专利名称：用于减小尺寸的装置和方法
技术领域：
本发明提供了 ー种用于减小物料尺寸的装置和方法。所述装置和方法也可以减少物料的水分含量。
背景技术：
已存在几种用于无机械作用地处理物料的装置以减小物料的颗粒尺寸。这些装置中的大多数由入口管、带有叶轮风扇(impeller fan)的旋风室(cyclone chamber)构成，所述叶轮风扇用于吸入空气和待通过该系统进行处理的物料。高压气流被用于在旋风室中产生润流，旋风室能够捕获物料并使物料保持在气旋悬浮状态(cyclonic suspension),物料在其中被分级。在WO 98/35756中描述了这种装置的示例。WO 98/35756描述了ー种机器，该机器 带有可调节长度的旋风室来调节所述装置，以获得由风扇产生的特定谐振频率下的驻波。WO 00/24518指出WO 98/35756的エ艺存在许多困难，主要的一个就是在旋风室中发生的物理过程没有将所有的物料都降解成所需的尺寸，因而其结果是，未降解的物料排出腔室并撞击叶轮。由此产生的作用力使得即使采用人们所知道的最结实的材料来制造，风扇也维持不了几个小吋。
发明内容
本发明试图解决上述问题，并且特别提供了用于减小物料尺寸的改进方法和装置。本发明还提供了从物料中去除水分的方法和装置。根据ー个方面，本发明提供了用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件(feedassembly)将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分(frusto-conical section)；-将至少ー种粘度改性剂(viscositymodifying agent)加入旋风室中；以及-在旋风室内提供旋润流体束(cyclonicfluid stream)。根据特定的方面，旋风室内的旋涡流体束可以具有满足lX10_8m2/s彡V彡I X ΙΟ、2/s的运动粘度(V )。根据特定的方面，粘度改性剂可以是运动粘度改性剂。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可在将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行。可以添加任何适宜的粘度改性剂。例如，粘度改性剂可以选自由潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剂(water-basedsurfactant)、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝以及它们的组合所组成的组中。可以将任何适宜量的粘度改性剂添加到旋风室中。特别地，将粘度改性剂加入旋风室中使得旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V )满足I X l(T8m2/s彡V彡I X 10_1m2/so根据特定的方面，旋涡流体束由一种设备提供，所述设备位于旋风室的截头圆锥部分末端所形成的开ロ处。
所述方法可以进一歩包括收集尺寸已减小的物料的步骤。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm_150 μ m。根据第二方面，本发明提供了用于根据本发明第一方面中的方法的减小物料尺寸的装置。该装置可以包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆 筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相对的端部处与旋风室流体连通(fluidconnection)的空气入口管；以及-用于将物料供给到旋风室的给料组件。所述给料组件还可以用于供给至少ー种粘度改性剂。 所述装置可以进一歩包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制通过给料组件供给到旋风室中的物料、空气和/或粘度改性剂的量。粘度改性剂可以是运动粘度改性剂。特别地，计算机控制系统能够监测旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V )，并相应地调节通过给料组件供给到旋风室中的物料、空气和/或粘度改性剂的量。本发明第三方面的内容是用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；以及-在旋风室内提供旋涡流体束。其中所述旋涡流体束具有满足I X l(T8m2/s彡v彡I X KT1 m2/s的运动粘度(v )。所述方法还可以进ー步包括将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤。所述至少ー种粘度改性剂可以是运动粘度改性剂。特别地，将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可以在将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行。可以添加任何适宜的粘度改性剂。例如，粘度改性剂可以选自由潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剤、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝以及它们的组合所组成的组中。粘度改性剂的其它示例包括，但不限定干，氦气、ニ氧化硫、蓖麻油、玉米淀粉溶液、甘油和焦油。所述玉米淀粉溶液可以是22波美度的玉米淀粉溶液、24波美度的玉米淀粉溶液或26波美度的玉米淀粉溶液。可以将任何适宜量的粘度改性剂添加到旋风室中。根据特定的方面，将粘度改性剂加入旋风室中使得旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V)满足ΙΧΙΟΛι2/
V彡lXlO—W/s。特别地，添加至少ー种粘度改性剂的步骤是在旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V)处于lX10_8m2/s彡V彡lXlO—W/s范围之外时进行的。根据特定的方面，旋涡流体束由一种设备提供，该设备位于旋风室的截头圆锥部分末端所形成的开ロ处。所述方法可以进一歩包括收集尺寸已减小的物料的步骤。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm-150ym。更特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是 8nm_100 μ m、15nm_50 μ m、25nm_25 μ m、、50nm_10 μ m、75nm_5 μ m、100nm_800nm、150mn-Y00mn、200mn-G00mn、；300mn-500mn、400mn-450mn。本发明另一方面是用于根据本发明第三方面的方法减小物料尺寸的装置，该装置包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；-用于将物料供给到旋风室的给料组件；以及-用于监测旋风室内旋涡流体束的运动粘度(V)的计算机控制系统。根据特定的方面，给料组件也可以用于将至少ー种粘度改性剂供给到旋风室中。 所述至少ー种粘度改性剂可以是运动粘度改性剂。特别地，计算机控制系统能够监测旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V )，并相应地调节通过给料组件供给到旋风室中的物料、空气和/或粘度改性剂的量。本发明另一方面是用于减小物料尺寸的装置，该装置包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；以及-用于将物料供给到旋风室的给料组件，其中给料组件的直径与空气入口管的直径之比为O. 3-0. 5。所述装置还可以进ー步包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制旋风室内的物料供给和流体束。根据ー个方面，本发明提供了用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-在旋风室内提供旋涡流体束；以及-控制供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积的比值，其中，所述比值彡40%。
图I示出了根据本发明一个实施方式的装置的透视图；图2示出了水头损失(head loss)为87m时运动粘度相对雷诺数的曲线图；图3示出了对于不同管道粗糙度(4)值的水头损失相对运动粘度的曲线图；图4示出了根据本发明ー个方面的装置进行尺寸减小的褐煤样品的Malvern颗粒尺寸分布(样品A)；图5示出了根据研磨进行尺寸减小的褐煤样品的Malvern颗粒尺寸分布(样品B);以及图6示出了样品A和样品B的重量损失率相对温度的关系图。
具体实施方式
为方便起见，本说明书中所提及的參考文献以參考目录的形式列出，并添加在实施例的末尾。通过引用将这些參考文献的全部内容并入本文。在现有技术中报道了很多设备设计和操作原理，上文就给出了它们的示例。一般而言，这样的设备是由带有叶轮风扇的圆锥形旋风室构成的，所述叶轮风扇用于吸入空气和待通过该系统进行处理的物料。气流被用于在捕获有物料的旋风室中产生涡流，使物料保持在气旋悬浮状态，物料在其中被处理至某种程度。在处理过程中，能够减小物料的颗粒尺寸。依靠涡流的物料处理系统的流体动力学是非常复杂的，并且在整个处理周期中连续变化。由于在瑞流(turbulent flow)条件下,供给到处理系统中的物料颗粒具有惯性并且与处理系统内的其它流体表现不同，主要是空气和水蒸气，因而复杂性会増加。尺寸待减小的且悬浮在流体中的物料颗粒的尺寸和浓度的连续变化，连同伴随的处理系统中水含量的变化一起，导致的动力学情况为颗粒被迫进出有效处理区域。特别地， 当在处理系统中待处理的物料被加入到处理系统内的气流中时，系统的流体动力学发生剧烈变化且雷诺数(Reynolds number)也发生改变。为使物料在处理系统中得到有效的处理，就需要优化流动条件以确保颗粒尽可能地受到涡流的剪切力作用。管道或管子中流体流动的雷诺数是无量纲数，其给出了惯性カ对粘滞力的比值。通常，具有大雷诺数的流表示是湍流，与此同时小雷诺数表示的流是惯性力小于粘滞力的流并且表征为层流(laminar flow)。就本发明而言，雷诺数可以大体上定义为
Γ OD pVDRe = =-——
νΑ μ其中P是液流穿过管道的平均流体速度(m/s)；D是管道的直径(m)；μ是流体的动カ粘度(Pa. s或N. s/m2)；V是流体的运动粘度(即V = $ ) (m2/s)；P是流体的密度(kg/m3)；Q是管道内流体的体积流速(volumetric flow rate) (m3/s);以及A是管道的横截面积(m2)。本领域技术人员能够理解雷诺数小于2300表示层流，雷诺数介于2300和4000之间表示暂态流(transient flow),而雷诺数大于4000表示瑞流。因此，在处理系统中处理物料的过程中，期望更好地控制流的雷诺数。根据本发明的第一方面，提供了用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中；以及-在旋风室内提供旋涡流体束。粘度是液体流动时的内部阻力。液体的粘度越高，液体流动所受到的阻カ越大。相反地，液体的粘度越低，液体流动所受到的阻力越小。对本发明的目的而言，粘度改性剂被定义为当将其加入系统中时，能够改变系统内液流的粘度的试剂。特别地，粘度改性剂能够改变系统内液流的运动粘度。液流的运动粘度是液流的动カ粘度与液体的密度之比。粘度改性剂可以处于固态、液态或气态。粘度改性剂可以是运动粘度改性剂。术语“粘度改性剂”包括流动促进剂。粘度改性剂与流动促进剂的示例包括，但不限定于，潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剂、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝或它们的组合。粘度改性剂另外的示例包括，但不限定于，氦气、ニ氧化硫、蓖麻油、玉米淀粉溶液、甘油和焦油。玉米淀粉溶液可以是22波美度的玉米淀粉溶液、24波美度的玉米淀粉溶液或26波美度的玉米淀粉溶液。对本发明的目的而言，潮湿空气被定义为与环境空气相比带有更高水分含量的空气。对本发明的目的而言，暖空气被定义为具有比环境空气温度更高温度的空气。对本发明的目的而言，冷空气被定义为具有比环境空气温度更低温度的空气。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可以在通过给料组件将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可以在为旋·风室中提供旋涡流体束的步骤之后进行。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可重复一次以上。特别地，在用于通过给料组件供给到旋风室中的物料的尺寸减小方法中，可以重复地进行将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤。根据特定的方面，旋风室内的旋涡流体束可以具有满足lX10_8m2/s彡V彡I X lO—W/s的运动粘度(V)。旋涡流体束可以包括通过给料组件供给到旋风室中的物料。相应地，參考具有特定运动粘度的旋涡流体束，可以衡量旋风室内含有物料的气流的运动粘度。当旋风室内的旋涡流体束具有满足IX 10_8m2/s彡V彡I X 10_1m2/s的运动粘度(V)时，流动情况得到优化，并且可以高效地减小物料的尺寸。然而，当尺寸待减小的物料被加入到旋风室中时，会改变流体动力学，并且因此改变旋涡流体束的运动粘度(V )。相应地，旋涡流体束的运动粘度(V)可以被至少ー种粘度改性剂改变。例如，当加入至少ー种粘度改性剂时，可以改变旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V)，使得运动粘度(V )满足 I X l(T8m2/s 彡 V 彡 I X lO—W/s。根据特定的方面，旋风室内的旋涡流体束可以具有的雷诺数为4X IO3-IX 108。至少ー种粘度改性剂的添加可以是至少ー种粘度改性剂的受控添加(controlledaddition)。至少ー种粘度改性剂的添加可以实现更好地控制旋风室内旋润流体束的运动粘度(V)，因此提高了旋风室内旋涡流体束的流动性、稳定性和持续性。可以加入任何适宜量的粘度改性剂。特别地，粘度改性剂的添加量可以根据运动粘度(V)来确定。更特别地，至少ー种粘度改性剂的添加量可以根据使旋涡流体束的运动粘度(V)达到I X 10_8m2/
V彡lXlO—W/s所需的量来确定。至少ー种粘度改性剂的添加量可以根据使旋涡流体束的雷诺数达到4 X IO3-IX IO8所需的量来确定。根据特定的方面，粘度改性剂的添加量可以根据尺寸待减小的物料来确定。例如，如果物料很大和/或很潮湿，那么就要増加添加到旋风室中的粘度改性剂的量。粘度改性剂的添加可以促进物料的处理。对本发明的目的而言，可以使用任何适宜的粘度改性剂。例如，粘度改性剂可以选自由潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剂、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝以及它们的组合所组成的组中。特别地，粘度改性剂是水和/或潮湿空气。粘度改性剂的其它示例包括，但不限定于，氦气、ニ氧化硫、蓖麻油、玉米淀粉溶液、甘油和焦油。玉米淀粉溶液可以是22波美度的玉米淀粉溶液、24波美度的玉米淀粉溶液或26波美度的玉米淀粉溶液。根据特定的方面，尺寸待减小的物料在经过处理后也可作为协同添加剂(co-additive)与至少ー种粘度改性剂一起使用。特别地，尺寸已减小的物料可以与至少ー种粘度改性剂一起加入。例如，如果褐煤(brown coal)已被处理且尺寸减小至5nm_100 μ m,那么当对原煤(raw coal)进行处理时可以加入一些这样的物料来改变粘度。旋风室内的旋涡流体束由设备提供。根据本发明，旋涡流体束是指在穿过导管的流体束中产生的旋流(cyclone)，所述导管优选为环形截面。在旋涡流体束中，由流体束运动产生的向心力将流体束中夹带的任何颗粒物料都拉离导管壁并且拉向其中心区域。如果在导管内产生宽范围的声频，那么就会在流体束中产生强大模式的旋涡。由于引发微小爆炸(minute explosion)的旋流内所产生的压力，使得能量从势能转化成动能而被释放。旋流的旋润表现为内瀑(implosion)的形式,这能够将物料进ー步破碎成更小的颗粒。
旋涡流体束中产生的旋涡承载由特别设计的装置所产生的另外的谐振频率。这在系统中由驻波形态创建出脉冲，并且这使得驻波内流体的凹处(pocket)获得超出声速范围的速度。这可用于特殊类型的物料，能够增强所产生的旋涡破碎很硬及很软物料如石头的能力和減少物料水分含量的能力。为旋风室内提供旋涡流体束的步骤中所使用的设备可以是能够提供旋涡流体束的任何适合的设备。根据特定的方面，该设备可以位于旋风室的截头圆锥部分末端处所形成的开口中。能够提供旋涡流体束的设备的示例包括风扇。对于本领域的技术人员显而易见的是，能够提供旋涡流体束的其它设备也在本发明的范围内。根据特定的方面，所述设备可以是叶轮风扇。特别地，叶轮风扇可以包括多个径向延伸的叶片和毂盘(hub)，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布。叶轮风扇可以进ー步包括位于毂盘内的阻碍件(interrupter),所述阻碍件用于偏转(deflecting)毂盘前面的流体束。根据特定的方面，供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积之比可以< 40%。如果供给到给料组件中的物料的体积超过旋风室内空气体积的40%，那么旋涡流体束内产生的旋涡可能会瓦解并丧失处理能力。所述方法可以进一歩包括收集尺寸已减小的物料的步骤。尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm-150ym。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是8nm_100 μ m、15nm_50 μ m、25nm_25 μ m、30nm_20 μ m、50nm_10 μ m、75nm_5 μ m、100nm_800nm、150nm-700nm、200nm-600nm、300nm-500nm、400nm-450nm。更特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸是20-100 μ m。本领域技术人员能够理解的是，平均颗粒尺寸取决于尺寸已减小的物料将被使用的应用领域，以及尺寸已减小的物料的最終用途。例如，对于煤而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的煤的平均颗粒尺寸可以是50-100 μ m。对用于化妆品制备中的氧化锌而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的氧化锌的平均颗粒尺寸可以是 20_40nm。对本发明的目的而言，物料的平均颗粒尺寸是指大多数基础上的物料平均颗粒尺寸。物料的颗粒尺寸可以定义为物料的最大尺寸(dimension)。可以使用适合用于确定颗粒尺寸的任何标准方法。例如,可以使用Mastersizer 2000颗粒尺寸分析仪(Malvern仪器有限公司)来确定颗粒尺寸。颗粒尺寸分布可以通过任何适宜的方法来确定。例如，可以使用ASTM C136或ASTMC117中所述的方法通过筛分来确定细小的和粗糙的聚合物的颗粒尺寸分布。例如，将包括尺寸已减小的物料的大量样品通过ー组筛子进行筛分，每个筛子尺寸有变化。所述筛子可以是标准筛。将大量样品通过筛子堆进行筛分，以通过称量存留在每个筛子上的物料的重量来确定颗粒尺寸分布。本发明的第二方面是根据上述方法的用于减小物料尺寸的装置。该装置包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；以及-用于将物料供给到旋风室的给料组件。 用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备可以是任何适宜的设备。用于产生旋涡流体束的设备的示例包括风扇。根据特定的方面，所述设备可以是叶轮风扇。特别地，叶轮风扇可以包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布。叶轮风扇可以进ー步包括位于毂盘内的阻碍件，用于偏转毂盘前面的流体束。所述装置可进ー步包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制通过给料组件供给到旋风室中的物料的量。所述计算机控制系统还可以控制旋风室中的流体的量。所述计算机控制系统还可以控制加入到旋风室内的至少ー种粘度改性剂的量。特别地，所述计算机控制系统能够监测水头损失和旋流空气(流体)速度，对任何特定系统的几何结构而言，水头损失和旋流空气(流体)速度是对通过给料组件供给到旋风室中的物料的运动粘度的直接度量。如上所述，至少ー种粘度改性剂的添加可以是至少ー种粘度改性剂的受控添加。至少ー种粘度改性剂的添加可以通过计算机控制系统进行控制。例如，在运动粘度(V)处于预定范围之外这样的情况下，计算机控制系统可以检测到旋风室内旋涡流体束的运动粘度(V)的变化。在雷诺数处于预定范围之外这样的情况下，计算机控制系统可以检测到旋风室内旋涡流体束的雷诺数的变化。计算机控制系统将因此促使至少ー种粘度改性剂的受控添加，以使运动粘度(V)返回到预定范围内。因此，计算机控制系统能够有助于改善旋风室内旋涡流体束的流动性、稳定性和持续性。以下对所述装置的不同部分给出了更详细的说明。根据第三方面，本发明提供了用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；以及-在旋风室内提供旋涡流体束，其中所述旋涡流体束具有满足I X l(T8m2/s彡v彡I X 10_1m2/s的运动粘度(v )。根据特定的方面，旋涡流体束的雷诺数可以是4X IO3-IX 108。所述方法可以进一歩包括将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤。如上所述，就本发明的目的而言，可以使用任何适宜的粘度改性剂。添加至少ー种粘度改性剂的步骤可以在通过给料组件将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可以在为旋风室中提供旋涡流体束的步骤之后进行。将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤可重复一次以上。特别地，在用于通过给料组件供给到旋风室中的物料的尺寸减小方法中，可以重复地进行添加至少ー种粘度改性剂的步骤。根据特定的方面，当旋风室中的旋涡流体束具有满足ΙΧΙΟΛι2/s彡V彡I X KT1mVs的运动粘度(V)时，流动情况得到优化，并且可以高效地减小物料的尺寸。然而，当尺寸待减小的物料被加入到旋风室中时，会改变流体动力学，并且因此改变旋涡流体束的运动粘度(V )。相应地，旋涡流体束的运动粘度(V)可以由于添加至少ー种粘度改性剂而被改变。例如，当加入至少ー种粘度改性剂时，可以改变旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V ),而使运动粘度(V )满足I X 10_8m2/s彡V彡I X lO—W/s。至少ー种粘度改性剂的添加可以是至少ー种粘度改性剂的受控添加。至少ー种粘度改性剂的添加可以使旋风室内的旋涡流体束的运动粘度(V)得到更好的控制，从而改 善旋风室内旋涡流体束的流动性、稳定性和持续性。可以添加任何适宜量的粘度改性剂。特别地，粘度改性剂的添加量可以根据运动粘度(V)而定。更特别地，至少ー种粘度改性剂的添加量可以根据使旋涡流体束的运动粘度(V)达到lX10_8m2/s彡V彡I X KT1mVs所需要的量来确定。根据特定的方面，粘度改性剂的添加量可以根据尺寸待减小的物料来确定。例如，如果物料很大和/或很潮湿，那么就要増加加入到旋风室内的粘度改性剂的量。粘度改性剂的添加可以促进物料的处理。根据特定的方面，所添加的至少ー种粘度改性剂的量可以根据使旋涡流体束的雷诺数达到4X IO3-IX IO8所需的量来确定。根据特定的方面，尺寸待减小的物料在经过处理后也可作为协同添加剂与至少ー种粘度改性剂一起使用。特别地，尺寸已减小的物料可以与至少ー种粘度改性剂一起加入。例如，如果褐煤已被处理且尺寸减小至5nm-100 μ m，那么当对原煤进行处理时可以加入一些这样的物料来改变粘度。向旋风室内提供旋涡流体束的步骤中所使用的设备可以是能够提供旋涡流体束的任何适合的设备。根据特定的方面，该设备可以位于旋风室的截头圆锥部分末端处所形成的开ロ中。在前面给出了能够提供旋涡流体束的设备的示例。根据特定的方面，所述设备可以是叶轮风扇。特别地，叶轮风扇可以包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布。叶轮风扇可以进ー步包括位于毂盘内的阻碍件，用于偏转毂盘前面的流体束。根据特定的方面，供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积之比可以< 40%。如果供给到给料组件中的物料的体积超过旋风室内空气体积的40%，那么旋涡流体束内产生的旋涡可能会瓦解且失去处理能力。所述方法可以进一歩包括收集尺寸已减小的物料的步骤。尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm-150ym。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是8nm_100 μ m、15nm_50 μ m、25nm_25 μ m、30nm_20 μ m、50nm_10 μ m、75nm_5 μ m、100nm_800nm、150nm-700nm、200nm-600nm、300nm-500nm、400nm-450nm。更特别地，在物料已经过尺寸减小之后，物料的平均颗粒尺寸是20-100 μ m。本领域技术人员能够理解的是，平均颗粒尺寸取决于尺寸已减小的物料将被使用的应用领域，以及尺寸已减小的物料的最終用途。例如，对于煤而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的煤的平均颗粒尺寸可以是50-100 μ m。对于用于化妆品制备中的氧化锌而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的氧化锌的平均颗粒尺寸可以是20_40nm。本发明还提供了用于根据上述本发明第三方面方法的减小物料尺寸的装置。该装置包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；
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-用于将物料供给到旋风室的给料组件；以及·-用于监测旋风室内旋涡流体束的运动粘度(V)的计算机控制系统。用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备可以是任何适宜的设备。用于产生旋涡流体束的设备的示例包括风扇。根据特定的方面，所述设备可以是叶轮风扇。特别地，叶轮风扇可以包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布。叶轮风扇可以进ー步包括位于毂盘内的阻碍件，用于偏转毂盘前面的流体束。根据特定的方面，用于监测旋风室内旋涡流体束的运动粘度(V)的计算机控制系统是可以检测旋涡流体束的运动粘度(V)是否处于预定范围之外的计算机控制系统。所述预定范围可以是lX10_8m2/s彡V彡lXlO—W/s。所述计算机控制系统可以检测旋涡流体束的雷诺数是否处于预定范围之外。计算机控制系统能够监测水头损失和旋流空气(流体)速度，对任何特定的系统几何结构而言，水头损失和旋流空气(流体)速度是对通过给料组件供给到旋风室中的物料的运动粘度的直接度量。特别地，当旋涡流体束的运动粘度(V)处于预定范围之外吋，计算机控制系统能够促使旋风室内流动情况的变化。特别地，计算机控制系统能够促使至少ー种粘度改性剂的添加，以使旋涡流体束的运动粘度(V)和/或雷诺数返回到预定范围内。因此，计算机控制系统能够有助于改善旋风室内旋涡流体束的流动性、稳定性和持续性。至少ー种粘度改性剂的添加可以如上文所述。以下对所述装置的不同部分给出了更详细的说明。本发明另外的方面是用于减小物料尺寸的装置，该装置包括-具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入ロ的开ロ处；-在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；以及-用于将物料供给到旋风室的给料组件，其中给料组件的直径与空气入口管的直径之比为O. 3-0. 5。特别地，给料组件的直径与空气入口管的直径之比为O. 5。这样的比值可以促使最大空气体积与物料体积之比为60 40。当尺寸待减小的物料是浆液吋，给料组件的直径与空气入口管的直径之比为O. 35。所述装置可以进一歩包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制通过给料组件供给到旋风室中的物料的量以及旋风室内流体的量。以下对所述装置的不同部分给出了更详细的说明。还提供了在上述装置中减小物料尺寸的方法，该方法包括控制供给到给料组件中的物料体积与旋风室内空气体积之比< 40%的步骤。特别地，供给到给料组件中的物料体积与旋风室内空气体积之比< 35%、< 30%、< 25%、< 20%。根据特定的方面，控制供给到给料组件中的物料体积与旋风室内空气体积之比的步骤可以由计算机控制系统执行。可以使用任何适合的计算机控制系统。例如，所述计算机控制系统可以通过控制由给料组件供给到旋风室中物料的量以及旋风室中空气的量来控制比值。所述方法可以进一歩包括收集尺寸已减小的物料的步骤。尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm-150ym。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是 8nm_100 μ m、15nm_50 μ m、25nm_25 μ m、30nm_20 μ m、50nm_10 μ m、75nm_5 μ m、100nm_800nm、150nm-700nm、200nm-600nm、300nm-500nm、400nm-450nm。更特别地，在物料已经过尺寸减小之后，物料的平均颗粒尺寸是20-100 μ m。本领域技术人员能够理解的是，平均颗粒尺寸取决于尺寸已减小的物料将被使用的应用领域，以及尺寸已减小的物料的最終用途。例如，对于煤而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的煤的平均颗粒尺寸可以是50-100 μ m。对用于化妆品制备中的氧化锌而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的氧化锌的平均颗粒尺寸可以是20_40nm。本发明的另一方面是用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤-通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；-在旋风室内提供旋涡流体束；以及-控制供给到给料组件中的物料体积与旋风室内空气体积的比值，其中所述比值(40%。特别地，供给到给料组件中的物料体积与旋风室内空气体积之比< 35 %、く 30%、彡 25%、彡 20%。向旋风室内提供旋涡流体束的步骤中所使用的设备可以是能够提供旋涡流体束的任何适合的设备。根据特定的方面，该设备可以位于旋风室的截头圆锥部分末端处所形成的开ロ中。在前面给出了能够提供旋涡流体束的设备的示例。根据特定的方面，所述设备可以是叶轮风扇。特别地，叶轮风扇可以包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布。叶轮风扇可以进ー步包括位于毂盘内的阻碍件，用于偏转毂盘前面的流体流束。所述方法可以进ー步包括收集尺寸已减小的物料的步骤。尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是5nm-150ym。特别地，尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸可以是8nm_100 μ m、15nm_50 μ m、25nm_25 μ m、30nm_20 μ m、50nm_10 μ m、75nm_5 μ m、100nm_800nm、150nm-700nm、200nm-600nm、300nm-500nm、400nm-450nm。更特别地，在物料已经过尺寸减小之后，物料的平均颗粒尺寸是20-100 μ m。本领域技术人员能够理解的是，平均颗粒尺寸取决于尺寸已减小的物料将被使用的应用领域，以及尺寸已减小的物料的最終用途。例如，对于煤而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的煤的平均颗粒尺寸可以是50-100 μ m。对于用于化妆品制备中的氧化锌而言，在经过本发明的尺寸减小方法处理之后的氧化锌的平均颗粒尺寸可以是20_40nm。当旋涡流体束的流体动力学特征由于根据本发明任意方面的方法而得以优化吋，可以在旋涡流体束内的外部涡流内侧产生反向涡流，从而产生持续的旋涡流体束。外部和内部旋涡的交会处产生湍流边界层。由边界层中旋风室内的物料颗粒之间相互作用导致的強烈破裂使物料破碎成各种不同尺寸的颗粒。主涡流沿ー个方向盘旋(spiral)并且携帯大多数较粗糙的颗粒，而内部涡流沿相反方向盘旋并携帯较细小的颗粒。此外，随着颗粒移动到较低压カ区，物料颗粒中所可能含有的任何水分会迅速蒸发。这种蒸发会足够迅速从而能够进ー步破碎颗粒。随着颗粒破碎，更大的颗粒表面被暴露出来且这有利于进一歩蒸发。悬浮的物料颗粒并不围绕旋润流体束以平滑盘旋(smooth spiral)的方式运动。特别地，大颗粒与小颗粒相互碰撞，并且由于摩擦带电过程(triboelectric processes)产生相反的电荷。较大的颗粒变得带正电，而较小的颗粒变得带负电。 在某处，特别是在旋风室内的低压区域，带有相反电荷的颗粒将会充分地紧密接近使得静电场具有足够的影响而使它们之间的空气电离。依赖压力，这会导致电晕或辉光放电等离子体(glow discharge plasmas)的形成。在大气压下,干燥空气中的击穿电压为30KV/cm。在较低压力和较高湿度水平下，击穿电压会显著降低。此外，由于电场強度与颗粒半径成反比，较小颗粒的击穿电压更低。因此，随着颗粒的尺寸不断减小，电离过程变得更加容易和更加頻繁。因此产生了静电放电(Electrostatic discharges)并且可以将发射高频射电波(transmit high frequency radio wave)用于监测尺寸减小的方法和用于反馈控制。在图I中示出了根据本发明的装置的实施方式。所述装置100包括叶轮抽吸扇(impeller suction fan)5和旋风室4。旋风室4大致为圆筒形并且使其纵向轴线沿叶轮抽吸扇5的旋转轴设置。叶轮抽吸扇5被可旋转地支撑在壳体(housing)6中。叶轮抽吸扇5产生旋转并进行空气的抽吸。叶轮抽吸扇5被锁定在驱动轴(未示出)的一端，所述驱动轴由安装在壳体6后方的通道支座(tunnel bearing)9支撑。驱动机构(drive train) 10被紧固在轴的另一端。驱动机构10为装置100提供动力。在运行时，驱动机构10被可变速的马达、内燃机或任何机械驱动器12驱动。叶轮抽吸扇以典型的速度90-250m/s运行。但是，本领域技术人员能够理解的是，对本发明的目的而言可以使用任何适当的速度。特别地，叶轮抽吸扇的速度可以根据被处理物料的运动粘度而定。叶轮抽吸扇的速度可以对应干物料的破碎度而变化。驱动机构10被固定在台架(bench) 11上。可以在台架11上加衬垫(cushioned)。旋风室4的一端以与其接合的方式与空气入口管3配接。旋风室4的另一端端接于具有开ロ(未示出)的截头圆锥部分4a。例如通过焊接固定旋风室4,从而壳体6的开ロ与截头圆锥部分4a的嘴部(mouth)重合。这样叶轮抽吸扇5的入口能够部分地延伸到旋风室4的截头圆锥部分4a内。特别地，壳体6的内宽比叶轮抽吸扇5的宽度宽约5cm。用于接收尺寸待减小物料的给料组件2安装在空气入口管3上邻接其开ロ端3a并且部分延伸到空气入口管3中。对本发明的目的而言，可以使用任何适宜的给料组件。待减小的物料通过给料组件2供给，随后进入空气入口管3。空气和物料在进入旋风室4之前穿过空气入口管3。在空气入口管3的开ロ端3a处空气入口管3还与定子(stator)l连接。定子I为卵形聚合点(egg-shaped focal point),能够使在旋风室4内的旋润流体束中产生的涡流的尾部聚合。在装置100的运行期间，给料组件2能够调节通过给料组件2所供给的物料的体积与旋风室4内的流体体积之比。这可以通过给料组件2的直径与空气入口管3的直径之间的关系来控制。 装置100还包括排出管道8。空气和物料在穿过旋风室4之后通过排出管道8。通过排出管道8的空气和物料会被引导至收集和出料区(collection and disbursementarea)。叶轮抽吸扇5包括多个径向延伸的叶片5a。优选地，叶片5a的数量为8_12个，根据待粉碎物料的类型而定。用较多数量的叶片5a来获得从排出管道8排出的平均颗粒尺寸减小较大的物料，而用较少数量的叶片5a来获得从排出管道排出的更干燥的物料。叶片5a可以形成于并且进ー步涂覆有高度耐磨材料层，以保护叶片5a不受到金属污染，同时也提供缓冲以保护脆性颗粒(brittle particles),如从金伯利岩矿石中释放出来的金刚石(diamonds),从而使大的金刚石完整无缺,否则它们会被压碎。各个叶片5a都偏离叶轮的半径3-10°的角度。角度越大，越适合将装置100应用于需要更多地降低通过给料组件2所供给的物料水分的情況。角度越小，越适合应用于需要更多地减小通过给料组件2所供给的物料尺寸的情況。叶片5a围绕毂盘(未示出)均匀地间隔开。毂盘容纳叶片5a并固定在驱动轴上。每个叶片5a都基本上是凹形的(concave)，每个叶片5a的凹形都朝向叶轮抽吸扇5的旋转方向。阻碍件13可以装配在毂盘朝向轮抽吸扇5入口的前侧的中心孔内。阻碍件13是不规则形状的物体锁紧螺母，将叶轮抽吸扇5锁定到驱动轴上。阻碍件13可以包括安装在中心脊(central spine)上的圆盘。所述脊可以带有螺纹(screw-threaded),使得阻碍件13能够被螺旋固定到毂盘的中心孔内。阻碍件13阻碍毂盘正前方的静止流体。阻碍件13具有的直径大致等于毂盘的直径。特别地，阻碍件13的中心直径大致等于毂盘的直径。可以通过计算机辅助设计来进一步优化叶轮叶片5a的定向和设计，并且可以进一歩做动态调整以弥补叶片的任何磨损。特别地，可以通过由特定产品创建的计算流体动力'子1分析磨损丰旲型(,computational fluid dynamics analysing wear patterns)并且直新设计叶片来调节叶片的弯曲度，从而给出抗磨损的最优自由度。装置100还包括涡形管(scroll) 7，所述涡形管(scroll) 7为壳体内的多角度螺旋形蜗壳，壳体与空气入口管3共同决定了装置100含有和排出的空气体积。根据特定的实施方式，壳体6包括具有总体积与叶轮抽吸扇5的直径成比例的涡形管7，从而相对于叶轮抽吸扇5每300mm的直径，涡形管7的体积应为0. 120-0. 177m3。特别地，相对于叶轮抽吸扇5姆300mm的直径,润形管7的体积可以是0. 150m3。涡形管7可以以螺旋的形状从排出管道8的内壁延伸到排出管道8的外壁，从而创建装置100的总空气体积容量。根据特定的实施方式，排出管道8的排放区域大约是涡形管7的体积的35%。排出管道8在涡形管7的端接处与壳体6相连。
可以通过将外部产生的频率引入旋涡流体束，例如通过扬声器(speaker)或电动给料的方式，来进ー步改进物料的粒化和干燥。对于以5760rpm运转的风扇，典型的频率为25-28Hz、57. 6Hz、576Hz。可以通过引入大约为42. 7Hz的频率来增强水的分离。装置100还可以包括计算机控制系统(未示出)。计算机控制系统可以保持和/或监测装置100的运转。特别地，计算机控制系统可以在尺寸待减小的物料被供给到装置100中时保持和/或监测运转的持续性。更特别地，计算机控制系统可以监测旋风室4内的旋涡流体束的运动粘度(V )和/或雷诺数，和/或供给到给料组件中的物料的体积与旋风室4内的流体体积之比。根据特定的实施方式，空气入口管3的长度为叶轮抽吸扇5的直径的200-240%。更特别地，空气入口管3的长度大约是叶轮抽吸扇5的直径的220%。 根据另ー个特定的实施方式，空气入口管3的宽度大约是叶轮抽吸扇5的直径的33%。另ー个特定实施方式提供的是定子I的尺寸是可以变化的，以便对通过给料组件2供给的相同输入物料产生不同的处理結果。例如，当使用较小的定子I时，通过排出管道8的物料的最終平均颗粒尺寸要比使用较大的定子I时的更大。特别地，定子的直径不应超过空气入口管直径的50%。根据特定的实施方式，旋风室4的长度为空气入口管3长度的65-85%、70_80%、75-78%。更特别地，旋风室4的长度为空气入口管3长度的70%。根据另ー个特定的实施方式，旋风室4的宽度沿从叶轮抽吸扇5的宽度至空气入ロ管3的宽度的长度上减小。根据特定的实施方式，叶轮抽吸扇5的直径可以是空气入口管3宽度的三倍。叶轮抽吸扇5的叶片5a可以定位成从叶轮抽吸扇5的毂盘到固定环,与叶轮抽吸扇5的旋转轴成45°角。另外，叶轮抽吸扇5的宽度可以是叶轮抽吸扇5的直径的三分之一。装置100可以按比例确定成任何尺寸，只要所有部件的比值都保持成比例并且在装置100的运转期间可以提供充足的动力。在运行吋，将马达12加速至通过调整装置到物料的自然共振频率而达到粒化特定物料的最优状况的速度。驱动机构10及其控制是至关重要的。必须要为将在旋风室4中形成的旋涡流体束提供充足的动カ。还得在尺寸待减小的物料通过给料组件2供给到旋风室4中时增加马达12的动力，从而使得旋风室4中旋涡流体束内形成的旋涡不瓦解。可以通过根据本发明任意方面的装置来粒化的物料类型涵盖金属矿石(metalores)、玻璃、塑料、煤、褐煤、石油焦炭(petroleum coke)、迈作脆石(mezotrace)、油页岩、石膏板(drywall)、灰分(ash)、肥料(manure)、污泥(sewage sludge)、盐晶(saltcrystal)、矿质和含矿砂(mineral and ore bearing sand)、化肥(fertilizers)、水泥原料(cement raw materials)、黑砂、谷物如大豆、玉米、燕麦、大麦、高粱(milo)和大米。根据本发明任意方面的装置可以用于減少多种物料如湿黏土(wet clay)、纸浆、褐煤、磷酸盐、硫酸盐、鱼和骨头的水分含量来生产细干粉末。本发明的装置对干燥含水量高达50%的着色糕点(pigmentation cake)也是很有用的。采矿泥衆(mining slurries)可以被干燥以粉末形式干燥或充分脱水以用于提取金属的化学处理。待减小尺寸的物料被供给到给料组件2中，并进入空气入口管3。然后物料穿过空气入口管3并进入旋风室4中由叶轮抽吸扇5所产生的旋涡流体束通道。因为旋涡流体束内的旋润携带的调谐谐振(tuned harmonics),所以物料在进入叶轮抽吸扇5之前在旋风室4内被破碎，并被旋涡流体束吸入叶轮抽吸扇5的入口。然后物料进入排出管道8，并离开装置100进入收集和出料区。排出管道8的尺寸可以变化，以调整通过装置100的流体。依靠本领域熟知的任何适宜的方法将已经通过排出管道8离开装置100的物料根据平均颗粒尺寸进行分类。可以将平均颗粒尺寸比所期望的大的物料通过给料组件2进入旋风室4而返回到装置100中以进行再处理。如上所述，可以安装计算机控制系统。在正常运行期间，几乎没有负载(load)，特别是如果使用DC恒カ矩马达来驱动叶轮抽吸扇5。因此，可以设置传感器来检测任何的负载增加，例如由于大颗粒撞击叶轮抽吸扇5，而促使切断开关并制动。
传感器能够可选地，尤其是检测运送中的大颗粒如金刚石，并执行相同的功能。传感器还可以用于检测排出管道8中的大颗粒，并增加叶轮抽吸扇5的速度以确保物料被精细地粒化。计算机控制系统还可以检测旋风室4中旋涡流体束的运动粘度(V )的变化。根据特定的实施方式，如果旋风室4中旋涡流体束的运动粘度(V)落到预定范围之外，那么计算机控制系统就会促进旋风室4中流动状况的变化。特别地，计算机控制系统能够促使至少ー种粘度改性剂添加到旋风室4中，以使旋风室4中旋涡流体束的运动粘度(V )返回到预定范围内。如上所述，对本发明的目的而言，可以使用任何适宜的粘度改性剂。计算机控制系统还可以检测通过给料组件2供给的物料体积与旋风室4中的流体体积之比的变化。如果比值超过了预定值，那么计算机控制系统就通过改变叶轮抽吸扇5的速度来调整存在于旋风室4中的流体量和/或经由给料组件2供给到旋风室4中的物料量。特别地，如果经由给料组件2供给到旋风室4中的物料的体积超过旋风室4内空气体积的40%，那么旋风室4中旋涡流体束内的旋涡会瓦解。根据特定的实施方式，经由给料组件2供给到旋风室4中的物料的体积与旋风室4内的空气体积之比< 40%。根据本文的公开内容，对本领域的技术人员而言，全部在所附权利要求的保护范围内的所述实施方式的修改和其他实施方式都变得显而易见了。根据本发明任意方面的装置的不同部分的设置与通过引用并入本文的现有技术如WO 98/35756、US 7，500，830、WO03/006166等中所述的装置相似。前面已对本发明进行了大体上的描述。參考下面的实施例将会更容易地理解本发明，且以下实施例是以说明为目的的，并不g在限定本发明。实施例实施例I下面的实施例举例说明了确定在什么运动粘度(V)的适宜范围内执行根据本发明任意方面的方法。穆迪图(Moody Diagram)可以用Colebrook White方程式来表不/-1/2=-41og[i-A-l + iL2y 1/2·1 j方程式(I)
V3.71J ノ、 Re J其中
f是摩擦系数(在穆迪图中常以λ表示，其中λ =4f);き代表相对管道粗糙度；以及Re代表雷诺数O方程式I可用已知值Re和な重复求解f。Re =—方程式⑵V其中u是通过管道的气流(流体)速度；d是管道的直径；V是受处理物料的运动粘度。パこ方程式⑶其中μ是动カ粘度；P是密度。管道中的压降用方程式(4)表示如下Δ P = hf P g方程式⑷其中、是管道中的水头损失；和g是重力产生的加速度。用圆形截面管道中瑞流的Darcy-Weisbach方程式表示hf如下方程式(5)其中，L是管道的长度。在该分析中也使用了一些參数的典型试验数值。特别地,d = O. 305m, L = I. 610m,以及 u = 166m/s。在对流经管道的流体的流体动力学分析中，将*作为管道内部粗糙度的量度。然
而，对于本分析的目的而言，在处理如颗粒尺寸、形状等过程中，将^！·作为使湍流水平变化的任何參数的量度。穆迪图示出了可以用于物料处理的湍流的两个不同区域一过渡湍流区(transitional turbulence regions)和充全瑞流区(complete turbulence regions)。ロ丁以显示的是，这两个区域具有完全不同的处理特征。通过改变气流(流体)速度(即通过改变叶轮的速度)对本发明的处理过程进行了控制，以保持优化的压降，并因此保持受处理物料的性质的水头损失。这些物料性质的特征为物料的运动粘度V，而V决定了物料的流动特性。
由图2可以看出，在过渡湍流区内，即き= IxlCT6，代表了管道具有平滑的侧壁，具
有高V的物料以低雷诺数进行处理，而具有低V的物料以高雷诺数进行处理。图2是通过对方程式1-5进行数学处理而获得的。图2显示出系统是如何在过渡湍流区内处理具有不同(或变化的)运动粘度的物料的。通过改变气流(流体)的速度将水头损失控制在特定的数值，例如87m,能够使运动粘度在三个数量级(orders of magnitude)范围内的物料受到处理。不同运动粘度的物料以不同数值的雷诺数值进行处理，根据保持水头损失所需的速度而定。特别地，此实施例中的物料是在水头损失约为87m和气流(流体)速度u在100和200m/s之间变化的条件下被处理，以便在物料的运动粘度范围中(三个数量级)保持此
hf值。 对于任何给定的物料，可能能够改变物料的运动粘度，以使得在可能受限于流体流速或压降的系统操作条件下更好地进行处理。可以通过很多方法引起V的改变，如通过添加粘度改性剂，因为这会改变物料的动カ粘度μ。密度P取决于受处理物料的密度、气体/液体的密度，还取决于受处理物料的尺寸和形状。特别地，可以通过改变颗粒/粒子的尺寸以及通过添加表面活性剂后它们的凝聚倾向来改变受处理物料的密度。受处理物料的动カ粘度μ和密度P的变化会改变其运动粘度V及其在湍流区域中的流动特性。图3表示在流体流速约为163m/s状态下运行的处理系统。图3显示了对于不同管道粗糙度值的水头损失相对运动粘度的曲线图。管道粗糙度考虑了流体流束中的固体含量以其运动引起的摩擦和湍流作用。图3是通过对方程式I至5进行数学处理而获得的。确定过渡瑞流和完全瑞流间的边界的线是点的轨迹(locus of the points),在边界处水头损失不再随运动粘度变化。可以看出，如上所述改变受处理物料的运动粘度仅在过渡湍流区有效。在完全湍流区，运动粘度的变化不会控制系统水头损失的水平。对于最优的处理能力，不考虑碎化(communition)程度(即摩擦因子)，运动粘度应该处于某范围内以确保处理发生在过渡湍流的环境(regime)中，如图3所示。在此环境中，可以通过改变旋涡流体束的速度控制水头损失来控制受处理物料尺寸减小方法。例如，这可以通过改变叶轮风扇的速度实现。在完全湍流区，这种控制是不可能的。因此，粘度改性剂的使用能够帮助确保所述方法是可控的。实施例2来自澳大利亚维多利亚州的褐煤样品被分成两份。ー份用上述的装置制备(这份在下文中以“样品A”指代)。第二份(下文中以“样品B”指代)用ASTM D2013-07(制备分析用煤样品的标准方法)中所述的エ业标准煤制备研磨方法来干燥和研磨。两份煤样品都受到如下分析a)组分和兀素分析(Proximate and Ultimate analyses)-测量水分、灰分、挥发物、硫、氯、总热值(Gross Calorific value)、净热值(Net Calorific Value)；b)尺寸分析；c)内在反应性(intrinsic reactivity);和d)扫描电子显微镜-能量分散光谱(Energy Dispersive Spectrometry)(SEM-EDX)分析。以下将详细说明上述各个分析以及它们的結果。a)组分和元素分析使用标准ASTM(美国试验材料协会)D3172方法完成组分分析，而元素分析使用ASTM D3176来完成。样品A和B的组分分析和元素分析的结果如下表I所示。结果是典型的具有未处理样品的低级(褐)煤含有高水分含量和低热值。样品A比样品B干燥得多。样品A的灰分含量显然较低，并且显示出较高百分比的有益挥发物。样品A显示出显著较高的总热值和净热值，这能够有利于更高效的燃烧、更好的效能以及更少的由褐煤燃烧产生的温室气体的排放。表I中给出了组分分析和元素分析的結果。
权利要求
1.ー种用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤 -通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分； -将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中；以及 -在旋风室内提供旋润流体束。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述旋涡流体束具有满足IX10_8m2/s彡V彡IXIOV/s的运动粘度。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述粘度改性剂是运动粘度改性剂。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述粘度改性剂选自由潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剂、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝以及它们的组合所组成的组中。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积之比< 40%。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤是在通过给料组件将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行的。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述旋涡流体束由设备提供，所述设备位于旋风室的截头圆锥部分末端所形成的开ロ处。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述设备是叶轮风扇，所述叶轮风扇包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布，并且其中所述叶轮风扇进一歩包括位于毂盘内的阻碍件，所述阻碍件用于偏转毂盘前面的旋涡流体束。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，通过给料组件供给的物料选自由金属矿石、玻璃、塑料、煤、褐煤、石油焦炭、迈作脆石、油页岩、石膏板、灰分、肥料、污泥、盐晶、矿质和含矿砂、化肥、水泥原料、黑砂、谷物以及它们的组合所组成的组中。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，该方法进ー步包括收集尺寸已减小的物料的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸为5nm_150 μ m。
12.用于根据权利要求1-11中任意一项所述的方法减小物料尺寸的装置，该装置包括 -具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分； -用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入口的开ロ处； -在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；以及 -用于将物料供给到旋风室的给料组件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，用于产生旋涡流体束的设备是叶轮风扇，所述叶轮风扇包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布，并且其中所述叶轮风扇进一歩包括位于毂盘内的阻碍件，所述阻碍件用于偏转毂盘前面的旋涡流体束。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述阻碍件的直径与所述毂盘的直径大致相等。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的长度是所述设备的直径的200-240%。
16.根据权利要求12-15中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的宽度大约是所述设备的直径的33%。
17.根据权利要求12-16中任意一项所述的装置，其中，所述旋风室的长度是所述空气入口管的长度的65-85%。
18.根据权利要求12-17中任意一项所述的装置，其中，所述设备的宽度是所述设备的直径的三分之一。
19.根据权利要求13-18中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片分别以与叶轮风扇的半径成3-10°的角度径向延伸。
20.根据权利要求13-18中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片中的每ー个外形上都是凹形的，且凹形朝向叶轮风扇的旋转方向。
21.根据权利要求12-20中任意一项所述的装置，所述装置进ー步包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制旋风室内物料、空气和粘度改性剂的量。
22.ー种用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤 -通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；以及 -在旋风室内提供旋润流体束， 其中，所述旋涡流体束具有满足lX10_8m2/s彡V彡I X IO^mVs的运动粘度。
23.根据权利要求22所述的方法，所述方法进ー步包括将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少ー种粘度改性剂是运动粘度改性剂。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤是在旋风室内的旋涡流体束的运动粘度处于I X 10_8m2/s彡V彡I X Kr1IiiVs范围之外时进行的。
26.根据权利要求23-25中任意一项所述的方法，其中，所述粘度改性剂选自由潮湿空气、水、暖空气、冷空气、氧气、氮气、氩气、ニ氧化碳、水基表面活性剂、硫酸钙、玻璃、氧化硼、氟化钙、氧化铝以及它们的组合所组成的组中。
27.根据权利要求22-26中任意一项所述的方法，其中，供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积之比< 40%。
28.根据权利要求23-27中任意一项所述的方法，其中，将至少ー种粘度改性剂加入旋风室中的步骤是在通过给料组件将物料供给到旋风室中的步骤之前或之后进行的。
29.根据权利要求22-29中任意一项所述的方法，其中，所述旋涡流体束由设备提供，所述设备位于旋风室的截头圆锥部分末端所形成的开ロ处。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述设备是叶轮风扇，所述叶轮风扇包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布，并且其中所述叶轮风扇进一歩包括位于毂盘内的阻碍件，所述阻碍件用于偏转毂盘前面的旋涡流体束。
31.根据权利要求22-30中任意一项所述的方法，其中，通过给料组件供给的物料选自由金属矿石、玻璃、塑料、煤、褐煤、石油焦炭、迈作脆石、油页岩、石膏板、灰分、肥料、污泥、盐体、矿质和含矿砂、化肥、水泥原料、黑砂、谷物以及它们的组合所组成的组中。
32.根据权利要求22-31中任意一项所述的方法，其中，该方法进ー步包括收集尺寸已减小的物料的步骤。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述尺寸已减小的物料的平均颗粒尺寸为5nm_150 μ m。
34.用于根据权利要求22-33中任意一项所述方法的减小物料尺寸的装置，该装置包括 -具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分； -用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入口的开ロ处； -在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管； -用于将物料供给到旋风室的给料组件；以及 -用于监测旋风室内旋涡流体束的运动粘度的计算机控制系统。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，用于产生旋涡流体束的设备是叶轮风扇，所述叶轮风扇包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布，并且其中所述叶轮风扇进一歩包括位于毂盘内的阻碍件，所述阻碍件用于偏转毂盘前面的旋涡流体束
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述阻碍件的直径与所述毂盘的直径大致相坐寸ο
37.根据权利要求34-36中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的长度是所述设备的直径的200-240%。
38.根据权利要求34-37中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的宽度大约是所述设备的直径的33%。
39.根据权利要求34-38中任意一项所述的装置，其中，所述旋风室的长度是所述空气入口管的长度的65-85%。
40.根据权利要求34-39中任意一项所述的装置，其中，所述设备的宽度是所述设备的直径的三分之一。
41.根据权利要求35-40中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片分别以与叶轮风扇的半径成3-10°的角度径向延伸。
42.根据权利要求35-41中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片中的每ー个外形上都是凹形的，且凹形朝向叶轮风扇的旋转方向。
43.ー种用于减小物料尺寸的装置，该装置包括 -具有长形圆筒状导管的旋风室，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分； -用于在旋风室内产生旋涡流体束的设备，所述旋风室的截头圆锥部分端接于形成所述设备入口的开ロ处； -在与截头圆锥部分相対的端部处与旋风室流体连通的空气入口管；以及 -用于将物料供给到旋风室的给料组件， 其中，所述给料组件的直径与所述空气入口管的直径之比为O. 3-0. 5。
44.根据权利要求43所述的装置，用于产生旋涡流体束的设备是叶轮风扇，所述叶轮风扇包括多个径向延伸的叶片和毂盘，多个叶片分别围绕毂盘均匀分布，并且其中所述叶轮风扇进ー步包括位于毂盘内的阻碍件，所述阻碍件用于偏转毂盘前面的旋涡流体束。
45.根据权利要求44所述的装置，其中，所述阻碍件的直径与所述毂盘的直径大致相坐寸ο
46.根据权利要求43-45中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的长度是所述设备的直径的200-240%。
47.根据权利要求43-46中任意一项所述的装置，其中，所述空气入口管的宽度大约是所述设备的直径的33%。
48.根据权利要求43-47中任意一项所述的装置，其中，所述旋风室的长度是所述空气入口管的长度的65-85%。
49.根据权利要求43-48中任意一项所述的装置，其中，所述设备的宽度是所述设备的直径的三分之一。
50.根据权利要求44-49中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片分别以与叶轮风扇的半径成3-10°的角度径向延伸。
51.根据权利要求44-50中任意一项所述的装置，其中，所述多个叶片中的每ー个外形上都是凹形的，且凹形朝向叶轮风扇的旋转方向。
52.根据权利要求43-51中任意一项所述的装置，所述装置进ー步包括计算机控制系统，所述计算机控制系统用于控制旋风室内的物料供给和旋涡流体束。
53.在权利要求43-52中任意一项所述的装置内减小物料尺寸的方法，该方法包括控制供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积的比值的步骤，其中，所述比值(40%。
54.ー种用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤 -通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分； -在旋风室内提供旋涡流体束；以及 -控制供给到给料组件中的物料的体积与旋风室内空气的体积的比值，其中，所述比值(40%。
全文摘要
本发明提供了一种用于减小物料尺寸的方法，该方法包括以下步骤通过给料组件将物料供给到旋风室中，所述旋风室具有长形圆筒状导管，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分；将至少一种粘度改性剂加入旋风室中；以及在旋风室内提供旋涡流体束。本发明还提供了一种用于减小物料尺寸的装置。该装置包括具有长形圆筒状导管的旋风室(4)，所述长形圆筒状导管具有截头圆锥部分(4a)；用于在旋风室(4)内产生旋涡流体束的设备(5)，所述旋风室(4)的截头圆锥部分(4a)端接于形成所述设备入口的开口处；在与截头圆锥部分(4a)相对的端部处与旋风室(4)流体连通的空气入口管(3)；以及用于将物料供给到旋风室(4)的给料组件。
文档编号B02C13/12GK102844120SQ201080058479
公开日2012年12月26日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者P·希契科克, W·皮尔斯, M·皮尔格瑞姆 申请人:缪斯股份有限公司