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选粉机理论材料
《建材机械工程手册》朱昆泉许林发
第二章:
气力分级设备
气力分级(干式分级)设备在建材等行业又称为空气选粉设备,通常利用空气作为分级介质,在工业中应用很广。
按照气力分级设备的工作原理,可分为以下几大类:
气力分级设备
在上述各类气力分级设备中,离心力式分级设备应用比较普遍。
其中,半自由涡式离心力分级设备通常称为旋风筒,强制涡式离心力分级设备又称为转子式分级机、空气分级机或空气选粉机,应用最为广泛。
1.半自由涡式离心力分级设备(旋风筒)
旋风筒通常用作粉尘的收集装置——旋风收尘器,但也可作为分级或预分级设备使用。
1.1结构与工作原理
旋风筒的结构如图2-1所示。
旋风筒的壳体由圆柱筒和圆锥筒组成,上部有顶盖密封,顶盖的中心有排气管,进气管位于圆柱筒的一侧,并与其相切,壳体下部设有灰仓和锁风阀。
待分级的物料随气流从进气管沿切向进入圆柱筒内,形成半自由涡流场的外旋流,向下作螺旋运动,在圆锥筒底部被迫转向中心,形成旋转向上的内旋流,最后由排气管排出。
气流中夹带的物料受到分级作用,粒径较大的粗颗粒被甩向圆筒内壁并向下落入灰仓,粒径较小的细颗粒则随气流由排气管排出。
气流在旋风筒中的运动是三维运动,在外旋流的半自由涡流场中,气流的切向速度Vθ与旋转半径r的关系为:
Vθrn=C
其中:
C为常数;指数n通常为0.5~0.9。
外旋气流的切向速度随半径的减小而增大。
在内旋流中,Vθ大约与r成正比关系,气流的切向速度随半径的增加而增大。
因此,在内、外旋流的分界面上,气流的切向速度最大。
气流的径向速度Vr较小,其方向在外旋流中指向中心,而在内旋流中则相反。
气流的轴向速度Vx在壳体附近方向向下,而在中部则方向向上,且数值较大。
由于外旋流中气流的径向速度方向向内,因此在向下作螺旋运动的途中,有一部分气流离开外旋流向内运动,在铅垂方向形成涡流。
1.2分级粒径DT与压力损失ΔP
气流的切向速度使颗粒产生径向加速度/r,在半径方向上向外作离心沉降运动,而气流的径向速度Vr则使颗粒向中心移动。
颗粒在一维离心流场中的沉降末速度为:
ur==
若在旋风筒中某一半径为rf的假想圆柱面上,气流及颗粒的径向平均速度Vrf(方向向内)正好与粒径为Dp的颗粒的沉降末速度ur(方向向外)相等,那么该颗粒在这个假想圆柱面上将处于平衡状态。
粒径大于Dp的颗粒将向外运动,粒径小于Dp的颗粒将向内运动,因此这个Dp即为分级粒径。
由Vrf=ur可以得出分级粒径为:
DT=K(m)
式中:
K——系数,与旋风筒的结构尺寸和操作风速等有关,由实验确定,通常可取0.6~0.8;
D——旋风筒的内径,m;
H——假想圆柱面的高度,m;
Vi——旋风筒进气管的平均流速,m/s。
旋风筒的压力损失(流体阻力)ΔP可用下面的经验公式估算:
ΔP=(Pa)
式中——阻力系数,由实验确定,大致估算时可取5~10。
1.3旋风筒的结构形式与几何尺寸
作为收尘器使用的旋风筒种类很多,在建材行业中常用的有CLT/A(螺旋型)、XLP(旁路型)、XLK(扩散型)等几种,在分级精度要求不高时,也可作为分级设备使用。
旋风筒的进气管通常与壳体相切,直入式进气管的气流外缘与圆柱形壳体相切,而蜗壳式进气管的气流内缘与圆柱形外壳本切,外缘则与渐开线外壳相切。
灰仓下部的锁风阀常用闪动阀,或用分格轮式的旋转阀,既能排出粗颗粒,又能起到密封作用,可以保证旋风筒正常工作。
旋风筒的内径D越小,分级粒径DT也越小,但处理量降低,压力损失增加。
在处理量较大而分级粒径较小时,可将若干个型号、规格都相同的小旋风筒组合起来,并联使用。
旋风筒各组成部分之间的尺寸关系对其性能影响较大。
根据经验,圆柱形壳体的长度L1=(0.9~1.5)D,圆锥形壳体的长度L2=(2~3)D,锥角为20°左右,排气管直径d=(0.5~0.67)D,插入深度通常在进气口底缘以下,以防止含尘气流直接从排气管逸出。
2.离心式分级机(选粉机)
离心式分级机是第一代强制涡式离心力分级设备,在老水泥厂中应用较多,现在逐渐被其他类型的分级机所替代。
2.1结构与分级原理
离心式分极机的结构在其发展过程中虽然作过一些改进,但变化不大,都是用撒料盘分散物料,用主风叶和辅助风叶使空气在机内循环,从而对物料进行分级。
普通离心式分级机的结构如图2-2所示。
内壳体4和外壳体5通过支架3和7套装在一起,内外壳体的下部是粗粉出口8和细粉出口9。
外壳体的上部装有项盖12,顶盖的中部设有加料用的漏斗,漏斗中心的垂直轴上装有主风叶1、辅助风叶2和撒料盘10,构成一个转子,由传动装置14驱动。
在内壳顶部的环形通道上装有一圈可以调节的挡风板11,中部则装有回风叶6,其角度可以调节。
主风叶旋转时产生的气流进入内外壳体之间的环形空间,向下流动,再通过回风叶之间的间隙沿切向进入内壳体,形成旋转上升的气流,然后又在主风叶的推动下进入内外壳体之间的环形空间,形成机内循环分级气流。
辅助风叶与主风叶一起旋转,既可起到使循环气流形成的辅助作用,又可使上升气流中较粗的颗粒分离出来。
物料由加料管13送入,经漏斗落到撒料盘10上,由于离心力的作用被分散甩出。
分散后的物料受到旋转上升气流的作用,在分级机内要经过两个分级区:
一个是内壳中的分级区,颗粒主要是在离心力的作用和辅助风叶的碰撞作用下被分级,使物料中的粗颗粒被分离出来,沿内壳体的壁面下滑,经粗粉出口8排出;另一个是内外壳之间的环形分级区,颗粒除了在重力的作用下沉降之外,当气流的方向急剧改变时,由于惯性的作用,也会从气流中分离出来,沿外壳体的壁面下滑,经细粉出口9排出,而少部分粒径很小的微粉则随气流进入内壳体进行一次循环。
颗粒在壳体内被分级时,受到旋转上升气流的作用力、离心力、和重力G的作用(见图2-3a),其速度有三个分量:
(1)轴向速度其大小和方向取决于颗粒的重力G和在垂直方向的分力。
粒径较大的颗粒的方向向下,而且粒径越大,的值也越大;粒径较小的颗粒的方向向上,而且粒径越小,的值越大。
(2)切向速度是颗粒随撒料盘和气流一起旋转的圆周速度。
(3)径向速度其大小决定于颗粒作旋转运动时所受到的离心力,方向向外,而且颗粒越大,也越大。
粒径不同的颗粒,由于其三个方向的速度不同,运动的轨迹也不同。
(参见图2-3b)。
大于分级粒径的粒颗粒将倾斜向下运动,粒径越大,运动越快,而且其轨迹与水平面的夹角越小。
小于分级粒径的细颗粒将倾斜向上运动,粒径越小,其轨迹与水平的夹角越大。
2.2性能与技术参数
对于单个球形颗粒,离心式分级机的理论分级粒径为:
DT=(m)
式中:
——阻力系数;
——空气、颗粒的密度,kg/m3
R——撒料盘的半径,m;
——空气向上的流速,m/s;
——撒料盘边缘颗粒的圆周速度,m/s;
——颗粒所受的合力与水平方向的夹角。
由上式计算得出的理论分级粒径只能作为定性分析的参考,实际的分级粒径应由实验确定。
分级机在运行时,可以调节挡风板的位置,改变回风叶的角度或转子的转速,从而控制分级粒径的大小。
此外,增减主风叶或辅助风叶的数目,也可以调节分级粒径。
离心式分级机的分级效率与其结构参数的选择有关。
通常以外壳的内径D为基准,按下列比例确定其他主要结构参数,可获得较高的分级精度:
内壳的内径di=0.7D;
主风叶的外径d1=0.7D;
主风叶的高度b=0.1D;
辅助风叶的外径d2=0.5D;
撒料盘的外径d3=0.33D。
此外,在内壳中的分级区内,从内壳的顶部到撒料盘的区间是细粉提升区。
撒料盘以下到回风叶的区间为颗粒分级区,增加颗粒分级区的高度,可以增加细粉在气流中的停留时间,提高分级效率。
通常,当颗粒分级区与细粉提升区的高度之比为1.8~2时分级效率较高,当高度比为1时分级效率显著下降。
离心式分级机的主要技术参数如表2-1所示,也可用以下的经验公式进行估算:
(1)生产能力Q
Q=KD2.65(t/h)
式中的系数K与物料性质、产品细度和分级效率等因素有关。
对于水泥生料,当产品的细度为0.08㎜方孔筛筛余为6%~8%、分级效率为70%~80%时,
K=0.85;对于425号水泥,当筛余为5%~8%、分级效率为50%~60%时,K=0.56;对于525号水泥,当筛余为2%~5%、分级效率为50%~60%时,K=0.42。
(2)功率N
N=K1D2.4(kw)
式中的系数K1通常取1.58。
(3)主轴转速n
通常使转速n与外壳直径D的乘积为:
nD=600~900(m·r/min)
表2-1离心式分级机的主要技术参数
分级直径(㎜)①
3000
3500
4000
4500
5000
5500
生产能力425号水泥(t/h)②
10
16
22
30
40
50
产品细度(0.08筛余%)
58
58
68
68
68
③
主轴转速(r/min)
256
230
180
190
190
165
电机功率(kw)
22
30
40
55
75
95
设备(t)
4.9
9.2
15.6
18.2
16.9④
22.4
注①国内使用的分级机直径最大为φ7.3m,国外最大的分级机直径达φ11m。
②生产能力与产品的种类和细度有关;
③产品的比表面积为3000~3400cm2/g;
④不包括电机。
2.3特点应用
离心式分级机的特点是分级气流在机内循环,物料的分级和粗、细粉的收集都在分级机内进行,结构比较紧凑,能耗较低。
但是由于在结构形式和分机机理方面都不够理想,分级精度和分级效率较低,分级粒径的调节也不方便,机内的粉体浓度不能太高,单位体积的产量较低,要想增大处理量,只有增大分级机的直径。
离心式分级机适用于分级粒径较大,处理量也很大的物料的分级,主要用于机械式卸料的粉碎-分级系统。
在水泥行业中,老厂应用较多,新建的水泥厂用得较少。
3.旋风式分级机(选粉机)
旋风式分级机是第二代强制涡式离心力分级机,由德国维达格(Wedag)公司首先研制成功,故通常将维达格型旋风式分级机作为第二代分级机的代表。
3.1结构与分级原理
按维达格型旋风式分级机的结构差异,可分为几种不同的机型,图2-10是带支风管的旋风式分级机的结构简图。
在分级室7的主轴3上装有风叶8和撒料盘9,由电机1通过传动装置2驱动。
分级室的下部设有滴流装置10,既可让气流通过,又便于粗粉下落。
分级室的周围均匀地布置有几个使经粉与空气分离的旋风筒,外部装有风机、风管、调节阀,可以形成循环的分级气流。
在进风管切向入口的下部,设有内、外两层锥体,内锥体收集粗粉,外锥体收集细粉。
风机17通过进风管18向分级室送风,气流从切线方向进入,经滴流装置10的缝隙旋转上升,在分级室7中形成分级气流。
从进料管4中喂入的物料,落到散料盘9上,并被甩出,散布到分级气流中。
物料中的粗颗粒被甩向分级室的内壁,并沿壁面下落,在滴流装置10处被上升的气流再次进行分选,将混入粗颗粒中的细颗粒分离出来。
粗颗粒落入内锥体内,由其下部的粗粉出口11排出。
物料的中细颗粒随气流一起沿切向进入旋风筒6,在其中与空气分离,细颗粒落入底部外锥体内,由细粉出口12排出。
空气则由旋风筒中心的排风管,经集风管5和回风管13再返回风机17,形成分级室与外部的空气循环。
主风阀15、支风管14和支风管调节阀16用于调节循环空气的流量。
有的维达格型旋风式分级机不带支风管,而在进风管上设置放风口进行调节。
旋风式分级机的分级原理与离心式分级机相同,颗粒在分级室内的受力和运动情况、分级粒径的估算方法等也与离心式风机相似。
3.2性能与技术参数
3.3特点
旋风式分级机与离心式分级机相比,具有以下优点:
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