立式转子与卧式转子选粉机概论

  自20世纪70年代末，日本小野田公司设计出基于平面涡流分级原理的O-Sepa系列选粉机以来，第三代分选技术在建材、非矿、化工、制药等领域得到广泛应用，并围绕“分散、分级、收集”，衍生出外形各异的类似分选设备，但无论外形存在多大变化，其核心转子与O-Sepa系列选粉机无本质区别，分级机理没有突破，因此笔者认为目前市场上的选粉机均属第三代选粉机范畴，其最大区别仍在于转子的布置形式，即立式转子与卧式转子。

  基于上述认知，本文着重探讨立式转子与卧式转子选粉机的结构形式、特点性能、选粉机理、应用情况及选用原则。

  1、结构形式

  立式转子可定义为选粉机转子主轴轴线竖直布置的结构形式，反之，若主轴轴线水平布置则称之为卧式转子，以此作为第三代选粉机结构的区分标准，即可分为立式选粉机与卧式选粉机。立式选粉机的代表为日本小野田公司的O-Sepa选粉机，结构如图1所示，其转笼与主轴套组件均竖直布置；卧式选粉机的代表为德国洪堡公司的VSK选粉机，结构如图2所示，其转笼与主轴套组件均水平布置。

图1 O-Sepa选粉机结构示意

图2 VSK选粉机结构示意

  基于此两类结构形式，根据气流走向、物料流走向、传动结构、转笼个数、物料预分散方式、物料循环与收集方式，以及工艺系统配置需求，衍生出多种外形的立式与卧式选粉机，对较有特点的类型统计如下，见表1。

  表1立式、卧式选粉机类型

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  2、性能特点

  在机械结构方面，对于立式选粉机主轴而言，若能严格保证转子动平衡精度和喂料均匀性，理论上主轴只承受动平衡精度下偏心距引起的极小径向力，而卧式选粉机为悬臂梁支承，因此主轴所受径向力偏大，同规格主轴将会比立式选粉机粗，相应轴承及相关部件均会偏大；对于立式选粉机壳体而言，其为圆柱或圆锥形结构，整体刚度比卧式选粉机壳体扁平结构强，因此运转时产生振动的可能性降低，同时不会发生壳体“喘振”，即壳体被负压气体抽吸变形的情况；但立式选粉机整机结构相对复杂，设备重量比卧式选粉机重，制造成本上升。

  因布置方式的不同，导致设备性能也存在较大差别，概述如下：

  1）选粉效率。立式选粉机无论采取上喂料或下喂料，均能保证喂料点沿转子周向90%以上区域参与分选，由于结构限制，卧式选粉机为单侧进风，约有1/4~1/3区域不参与分选，因此相同规格卧式选粉机选粉效率较立式选粉机低。

  2）细度控制。立式选粉机四周进风，再经导流叶片均布，整个转子圆周径向风速基本一致，在转子切向转速一定时，分选成品粒径均齐，不易跑粗。因结构限制，卧式选粉机转子底部径向风速较高（最高点约12~14m/s），转子顶部和粗粉出口侧径向风速偏低（最低＜2m/s），在转速一定时，分选成品粒径范围变宽，容易跑粗。

  3）设备压损。立式选粉机分选气流从选粉机入口到出口会经历多次转向，若为下进风下进料形式，分选物料也会经历多次转向，因此局部阻力损失偏高。卧式选粉机内部结构简单，无预分散装置和均布导流叶片，因此局部阻力损失较低。

  4）单机功率。单机配用功率与分选物料浓度、选粉机转子叶片面积等存在正比关系，因立式选粉机分选区域和单位面积叶片承载物料浓度较卧式选粉机大，因此配用功率和实际运转功率均较卧式选粉机高。

  5）烘干能力。物料在立式选粉机内部停留时间长、实际烘干容积也较卧式选粉机大，因此其烘干能力强于卧式选粉机。

3 理论分析

  立式选粉机和卧式选粉机在选粉效率、细度控制、设备压损、单机功率和烘干能力等方面存在差别，其根本原因是基于壳体和转笼布置形式对流场限制所致。图3为立式选粉机纵向截面速度分布云图，速度沿轴向变化较大且多次转向并存在局部涡流，因此利于物料分散及预分离，降低后续转笼部分浓度而提高分选效率，但会增加沿程和局部阻力损失；另一方面，速度及方向的变化导致气流相与颗粒相间产生速度差利于增加单位容积烘干能力。图4为立式选粉机横截面流场分布矢量图，气流经导流叶片均匀进入转子，沿圆周360°方向径向速度保持平稳恒定（3~6m/s），因此不存在分选死区，也不会造成局部径向风速过大而跑粗，具有更高的分选效率和对成品细度更好的控制能力。

图3 立式选粉机纵向截面速度云图

图4 立式选粉机横向截面速度矢量图

  图5为卧式选粉机横向截面速度分布云图，风料入口处转子径向速度不均，特别是风管右侧与蜗壳交接处存在高风速区，沿转子外沿周向速度分布也不均，上侧和左侧风速减缓，转笼入口底部及右侧风速偏高，这也是造成产品跑粗的原因之一；另外，蜗壳左侧存在一个速度发散区，削弱了此处进入转笼的风速，不利于360°全周分选。

图5 卧式选粉机横向截面速度分布云图

图6 卧式选粉机转子外沿径向速度曲线

  图6为转子外沿径向速度曲线，沿转子周向，底部径向风速较高，可达16m/s，几乎与转子切向速度一致，且存在一个明显回流（回流速度4~5m/s），这是卧式选粉机产生跑粗的主要原因，而从转子顶侧到转子左侧，径向风速虽然较平稳，但整体数值偏低，仅1~3m/s，导致分选区域不足而造成选粉效率偏低。由于结构设计不存在导流叶片和预分离装置，因此两相流在设备中停留时间短，阻力损失会随之下降，其转子分选区域减少、承载物料量少，选粉机单机功率较立式选粉机低。

  表2在辊压机生料终粉磨的应用

  4、现场应用情况

  4.1 辊压机生料终粉磨系统

  表2为立式选粉机和卧式选粉机在辊压机生料终粉磨系统的应用情况，其使用结果与理论分析对应，在不考虑物料特性情况下，以选粉机风量为基准，当80μm筛余控制在14%~18%左右时，立式选粉机200μm筛余可控制在1%，卧式选粉机则为2%~6%，同时单位风量产量立式选粉机比卧式选粉机高约5%~10%，这与立式选粉机选粉效率偏高有关；另一方面，立式选粉机压损比卧式选粉机高500~1000Pa，但当选粉机规格变大时，由于局部阻力降低，两者之间压损差距减小。

  因此，针对卧式选粉机，应考虑如何控制200μm筛余和提高选粉效率。据笔者经验，通常有以下方式：

  1）增加补风阀风量。在风量能满足物料提升要求的前提下，可适当增加补风阀风量，减少上升管道风量，以改善转子圆周径向风速均匀性，但此时应避免上升管道风量减少影响V型选粉机分选效率。

  2）调节转子偏心距。进风口中心线与转子中心之间距离为转子偏心距A，偏心距越小，上升管道气流对转子冲击越大，即转子底部局部风速越高、越易跑粗，反之，筛余则相对易于控制，但会造成分选区域减少，影响选粉效率，该A值在正常设计值基础上根据物料对转笼的冲击影响可偏约±500mm。如图7所示，某现场调整偏心距后，尽管在相同成品细度下，选粉机转速能减低1~2Hz，产量却并未改善。

图7 调整转子偏心距

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  3）增加导流叶片。通过在上升管道和转子底部之间增加导流叶片，可以降低此处局部风速、控制细度，但同样会影响选粉效率。如图8所示，某现场增加导流叶片后，在相同成品细度下，选粉机转速可降低4~5Hz，但当导流叶片之间间距过小时，产量反而下降。

图8 增加导流叶片

  4）改善物料易磨性和转子密封。易磨性越差则循环负荷越大、选粉浓度增加，同时也影响物料粒度分布，选粉机相同转速下，200μm筛余增加，反之，筛余降低，而易磨性除与石灰石自身品质相关外，也与配料密切相关，硅石、煤矸石、钢渣等较难磨；改善转子密封，可解决由于密封造成的颗粒跑粗，但对于卧式选粉机而言，其不是主要原因。当物料易磨性不佳时，要在不影响选粉效率的情况下彻底解决卧式选粉机200μm筛余偏粗的情况，目前较困难。

  针对立式选粉机，应考虑如何降低阻力，可采用以下方式：缩短下壳体高度，降低沿程阻力；减少速度突变，降低局部阻力；优化导流叶片、转子叶片和出风口形式；控制内循环，避免物料返混；设置涡流消除装置，如图9所示；采用侧进风形式，如图10所示；加大选粉机规格，降低物料浓度等。

图9 涡流消除装置

图10 侧面进风形式

  表3在辊压机水泥联合粉磨系统的应用

  4.2 辊压机水泥联合粉磨系统

  表3为立式选粉机和卧式选粉机在辊压机水泥联合粉磨系统的应用情况，不考虑物料特性情况下，以选粉机风量为基准，当比表面积在3300~3600cm2/g时，卧式选粉机45μm筛余可控制在12%，而立式选粉机基本在2%~6%，即立式选粉机所选成品粒度更集中；与辊压机生料终粉磨一样，立式选粉机阻力比卧式选粉机高500~1000Pa。但值得注意的是，同为立式选粉机，阻力越大，在保证系统风量的情况下，产量反而越高，这应该与参与选粉的循环物料浓度有关。

  因此，针对卧式选粉机，应考虑如何控制45μm筛余，以减少对水泥强度的影响，其可行方案与辊压机生料终粉磨方案一致。某现场在使用卧式选粉机对原系统进行改造后，选粉机选出的成品45μm筛余＞20%，严重影响了早期强度，因此在选粉机入口增加导流叶片，45μm细度基本能控制在12%，满足使用要求。

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  另一方面，立式选粉机分选成品粒度集中，45μm筛余过低，特别是在半终粉磨系统中，部分辊压机挤压出的细粉直接进入成品，对需水性和净浆流动度造成影响。据笔者经验，可采取以下几种解决方案：

  1）对选粉机进行速差控制，即通过控制程序的改变使得选粉机转速发生周期性变化，成品粒度分布也会发生周期性变化，但这种方案不易控制，同时还容易造成电气和机械故障。

  2）分别进行粉磨，再在细粉中掺入部分粗粉，这种方案理论上可行，但初期成本增加。

  3）采用两台选粉机或双转子选粉机，进行差速运行，此方案较方案2可行。

  4）风量满足的情况下，在选粉机下壳体或中壳体上开旋流风阀，如图11所示，刻意改变分选区局部风速，某现场采用此方案，在相同比表面积情况下，可提高45μm筛余1%，但由于外部引入的冷风风速较高，易造成壳体、导流叶片和转子叶片磨损。

  5）通过对称拆卸和调整部分导流叶片，如图12所示，可改变转笼圆周局部径向风速，从而改变成品细度。某现场采用此方案，在相同比表面积情况下，可提高45μm筛余1%左右。

图11 中壳体或下壳体上开旋流风阀

图12 拆卸部分导流叶片

  5、选用原则

  如上所述，在不考虑设备制造成本前提下，立式选粉机机械结构优于卧式选粉机。而对于设备性能，两者则各有优势，可根据粉磨物料特性、工艺系统特点、使用要求进行选取，在此分析如下。

  5.1 辊压机生料终粉磨系统

  辊压机生料终粉磨利用完全受限料床挤压原理进行物料粉磨，其粉磨效率高，能耗低，因此在生料粉磨中得到广泛应用：

  1）由于生料煅烧过程中物料粒度分布越集中，越利于煅烧，同时200μm筛余较80μm筛余对烧成影响更为明显，特别是当配料中含硅石、石英砂等物料或石灰石易磨性较差时，成品粒度会普遍变粗，200μm和80μm筛余差距拉大，即粒度分布变宽，立式选粉机因其较好的粒度控制具有优势；反之，物料易磨性较好，200μm和80μm筛余均会降低，对烧成影响减弱，卧式选粉机因其较低的阻力具有优势。

  2）辊压机料床粉磨的理论基础是挤压物料必须形成密实的料床，而形成密实料床的前提是喂入物料应具有满足要求的粒度分布，即在避免大于0.05倍辊径颗粒的情况下减少细粉进入，因此，当喂料细粉偏多、物料过碎或因易磨性等条件影响导致进入辊压机平均粒径偏细时，立式选粉机因其较高的选粉效率可降低回粉中的细粉含量而起到提高辊压机做功和保证稳定运行的作用，而此时选用卧式选粉机，可能导致辊压机振动、主轴承温度偏高和产量降低等现象；反之，若喂料较为均齐，能满足辊压机喂料要求时，卧式选粉机对产量的影响则不明显。

  3）当物料水分较高时，需要满足热平衡所需风量、风温及烘干容积，立式选粉机烘干容积较大，可与V型选粉机出口直接相连，而卧式选粉机烘干能力相对较弱，因此需设计较长的竖直烘干风管，从而楼层土建高度会有所增加，但考虑布置形式和基础载荷等因素，立式选粉机楼层平面所占面积并不会比卧式选粉机少，因此在选用时应综合考虑水平方向与竖直方向所需空间来计算成本。

  5.2 辊压机水泥联合粉磨系统

  通过计算，立式辊磨粉磨水泥单位电耗与辊压机联合粉磨系统相比并不具有明显优势，粉磨水泥性能亦未被国内市场普遍接受，因此辊压机水泥联合粉磨系统在水泥粉磨系统改造中仍占据绝对优势。

  1）理论上，水泥成品3~30μm颗粒含量越高，水泥早、中期强度较好，也就是水泥粒径分布范围越集中于3~30μm，越利于强度发挥，但是，由于辊压机的引入，改变了颗粒外在形貌、增加了颗粒内在裂纹，不考虑配料和熟料质量前提下，过于集中的粒径会影响需水性和净浆流动度，给后续混凝土施工带来困难，因此，在满足一定强度前提下，较宽的粒径分布范围更有利于成品的综合性能。采用卧式选粉机，虽然会因选粉效率降低而影响系统产量，却对水泥综合性能有利。但值得注意的是，若联合粉磨后续球磨为开路系统，则容易因为选粉机跑粗而导致入磨筛余偏高，造成出磨水泥偏粗的情况，所以，选用时应综合考虑后续球磨系统形式及成品粒度控制要求。

  2）在水泥磨改造过程中，有时为节约成本，不希望对循环风机进行更换，而在该系统中加入选粉机后，会相应增加系统压损，此时选用压损较低的卧式选粉机具有优势。若选用立式选粉机，因过高的压损，会导致循环风机风量降低，不能满足系统要求，部分细粉难以从V型选粉机带出而回到辊压机，造成辊压机运行功率偏低，球磨磨空，产量下降。

  3）水泥粉磨系统对物料的烘干要求较低，有时为减少磨内包球还需引入大量冷风，除非配料中含有水分过高的水渣、湿排粉煤灰、脱硫石膏或磷石膏等，卧式选粉机均能满足烘干要求。但卧式选粉机结构较为简单，难以实现多次分离，因此适宜用在预分离系统，在工艺较为复杂，物料需进行多次分离时，立式选粉机更有优势。

  6、结束语

  根据工艺需要，目前国内外选粉机形式多样，但其核心部分与O-Sepa选粉机无异，均属于第三代选粉机范畴，立式转子和卧式转子是其最大区别，二者各有优缺点，需根据物料特性、工艺需求、成品特点进行优选，才能达到高产低耗的目的。