粉磨系统中高效选粉机的研究与应用

一、研究的目的与意义

众所周知，球磨机对物料的粉碎主要是依靠研磨体对物料的冲击与研磨作用来实现的，这种冲击及研磨作用是通过研磨体的表面传递给与之相接触的物料的，属于单颗粒粉碎。由于单颗粒粉碎的偶然性，使大量的能量消耗在研磨体之间及研磨体与磨机衬板之间的碰撞与磨损上，因而其效率很低。据Answlm的粉碎功理论测定：轴承、齿轮等纯机械损失占12.3%；随产品散热占47.6%；从磨机筒体散发的辐射占6.4%；空气带走热量占31.4%；用于粉碎物料的理论能量消耗仅占很小的一部分，约为2.3%。

目前，一般在以下两个方面加以改进，以提高球磨机的粉磨效率。一是改变内部装置。节能衬板、可调隔仓板的研制成功，为粉磨系统降低了能耗。第二方面是改变粉磨系统，将原来的开路粉磨系统改为闭路粉磨系统。与之相应的，选粉机也因技术发展的需要，为提高选粉效率，降低系统能耗，由传统的第一代离心式选粉机、第二代旋风式选粉机发展到第三代高效选粉机。

开路粉磨系统具有流程简单、设备少、投资省、操作方便等特点。但由于物料必需全部达到成品细度的部分物料才能出磨，因此，当细度要求较高时，已被磨细达到细度要求的部分物料不能及时卸出而出现过粉磨现象，导致粉磨系统的粉磨效率降低、能耗增加（当粉磨高标号水泥及易磨性差别大的混合粉时，过粉磨现象更为严重）。闭路粉磨系统由于配备了选粉机，能将粉磨后的合格物料及时分离出来，从而可有效地减少过粉磨现象，提高系统的粉磨效率及产量，降低能耗；同时产品细度均匀，并可通过调节选粉设备的操作参数来灵活控制，以满足生产要求。缺点是系统流程较为复杂，投资较大。

对上述两种粉磨系统的取舍，主要取决于对产品细度的要求。据文献介绍，当粉磨系统的产品比表面积低于3100cm2/g时，两种系统（包括辅机在内）的产品单位电耗相当；但当细度要求较高时，开路系统的单位电耗明显高于闭路系统。由于建筑业的发展，对水泥强度的要求越来越高，相应的也提高了对产品细度的要求；同时，闭路系统更易于控制产品细度，改变产品品种，对市场的适应性更强。因此，闭路系统得到了广泛的应用。

作为闭路粉磨系统的一个重要的配套设备——选粉机，虽然本身并无粉碎物料的作用，但其性能好坏直接影响到系统的运行状态，即影响到系统的粉磨效率、产量及能耗。因此，高效选粉机技术的研究具有重要意义，主要体现在以下几个方面：

1、粉磨系统增产降耗的要求。与高效选粉机机配套的粉磨系统，具有更高的粉磨效率、产量及较低的能耗。配有传统选粉机的闭路粉磨系统，在生产一般细度的水泥时，单位能耗并不比开路系统低；生产高细度水泥时，尽管与开路相比，电耗降低、产量提高，但与生产一般细度水泥时相比，产量有较大幅度的降低。而如果采用高效选粉机机，虽然也有类似现象，但其降低幅度明显减小。

2、水泥质量要求的提高，也对选粉机提出了更高的要求。一方面是使用厂家对水泥质量的要求提高，有向高细度、高标号水泥发展的趋势，而对高细度水泥的生产，开路粉磨或带传统选粉机的闭路粉磨系统又很难胜任。另一方面是人们对水泥质量认识的进一步深入，使得在评价水泥质量方面的一些观点发生了变化。最初，作为水泥质量主要指标之一的水泥细度是用筛余控制的，用筛余控制只能反映成品中粗颗粒的多少，不能反映全部颗粒的粗细情况；而后发展到比表面积控制，水泥越细，比表面积越大。现在发现，即使是比表面相同的水泥产品，因采用的粉磨流程、选粉方式不同，其强度也有差别。闭路粉磨配高效选粉机可以低一些，其原因在于颗粒级配的不同。研究表明，水泥颗粒组成中不同粗细的颗粒对水泥水化性能的作用是不同的。大于60μm的颗粒对水泥强度作用甚微，只起填料作用；小于3μm的颗粒的水化过程在硬化初期就已完成，只对水泥早期强度有利；3-30μm的颗粒是水泥的主要活性部分、承担强度增长的主要粒径。对此，一些水泥品种曾对3-30μm颗粒的含量提出了具体的要求：

普通硅酸盐水泥：40-50%

高强快硬水泥：50-60%

超高强快硬水泥：＞70%

由此可见，水泥质量与水泥成品中3-30μm颗粒的含量有很大关系。而在水泥粉磨作业中，要得到某一粒径范围含量较高，分布相对较窄的水泥产品，只有通过高效选粉机来调节、控制，否则难以实现。

3、高效选粉机技术的研究成果，既可拓展到非金属矿、化工、食品等行业的分选技术中；也对超细粉分级技术的研究具有一定的参考价值，而超细粉的分级又是机械法制备超细粉领域中的一个关键技术。

二、选粉机的发展与现状

水泥工业用选粉机是由英国人Munfond和Moadie于1885发明的，后由德国人取得制造权，1888年开始出售。由于美国生产商斯特蒂文特（Sturtovant）公司生产的这种选粉机最为有名，故习惯上称为Sturtevant型选粉机，亦即离心式选粉机，这就是所谓的第一代选粉机。随着世界工业技术的进步和发展，德国洪堡——维达格公司于60年代初研制开发了洪堡——维达格型选粉机，即所谓的旋风式选粉机，也就是第二代选粉机。第一代选粉机由于结构与工作原理的限制，选粉效率不高，粉磨系统的效率与产量提高有限；第二代选粉机因其核心结构并没有脱离第一代选粉机的范畴，工作原理上无根本性的变化，所以性能提高有限。近十年来，选粉机的研究有了突破性的发展，国外各公司相继开发出了新型高效第三代选粉机，例如日本小野田公司率先推出的O-Sepa型选粉机，因采用新的分级结构与原理，显著提高了选粉机的选粉效率及产量，水泥质量与系统能耗也得到改善。

三、各类选粉机的性能特点及分级机理

3.1离心式选粉机

离心式选粉机由于本身结构的缺陷，存在选粉效率低，细度调节不方便等缺点，当要求生产产量高、细度高和多品种水泥时，表现得更为突出。通常认为，空气选粉机的选粉过程主要分以下三个环节：物料的分散、分级及细粉的收集。而离心式选粉机正是在这三个环节上不同程度地存在着问题，现分析如下：

离心式选粉机内颗粒的受力情况如下：

重力Fg，方向向下，大小与颗粒质量成正比；

离心力Fe，方向为水平径向向外，大小随颗粒所处位置不同而变化；

气体阻力Fd，其方向与大小均随所处位置不同而变化。

三者合力为R。由于在分级区内，截面形状变化较大，致使各截面的气流速度的大小与方向变化较大，分级气流不能形成稳定、均齐的分级力场。因此，在分级区内同一粒径大小的颗粒会因处在不同的位置而受到大小与方向都不同的合力。由上而下的分级气流在分级区上部盖风板处，因突然变向形成一死角，在死角内形成局部涡流，干扰分级区的流场；同时，机壁效应的存在，也影响细粉的分离，使部分细粉与粗粉一起碰到内壁而沉降。这两方面的因素导致选粉机无明确的分级界面和稳定的分级力场，分级精度低。

物料在选粉机内主要靠撒料盘的离心力抛出分散，不可能在整个截面上均匀分布；同时，分级区内流场的不稳定更加剧了物料的分散不均，而物料充分、均匀的分散却是实现高效率分级的前提条件。

离心式选粉机的细粉收集靠外筒体，由于外筒体的直径较大，细粉收集效率较低，大量微细粉随气流循环，一方面增加了分级区的粉体浓度，加剧了颗粒间的相互干扰；另一方面，粉体浓度的增加，细粉更易团聚或与粗粉一起向机壁沉降，使粗粉中的细粉含量增加。

由于上述诸因素的影响，导致了选粉机选粉效率的降低。

3.2旋风式选粉机

由于旋风式选粉机外部设立了独立的空气循环风机，取代离心式选粉机内的大风叶；机体四周布置6-8个旋风收尘器，用以收集细粉，将离心式选粉机的内循环方式改为外循环方式，把选粉机的物料分级与细粉收集两过程分开，使旋风式选粉机相对于离心式选粉机具有如下的优点：

⑴转子转速与系统的循环风量可分别调节，既易于调节产品细度，也扩大了细度的调节范围。水泥产品的比表面积可调范围为2500-7000cm2/g。

⑵采用小直径的旋风收尘器收集细粉，可提高细粉的收集效率（其收集效率可达90%，而离心式选粉机的收集效率仅为50%），减少细粉的循环量，有利于提高选粉效率。

⑶选粉效率提高，处理风量增加。在相同的选粉能力下，旋风式选粉机的机体直径较离心式选粉机小，分级室单位截面积的处理物料量比离心式选粉机高2-2.5倍。

尽管如此，由于旋风式选粉机的分级结构与离心式选粉机相似，对离心式选粉机所存在的主要缺陷（如分级力场的不稳定、机壁效应局部涡流的存在等）都未能消除。因此，其分级性能的改善是有限的。

3.3第三代高效选粉机（以0-Sepa选粉机为例）

加入选粉机的物料自上而下通过由选粉机转子上垂直布置的涡流调节叶片与导向叶片组成的较高的分级机会。在分级区内，不存在机壁效应和死角引起的局部涡流，在同一半径的任何高度上内外压差始终一致，气流速度相等，从而保证了颗粒所受各力的平衡关系稳定不变。缓冲板的撞击及水平涡流的冲涮，使物料充分分散并均匀地分布于分级区内。这使得分级机具有如下性能特点：

1、选粉效率高，一般都在85%以上。

2、精度高，即特劳姆（Tromp）曲线比较陡。

3、细度调节简单、灵敏、准确。

据文献介绍，离心式选粉机的选粉率一般在40-60%，分级精度小于0.3；旋风式选粉机的选粉效率一般在60%左右，分级精度为0.3-0.45；以0-Sepa为代表的第三代高效选粉机的选粉效率一般在80%以上，分级精度可达0.5左右。

目前，国内对选粉机的研究也主要集中在高效选粉机研究开发，或对现有设备的改造上，在消化吸收国外同类产品先进技术的同时，力求有所突破，研制出高性能的选粉机。

四、高效双转子式选粉机的研制与性能

高效选粉机性能的优越性是显而易见的，但由于选粉机主体不带细粉收集装置，需配备与其处理风量相匹配的大规格的袋式收尘或电除尘器用以收集成品，这无疑较大幅度地增加了系统投资，也使工艺布置复杂，操作控制困难，在一定程度上限制了高效选粉机的推广应用。

转子式选粉机就是针对上述情况而研制的一种新型高效选粉机，以期在性能上达到目前高效选粉机的效果，在系统的布置、投资及工艺的复杂性等方面又优于高效选粉机，这无疑对水泥生产技术的发展、粉磨系统的节能增产很有意义的。在此基础上，针对目前水泥厂水泥细度的新要求，我们又与清华紫光吉利达公司共同研制了新型的双转子选粉机。

高效双转子式选粉机的结构特点如下：

1、采用离心力场作为分级力场，结构上采用双笼式转子。考虑到选粉机内气流运动及分布的特点，转子采用倒锥形结构，以保证选粉机分级室内分级力场的稳定。

2、笼式转子与撒料盘一起安装在主轴上，主轴由调速电机传动，从而保证了分级力场的强度可通过改变电机转速灵活调节，以改变分级力场中颗粒的受力情况，控制分级的切割粒径，调节产品的细度与粒度组成。

3、采用高抛撒力的螺桨式撒料盘，使物料能比较均匀地分散于分级区内，采用约束内锥，以稳定选粉室内的气体流场，并与环状进风的滴流装置一起形成二次分选结构，以增强二次分选的效果，减少粗粉中混入的细粉量。

4、细粉的收集采用多个小规格高效旋风筒并联，布置于选粉机主体的四周形成一整体，一方面提高了细粉的分离效率，另一方面与其它高效选粉机相比，简化了系统流程，节约了系统投资，调节、控制更为方便。

5、选粉机的处理风量采用外部循环风机供给，由选粉机下部切向导入选粉机，并经滴流管的分流作用形成一旋转上升的流场进入选粉室，与经撒料盘分散于该区域的物料充分混合，形成一较为稳定的分级流场使物料分级，分级后的细粉由气流携带流出选粉机，导入旋风筒实现气固分离。这样，选粉机内的处理风量可通过风机管道中的调节阀门控制，与可调转速的笼式转子一起，调节分级室内的分级力场，进而控制产品的细度与粒度组成。

另外，考虑到目前水泥行业第一代，第二代选粉机的应用较为普遍，特别是第二代选粉机的应用更为普遍，在生产应用中，如能采取有效措施加以改造，改善选粉机的性能，也是提高粉磨系统的效率、产量，降低能耗的有效途径。因此，高效双转子式选粉机在结构设计中，充分考虑到将该技术应用于原有选粉机改造的可能性，以达到该技术既可作为一种新型高效选粉机的研制，也可用以对现有选粉机的改造。

由上述的结构特点决定、并经实验研究及生产应用表明，高效双转子式选粉机具有如下的性能特点：

1、物料在分级室内，在较强的旋流及径向剪切力的作用下，物料分散性好且强度高，分级效率高。

2、分选物料都经过分级界面分明的选粉区，各部分的选粉条件稳定，故选粉机的分级精度高。

3、细度调节方便可靠，且调节范围较宽，可通过调节主轴转速及风量灵活控制。

4、可使开流磨增产40-60%，选粉效率可达85%以上。如对现有旋风式选粉机或离心式选粉机进行改造，可在不改变主体结构及电机负荷的情况下，确保效率在85%以上，增产20-30%。

5、在相同产量的情况下，与高效涡流式选粉机相比其效率相当，但可降低系统投资20-30%，与旋风式及高效离心式选粉机相比，不但可减少设备规格，并可提高效率20-40%。