曾川，劉傳慧，陳海焱，張明星，付瑜，王曉天

（1 西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

隨著所需粉體細(xì)度的提高和產(chǎn)量的增加，分級(jí)技術(shù)的難度也越來(lái)越高[1]。氣流分級(jí)機(jī)是利用葉輪產(chǎn)生的強(qiáng)離心力將不同粒徑的顆粒分級(jí)的一種干式分級(jí)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分級(jí)效果好、造價(jià)低等特點(diǎn)，在粉體加工領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[2]。在分級(jí)的過(guò)程中，細(xì)顆粒的團(tuán)聚、粗顆粒夾雜細(xì)顆粒的現(xiàn)象非常普遍，導(dǎo)致分級(jí)精度下降，為了提高氣流分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能，對(duì)氣流分級(jí)機(jī)的操作參數(shù)進(jìn)行研究很有必要，而氣流分級(jí)機(jī)二次風(fēng)量是影響分級(jí)機(jī)性能的重要因素之一。引入二次風(fēng)可以提高分級(jí)效率，降低粗粉中細(xì)粉的含量，增加細(xì)粉產(chǎn)量[3-4]。Braun、滿瑞林等[5-6]研究認(rèn)為，調(diào)整二次風(fēng)與主氣流之間的比例，可以有效地控制“魚鉤效應(yīng)”；微粉的產(chǎn)率會(huì)隨著二次風(fēng)的增加而增加。因此在進(jìn)行超細(xì)分級(jí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理地控制二次風(fēng)量的大小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究氣流分級(jí)機(jī)處于不同二次風(fēng)量時(shí)對(duì)不同粒度段、不同種物料分級(jí)效果的影響，并用相對(duì)分級(jí)精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 分級(jí)機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其評(píng)價(jià)

所謂分級(jí)就是利用粉體顆粒的大小和形狀及其他差別將其分離的操作[2，7-8]。評(píng)價(jià)分級(jí)效果的好壞大致有3 種，即部分分級(jí)效率、牛頓分級(jí)效率和分級(jí)精度指數(shù)K=D75/D25[9-12]。牛頓分級(jí)效率和部分分級(jí)效率是評(píng)價(jià)分級(jí)效果好壞的重要指標(biāo)，但是在工程應(yīng)用上并不方便，原因是在工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)中，物料處理量非常大，難以統(tǒng)計(jì)粗粉和細(xì)粉的質(zhì)量。高橋信博、劉魯寧等[13-14]研究認(rèn)為，計(jì)算部分分級(jí)效率，需要知道粗粉和細(xì)粉的產(chǎn)率，需要有精確的基礎(chǔ)資料，在實(shí)際生產(chǎn)中是較為麻煩的。分級(jí)精度K是基于部分分級(jí)效率曲線得到的，需要測(cè)得原料質(zhì)量、粗粉或細(xì)粉質(zhì)量，同時(shí)從部分分級(jí)效率曲線上難于得到確定的值，所以在實(shí)際工程應(yīng)用中也多有不便。

基于這些原因，能夠直接從分級(jí)過(guò)程中粗、細(xì)粉的粒度分布中提出一個(gè)簡(jiǎn)便可行的分級(jí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)δ 來(lái)實(shí)時(shí)地評(píng)價(jià)分級(jí)效果的好壞，是非常簡(jiǎn)便而有效的。

圖1 粗、細(xì)級(jí)產(chǎn)品粒度分布曲線

如圖1 所示，曲線f 表示原料的粒度分布曲線；a 表示分級(jí)后細(xì)粉的粒度分布曲線；b 表示分級(jí)后粗粉的粒度分布曲線；d10粗表示粗粉中累積含量為 10%的顆粒的粒徑；d90細(xì)表示細(xì)粉中累積含量為90%的顆粒的粒徑；d′為細(xì)粉和粗粉粒度分布曲線的交點(diǎn)，表示粗粉中細(xì)顆粒分布頻率和細(xì)粉中粗顆粒分布頻率相等時(shí)的粒徑[15]。陰影部分m1表示當(dāng)d10粗＜d90細(xì)時(shí)，粗粉中粒徑為d90細(xì)的顆粒含量，陰影部分m2表示當(dāng)d10粗＞d90細(xì)時(shí)，粗粉中粒徑為d90細(xì)的顆粒含量。如圖1(a)所示，當(dāng)d10粗＜d90細(xì)時(shí)，粗粉中粒徑為d90細(xì)的顆粒含量為m1，其累積含量大于10%，甚至達(dá)到20%以上，粗粉中含有大量細(xì)粉，這樣將會(huì)導(dǎo)致細(xì)粉產(chǎn)率下降，分級(jí)效果并不好；如圖1(b)所示，當(dāng)d10粗＞d90細(xì)時(shí)，此時(shí)粗粉中粒徑為d90細(xì)的顆粒含量為m2，其累積含量小于10%，粗粉中細(xì)粉含量較少，此時(shí)分級(jí)效果較好。

本文作者認(rèn)為，可以定義一個(gè)相對(duì)分級(jí)精度δ來(lái)判斷分級(jí)效果的好壞，其表達(dá)式為式（1）。

式中，δ 越大，表示分級(jí)效果越好，反之越差。如上所述，將d10粗與d90細(xì)作比較，當(dāng)d10粗＜d90細(xì)時(shí)，δ 為負(fù)數(shù)，d10粗越小或d90細(xì)越大（d10粗相對(duì)左移，d90細(xì)相對(duì)右移），則δ 越小，粗、細(xì)粉粒度分布重疊部分面積相對(duì)變大，可直觀地得出分級(jí)效果變壞；當(dāng)d10粗＞d90細(xì)時(shí)，δ 為正數(shù)，d10粗越大或d90細(xì)越?。╠10粗相對(duì)右移，d90細(xì)相對(duì)左移），則δ 越大，粗、細(xì)粉粒度分布重疊部分面積相對(duì)變小，分級(jí)效果變好。

本文通過(guò)不同粒度段的粉煤灰和水泥熟料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以相對(duì)分級(jí)精度δ 為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在分級(jí)輪轉(zhuǎn)速及氣固濃度一定的情況下，改變分級(jí)機(jī)二次風(fēng)量，考察其對(duì)分級(jí)效果的影響。

2 二次風(fēng)量實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為綿陽(yáng)流能粉體設(shè)備有限公司提供的型號(hào)為L(zhǎng)NJ-36A 氣流分級(jí)機(jī)（傳動(dòng)功率3kW）、濾筒除塵器、高壓引風(fēng)機(jī)（功率11kW）、空壓機(jī)（7.5kW）、電控柜（含變頻器）等。LNJ-36A 型氣流分級(jí)機(jī)工作原理如下：物料經(jīng)給料機(jī)隨主氣流被帶入分級(jí)腔，在分級(jí)輪旋轉(zhuǎn)形成特定的離心力場(chǎng)下，細(xì)粉從葉輪縫隙中隨氣流從分級(jí)機(jī)上方排出，經(jīng)袋式收集器收集；粗粉被葉片阻留，沿機(jī)體內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)設(shè)有二次風(fēng)，起“風(fēng)篩”作用，可使粗粉中夾帶的細(xì)顆粒再次進(jìn)入分級(jí)腔分級(jí)，提高了分級(jí)效率。其主要特點(diǎn)如下：①分級(jí)范圍廣，產(chǎn)品細(xì)度可在1～74μm 之間調(diào)控；②分級(jí)精度高，通過(guò)分級(jí)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的離心力場(chǎng)、引入二次風(fēng)對(duì)粗粉進(jìn)行“清洗”，提高了分級(jí)效率；③可與機(jī)械沖擊磨、氣流磨等粉碎設(shè)備配套使用。LNJ-36A 型分級(jí)機(jī)是LNJ 系列分級(jí)機(jī)中最具代表性的分級(jí)機(jī)，設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2。

測(cè)試儀器包括SwemaAir50 風(fēng)速儀（瑞典斯威瑪公司）、LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析儀（中國(guó)珠海歐美克儀器有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)物料

經(jīng)粉碎后的兩種粒度段組成的粉煤灰和水泥熟料，其粒度分布詳見(jiàn)表1、表2。

受剪承載力為V=cfcAc+μN(yùn)[17].其中，接觸面進(jìn)行打毛處理時(shí)c=0.45，μ=0.7；接觸面未進(jìn)行打毛處理時(shí)c=0.35，μ=0.6.fc為混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac為混凝土的抗拉有效截面面積；N為結(jié)合面的法向作用力.內(nèi)聚力-庫(kù)倫摩擦模型的參數(shù)設(shè)置參照現(xiàn)有研究選取，如表1所示.

圖2 LNJ-36A 型氣流分級(jí)機(jī)設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表1 1#、2#粉煤灰原料粒度組成

表2 1#、2#水泥熟料原料粒度組成

2.3 粉煤灰、水泥熟料分級(jí)實(shí)驗(yàn)

在分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為 1500r/min、氣固濃度為0.204kg/kg、系統(tǒng)風(fēng)量為1044.3m3/h 的條件下，二次風(fēng)風(fēng)量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h和250m3/h 時(shí)，考察二次風(fēng)風(fēng)量變化對(duì)1#粉煤灰、1#水泥熟料分級(jí)精度的影響；在分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為1200r/min、氣固濃度為0.204kg/kg 的條件下，二次風(fēng)風(fēng)量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 時(shí)，考察二次風(fēng)風(fēng)量變化對(duì)2#粉煤灰、2#水泥熟料分級(jí)精度的影響。以相對(duì)分級(jí)精度δ 為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果詳見(jiàn)表3、表4。

表3 二次風(fēng)量對(duì)1#、2#粉煤灰分級(jí)精度的影響

表4 二次風(fēng)量對(duì)1#、2#水泥熟料分級(jí)精度的影響

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表3、表4 中二次風(fēng)量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 時(shí)分級(jí)粉煤灰、水泥熟料所對(duì)應(yīng)的相對(duì)分級(jí)精度δ，作出δ 隨二次風(fēng)量變化的曲線圖，如圖3 所示。

圖3 中二次風(fēng)量從60m3/h 增加到150m3/h，1#粉煤灰的δ 從0.308 增加到0.427，2#粉煤灰的δ 從0.109 增加到0.136，1#水泥熟料的δ 從-0.072 增加到0.404，2#水泥熟料的δ 從-0.488 增加到0.008；隨著二次風(fēng)量繼續(xù)增加至250m3/h，1#粉煤灰的δ下降至0.198，2#粉煤灰的δ 下降至-0.199，1#水泥熟料的δ 下降至0.150，2#粉煤灰的δ 下降至-0.315。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[4，16]，可以驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。總結(jié)分析得出：二次風(fēng)起一個(gè)“風(fēng)篩”的作用，利用二次風(fēng)氣流對(duì)沿筒壁下落的粗粉進(jìn)行沖洗，將粗粉中夾帶的細(xì)粉再一次帶入分級(jí)區(qū)，從而增加了細(xì)粉通過(guò)分級(jí)機(jī)的概率，提高了分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度，故隨著二次風(fēng)量的增加，相對(duì)分級(jí)精度增加；當(dāng)二 次風(fēng)量增加到一定值時(shí)，隨著二次風(fēng)量的增加，不利于粗顆粒的下落，會(huì)將較大的顆粒帶入分級(jí)機(jī)，導(dǎo)致分級(jí)區(qū)氣固濃度急劇上升、大顆粒通過(guò)分級(jí)區(qū)進(jìn)入細(xì)粉收集裝置中的可能性增高，細(xì)顆粒夾帶在粗顆粒中被“強(qiáng)行”下落到粗料桶中，導(dǎo)致相對(duì)分級(jí)精度下降。

圖3 二次風(fēng)量對(duì)1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料相對(duì)分級(jí)精度的影響

對(duì)比圖3 中1#、2#粉煤灰在二次風(fēng)量為60m3/h下的δ，1#粉煤灰的δ為0.308，2#粉煤灰的δ為0.109。這是由于1#粉煤灰的顆粒粒徑小于2#的，其質(zhì)量較小，在60m3/h 的二次風(fēng)量的情況下更容易被帶入分級(jí)區(qū)，故在同等二次風(fēng)量的情況下，1#粉煤灰的δ大于2#粉煤灰。圖3 中，在相等二次風(fēng)量的情況下，1#粉煤灰和2#粉煤灰δ 的趨勢(shì)及1#水泥熟料和2#水泥熟料δ 的趨勢(shì)同上所述。

對(duì)比圖3 中1#粉煤灰、1#水泥熟料在二次風(fēng)量為60m3/h 下的δ，1#粉煤灰的δ 為0.308，1#水泥熟料的δ 為-0.072。這是由于物料不同，其相對(duì)密度不一樣，粉煤灰的相對(duì)密度為1.95～2.36，水泥熟料的相對(duì)密度為3.0～3.2。相對(duì)密度較小的顆粒能夠更容易被二次風(fēng)“清洗”，在下落過(guò)程中，被二次風(fēng)重新帶入分級(jí)區(qū)的可能性增加，故1#粉煤灰的δ大于1#水泥熟料。圖3 中，在相等二次風(fēng)量的情況下，1#粉煤灰和1#水泥熟料及2#粉煤灰和2#水泥熟料δ 的趨勢(shì)同上所述。

對(duì)比表3、表4 中二次風(fēng)量從150m3/h 增加到210m3/h，2#粉煤灰的δ 從0.136 下降到0.082，2#水泥熟料的δ 從0.008 下降到-0.202。對(duì)于這兩種粒徑較大的粉，二次風(fēng)流量增大，其相對(duì)分級(jí)精度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于二次風(fēng)流量增大，對(duì)主氣流流量影響較大，使主氣流輸送顆粒的力度減小，導(dǎo)致δ 降低。

表3、表4 中相對(duì)分級(jí)精度δ 多處出現(xiàn)負(fù)值，表3 中2#粉煤灰在二次風(fēng)量為250m3/h 時(shí)δ 為-0.199，表4 中2#水泥熟料在二次風(fēng)量為200m3/h、250m3/h 時(shí)δ 為-0.202、-0.315，這是因?yàn)?，二次風(fēng)量過(guò)大將較粗的顆粒帶入分級(jí)區(qū)進(jìn)入收集裝置中，導(dǎo)致d90細(xì)偏大，由于二次風(fēng)量過(guò)大，不利于粗顆粒的下落，容易造成堵塞，細(xì)顆粒夾帶在粗顆粒中被“強(qiáng)行”下落到粗料桶中，導(dǎo)致d10粗偏小，使d10粗＜d90細(xì)，說(shuō)明二次風(fēng)量過(guò)大使其分級(jí)效果變差。表4中1#水泥熟料在二次風(fēng)量為60m3/h 時(shí)δ 為-0.072，2#水泥熟料在二次風(fēng)量為60m3/h、100m3/h 時(shí)δ 為-0.488、-0.289，這是由于二次風(fēng)量偏小，無(wú)法對(duì)沿壁筒下落的顆粒進(jìn)行有效的清洗，部分夾帶在粗顆粒中的細(xì)粉隨粗顆粒進(jìn)入粗料桶中，導(dǎo)致d10粗偏小，使d10粗＜d90細(xì)，說(shuō)明二次風(fēng)量過(guò)低會(huì)使分級(jí)效果變差。

3 結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明氣流分級(jí)機(jī)二次風(fēng)量是影 響分級(jí)機(jī)性能的重要因素，二次風(fēng)量從60m3/h 增加到150m3/h，1#粉煤灰的δ 從0.308 增加到0.427，2#粉煤灰的δ 從0.109 增加到0.136，1#水泥熟料的δ 從-0.072 增加到0.404，2#水泥熟料的δ 從-0.488增加到0.008；隨著二次風(fēng)量繼續(xù)增加至250m3/h，1#粉煤灰的δ 下降至0.198，2#粉煤灰的δ 下降至-0.199，1#水泥熟料的δ 下降至0.150，2#粉煤灰的δ 下降至-0.315;對(duì)于1#、2#粉煤灰和水泥熟料，二次風(fēng)量調(diào)節(jié)在150m3/h 左右，二次風(fēng)量與主氣流流量保持比例為0.168 左右，其相對(duì)分級(jí)精度最高，分級(jí)效果較好。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明不同粒度段的1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料，在相同二次風(fēng)量的情況下，粒徑較小的物料其相對(duì)分級(jí)精度較高；對(duì)于同種粒度段的1#粉煤灰、1#水泥熟料和2#粉煤灰、2#水泥熟料，在相同二次風(fēng)量的情況下，相對(duì)密度較小的物料其相對(duì)分級(jí)精度較高。

（3）相對(duì)分級(jí)精度δ=(d10粗-d90細(xì))/d′可以通過(guò)粗粉和細(xì)粉的粒度分析報(bào)告得出。在實(shí)際工程中，進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，可用于判定分級(jí)狀況是否良好，簡(jiǎn)便易行，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D25—— 部分分級(jí)效率為25%的顆粒粒徑，μm

D75—— 部分分級(jí)效率為75%的顆粒粒徑，μm

d10粗—— 粗粉中累積含量為10%的顆粒粒徑，μm

d90細(xì)—— 細(xì)粉中累積含量為90%的顆粒粒徑，μm

d′—— 粗粉中細(xì)顆粒分布頻率和細(xì)粉中粗顆粒分布頻率相等時(shí)的顆粒粒徑，μm

K——分級(jí)精度指數(shù)

δ——相對(duì)分級(jí)精度

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