二次風量對LNJ-36A型氣流分級機分級性能的影響

曾川，劉傳慧，陳海焱，張明星，付瑜，王曉天

（1 西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2 西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

隨著所需粉體細度的提高和產量的增加，分級技術的難度也越來越高[1]。氣流分級機是利用葉輪產生的強離心力將不同粒徑的顆粒分級的一種干式分級設備，具有結構簡單、分級效果好、造價低等特點，在粉體加工領域有廣泛應用[2]。在分級的過程中，細顆粒的團聚、粗顆粒夾雜細顆粒的現象非常普遍，導致分級精度下降，為了提高氣流分級機的分級性能，對氣流分級機的操作參數進行研究很有必要，而氣流分級機二次風量是影響分級機性能的重要因素之一。引入二次風可以提高分級效率，降低粗粉中細粉的含量，增加細粉產量[3-4]。Braun、滿瑞林等[5-6]研究認為，調整二次風與主氣流之間的比例，可以有效地控制“魚鉤效應”；微粉的產率會隨著二次風的增加而增加。因此在進行超細分級時，應當合理地控制二次風量的大小。通過實驗，探究氣流分級機處于不同二次風量時對不同粒度段、不同種物料分級效果的影響，并用相對分級精度對實驗結果進行驗證。

1 分級機評價指標及其評價

所謂分級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]。評價分級效果的好壞大致有3 種，即部分分級效率、牛頓分級效率和分級精度指數K=D75/D25[9-12]。牛頓分級效率和部分分級效率是評價分級效果好壞的重要指標，但是在工程應用上并不方便，原因是在工業連續生產中，物料處理量非常大，難以統計粗粉和細粉的質量。高橋信博、劉魯寧等[13-14]研究認為，計算部分分級效率，需要知道粗粉和細粉的產率，需要有精確的基礎資料，在實際生產中是較為麻煩的。分級精度K是基于部分分級效率曲線得到的，需要測得原料質量、粗粉或細粉質量，同時從部分分級效率曲線上難于得到確定的值，所以在實際工程應用中也多有不便。

基于這些原因，能夠直接從分級過程中粗、細粉的粒度分布中提出一個簡便可行的分級效果評價指標δ 來實時地評價分級效果的好壞，是非常簡便而有效的。

圖1 粗、細級產品粒度分布曲線

如圖1 所示，曲線f 表示原料的粒度分布曲線；a 表示分級后細粉的粒度分布曲線；b 表示分級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細表示細粉中累積含量為90%的顆粒的粒徑；d′為細粉和粗粉粒度分布曲線的交點，表示粗粉中細顆粒分布頻率和細粉中粗顆粒分布頻率相等時的粒徑[15]。陰影部分m1表示當d10粗＜d90細時，粗粉中粒徑為d90細的顆粒含量，陰影部分m2表示當d10粗＞d90細時，粗粉中粒徑為d90細的顆粒含量。如圖1(a)所示，當d10粗＜d90細時，粗粉中粒徑為d90細的顆粒含量為m1，其累積含量大于10%，甚至達到20%以上，粗粉中含有大量細粉，這樣將會導致細粉產率下降，分級效果并不好；如圖1(b)所示，當d10粗＞d90細時，此時粗粉中粒徑為d90細的顆粒含量為m2，其累積含量小于10%，粗粉中細粉含量較少，此時分級效果較好。

本文作者認為，可以定義一個相對分級精度δ來判斷分級效果的好壞，其表達式為式（1）。

式中，δ 越大，表示分級效果越好，反之越差。如上所述，將d10粗與d90細作比較，當d10粗＜d90細時，δ 為負數，d10粗越小或d90細越大（d10粗相對左移，d90細相對右移），則δ 越小，粗、細粉粒度分布重疊部分面積相對變大，可直觀地得出分級效果變壞；當d10粗＞d90細時，δ 為正數，d10粗越大或d90細越?。╠10粗相對右移，d90細相對左移），則δ 越大，粗、細粉粒度分布重疊部分面積相對變小，分級效果變好。

本文通過不同粒度段的粉煤灰和水泥熟料進行實驗，以相對分級精度δ 為評價指標，在分級輪轉速及氣固濃度一定的情況下，改變分級機二次風量，考察其對分級效果的影響。

2 二次風量實驗

2.1 實驗設備

實驗設備為綿陽流能粉體設備有限公司提供的型號為LNJ-36A 氣流分級機（傳動功率3kW）、濾筒除塵器、高壓引風機（功率11kW）、空壓機（7.5kW）、電控柜（含變頻器）等。LNJ-36A 型氣流分級機工作原理如下：物料經給料機隨主氣流被帶入分級腔，在分級輪旋轉形成特定的離心力場下，細粉從葉輪縫隙中隨氣流從分級機上方排出，經袋式收集器收集；粗粉被葉片阻留，沿機體內壁向下運動。同時設有二次風，起“風篩”作用，可使粗粉中夾帶的細顆粒再次進入分級腔分級，提高了分級效率。其主要特點如下：①分級范圍廣，產品細度可在1～74μm 之間調控；②分級精度高，通過分級機葉輪旋轉形成穩定的離心力場、引入二次風對粗粉進行“清洗”，提高了分級效率；③可與機械沖擊磨、氣流磨等粉碎設備配套使用。LNJ-36A 型分級機是LNJ 系列分級機中最具代表性的分級機，設備系統簡圖如圖2。

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

2.2 實驗物料

經粉碎后的兩種粒度段組成的粉煤灰和水泥熟料，其粒度分布詳見表1、表2。

受剪承載力為V=cfcAc+μN[17].其中，接觸面進行打毛處理時c=0.45，μ=0.7；接觸面未進行打毛處理時c=0.35，μ=0.6.fc為混凝土的抗拉強度設計值；Ac為混凝土的抗拉有效截面面積；N為結合面的法向作用力.內聚力-庫倫摩擦模型的參數設置參照現有研究選取，如表1所示.

圖2 LNJ-36A 型氣流分級機設備系統簡圖

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、水泥熟料分級實驗

在分級輪轉速為 1500r/min、氣固濃度為0.204kg/kg、系統風量為1044.3m3/h 的條件下，二次風風量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h和250m3/h 時，考察二次風風量變化對1#粉煤灰、1#水泥熟料分級精度的影響；在分級輪轉速為1200r/min、氣固濃度為0.204kg/kg 的條件下，二次風風量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 時，考察二次風風量變化對2#粉煤灰、2#水泥熟料分級精度的影響。以相對分級精度δ 為評價指標，結果詳見表3、表4。

表3 二次風量對1#、2#粉煤灰分級精度的影響

表4 二次風量對1#、2#水泥熟料分級精度的影響

2.4 實驗結果分析

根據表3、表4 中二次風量為60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 時分級粉煤灰、水泥熟料所對應的相對分級精度δ，作出δ 隨二次風量變化的曲線圖，如圖3 所示。

圖3 中二次風量從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；隨著二次風量繼續增加至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。根據相關文獻研究[4，16]，可以驗證上述實驗結果?？偨Y分析得出：二次風起一個“風篩”的作用，利用二次風氣流對沿筒壁下落的粗粉進行沖洗，將粗粉中夾帶的細粉再一次帶入分級區，從而增加了細粉通過分級機的概率，提高了分級機的分級精度，故隨著二次風量的增加，相對分級精度增加；當二 次風量增加到一定值時，隨著二次風量的增加，不利于粗顆粒的下落，會將較大的顆粒帶入分級機，導致分級區氣固濃度急劇上升、大顆粒通過分級區進入細粉收集裝置中的可能性增高，細顆粒夾帶在粗顆粒中被“強行”下落到粗料桶中，導致相對分級精度下降。

圖3 二次風量對1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料相對分級精度的影響

對比圖3 中1#、2#粉煤灰在二次風量為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，其質量較小，在60m3/h 的二次風量的情況下更容易被帶入分級區，故在同等二次風量的情況下，1#粉煤灰的δ大于2#粉煤灰。圖3 中，在相等二次風量的情況下，1#粉煤灰和2#粉煤灰δ 的趨勢及1#水泥熟料和2#水泥熟料δ 的趨勢同上所述。

對比圖3 中1#粉煤灰、1#水泥熟料在二次風量為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，其相對密度不一樣，粉煤灰的相對密度為1.95～2.36，水泥熟料的相對密度為3.0～3.2。相對密度較小的顆粒能夠更容易被二次風“清洗”，在下落過程中，被二次風重新帶入分級區的可能性增加，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 的趨勢同上所述。

對比表3、表4 中二次風量從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。對于這兩種粒徑較大的粉，二次風流量增大，其相對分級精度呈現下降趨勢，這是由于二次風流量增大，對主氣流流量影響較大，使主氣流輸送顆粒的力度減小，導致δ 降低。

表3、表4 中相對分級精度δ 多處出現負值，表3 中2#粉煤灰在二次風量為250m3/h 時δ 為-0.199，表4 中2#水泥熟料在二次風量為200m3/h、250m3/h 時δ 為-0.202、-0.315，這是因為，二次風量過大將較粗的顆粒帶入分級區進入收集裝置中，導致d90細偏大，由于二次風量過大，不利于粗顆粒的下落，容易造成堵塞，細顆粒夾帶在粗顆粒中被“強行”下落到粗料桶中，導致d10粗偏小，使d10粗＜d90細，說明二次風量過大使其分級效果變差。表4中1#水泥熟料在二次風量為60m3/h 時δ 為-0.072，2#水泥熟料在二次風量為60m3/h、100m3/h 時δ 為-0.488、-0.289，這是由于二次風量偏小，無法對沿壁筒下落的顆粒進行有效的清洗，部分夾帶在粗顆粒中的細粉隨粗顆粒進入粗料桶中，導致d10粗偏小，使d10粗＜d90細，說明二次風量過低會使分級效果變差。

3 結 論

（1）實驗結果證明氣流分級機二次風量是影 響分級機性能的重要因素，二次風量從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；隨著二次風量繼續增加至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;對于1#、2#粉煤灰和水泥熟料，二次風量調節在150m3/h 左右，二次風量與主氣流流量保持比例為0.168 左右，其相對分級精度最高，分級效果較好。

（2）實驗結果證明不同粒度段的1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料，在相同二次風量的情況下，粒徑較小的物料其相對分級精度較高；對于同種粒度段的1#粉煤灰、1#水泥熟料和2#粉煤灰、2#水泥熟料，在相同二次風量的情況下，相對密度較小的物料其相對分級精度較高。

（3）相對分級精度δ=(d10粗-d90細)/d′可以通過粗粉和細粉的粒度分析報告得出。在實際工程中，進行連續生產時，可用于判定分級狀況是否良好，簡便易行，對工業生產具有一定的指導作用。

符 號 說 明

D25—— 部分分級效率為25%的顆粒粒徑，μm

D75—— 部分分級效率為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—— 細粉中累積含量為90%的顆粒粒徑，μm

d′—— 粗粉中細顆粒分布頻率和細粉中粗顆粒分布頻率相等時的顆粒粒徑，μm

K——分級精度指數

δ——相對分級精度

[1] 李鳳生，等. 超細粉體技術[M]. 北京：國防工業出版社，2000.

[2] 蓋國勝. 超細粉碎分級技術 理論研究 工藝設計 生產應用[M]. 北京：中國輕工業出版社，2000.

[3] Galk J，Peukert W，Krahnen J. Industrial classification in a new impeller wheel classifier[J]. Powder Technology，1999，105（1）：186-189.

[4] Shapiro M，Galperin V. Air classification of solid particles：A review[J]. Chemical Engineering and Processing ： Process Intensification，2005，44（2）：279-285.

[5] Braun R M，Kolacz J，Hoyer D I. Fine dry comminution of calcium carbonate in a Hicom mill with an Inprosys air classifier[J]. Minerals Engineering，2002，15（3）：123-129.

[6] 滿瑞林，余嘉耕. 超細粉體分級器對重質碳酸鈣的分級研究[J]. 現代化工，1999（2）：30-33.

[7] Altun O，Benzer H. Selection and mathematical modelling of high efficiency air classifiers[J]. Powder Technology，2014，264：1-8.

[8] Klumpar I V，Currier F N，Ring T A. Air classifiers[J]. Chemical Engineering，1986，3：77-92.

[9] 陶珍東，鄭少華. 粉體工程與設備[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

[10] Onuma E，Ito M. Separators in grinding circuits[J]. Fuel and Energy Abstracts，1996，3（37）：173.

[11] Napier-Munn T J，et al. Mineral comminution circuits：Their operation and optimisation[M]. Qld-Australia：Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre，1996.

[12] Tirado J M，Kumar S，Vandewinckel J，et al. Article and apparatus for particulate size separation：US，10/167669[P]. 2002-06-11.

[13] 高橋信博，李新才. 描繪分級中分配率曲線的方法——分級效率圖解法[J]. 國外金屬礦選礦，1979（10）：35-39.

[14] 劉魯寧. 分級機性能的評價[C]//第九屆全國粉體工程學術會暨相關設備、產品交流會論文專輯，2003.

[15] 龔翠平，楊威，劉靜. 渦流空氣分級機的分級效率與分級精度[J]. 中國粉體技術，2014（4）：80-82.

[16] 陳海焱，陳文梅，胥海倫. 氣流分級機操作參數對分級性能的影響[J]. 四川大學學報：工程科學版，2006（3）：87-91.