选粉机理论材料.docx
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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：
重力沉降式分级设备
惯性式分级设备
离心力式分级设备
气力分级设备
其他类型分级设备半自由涡式（旋风筒）
离心式分级机（选粉机）
强制涡式旋风式分级机（选粉机）
新型高效分级机（选粉机）空气冲击筛喷射涡旋式分级设备利用附壁效应的分级设备
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V。
与旋转半径r的关系为：
Vern=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，Ve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。
气流的轴向速度乂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△P
气流的切向速度使颗粒产生径向加速度V2/r，在半径方向上向外作离心沉降运动，而气流的径向速度V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：
U=
D2（p）r2=Dp（p）V2
18—18r
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：
1/2
9D2
H（p~~）
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）△P可用下面的经验公式估算：
2
△P=丄（Pa）
2
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/（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Li=（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Ff、离心力Fc、和重
力G的作用（见图2-3a）,其速度有三个分量：
（1）轴向速度uv其大小和方向取决于颗粒的重力G和Ff在垂直方向的分力。
粒径较大的颗粒Uv的方向向下，而且粒径越大，Uv的值也越大；粒径较小的颗粒Uv的方向向上，而且粒径越小，Uv的值越大。
（2）切向速度U是颗粒随撒料盘和气流一起旋转的圆周速度。
（3）径向速度Ur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，Ur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：
2
3CdRuf
Dt=2cota（m）
4（p）V
式中：
Cd——阻力系数；
、p――空气、颗粒的密度，kg/m3
R――撒料盘的半径，m
Uf――空气向上的流速，m/s；
V――撒料盘边缘颗粒的圆周速度，m/s；
a——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伽方孔筛筛余为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=KF（kw）
式中的系数K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（伽）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©7.3m，国外最大的分级机直径达©11m。
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3000〜3400cn1/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：
1分级室内单位面积的处理能力较大，一般比离心式分级机高2〜2.5位。
2在相同的循环负荷下，分级效率比离心式分级机提高约8％，因而可使磨机产量提高10%左右，单位电耗节省7%〜15%。
3分级粒径调节方便，而且范围较广。
生产水泥时，产品的比表面积可在2500〜7000cm2/g之间进行调节。
4在分级的过程中可以引入大量的冷风（或热风），对产品进行冷却（或干燥）。
5由于旋风筒收集细粉的效率较高，可以减少随气流循环的细粉量。
循环风机的磨损小，振动也小，对基础要求较低。
6旋风筒、风机既可与分级机主体紧密相连，又可分开安装，工艺布置比较灵活。
旋风式分级机的缺点是占地面积大，密封要求较高，而且当旋风筒的出料口不在分机下部的内、外锥体之间时，需设置锁风装置。
4.高效分级机（选粉机）
高效分级机是为了克服离心式分级机、旋风式分级机撒料不均匀、分级流场不均匀等缺陷而研制成功的新型分级机。
大致可以分为两类：
一类是对已有的离心式分级机、旋风式分级机进行局部的改进；另一类是在分级流场和分级机理上都有所突破的新机型。
4.1O－Sepa型高效分级机
—Sepa分级机（选粉机）是日本小野田（ONODA公司在70年代末研制成功的，通常被认为是第三代高效分级机的典型代表。
4.1.1结构与分级原理
O—Sepa分级机的结构如图2-14所示。
气流（或含尘气流）分别由一次风管8、二次风管9切向进入涡壳形筒体1，经过导流叶片6进入导流叶片和涡轮转子之间的环形分级区，形成一次涡流，然后进入涡轮内部的分级区。
在高速旋转的涡轮叶片5的带动下，形成二次涡流，最后气流经过涡轮中部，由细粉出口11进入旋风筒或袋收尘等细粉收集设备。
被分级的物料从进料口12喂入，经撒料盘2离心撒开，在缓冲板3的作用下均匀地分散后落入环形分级区，与经过导流后的分级气流进行料气混合。
在旋转的分级气流作用下，物料中较粗的颗粒被甩向导向叶片，沿分级室下降进入锥
形灰斗7,再经过由三次风管10进入的三次空气的漂洗，将混入粗颗粒中或凝聚的细颗粒分出后，粗颗粒经过翻转阀13排出。
粒径较小的细颗粒随气流进入
涡轮分级区，在强制涡流场中再次被分级，较粗的颗粒被甩出，回到环形分级区，合格的细颗粒则随气流一起通过涡轮中部，由细粉出口11排出。
O-Sepa分级机在分级原理上与前两代分级机相比有较大改进。
其分级气流仅在水平面内旋转，而且气流平稳。
物料在经过撒料盘和缓冲板充分分散之后垂直下落，从上至下通过整个分级区，可受到多次分级的作用，因而分级效率和分级精度较高。
4.1.2性能与技术参数
O-Sepa分级机的主要技术参数列于表2-7中.表2-8是在水泥生产中使用O-Sepa分级机前后的实际操作数据.由表中的数据可以看出，使用O-Sepa分级机一般可使粉磨系统增产20%〜30%,系统单位产量的电耗可下降15%〜20%。
此外，O-Sepa分级机还可改善水泥产品中的颗粒级配，提高水泥质量。
表2-7O-Sepa分级机的主要技术参数
型号
风量
（m3/min）
最大喂料量
（t/h
丿量（t/h
主轴转速
（r/mir）
电机功率
（Kw）
夕卜形尺寸（mm）
平面尺寸
总高
N-250
250
75
10〜20
250〜500
10〜25
1500
4540
N-500
500
150
20〜40
190〜420
15〜50
1970
5750
N-1000
1000
300
35〜75
140〜320
20〜100
2660
7460
N-1500
1500
450
50〜110
120〜260
30〜150
3200
8720
N-2000
2000
600
70〜150
105〜230
40〜200
3650
9700
N-2500
2500
750
90〜190
95〜200
60〜250
4050
10710
N-3000
3000
950
105〜225
85〜190
80〜300
4410
11080
N-3500
3500
1050
120〜260
80〜170
100〜350
4740
11900
N-4000
4000
1200
140〜300
75〜170
120〜400
5050
12430
注：
①产量是指水泥的比表面积为2900cm2/g时的数值。
②平面尺寸是指两个进风管外壁之间的尺寸。
③总高是指从电机到翻板阀的尺寸
厂别
产量（st/h）
比表面积（cm2/kg）
电耗（Kw-h/st）
刖
后
增加（%）
.、八刖
后
降低（%）
刖
后
降低（%）
1
76
91
20
3904
3606
8
34.4
28.7
17
2
65
85
31
3811
3606
5
34.4
26.3
24
3
38
52
37
3840
3606
6
39.3
28.8
27
4
80
92
15
3780
3650
3
37.3
32.4
13
5
29
38
31
3900
3600
8
37.9
29.8
24
6
65
80
23
3630
3400
6
30.4
24.7
19
7
50
62
24
3825
3600
6
37.3
30.1
20
8
81
105
30
3850
3600
6
33.2
28.1
15
9
90
106
18
4000
3750
6
42.0
32.0
24
10
72
79
10
3700
3600
3
36.3
33.1
9
平均
-6
29
-19
注：
①1st=2000lb=907.2kg
O-Sepa分级机的理论分级粒径Dt可用下式估算：
dt=3Q
R\h（p）
式中：
R——涡轮半径，m；
co――涡轮的角速度，rad/s；
Q――空气流量，m3/h；
――空气的动力粘度，Pa-s；
h――涡轮分级室的高度，m；
p颗粒的密度，kg/m3；
――空气的密度，kg/m3；
可按照实际结果进行修正
按上式求出的分级粒径小于实际的平均分级粒径,
4.1.3特点
与前两代分级机相比，O－Sepa分级机除了在分级机理和性能方面具有明显的优越性之外，还具有以下特点：
1由于巧妙将自由涡与强制涡结合在一起，流场均衡、稳定，设备可以大型化而不降低分级性能。
2可以生产粒度分布较窄的产品。
3改变涡轮的转速，就可以在10〜300um的范围内调节分级粒径。
4由于可以用含尘空气作为分级气流，所以与粉碎、收尘设备组成粉碎－分级系统时，可以设计成非常紧凑并具有冷却等功能的系统。
5可与辊磨结合组成粉碎－分级系统，解决用辊磨粉磨水泥的难题。
还可以在以辊压机作为终粉磨的系统中，配置带有料饼打散装置的O-Sepa分级机，既可省掉一台设备，节约投资，又可简化工艺流程。
4.2类似于O—Sepa的高效分级机
继O-Sepa分级机之后，又出现了一些工作原理与OSepa分级机基本相
同，但在结构上各具特点的高效分级机，都已用于实际生产，取得了较好的效果。
4.2.1Sepax型高效分级机
Sepax型高效分级机是丹麦F•L•史密斯（Smidth）公司于1983年开发的，分为Sepax-1和Sepax-2两种形式。
二者的结构基本相同，只是Sepax-2型带有四个小旋风筒，可以收集大部分成品。
⑴结构与分级原理Sepax-1型的结构如图2-15所示。
主要由下部的物料分散部分和上部的分级部分组成。
二者之间用中间连接风管相连，其高度可以按照呀艺布置的需要进行调节。
物料从进料管8进入，经分散板10撒到上升的气流中，物料中混杂的粉磨介质碎片在重力的作用下下落，由下排渣口13排出。
物料随气流上升至分级部分，通过导流叶片5进入转子，进行分级。
粗颗粒被甩出来，撞到导流叶片后落到粗粉锥体6上，由粗粉出口7排出。
细颗粒随气流经过转子中片4进入转子中部，由细粉出口1送往收集装置。
⑵性能及特点
1物料在分级区外进行分散，由于分散板10、中间连接风管和导流叶片
的作用，物料分散精度高，且分布均匀，还能除去物料中混杂的粉磨介质碎片。
2与O－Sepa分级机一样，分级区窄而长，空气流场均衡、稳定，分级性能好，分级效率高。
3处理能力大，其分级室直径为©1.9〜©4.75m,相应的处理能力为
25〜300t/h。
4分级粒径调节方便，只要改变转子的转速，即可将产品的比表面积控制在2500〜5000cm2/g的范围内。
5结构紧凑，占地面积小。
6Sepax-1型分级机可以引入冷空气，对物料进行冷却，产品全部在机外收集。
不需要冷却物料时，可选用Sepax-2型。
7壳体内直接与粉体接触的部位装有防护衬板，磨损小，使用寿命长。
⑶应用
Sepax型高效分级机主要应用于水泥工业。
4.2.2Sepol型高效分级机
⑴结构与分级原理
Sepol型高效分级机是德国鸠斯公司开发的，其结构如图2-16所示。
物料经给料管1被送到撒料盘2的中部，撒料盘与分级转子12一起高速旋转，将物料撒出，物料撞到缓冲折流板3上被进一步分散后落到导流叶片4与转子叶片5之间的环形分级区。
空气由两个呈对数螺旋形的进风口6进入壳体8，经过导流叶片4在环形分级区形成半自由涡流场，然后经过转子内部，在转子叶片的作用下形成强制涡流场。
最后通过转子中部，从出风口9排出。
进风口用隔板7分成三个截面积相同的部分，并可用翻板阀调节三个部分的进气量，因此可以形成均衡的水平涡流场。
物料在环形分级区下落的过程中，受到多次分级的作用。
粗颗粒落入壳体8下部的锥形灰斗10中，经锁风阀11排出。
细颗粒随气流一起通过分级转子12的中部，由出风口9排出。
⑵性能及特点
Sepol型高效分级机的工作原理与OSepa型相同，但在结构设计上具有
以下特点：
1体积小。
若用空气输送斜槽取代锥形斗，还可
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