二次风量对LNJ-36A型气流分级机分级性能的影响

曾川，刘传慧，陈海焱，张明星，付瑜，王晓天

（1 西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010；2 西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

随着所需粉体细度的提高和产量的增加，分级技术的难度也越来越高[1]。气流分级机是利用叶轮产生的强离心力将不同粒径的颗粒分级的一种干式分级设备，具有结构简单、分级效果好、造价低等特点，在粉体加工领域有广泛应用[2]。在分级的过程中，细颗粒的团聚、粗颗粒夹杂细颗粒的现象非常普遍，导致分级精度下降，为了提高气流分级机的分级性能，对气流分级机的操作参数进行研究很有必要，而气流分级机二次风量是影响分级机性能的重要因素之一。引入二次风可以提高分级效率，降低粗粉中细粉的含量，增加细粉产量[3-4]。Braun、满瑞林等[5-6]研究认为，调整二次风与主气流之间的比例，可以有效地控制“鱼钩效应”；微粉的产率会随着二次风的增加而增加。因此在进行超细分级时，应当合理地控制二次风量的大小。通过实验，探究气流分级机处于不同二次风量时对不同粒度段、不同种物料分级效果的影响，并用相对分级精度对实验结果进行验证。

1 分级机评价指标及其评价

所谓分级就是利用粉体颗粒的大小和形状及其他差别将其分离的操作[2，7-8]。评价分级效果的好坏大致有3 种，即部分分级效率、牛顿分级效率和分级精度指数K=D75/D25[9-12]。牛顿分级效率和部分分级效率是评价分级效果好坏的重要指标，但是在工程应用上并不方便，原因是在工业连续生产中，物料处理量非常大，难以统计粗粉和细粉的质量。高桥信博、刘鲁宁等[13-14]研究认为，计算部分分级效率，需要知道粗粉和细粉的产率，需要有精确的基础资料，在实际生产中是较为麻烦的。分级精度K是基于部分分级效率曲线得到的，需要测得原料质量、粗粉或细粉质量，同时从部分分级效率曲线上难于得到确定的值，所以在实际工程应用中也多有不便。

基于这些原因，能够直接从分级过程中粗、细粉的粒度分布中提出一个简便可行的分级效果评价指标δ 来实时地评价分级效果的好坏，是非常简便而有效的。

图1 粗、细级产品粒度分布曲线

如图1 所示，曲线f 表示原料的粒度分布曲线；a 表示分级后细粉的粒度分布曲线；b 表示分级后粗粉的粒度分布曲线；d10粗表示粗粉中累积含量为 10%的颗粒的粒径；d90细表示细粉中累积含量为90%的颗粒的粒径；d′为细粉和粗粉粒度分布曲线的交点，表示粗粉中细颗粒分布频率和细粉中粗颗粒分布频率相等时的粒径[15]。阴影部分m1表示当d10粗＜d90细时，粗粉中粒径为d90细的颗粒含量，阴影部分m2表示当d10粗＞d90细时，粗粉中粒径为d90细的颗粒含量。如图1(a)所示，当d10粗＜d90细时，粗粉中粒径为d90细的颗粒含量为m1，其累积含量大于10%，甚至达到20%以上，粗粉中含有大量细粉，这样将会导致细粉产率下降，分级效果并不好；如图1(b)所示，当d10粗＞d90细时，此时粗粉中粒径为d90细的颗粒含量为m2，其累积含量小于10%，粗粉中细粉含量较少，此时分级效果较好。

本文作者认为，可以定义一个相对分级精度δ来判断分级效果的好坏，其表达式为式（1）。

式中，δ 越大，表示分级效果越好，反之越差。如上所述，将d10粗与d90细作比较，当d10粗＜d90细时，δ 为负数，d10粗越小或d90细越大（d10粗相对左移，d90细相对右移），则δ 越小，粗、细粉粒度分布重叠部分面积相对变大，可直观地得出分级效果变坏；当d10粗＞d90细时，δ 为正数，d10粗越大或d90细越小（d10粗相对右移，d90细相对左移），则δ 越大，粗、细粉粒度分布重叠部分面积相对变小，分级效果变好。

本文通过不同粒度段的粉煤灰和水泥熟料进行实验，以相对分级精度δ 为评价指标，在分级轮转速及气固浓度一定的情况下，改变分级机二次风量，考察其对分级效果的影响。

2 二次风量实验

2.1 实验设备

实验设备为绵阳流能粉体设备有限公司提供的型号为LNJ-36A 气流分级机（传动功率3kW）、滤筒除尘器、高压引风机（功率11kW）、空压机（7.5kW）、电控柜（含变频器）等。LNJ-36A 型气流分级机工作原理如下：物料经给料机随主气流被带入分级腔，在分级轮旋转形成特定的离心力场下，细粉从叶轮缝隙中随气流从分级机上方排出，经袋式收集器收集；粗粉被叶片阻留，沿机体内壁向下运动。同时设有二次风，起“风筛”作用，可使粗粉中夹带的细颗粒再次进入分级腔分级，提高了分级效率。其主要特点如下：①分级范围广，产品细度可在1～74µm 之间调控；②分级精度高，通过分级机叶轮旋转形成稳定的离心力场、引入二次风对粗粉进行“清洗”，提高了分级效率；③可与机械冲击磨、气流磨等粉碎设备配套使用。LNJ-36A 型分级机是LNJ 系列分级机中最具代表性的分级机，设备系统简图如图2。

测试仪器包括SwemaAir50 风速仪（瑞典斯威玛公司）、LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析仪（中国珠海欧美克仪器有限公司）。

2.2 实验物料

经粉碎后的两种粒度段组成的粉煤灰和水泥熟料，其粒度分布详见表1、表2。

受剪承载力为V=cfcAc+μN[17].其中，接触面进行打毛处理时c=0.45，μ=0.7；接触面未进行打毛处理时c=0.35，μ=0.6.fc为混凝土的抗拉强度设计值；Ac为混凝土的抗拉有效截面面积；N为结合面的法向作用力.内聚力-库伦摩擦模型的参数设置参照现有研究选取，如表1所示.

图2 LNJ-36A 型气流分级机设备系统简图

表1 1#、2#粉煤灰原料粒度组成

表2 1#、2#水泥熟料原料粒度组成

2.3 粉煤灰、水泥熟料分级实验

在分级轮转速为 1500r/min、气固浓度为0.204kg/kg、系统风量为1044.3m3/h 的条件下，二次风风量为60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h和250m3/h 时，考察二次风风量变化对1#粉煤灰、1#水泥熟料分级精度的影响；在分级轮转速为1200r/min、气固浓度为0.204kg/kg 的条件下，二次风风量为60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 时，考察二次风风量变化对2#粉煤灰、2#水泥熟料分级精度的影响。以相对分级精度δ 为评价指标，结果详见表3、表4。

表3 二次风量对1#、2#粉煤灰分级精度的影响

表4 二次风量对1#、2#水泥熟料分级精度的影响

2.4 实验结果分析

根据表3、表4 中二次风量为60m3/h、100m3/h、150m3/h、210m3/h 和250m3/h 时分级粉煤灰、水泥熟料所对应的相对分级精度δ，作出δ 随二次风量变化的曲线图，如图3 所示。

图3 中二次风量从60m3/h 增加到150m3/h，1#粉煤灰的δ 从0.308 增加到0.427，2#粉煤灰的δ 从0.109 增加到0.136，1#水泥熟料的δ 从-0.072 增加到0.404，2#水泥熟料的δ 从-0.488 增加到0.008；随着二次风量继续增加至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。根据相关文献研究[4，16]，可以验证上述实验结果。总结分析得出：二次风起一个“风筛”的作用，利用二次风气流对沿筒壁下落的粗粉进行冲洗，将粗粉中夹带的细粉再一次带入分级区，从而增加了细粉通过分级机的概率，提高了分级机的分级精度，故随着二次风量的增加，相对分级精度增加；当二 次风量增加到一定值时，随着二次风量的增加，不利于粗颗粒的下落，会将较大的颗粒带入分级机，导致分级区气固浓度急剧上升、大颗粒通过分级区进入细粉收集装置中的可能性增高，细颗粒夹带在粗颗粒中被“强行”下落到粗料桶中，导致相对分级精度下降。

图3 二次风量对1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料相对分级精度的影响

对比图3 中1#、2#粉煤灰在二次风量为60m3/h下的δ，1#粉煤灰的δ为0.308，2#粉煤灰的δ为0.109。这是由于1#粉煤灰的颗粒粒径小于2#的，其质量较小，在60m3/h 的二次风量的情况下更容易被带入分级区，故在同等二次风量的情况下，1#粉煤灰的δ大于2#粉煤灰。图3 中，在相等二次风量的情况下，1#粉煤灰和2#粉煤灰δ 的趋势及1#水泥熟料和2#水泥熟料δ 的趋势同上所述。

对比图3 中1#粉煤灰、1#水泥熟料在二次风量为60m3/h 下的δ，1#粉煤灰的δ 为0.308，1#水泥熟料的δ 为-0.072。这是由于物料不同，其相对密度不一样，粉煤灰的相对密度为1.95～2.36，水泥熟料的相对密度为3.0～3.2。相对密度较小的颗粒能够更容易被二次风“清洗”，在下落过程中，被二次风重新带入分级区的可能性增加，故1#粉煤灰的δ大于1#水泥熟料。图3 中，在相等二次风量的情况下，1#粉煤灰和1#水泥熟料及2#粉煤灰和2#水泥熟料δ 的趋势同上所述。

对比表3、表4 中二次风量从150m3/h 增加到210m3/h，2#粉煤灰的δ 从0.136 下降到0.082，2#水泥熟料的δ 从0.008 下降到-0.202。对于这两种粒径较大的粉，二次风流量增大，其相对分级精度呈现下降趋势，这是由于二次风流量增大，对主气流流量影响较大，使主气流输送颗粒的力度减小，导致δ 降低。

表3、表4 中相对分级精度δ 多处出现负值，表3 中2#粉煤灰在二次风量为250m3/h 时δ 为-0.199，表4 中2#水泥熟料在二次风量为200m3/h、250m3/h 时δ 为-0.202、-0.315，这是因为，二次风量过大将较粗的颗粒带入分级区进入收集装置中，导致d90细偏大，由于二次风量过大，不利于粗颗粒的下落，容易造成堵塞，细颗粒夹带在粗颗粒中被“强行”下落到粗料桶中，导致d10粗偏小，使d10粗＜d90细，说明二次风量过大使其分级效果变差。表4中1#水泥熟料在二次风量为60m3/h 时δ 为-0.072，2#水泥熟料在二次风量为60m3/h、100m3/h 时δ 为-0.488、-0.289，这是由于二次风量偏小，无法对沿壁筒下落的颗粒进行有效的清洗，部分夹带在粗颗粒中的细粉随粗颗粒进入粗料桶中，导致d10粗偏小，使d10粗＜d90细，说明二次风量过低会使分级效果变差。

3 结 论

（1）实验结果证明气流分级机二次风量是影 响分级机性能的重要因素，二次风量从60m3/h 增加到150m3/h，1#粉煤灰的δ 从0.308 增加到0.427，2#粉煤灰的δ 从0.109 增加到0.136，1#水泥熟料的δ 从-0.072 增加到0.404，2#水泥熟料的δ 从-0.488增加到0.008；随着二次风量继续增加至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;对于1#、2#粉煤灰和水泥熟料，二次风量调节在150m3/h 左右，二次风量与主气流流量保持比例为0.168 左右，其相对分级精度最高，分级效果较好。

（2）实验结果证明不同粒度段的1#、2#粉煤灰和1#、2#水泥熟料，在相同二次风量的情况下，粒径较小的物料其相对分级精度较高；对于同种粒度段的1#粉煤灰、1#水泥熟料和2#粉煤灰、2#水泥熟料，在相同二次风量的情况下，相对密度较小的物料其相对分级精度较高。

（3）相对分级精度δ=(d10粗-d90细)/d′可以通过粗粉和细粉的粒度分析报告得出。在实际工程中，进行连续生产时，可用于判定分级状况是否良好，简便易行，对工业生产具有一定的指导作用。

符 号 说 明

D25—— 部分分级效率为25%的颗粒粒径，μm

D75—— 部分分级效率为75%的颗粒粒径，μm

d10粗—— 粗粉中累积含量为10%的颗粒粒径，μm

d90细—— 细粉中累积含量为90%的颗粒粒径，μm

d′—— 粗粉中细颗粒分布频率和细粉中粗颗粒分布频率相等时的颗粒粒径，μm

K——分级精度指数

δ——相对分级精度

[1] 李凤生，等. 超细粉体技术[M]. 北京：国防工业出版社，2000.

[2] 盖国胜. 超细粉碎分级技术 理论研究 工艺设计 生产应用[M]. 北京：中国轻工业出版社，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] 满瑞林，余嘉耕. 超细粉体分级器对重质碳酸钙的分级研究[J]. 现代化工，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] 陶珍东，郑少华. 粉体工程与设备[M]. 北京：化学工业出版社，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] 高桥信博，李新才. 描绘分级中分配率曲线的方法——分级效率图解法[J]. 国外金属矿选矿，1979（10）：35-39.

[14] 刘鲁宁. 分级机性能的评价[C]//第九届全国粉体工程学术会暨相关设备、产品交流会论文专辑，2003.

[15] 龚翠平，杨威，刘静. 涡流空气分级机的分级效率与分级精度[J]. 中国粉体技术，2014（4）：80-82.

[16] 陈海焱，陈文梅，胥海伦. 气流分级机操作参数对分级性能的影响[J]. 四川大学学报：工程科学版，2006（3）：87-91.