倪文龍,賁道春,曹 衛(wèi),查文煒,陳杰來(lái)

(1.鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003;2.江蘇省新型環(huán)保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 鹽城 224003; 3.江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安 226623)

1 背景技術(shù)

粉體分級(jí)技術(shù)是粉體加工工藝中的一部分，幾乎在所有與粉體工程有關(guān)的行業(yè)中，都有與粉體分級(jí)技術(shù)有著不可分割的聯(lián)系[1]。粉體分級(jí)設(shè)備，是粉磨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵設(shè)備。僅以水泥工業(yè)為例,2009年全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)水泥16.5億t[2]，粉磨物料36億t,粉磨系統(tǒng)總耗電能1.2×1011kWh,其中90%以上是閉路粉磨系統(tǒng)生產(chǎn),可使開(kāi)路粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量提高10%～25%,單產(chǎn)能耗降低2%～15%。單產(chǎn)能耗降低產(chǎn)生較大差別的一個(gè)要素，是選粉分級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)與工藝匹配的差別[3]?，F(xiàn)行選粉機(jī)的設(shè)計(jì)，還停留在類比設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)階段,已經(jīng)影響著粉體分級(jí)技術(shù)在粉磨工藝中的節(jié)能主導(dǎo)作用。為此，筆者以水泥粉磨工業(yè)用選粉機(jī)為例,依據(jù)兩相流原理，提出轉(zhuǎn)子類選粉機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)基本方法,供業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)參考。

2 選粉力學(xué)模型構(gòu)建

現(xiàn)以轉(zhuǎn)子選粉機(jī)為例，分析其工作機(jī)理。圖1為選粉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：待分級(jí)之物料由進(jìn)料口6落到撒料盤5上，離心甩出，撒布到選粉區(qū)中，與上升的旋轉(zhuǎn)氣流相遇。粉料中的粗粒，質(zhì)量較大，受撒料盤離心力，被甩到分級(jí)室的四周邊緣，與壁面碰撞后，失去動(dòng)能，下落到滴流裝置2處。在該處被上升氣流再次分選，粗粉落入內(nèi)錐體13,沿粗粉出口排出去；較細(xì)粉塵在氣流差壓作用下，進(jìn)入由籠形轉(zhuǎn)子3的葉片組成的分級(jí)力場(chǎng)，粗粉被轉(zhuǎn)子葉片推出，合格的細(xì)粉經(jīng)轉(zhuǎn)子葉片的間隙進(jìn)入籠形轉(zhuǎn)子內(nèi)部，向上經(jīng)由分級(jí)室上部分流入分離器4的進(jìn)風(fēng)口；經(jīng)分級(jí)后，產(chǎn)品進(jìn)入外錐體14，從下部細(xì)粉出口排出；凈化氣流經(jīng)集風(fēng)管7，循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后，從進(jìn)風(fēng)管12 進(jìn)入選粉室繼續(xù)分級(jí)和輸送物料進(jìn)入下一個(gè)分級(jí)循環(huán)。轉(zhuǎn)子、撒料盤的同步旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，由減速機(jī)9、電機(jī)8提供。

圖1 N-2000組合式選粉機(jī)

從兩相流角度看，選粉過(guò)程可以簡(jiǎn)化為分散、分級(jí)、分離三部分。分散是分級(jí)的前導(dǎo)服務(wù)，分離是分級(jí)的后導(dǎo)服務(wù)。分級(jí)的主要過(guò)程，發(fā)生在分級(jí)葉片組成的圓柱面分級(jí)力場(chǎng)，轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流，對(duì)抗循環(huán)氣流壓力差驅(qū)動(dòng)粉體向心運(yùn)動(dòng)，粗顆粒受旋轉(zhuǎn)氣流的離心力大于循環(huán)氣流的向心力，離心甩出，細(xì)顆粒受剩余向心力作用，進(jìn)入分級(jí)圈，分級(jí)作用形成。撒料盤對(duì)粗顆粒的離心撞壁，是對(duì)粗顆粒的預(yù)分選，滴溜裝置的分級(jí)是在粗粉中補(bǔ)充分級(jí)。因而，可將選粉過(guò)程作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

1) 忽略撒料盤、滴流裝置及其他料氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的分級(jí)作用，假定全部分級(jí)作用均在分級(jí)葉片組成的圓柱面分級(jí)力場(chǎng)發(fā)生。

2)從兩相流本質(zhì)來(lái)看，選粉過(guò)程是一個(gè)分段流態(tài)化輸送：分級(jí)葉片的圓柱面等價(jià)為分級(jí)氣流通道，當(dāng)量流速為u1、流通截面A1、料氣比為C1；在選粉室內(nèi)分級(jí)葉片外的環(huán)形通道，向上輸送的氣流速度為u2、流通截面A2、料氣比為C2、進(jìn)入分離器的氣流速度為u3、流通截面A3、料氣比為C1(kg/m3)。

3)系統(tǒng)無(wú)漏風(fēng)，選粉過(guò)程中溫度不變，忽略壓力變化對(duì)氣體流量的影響，因而氣體流量在選粉過(guò)程中是常量。

3 選粉機(jī)參數(shù)化計(jì)算公式導(dǎo)出

給定條件：粉磨系統(tǒng)主要組成；目標(biāo)產(chǎn)品的性能、細(xì)度和產(chǎn)量G。

3.1 設(shè)計(jì)產(chǎn)量

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮提產(chǎn)和擴(kuò)產(chǎn)的可能,通常用設(shè)計(jì)產(chǎn)量G0

G0=k0×Gt/h(1)

式中k0為產(chǎn)量富裕系數(shù)。

3.2 計(jì)算風(fēng)量Q0

式中C為選粉當(dāng)量料氣比，kg/m3。

C=Ca/(L+1) (3)

式中，Ca為喂料濃度,kg/m3；L為循環(huán)負(fù)荷, 主要由粉磨系統(tǒng)、粉磨能力、粉磨工藝決定。

3.3 風(fēng)機(jī)選擇

3.3.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q

Q=k1Q0m3/s (4)

式中k1為風(fēng)量?jī)?chǔ)備系數(shù)。

3.3.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓p

P=k2(p1+p2) (5)

式中p1為選粉部分阻力損失；p2為分離部分阻力損失；沿程管道阻力損失p3約150～300Pa,因占總體份額較小，通?？珊雎远趦?chǔ)備系數(shù)中考慮。k2為風(fēng)壓儲(chǔ)備系數(shù)。

據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓，即可直接選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)規(guī)格。

3.4 選粉機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

3.4.1 選粉分級(jí)力場(chǎng)表面積S

式中:dz為轉(zhuǎn)子直徑,m;Hz為轉(zhuǎn)子高度,m;u1為分離面徑向平均流速。

3.4.2 轉(zhuǎn)子直徑dz

令hz=k3dz,代入式(4)得

3.4.3 轉(zhuǎn)子高度hz

hz=k3dz(8)

轉(zhuǎn)子上徑為dzs=dz+hztgγ(9)

轉(zhuǎn)子下徑為dzx=dz-hztgγ(10)

3.4.4 選粉室直徑Dx和高度Hx

在選粉室內(nèi)，分級(jí)葉片外的環(huán)形通道截面與流場(chǎng)的關(guān)系為：

式中u2為選粉室進(jìn)風(fēng)垂直方向風(fēng)速, m/s。

3.4.5 選粉室高度Hx

Hx=hz+hs(12)

式中:hz為轉(zhuǎn)子高度；hs為撒料高度 。

3.5 轉(zhuǎn)速計(jì)算

選粉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為可調(diào)，最高速值n：

式中:B為產(chǎn)品比表面積,m2/kg；dz為轉(zhuǎn)子外徑，m；n為轉(zhuǎn)子最高速值，r/min;k4為速度系數(shù);f1為比表面積指數(shù);f2為轉(zhuǎn)子外徑指數(shù),當(dāng)分級(jí)產(chǎn)品的比表面積一定時(shí)，分級(jí)力場(chǎng)的切割料徑的離心力為定值，即f2/(4π2m)=n2R=C,故式(13)中f2=0.5。

3.6 選粉機(jī)傳動(dòng)功率計(jì)算

3.6.1 撒料功率

按每小時(shí)喂料量從撒料盤上水平零速，達(dá)到最大滑離速度的動(dòng)能來(lái)計(jì)算[4]：

=3.808ksG0(L+ 1)n2dz2×10-7(14)

3.6.2 轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)阻力消耗的能量

轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)時(shí)，氣流相對(duì)速度vt正變于轉(zhuǎn)子外緣線速度va，并隨轉(zhuǎn)子直徑變化而有微小變化，可用vt=f3va近似，因此所有葉片的總阻力為：

式中：F為轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)時(shí)的總阻力，kN；A0為轉(zhuǎn)子葉片總面積，m2，取A0=k5πd1h1;k5為葉片面積系數(shù)；Ca為喂料濃度，kg/m3;ρ為氣體密度，kg/m3;Cr為阻力系數(shù)，與Re有關(guān),高效選粉機(jī)流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re>1×105屬高度湍流區(qū)Cr=0.18；

克服氣流阻力消耗的功率為Ny

=4.06×10-8k5k6n3dz4hz(Ca+ρ) (15)

轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)功率N0

N0=Ns+Ny(16)

3.6.4 電動(dòng)機(jī)安裝功率

式中:k7為電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備系數(shù);η為傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。

3.7 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將各結(jié)構(gòu)要素均看作是直筒部分直徑d的函數(shù)。先由風(fēng)量平衡得：

Zab=Q0/v3(18)

a=k8d(19)

b=k9d(20)

代入式(18)

k8k9d2=Q0/(z×v3)

h1=K10d(22)

H=K11d(23)

式中:Z為旋風(fēng)筒個(gè)數(shù)；a、b為旋風(fēng)分離器進(jìn)風(fēng)口高、寬,m;d為旋風(fēng)分離器筒體直徑,m;H、h1為旋風(fēng)分離器總高、直筒部分高,m;v3為進(jìn)口風(fēng)速；k8、k9、k10、k11為旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口高度系數(shù)、寬度系數(shù)、柱高系數(shù)、全高系數(shù)。

當(dāng)使用雙出風(fēng)口分離器時(shí)(圖2)，推薦按表1中公式確定各參數(shù)。

圖2 雙出風(fēng)口分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 雙出風(fēng)口旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 反求工程方法確定選粉機(jī)相關(guān)參數(shù)

本研究以某先進(jìn)選粉機(jī)產(chǎn)品樣本中的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合筆者十多年選粉機(jī)研發(fā)和技改的經(jīng)驗(yàn)，作為反求工程的主要依據(jù)資料，用待定系數(shù)法確定上述函數(shù)式中的相關(guān)參數(shù)。經(jīng)工程反求確定相關(guān)參數(shù)范圍，見(jiàn)表2。

表2 工程反求確定相關(guān)參數(shù)表

注：①大風(fēng)量取下限,小風(fēng)量取上限; ②大風(fēng)壓取下限,小風(fēng)壓取上限；③制造廠家的制造風(fēng)格不同而異,一般k3=0.3～0.75,k3取值小,轉(zhuǎn)子直徑大,高度小,選粉機(jī)殼體大,風(fēng)阻小;④目標(biāo)產(chǎn)量G<60t/h時(shí),Ca取1.8～2, 目標(biāo)產(chǎn)量G>60t/h時(shí),Ca取2～2.2;, ⑤u2增大,休積緊湊,但壓力損失增加,產(chǎn)品粒度變大,粗粉中細(xì)粉減小; ⑥上撒料時(shí)取hs=150～200mm,下撒料時(shí)取hs=300mm; ⑦下撒料，且錐形轉(zhuǎn)子時(shí)，p1=2～2.5kPa, 上撒料，柱形轉(zhuǎn)子時(shí)，p1=2.5～3kPa, 上撒料，柱形轉(zhuǎn)子,有導(dǎo)流葉片時(shí)，p1=3～3.5kPa; ⑧只用旋風(fēng)分離器分離時(shí),p2=1.5～2.0kPa, 只用袋式除塵器分離時(shí),p2=1.2～1.6kPa, 兩者兼用時(shí),p2=2.7～3.2 kPa;⑨產(chǎn)品要求粗,z=4, 產(chǎn)品細(xì)，分離器直徑d<1.1m時(shí)，建議z=6，分離器直徑d>1.1m時(shí)，建議z=8。

5 選粉機(jī)尺寸參數(shù)化計(jì)算程序編制

5.1 編程軟件

編程軟件為Delphi。

5.2 編程要求

5.2.1 界面輸入?yún)⒘?/p>

1)“粉磨物料”:可選項(xiàng)為(1-礦渣；2-水泥熟料；4-粉煤灰；4-其他)；

2)“比表面積Sv/m2·kg-1”可選項(xiàng)輸入數(shù)字；

3)“粉磨產(chǎn)量/t.h-1”；

4)編程參數(shù)28個(gè)見(jiàn)表2。

5.2.2 界面輸出計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，見(jiàn)式(1) ～式(24)左端各項(xiàng)。

5.3 編程

該程序采用Delphi軟件來(lái)編寫，是Borland 公司開(kāi)發(fā)的一種基于客戶/服務(wù)器體系的Windows 快速應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。

打開(kāi)程序軟件，在人機(jī)界面輸入相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，由程序計(jì)算結(jié)果，并輸出。

5.4 輸出結(jié)果

對(duì)于每一個(gè)產(chǎn)量要求和比表面積要求，輸入相應(yīng)的參數(shù)要求，程序自動(dòng)計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果如表3所示，這就初步形成了面向工程、面向用戶的選粉機(jī)系列產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

6 驗(yàn)證和結(jié)論

表3計(jì)算結(jié)果與某先進(jìn)選粉機(jī)產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)基本吻合，本設(shè)計(jì)軟件的實(shí)用性和正確性得到驗(yàn)證。應(yīng)用本軟件，用戶只需提出粉磨對(duì)象、產(chǎn)量要求、產(chǎn)品比表面積要求，選粉機(jī)其余主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)均由程序完成。選粉機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)提出，在旋轉(zhuǎn)流體力場(chǎng)中進(jìn)行顆粒分級(jí)和氣固分離的各流場(chǎng)主參數(shù),從目前的類比設(shè)計(jì)提高到理性設(shè)計(jì), 顯著降低研發(fā)成本和制造成本，為面向工程面向用戶的大型選粉機(jī)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)提供平臺(tái)。

表3 選粉機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)果部分參數(shù)

[1] 蓋國(guó)勝.超細(xì)粉碎分級(jí)技術(shù)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2000.

[2] 中國(guó)建材聯(lián)合信息部.2009水泥產(chǎn)量和生產(chǎn)能力統(tǒng)計(jì)[DB] .中國(guó)建材信息總網(wǎng),2010-02-10.

[3] 倪文龍.選粉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)編程及流場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)選擇[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4)：53-56.

[4] 王仲春.高效籠式選粉機(jī)的選型計(jì)算[J].水泥技術(shù),2005(3)：25-29.