燃料比。采用经验公式能够快速、便捷地获取适用的氧/燃料比，无需复杂的计算或实验，但需确保所使用的公式适用于当前的可燃气种和工艺条件。[0059] 实验测定：在理论模型和经验公式无法准确覆盖特定工况或需要极高精度的情况下，本发明还支持通过实验室或现场实验直接测定最佳氧/燃料比。实验过程中，通过系统地改变供氧量，监测燃烧产物、火焰温度、燃烧效率等参数的变化，找出在保证完全燃烧的前提下，热效率最高或污染物排放最低时对应的氧/燃料比。实验测定法虽然耗时较长，但能够获取最贴近实际情况的最佳氧/燃料比，对于新型可燃气体或复杂工艺条件具有极高的参考价值。[0060] 设定为目标值并实施精确控制，[0061] 无论是通过化学动力学模型计算，还是采用Levenspiel法、经验公式或实验测定，得到的最优氧/燃料比均会被设定为控制系统的目标值。在球化炉运行过程中，控制系统会实时监测氧气与可燃气体的实际混合比例，通过精确调节氧气与可燃气体的供给量，确保助燃混合气体始终保持在设定的最佳氧/燃料比范围内。这种精确控制不仅能提高燃烧效率，减少能源浪费，还能有效避免因氧浓度过高导致的过氧燃烧(热量损失大、可能生成有害氮氧化物)或氧浓度过低导致的欠氧燃烧(燃烧不完全、生成大量未燃碳烟)等问题，从而保障硅微粉球化过程的高效、环保与稳定。[0062] 综上所述，本发明通过化学动力学模型计算、Levenspiel法、经验公式或实验测定等多种途径，科学合理地确定了适合特定可燃气体的最佳氧/燃料比，并将其设定为控制系统的目标值，实现了助燃混合气体比例的精确控制，显著提升了球化炉的燃烧效率，降低了热量损失，确保了硅微粉球化过程的高效、环保与稳定运行。[0063] 2.控制鼓风机风量与压力[0064] 鼓风机6提供的风量与压力应与氧气管4和可燃气体管道5的流量相匹配，以确保助燃空气和可燃气体在喷枪组件中均匀混合并顺利点燃。可通过伯努利方程或相关流体力学模型计算所需的鼓风量与压力，以保持燃烧稳定并优化热能利用率。同时，根据球化炉体3内压力波动情况，实时调整鼓风机转速以维持恒定的压力条件。[0065] 伯努利方程是流体力学中的基本方程之一，它反映了在没有外功做功的情况下，流体沿着流线运动时动能、势能与压力能之间的能量守恒关系。在封闭管道中流动的空气(即本发明中的助燃空气)可视为理想流体，其流动符合伯努利方程，应用伯努利方程时，需选取氧气管(4)与可燃气体管道(5)的入口和喷枪组件内部某一位置作为计算点。已知氧气与可燃气体混合气体在喷枪组件内部的流速(通过流量计测量得到)和所需的压力条件(根据球化过程的热力学要求设定)，结合管道内空气的初始静压(通常为大气压)、密度(与温度和湿度有关，可通过气象数据或直接测量获得)以及两点间的高度差，即可计算出鼓风机需提供的助燃空气压力。再结合鼓风机出口与喷枪组件入口间管道的阻力损失(通过达西‑魏斯巴赫方程或相关流阻系数表计算)，可进一步确定鼓风机应提供的实际压力值。[0066] 在复杂多变的工况下，如考虑管道形状、粗糙度、弯头、阀门等元件的影响，单纯使用伯努利方程可能不够精确。此时，可借助更为复杂的流体力学模型，如计算流体动力学(CFD)软件，对鼓风管道内的空气流动进行详细模拟。这些模型能够处理非均匀流场、湍流效应、热交换等问题，提供更为准确的流速、压力分布及所需鼓风量预测。[0067] 为了保持球化炉体内压力的恒定，本发明中采用了实时调整鼓风机转速的策略。具体做法如下：[0068] 压力监测：在球化炉体内部关键位置(如喷枪组件附近)安装压力传感器，实时监测炉内压力。[0069] 反馈控制：将压力传感器采集的数据传输至控制系统(如PLC或DCS)，与设定的压力目标值进行比较。[0070] 转速调整：当实际压力偏离设定值时，控制系统根据预设的控制策略(如PID控制器)计算出需要调整的鼓风机转速，并发送指令至鼓风机驱动电机。[0071] 电机响应：鼓风机驱动电机接收转速调整指令，相应改变电机频率，进而调整鼓风机转速，直至炉内压力回归至设定值。[0072] 通过上述闭环控制系统，实现了对球化炉体内压力的精准控制，确保了燃烧过程的稳定进行和热能的高效利用。同时，实时调整鼓风机转速还有助于应对生产过程中可能出现的负荷变化，如原料供应波动、炉温变化等，增强了球化炉的整体适应性和运行效率。[0073] 3.设定螺旋下料管的螺距与长度[0074] 螺旋下料管13的螺距与长度直接影响硅微粉在其中的停留时间和预热效果。通过计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系(v＝πDn/60，其中v为线速度，D为螺旋下料管内径，n为螺旋下料管转速)，确定合适的螺距和长度，确保硅微粉充分预热而不至于过度加热。此外，还可以通过流体力学模拟软件(如ANSYSFluent)对螺旋下料管内的气固两相流动进行仿真，优化螺旋下料管设计以改善硅微粉预热均匀性。[0075] 本发明采用了流体力学模拟软件(如ANSYSFluent)进行仿真分析。具体步骤如下：[0076] 模型建立：根据螺旋下料管的实际尺寸和结构特点，构建包含气固两相流动的三维几何模型。模型应详细刻画螺旋下料管的内壁形状、螺距、管径、入口和出口条件等关键要素。[0077] 物理模型设定：定义气固两相流动的物理属性，包括气体(热烟气)和固体(硅微粉)的密度、粘度、热导率、比热容等物性参数，以及颗粒粒径分布、初始速度、分散状态等特性。同时，设置气体与固体间的传热、传质以及颗粒与壁面间的碰撞、反弹等相互作用模型。[0078] 边界条件设置：设定螺旋下料管入口处热烟气的温度、速度分布以及硅微粉的进料速率、颗粒浓度等边界条件。出口处通常设定为压力出口或大气压力。此外，考虑到排烟管内部热烟气流动的影响，需合理设置螺旋下料管与排烟管交界面的热交换条件。[0079] 数值求解与结果分析：运用选定的湍流模型(如RNGk‑ε模型、LES模型等)和离散格式(如有限体积法、有限差分法等)，对所建模型进行网格划分并进行数值求解。通过计算得到螺旋下料管内热烟气的速度、温度分布以及硅微粉颗粒的运动轨迹、温度变化等信息。[0080] 设计优化：根据仿真结果，评估当前螺旋下料管设计对硅微粉预热均匀性的影响。若发现存在局部预热不足或过度预热等问题，可通过调整螺距、管径、入口倾角等参数，重新进行仿真计算，直至得到理想的预热效果。同时，关注螺旋下料管内部气固流动的稳定性，避免出现颗粒堆积、气流短路等不利现象。[0081] 4.热烟气与助燃空气换热效率优化[0082] 通过传热学模型(如牛顿冷却定律、傅立叶定律)计算热烟气与连通铜管14、冷空气管道二9和热空气管道11之间的换热系数，以确定最佳换热面积、管道直径和材质。[0083] 通过传热学模型(如牛顿冷却定律、傅立叶定律)计算热烟气与连通铜管14、冷空气管道二9和热空气管道11之间的换热系数，以确定最佳换热面积、管道直径和材质的具体细节如下：[0084] 换热系数计算：[0085] 牛顿冷却定律：适用于流体对固体表面的自然对流换热，其表达式为：Q＝hA(Th‑T∞)其中，Q表示换热量，h为自然对流换热系数，A为换热面积，Th为热烟气温度，T∞为周围环境温度或冷空气温度。自然对流换热系数h的计算通常需要参考相关工程手册或使用经验公式，这些公式可能涉及烟气流速、烟气密度、热烟气与冷空气的物性参数(如比热容、导热系数等)、换热表面形状及尺寸等因素。[0086] 傅立叶定律：描述稳态条件下热传导现象的基本定律，其表达式为：其中，q为热流密度，k为导热系数，A为换热面积， 为温度梯度。在热烟气与连通铜管之间的热传导过程中，可以通过测量或计算烟气与铜管壁面的温差以及铜管的导热系数来确定热流密度，进而计算换热量。[0087] 换热面积确定：[0088] 连通铜管14：依据热烟气流量、温度及所需的助燃空气预热目标温度，结合牛顿冷却定律或傅立叶定律计算得到的换热系数，通过能量平衡方程(Qin＝Qout)确定所需的换热面积。适当增大铜管表面积(如增加管长或采用翅片管结构)可以提高换热效率，但需兼顾设备成本和空间限制。[0089] 冷空气管道二9和热空气管道11：同样依据空气流量、初始温度及预热目标温度，利用传热学模型计算换热面积。考虑到空气流动路径较长，可采用多段换热或增大管道内径以增加换热面积，同时需考虑管道阻力对鼓风机功耗的影响。[0090] 管道直径与材质选择：[0091] 直径：管道直径不仅影响换热面积，还与空气流动阻力、流速、压降等密切相关。通过流体力学计算(如雷诺数、达西‑魏斯巴赫方程等)确定合理的管道直径，确保空气在管道内以适宜的速度流动，既保证足够的换热时间，又避免因流速过快导致压降过大、能耗增加。同时，直径选择还需兼顾设备的整体布局和安装空间。[0092] 材质：连通铜管14和冷空气管道二9、热空气管道11的材质应具备良好的导热性能和耐高温、耐腐蚀特性。铜作为一种优良的导热材料，已应用于本发明中。若进一步优化，可考虑选用导热性能更优的合金(如铜镍合金、铜铬锆合金等)或添加石墨烯涂层以提高换热效率。同时，管道内外表面应进行抗氧化处理，防止长期高温环境下材料性能下降。[0093] 综上所述，通过应用牛顿冷却定律、傅立叶定律等传热学模型，结合热烟气与冷空气的物性参数、流量、温度需求等因素，精确计算换热系数、换热面积，合理选择管道直径与材质，能够有效地提高热烟气与连通铜管、冷空气管道之间的换热效率，从而提升整个球化炉的热能回收效果，降低能耗，实现精准控制和优化球化炉的运行性能。[0094] 此外，考虑石墨烯导热层的导热系数，调整其厚度以最大化热传递效率。根据热烟气温度、流量以及所需助燃空气的预热目标温度，设定螺旋通道15的几何参数(如直径、长度、螺旋角)以优化热烟气在螺旋通道内的停留时间及与连通铜管的接触面积，从而提高热能回收效率。[0095] 5.温度与压力控制系统设计[0096] 建立球化炉体3内部温度与压力的实时监测与控制系统，根据球化过程的热力学要求设定温度与压力的上下限。采用PID控制器或其他先进控制策略，根据实测值与设定值的偏差动态调整氧气、可燃气体供应量、鼓风量参数，确保球化炉始终运行在最佳工况。同时，设置超限报警与保护机制，防止炉内温度过高或压力过大引发安全问题。[0097] 6.质量流量控制与物料配比[0098] 对于球化料粉的制备，精确控制硅微粉和其他添加剂(如有)的质量流量至关重要。采用质量流量计对各物料进行精确测量，并根据预先设定的配方比例，通过PLC或DCS系统自动调节各物料的进料速度，保证最终产品的成分一致性与质量稳定性。[0099] 通过上述数学关系的配置与应用，本申请能够在实现技术目的中更加精准，具体表现为：[0100] 燃烧效率提高：通过精确控制氧/燃料比、鼓风量与压力，实现高效稳定的燃烧过程，减少能源浪费。[0101] 硅微粉预热效果显著：科学设计螺旋下料管参数，确保硅微粉在预热阶段获得适宜且均匀的热量，降低后续熔化所需能耗。[0102] 热能回收效率提升：优化热烟气与助燃空气的换热系统设计，有效利用余热资源，进一步降低能耗。[0103] 工艺过程控制精准：实时监测与调控炉内温度、压力，确保球化过程始终处于最佳状态，提高产品质量与生产稳定性。[0104] 物料配比精确：精确控制硅微粉与其他添加剂的质量流量，确保产品质量一致性，满足下游应用需求。[0105] 具体实施步骤[0106] 实施例1：[0107] 原料准备：将硅微粉按照预定配方比例进行精确计量，并放入料粉储存仓1中；[0108] 助燃混合气体配比：通过化学动力学模型计算最优氧/燃料比(O/Fratio)，选择适用于特定可燃气体的最佳比例；将氧气与可燃气体分别送入氧气管4和可燃气体管道5，确保混合气体达到设定的氧/燃料比；[0109] 鼓风机风量与压力控制：根据氧气管4和可燃气体管道5的流量，利用伯努利方程计算所需的鼓风量与压力；启动鼓风机6，调整其转速以提供匹配的风量和压力，确保助燃空气和可燃气体在喷枪组件中均匀混合并顺利点燃；[0110] 螺旋下料管参数设定：计算硅微粉在预设温度范围内所需的预热时间，结合螺距与线速度的关系(v＝πDn/60)确定螺旋下料管13的螺距与长度；[0111] 热烟气与助燃空气换热系统设计：运用牛顿冷却定律或傅立叶定律计算热烟气与连通铜管14、冷空气管道二9和热空气管道11之间的换热系数，据此确定最佳换热面积、管道直径和材质，考虑石墨烯导热层的导热系数，调整其厚度以最大化热传递效率，设定螺旋通道15的几何参数，优化热烟气在螺旋通道内的停留时间及与连通铜管的接触面积；[0112] 温度与压力控制系统搭建：安装温度与压力传感器，实时监测球化炉体3内部状态，根据球化过程的热力学要求设定温度与压力的上下限；采用PID控制器，根据实测值与设定值的偏差动态调整氧气、可燃气体供应量、鼓风量参数，确保球化炉始终运行在最佳工况；设置超限报警与保护机制；[0113] 质量流量控制与物料配比：在进料口安装质量流量计，精确测量各物料的质量流量；通过PLC或DCS系统，根据预先设定的配方比例自动调节各物料的进料速度，保证最终产品的成分一致性与质量稳定性；[0114] 球化过程执行：a.启动喷枪组件，点燃氧气与可燃气体混合气体，释放大量热量，对硅微粉进行煅烧；b.硅微粉在高温区域熔化并球化，形成球化料粉；球化料粉在过渡腔12向下运动过程中不受外力干扰，自由漂浮，确保速度场均匀分布；c.球化料粉到达冷空气管道一8处，进行快速冷却，形成球形硅微粉产品；d.冷却后的球形硅微粉产品通过球化炉体3底部的输送带输出，完成整个制备过程；[0115] 实施例2：[0116] 在实施例1的基础上，增加以下内容以进一步提升精准度和技术效果：[0117] 助燃混合气体精确配比：利用Levenspiel法、经验公式或实验测定得到特定可燃气体的最佳氧/燃料比，并将其设定为控制系统的目标值；实时监控混合气体的实际比例，通过精确调节氧气与可燃气体的供给量，确保助燃混合气体始终保持最佳比例，提高燃烧效率和火焰温度；[0118] 鼓风机风量与压力精细化管理：根据球化炉体3内压力波动情况，实时调整鼓风机6转速以维持恒定的压力条件；通过对氧气管4和可燃气体管道5流量的连续监测，动态调整鼓风量，确保助燃空气和可燃气体在喷枪组件中均匀混合，优化热能利用率；[0119] 螺旋下料管优化设计：通过流体力学模拟软件对螺旋下料管13进行仿真，根据仿真结果进一步优化螺距与长度，确保硅微粉在预热阶段获得适宜且均匀的热量，降低后续熔化所需能耗，同时避免过度加热；[0120] 热烟气与助燃空气换热效率提升：根据实际运行数据，定期重新计算热烟气与连通铜管14、冷空气管道二9和热空气管道11之间的换热系数，适时调整换热面积、管道直径、螺旋通道15几何参数及石墨烯导热层厚度，以适应工艺变化和设备老化因素，持续优化热能回收效率；[0121] 温度与压力控制系统升级：采用更先进的控制策略(如模糊逻辑控制、神经网络控制)替换或辅助PID控制器，提高温度与压力控制精度；增强超限报警与保护机制的灵敏性和可靠性，确保球化过程的安全稳定；[0122] 质量流量与物料配比精确控制：定期校准质量流量计，确保测量准确性；优化PLC或DCS系统的控制算法，提高对物料进料速度的响应速度和调节精度，确保产品质量一致性，满足下游应用需求。

专利地区：江西

专利申请日期：2024-05-14

专利公开日期：2024-11-01

专利公告号：CN118532939B