，，

(1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京102249； 2. 河北科技大學機械工程學院，河北石家莊050018)

顆粒分級作為粉體物料加工制備與應用的基本操作，廣泛應用于化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥等眾多領域。近十多年來，顆粒分級技術(shù)的研究和設備開發(fā)得到了重視并取得了多方面進展[1-5]，為渦流選粉機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、實現(xiàn)高精度分級提供了良好條件。

渦流選粉機的進料方式通常取決于整體的設計布置，并對粉料的分散及選粉機內(nèi)部流場有一定的影響，進而影響選粉機的分級性能，例如，LHC型立輪式選粉機的進料方式主要依據(jù)流化催化裂化催化劑(FCC)的生產(chǎn)工藝進行設計[6-8]。部分立輪式選粉機采用機械撒料盤或氣力輸送方式進料，改善物料分散性和入料均勻性[9-11]。文獻[12-13]分別采用數(shù)值模擬和實驗的方法對比考察了上、下2種進料方式對一種立輪式選粉機分級性能及產(chǎn)量、粒徑分布的影響，發(fā)現(xiàn)采用上進料方式后顆粒在轉(zhuǎn)籠外緣圓柱面上更為均勻，有利于得到粒徑分布窄的細粉，但受轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速影響較大。然而，現(xiàn)有的研究工作主要集中于立輪式氣流選粉機進料方式的設計上，臥輪式氣流選粉機還是一種較新型的設備[14-16]，目前針對臥輪式選粉機的進料方式研究很少，Bauder等[17]指出根據(jù)情況可采用上部或下部進料方式，但對進料方式的具體影響尚不清楚。故此依據(jù)臥輪式選粉機的使用現(xiàn)狀及轉(zhuǎn)籠旋向，設計、考察了上部進料、側(cè)面逆旋向進料及側(cè)面順旋向進料3種進料方式下選粉機的分級性能，旨在探索進料方式對臥輪式氣流分級性能的影響，為臥輪式氣流選粉機的設計開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 物料分級試驗

1.1 試驗物料

試驗物料為FCC催化劑，采用BT9300S型激光粒度分析儀，對其粒度分布進行測試，結(jié)果如表1所示。試驗以20 μm粒徑為分級點，即小于20 μm的顆粒為細粉，大于20 μm的顆粒為粗粉。

表1 分級物料的粒徑分布Tab.1 Particle size distribution of FCC catalyst

1.2 試驗裝置

試驗裝置及流程圖如圖1所示。采用負壓抽風操作，試驗物料加入選粉機后，粗顆粒經(jīng)分級后進入下部收集斗，細顆粒通過轉(zhuǎn)籠葉片間隙經(jīng)出氣管排出；進氣量由皮托管流量計測算并通過閥門調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)籠由電機帶動，通過變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

圖1 試驗裝置流程圖Fig.1 Flow diagram of experimental system

試驗的3種進料方式如圖2所示。氣流由下部風口進入，上升至分級室后，在轉(zhuǎn)籠帶動下順時針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較強的離心分級力場。根據(jù)上部分級室內(nèi)轉(zhuǎn)籠帶動氣流旋轉(zhuǎn)的運動方向與物料進入時的相對運動方向。圖2a為側(cè)面逆旋向進料方式，圖2b為側(cè)面順旋向進料方式，圖2c為選粉機上部進料。測定不同操作參數(shù)下的粗粉收率、粗粉中的細粉含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)、粗粉和細粉的粒度分布，并計算每次試驗下的牛頓分級效率和部分分級效率(粒級效率)。

注：紅色代表顆粒流，藍色代表氣流運動。圖2 不同進料方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of different feeding types

1.3 分級性能評價指標

牛頓分級效率ηN是綜合考察粗、細顆粒分離程度的指標，能較確切地反映分級設備的分級性能，牛頓分級效率越高，表明粗、細組分的混摻量越少，其數(shù)學表達式為

式中：xf為原料中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù)；xa為細粉中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù)；xb為粗粉中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的影響

選粉機運行過程中，調(diào)節(jié)操作參數(shù)(主要為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進風量)可改變產(chǎn)品的細度，其中轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為最常用的調(diào)節(jié)參數(shù)。設定進風量恒定為186 m3/h，通過變頻器改變轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速分別為600、900、1 200、1 500 r/min。

圖3為牛頓分級效率隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，轉(zhuǎn)速從600 r/min增加至1 500 r/min過程中，牛頓分級效率均先緩慢增加后快速下降，臨界轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min。這是由于轉(zhuǎn)速太大，造成轉(zhuǎn)籠邊緣氣流切向速度較大，20 μm以下的小顆粒受到較大的離心作用，難以進入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部，被大顆粒夾帶進入粗組分被收集。此外，轉(zhuǎn)速過大將加劇分級室內(nèi)氣流湍動，造成嚴重的顆粒返混；轉(zhuǎn)速太小則物料受氣流作用力相對較大，粗粉易隨氣流逃逸，造成“跑粗”現(xiàn)象，這都引起牛頓分級效率的下降。顯然，不同轉(zhuǎn)速下，上部進料時選粉機的牛頓分級效率一直較高，分級效果最好，而側(cè)面逆旋向進料時分級效果最差，2種進料方式下牛頓分級效率平均相差約11%，可見，進料方式對臥輪式選粉機的分級性能有重要影響。

圖4為上部進料時選粉機的部分分級效率隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，隨顆粒粒徑的減小，部分分級效率曲線均呈現(xiàn)下降、稍有上升后繼續(xù)下降的總體趨勢，即曲線在很小粒徑時出現(xiàn)拖尾。這與常規(guī)的“魚鉤”曲線[18]有所不同，可能由于該粒徑段小顆粒受氣流湍動、解離作用較強，難以團聚長大為假粗顆粒，也可能由物料種類及測量儀器誤差等引起的。

隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加，粗顆粒的損失量逐漸減少，但當轉(zhuǎn)速增加到1 500 r/min時，細顆粒含量顯著增加，細產(chǎn)品收率降低較多；而轉(zhuǎn)速為600 r/min時，粗顆粒損失量較大，綜合分級效果也不理想?？梢姡敼に囷L量確定時，存在合適的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速使分級效果最佳。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的牛頓分級效率Fig.3 Newton classification efficiency under different rotor cage speeds

圖4 部分分級效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.4 Variations of partial classification efficiency with rotor cage speed

2.2 進風量的影響

通過調(diào)節(jié)變頻器，設定轉(zhuǎn)籠輪的轉(zhuǎn)速恒定為1 200 r/min，通過調(diào)節(jié)管路閥門使進風量分別為107、136、186、235 m3/h。

圖5為不同進料方式下牛頓分級效率隨進風量的變化曲線。由圖可知，隨風量增加牛頓分級效率均先較快變大后逐漸減小，對比而言，上部進料時牛頓分級效率總是較大，最大值約為78%。風量增加可改善物料的分散性，降低顆粒團聚的概率，同時增大小顆粒的曳力，粗細顆粒間夾帶減少，分離程度增加；但風量過大后，轉(zhuǎn)籠外側(cè)的平均徑向氣速增大，氣流湍動也加劇，粗顆粒被氣流夾帶誤入細組分的概率增加，造成牛頓分級效率開始下降。此外，較大風量時，氣流上升速度增加，物料采用側(cè)面逆旋向進入時也可獲得較好的分散性，進料方式對分級效果的影響被削弱。

圖5 不同風量時的牛頓分級效率Fig.5 Newton classification efficiency under different air volume rate

圖6為上部進料時部分分級效率曲線隨風量的變化曲線。由圖可以看出，在不同風量下，部分分級效率曲線均出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。風量從136 m3/h增加至186 m3/h過程中，細顆粒含量的下降幅度較大，風量超過186 m3/h后，細顆粒含量基本不再降低，但粗顆粒跑損增多，影響分級效果。

圖6 部分分級效率隨風量的變化曲線Fig.6 Variations of partial classification efficiency with air volume

綜合分析圖4和圖6可以看出，通過改變轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速和進風量，難以徹底消除粗產(chǎn)品中的細顆粒夾帶，這是由超細顆粒易團聚的特性和選粉機內(nèi)氣流湍動等多種因素造成的，但是可以通過進一步優(yōu)化選粉機內(nèi)的流場分布，改善物料分散性等措施來提高分級精度。

2.3 進料方式影響分析

立輪式選粉機普遍采用撒料盤進行物料分散，然而，由于結(jié)構(gòu)限制，這種進料方式并不適合臥輪式選粉機。氣流由下部風口上升運動至臥輪式選粉機分級室后，在轉(zhuǎn)籠作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，氣流切向速度較大。上部加料時，物料首先受旋轉(zhuǎn)氣流強剪切作用進行沖擊、分散，粗顆粒逐漸向外運動，細顆粒向中心運動，隨氣流旋轉(zhuǎn)至下方時遇底部上升的淘洗氣流，細粉繼續(xù)跟隨氣流旋轉(zhuǎn)，粗粉則落入下部的浮升區(qū)，開始沉降下落，此過程中顆粒的分散與分級作用比較充分。

側(cè)面進料時，物料入口處的流場強度較小，氣流對顆粒的剪切作用弱，顆粒分散性較差，另一方面，大部分顆?？拷鼩け?，易形成“短路”直接沿壁面下落，造成細粉夾帶嚴重，尤其采用側(cè)面逆旋向進料，旋轉(zhuǎn)氣流趨于將物料壓向邊壁，這更加不利于物料分散，分級效果較差。

3 結(jié)論

通過試驗研究不同進料方式及轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速和進風量對臥輪式氣流選粉機分級效果的影響，得出如下結(jié)論：

1)采用上部進料能夠使物料在強旋轉(zhuǎn)氣流中獲得較好的剪切分散，提高粗、細顆粒的分離程度，有效地提高牛頓分級效率，是一種比較合適的臥輪式選粉機的進料方式。

2)部分工藝中需要采用側(cè)面進料時，顆粒入口的位置設計應該考慮轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)向及分級室內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)方向，避免形成較多的壁面“短路”顆粒流。相較于逆旋向進料方式，順旋向進料方式更有利于使物料向中心運動，改善物料分散性，具有相對較好的分級效果。