高效笼式选粉机选型计算

高效笼式选粉机选型计算
2008-2-27 作者:
作者：王仲春、曾荣
摘要：
本文从理论和实际两个方面阐明了高效笼式选粉机的分离粒度、生产能力、动力配备的计算公式和有关工艺参数的影响，为正确选型提供了实用的方法。

高效笼式选粉机是第三代选粉机的总称。

其主要特点是设有笼型转子和整流导风叶。

不具备此特征的不能算作第三代高效选粉机。

选粉机的选型计算将涉及分离粒度、生产能力、动力配置等问题，现阐述如下：
1 分离粒度
选粉机的分离粒度是指某粒度进入粗粉和细粉的数量相等时的粒径。

按选粉领域述语称切割粒径，用X50,μm表示。

X50可以从Tromp曲线上求得。

在选粉机分选时如以t表示喂料中某一粒径的颗粒在分选以后进入粗粉的百分比。

以可选性t和粒径x作图，得到的曲线称Tromp曲线，学述名称为部分分选曲线。

亦有人以t’表示，即喂料中某一粒级在分选后进入细粉的百分数，实际上t’＝100－t。

t’和一般常用的选粉效率η两者概念上是不同的。

选粉效率是指进入成品中小于某一粒级的累计重量和该粒级在喂料中累计重量百分比。

t’是单指某一粒级，而η是指小于某一粒级的累计值。

分离粒径X50是t为50%时的粒径μm。

在实际选型时，人们要求的是成品细度，因此必须搞清成品细度和分离粒度之间的关系。

通常生料成品用R80μm%，水泥用R45μm%、比表面积cm2/g表示。

有时亦会用d50、d63.2、d80、d97等粒度表示，分别代表50%、63.2%、80%、97%通过时的粒径。

表1是有关o’sepa选粉机实际生产资料。

由表1作不同比面积时的粒度分布曲线，见图1，可求得有关成品比面积和各种表示粒度之间的关系，见表2。

由表2可作图1：
从图1可以看出：
①比面积3200cm2/g时R80μm已<1%，因此以R80μm来评价成品细度已无意义。

如要计细度的话，在3000~4000cm2/g 之间可用R45μm。

②用（3~32）μm的总量来评述粒度级配的质量也只有在3000~4500cm2/g范围内才有意义。

超过此值（3~32）μm 总量反而下降，因为<3μm的值大幅增加，从而造成这一结果。

③d97、d80、d63.2、d50等表示粒度均随比面积的增加而降低。

但即使达8000cm2/g，d97还是11μm。

还达不到建材系统公认的超细范围d97<10μm的标准。

图2是o’sepa选粉机Trunp曲线和选粉效率曲线的实例。

由图2可得相应的分离粒度，如表3。

不同比表面积时的分离粒度X50表3
资料G厂C厂I厂E厂
成品比面积 B cm2/g 4017 3678 3403 3176
成品-50%粒度d50μm10 13 12 16.5
分离粒度x50μm17 24 25.5 28
从表3可知：选粉机分离粒度X50随成品比面积的增大而变小，它与d50的趋势一致，和比面积的关系是曲线。

从图2亦可清晰的看出：选粉效率的最高区在粒度10~25μm的范围，基本上和d50相吻合。

所以对于o’sepa来说如以80μm来计算分离效率已失去意义。

即使45μm也已处在效率的直线降落区，η值已很低。

Tromp曲线在较细颗粒部位呈鱼钩状，这是因为部分颗粒相互粘附、凝聚、干扰，实际上未起分级作用就落入粗粉。

曲线上的最低点称旁路值，用β表示。

β值是评价选粉机的关键指标，β值愈小表示分离性能愈好。

β值将随喂料浓度而变，因此它亦是选粉机能力计算时需要考虑的因素。

选粉机的选型过程首先是要确定在一定的成品粒度要求时的工艺参数。

例如对于水泥，选定的工艺参数要满足比面积的需要。

由于分离粒度与比面积有相应的关系，因此可从分析分离粒度着手。

选粉机内分选物料的浓度已达到kg/m3级，属于干扰沉降的范围。

干扰沉降的机理非常复杂，难以用数学式来表达。

下面就假定充分分散，以单体颗粒自由沉降的理论来探求分离粒度和相关工艺参数之间的关系，再根据实际经验确定并指导选型。

从选粉机内气流运动和颗粒受力情况来看：粉体颗粒受转子的回旋作涡旋运动，其切向分速度为V u，离生的离心力和浮力差为Fu，气流从切线方向流入转子，从中心管排出，作回旋运动时，保持向心分速度Vr，气体对颗粒产生推力，颗粒运动时气体对其产生阻力Fr。

当F u=F r时，可求出颗粒的沉降速度，其值和V r相等时，此颗粒处于平衡状态，亦即可能一半随气流被带出，一半被沉落，该颗粒的粒径，就是分离粒度X50。

上式中：V u—颗粒的切向速度，相当于转子回转速度，m/s；
V r—气流径向分速度，m/s；
R—气流回转半径，相当于选粉机转子半径，m；
r s—颗粒密度，kg/m3；
r e—气体密度，kg/m3；
C—阻力系数，决定于R e值；
d—颗粒直径，m。

上式中：—气体的运动粘度，m2/s，；
μ—气体动力粘度，kg.s/m2
根据流体力学，颗粒的绕流阻力系数C与R e之间有如下关系：
1000<R e<100000，c=0.48；R e>100000，C速降至0.18。

在高效选粉机，一般可选粒径为1~100μm，当成品比面积3000~5000cm2/g时，分离粒径为10~30μm。

V r为3～4m/s，选粉温度70~80
℃，此时约为20×10-6 m2/s。

由此可得：R e=1.5～6。

C值基本上可按计算，这样：
此时的d即为分离粒度X50。

由此可知：
①一定规格的选粉机，d与v r0.5成正比，亦即与风量的0.5次方成正比。

②d与v u成反比，即d与选粉机转速n成反比。

③维持d不变，则RV r / V u2之间的关系不变。

在实际生产中一般是保持一定的喂料浓度，以达到较好的分离效果。

所以V r维持不变，调节V u来改变分离粒度以满足成品细度要求。

图3是o’sepa选粉机的实际生产情况。

由上图可知在一定范围内，如V r不变，则成品比面积和转子速度Vu成线性关系。

由此就可以确定一定成品比面积时的相关工艺参数，最主要的是选粉机转子的速度。

2．生产能力
选粉机的生产能力是指选粉机本身处理物料的能力。

它不同于粉磨系统的产量，但应该与之相匹配。

如果选粉机生产能力满足不了系统产量要求则将影响生产。

高效选粉机的规格一般以选粉机的通风量为标志，如N-500、N-1000、N-1500等，分别代表其通风量为500、1000、1500m3/min。

因此选粉机的生产能力就可简单的按下式计算：
A=C a·N·60·1/1000
上式中：A—选粉机的喂料能力，t/h；
C a—喂料浓度，kg/m3；
N—选粉机通风量，m3/min。

在此首先应确定整个粉磨系统中选粉机要求的喂料量。

喂料量与系统循环负荷Cl有关，如Cl大，则喂料能力就大，从而配套选粉机的规格也将大。

一个粉磨系统的循环负荷除了选粉机性能以外，还决定于磨机的结构、配球和操作制度，更主要的是决定于成品比面积。

高效选粉机组成的一级圈流粉磨系统，在合宜的操作条件下，其Cl 和比面积之间的关系如图4。

由图4可得表4。

成品比面积βcm2/g 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4500 5000 5500
循环负荷Cl % 120 150 175 200 235 270 340 400 450
*辊压机联合粉磨系统，Cl值可降低50~100%。

关于C a值当然与选粉机的选粉性能直接相关。

C a值大，表示选粉机内粉体浓度大，必然干扰沉降作用大，使得旁路值β增加。

因此计算选粉机的生产能力应在同一的β值基础上，也就是说应确定一个合理C a值。

根据实际生产情况确定以β值0.1，相应的C a值2.5kg/m3作基准。

实际上单按喂料浓度计算是不全面的，因为干扰沉降不仅决定于喂料浓度，而且与喂料中的细粉比例有关。

细粉比例大，按颗粒计的浓度就大，碰撞机会多、效率降低。

因此在计算选粉机能力时，也应该考虑选粉浓度。

根据应用o’sepa选粉机实例统计，绝大多数的选粉浓度值C f为0.75~0.85kg/m3（故可按平均0.80kg/m3计算）。

即F=C f·N·60·1/1000
上式中：F—高效选粉机的成品能力，t/h；
C f—选粉浓度，kg/m3；
N—选粉机通风量，m3/min。

由此选粉机能力的计算应以喂料浓度C a 2.5kg/m3和选粉浓度C f 0.8kg/m3两个指标来进行。

配套时选型计算时取规格较大者。

结合表4，亦可以得出：比面积小于3600cm2/g时选粉浓度是制约因素。

需要进一步说明的是按C a 2.5kg/m3、C f 0.8kg/m3，根据要求的喂料量和成品量可以计算出选粉机所需工作风量。

但是如果气体密度变化，料气比是否应该改变呢？例如在高海拔地区选粉机选型时是否要调整呢？实际上选粉机是气固分离作用，其浓度值应该用物料的质量流量和气体的质量流量比值，如以气体体积流量计，则当r e变小时，气体分子量变小，实际的浓度值增加，对分选效率有影响。

一般情况下选粉机的操作温度在80℃左右，在海拔为0m时气体的密度为1.0kg/m3。

因此C a 2.5kg/m3相当于C a 2.5kg料/kg气。

有一些公司是直接用kg料/kg气来表示喂料浓度的。

由此在高海拔地区选粉机要求的风量应该进行校正。

操作温度不变，气体密度仅与气压有关。

式中：N H—海拔H M时要求的选粉机风量，m3/min；
A—选粉机喂料量，t/h；
P H—海拔H M时的气压mmHg；
C aH—海拔校正后的喂料浓度，kg/m3。

具体在确定规格时，亦有用N/来选型。

这样可使选粉机规格适当减小，并适当提高V u来保证分离粒度。

3．动力配备
由于选粉机要适应不同的操作要求，其工艺参数将会相应的改变所以必须针对性的合理配备动力。

一台选粉机根据其不同的用途应该有不同的比率。

有时动力配置过小，满足不了产量和细度要求，反之，造成浪费。

以下探讨相关的功率计算。

启动功率：
启动功率是指选粉机转子从静止状态变到操作速度时所需的功率。

从物理概念来说，从静止到操作速度时的动能为如x秒达到（一般可按10秒计），则其启动功率为：
式中：P s—选粉机启动功率，kW；
w—选粉机转子重量，t；
V u—转子线速度，m/s。

运转功率：
选粉机在稳定状态下的运转功率包括两个方面。

其一是撒料，可按每小时喂料量从撒料盘上水平零速，达到最大滑离速度的动能来计算：
式中：P f—撒料功率，kW
Q—撒料量，t/h（如上喂料则Q等于喂料量，下部气流喷进喂料则Q=0，上、下均喂，则应扣除下部气流带入）；V u—撒料盘速度，m/s（与转子速度相近）。

其二是抵销转子叶片回转时料幕的阻力，该阻力亦可认为是流体运动对阻碍物的推力。

转子叶片切割料幕时，相对速度V e近似于V u。

因此所有叶片的总阻力为：
式中：F—转子叶片回转时的总阻力，kg；
Cr—阻力系数，与R e有关；
A0—转子叶片总面积，m2；
Ca—喂料浓度，kg/m3；
r e—气体密度，kg/m3；
V u—转子的线速度，m/s。

消耗的功率为P D，kW,
阻力系数Cr可以从气体绕平板运动的原理得出。

，b为叶片宽度m。

高效选粉机实际计算求得的R e一般>1×105。

因此其绕流阻力正处于速降至0.18的范围。

由此选粉机的运行功率为：
选粉机在实际运转时还有机械摩擦消耗，如轴承和轴封的摩擦损失、转子和导向叶之间的园盘气阻摩损等。

这些可以用上述运转功率P的百分数来计算。

因此选粉机的实际功率P0可以按下式计算：
P0＝k (P f +P D) kW
式中 K—选粉机动力系数，K>1
K值应该从实际选粉机运转功率反求得出。

根据一些高效笼式选粉机的计算统计K值波动于1.1~1.42，上限平均值为1.3。

所以需用功率P0的计算式为：
P0＝K (P f +P D)
电机配置：
选粉机在配置电机时，首先要确定其使用范围，如生产能力、成品细度、喂料量、最大线速度，计算出P o值。

并应考虑一定的备用，一般可按(1.2~1.3)P o确定电机功率。

并应核算启动功率，一般来说P s小于以上选定的功率，如果超过则应增大电机功率。

选用变频调速器时，按恒扭矩，调速范围1:3，从高速向低速调。

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