第２Ｏ卷第１２期 ２０１１年１２月 中 国 矿 业 ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖｏ１．２０。ＮＯ．１２ Ｄｅｃ． ２０１１ 选粉机参数化设计 倪文龙 ，贲道春。，曹 卫 ，查文炜 ，陈杰来 （Ｌ盐城工学院机械Ｘ－程学院，江苏盐城２２４００３；２．江苏省新型环保重点实验室，江苏盐城２２４００３； ３．江苏鹏飞集团股份有限公司，江苏海安２２６６２３） 摘要：在构建选粉机力学模型基础上，导出选粉机参数化计算公式。采用工程反求设计方法，确 定设计参数。应用Ｄｅｌｐｈｉ编程方法，求解参数化设计结果，并通过实例验证。结论是：采用选粉机参数 化设计软件，可显著降低研发成本和制造成本，实现面向工程、面向用户的快速响应设计。 关键词：选粉机；分级；分离；参数化设计 中图分类号：ＴＤ４５４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—４０５ｉ（２０１１）１２一Ｏ１ｌ１一Ｏ４ Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ＮＩ Ｗｅｎ—ｌｏｎｇ ．ＢＥＮ Ｄａｏ—ｃｈｕｎｇ。，ＣＡＯ Ｗｅｉ ，ＣＨＡ Ｗｅｎ－ｗｅｉ。，ＣＨＥＮ Ｊｉｅ－ｌａｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４００５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４００５，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｅｎｇｆｅｉ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｉａｎ ２２６６２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ａ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ．ｔｈｅ ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｒｅｖｅｒｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｒｅｖｅｒｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｌｐｈｉ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｄｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ Ｒ＆Ｄ ＣＯＳＴＳ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｕｓｅｒ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ；ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ １背景技术 艺中的节能主导作用。为此，笔者以水泥粉磨工 业用选粉机为例，依据两相流原理，提出转子类 粉体分级技术是粉体加工工艺中的一部分， 几乎在所有与粉体工程有关的行业中，都有与粉 体分级技术有着不可分割的联系ｌ＿１］。粉体分级设 备，是粉磨系统实现低碳经济的关键设备。仅以 选粉机参数化设计基本方法，供业内设计参考。 ２选粉力学模型构建 现以转子选粉机为例，分析其工作机理。图１ 为选粉机结构简图：待分级之物料由进料口６落到 撒料盘５上，离心甩出，撒布到选粉区中，与上升 水泥工业为例，２００９年全国累计生产水泥１６．５亿 ｔＥ２］，粉磨物料３６亿ｔ，粉磨系统总耗电能１．２× １０ｎｋＷｈ，其中９Ｏ 以上是闭路粉磨系统生产，可 的旋转气流相遇。粉料中的粗粒，质量较大，受 撤料盘离心力，被甩到分级室的四周边缘，与壁 面碰撞后，失去动能，下落到滴流装置２处。在该 处被上升气流再次分选，粗粉落入内锥体１３，沿 粗粉出口排出去；较细粉尘在气流差压作用下， 进入由笼形转子３的叶片组成的分级力场，粗粉被 使开路粉磨系统产量提高１０ ～２５ ，单产能耗 降低２ ～１５ 。单产能耗降低产生较大差别的一 个要素，是选粉分级设备的设计与工艺匹配的差 别Ｌ３］。现行选粉机的设计，还停留在类比设计的感 性认识阶段，已经影响着粉体分级技术在粉磨工 收稿日期：２０１１—０５—０７ 转子叶片推出，合格的细粉经转子叶片的间隙进 入笼形转子内部，向上经由分级室上部分流人分 离器４的进风口；经分级后，产品进入外锥体１４， 从下部细粉出口排出；净化气流经集风管７，循环 风机加压后，从进风管１２进入选粉室继续分级和 基金项目：江苏省新型环保重点实验室建设项目资助（编号： ＢＭ２Ｏ１Ｏ５７２） 作者简介：倪文龙（１９４８一），男，盐城工学院教授，主要从事建 材环保设备和节能粉磨的教学研究。 中国矿业 输送物料进入下一个分级循环。转子、撤料盘的 计产量Ｇ。 第２Ｏ卷 同步旋转动力，由减速机９、电机８提供。 图１ Ｎ－－２０００组合式选粉机 从两相流角度看，选粉过程可以简化为分散、 分级、分离三部分。分散是分级的前导服务，分 离是分级的后导服务。分级的主要过程，发生在 分级叶片组成的圆柱面分级力场，转子叶片产生 的旋转气流，对抗循环气流压力差驱动粉体向心 运动，粗颗粒受旋转气流的离心力大于循环气流 的向心力，离心甩出，细颗粒受剩余向心力作用， 进入分级圈，分级作用形成。撒料盘对粗颗粒的 离心撞壁，是对粗颗粒的预分选，滴溜装置的分 级是在粗粉中补充分级。因而，可将选粉过程作 如下简化假设： １）忽略撒料盘、滴流装置及其他料气相对运 动过程中的分级作用，假定全部分级作用均在分 级叶片组成的圆柱面分级力场发生。 ２）从两相流本质来看，选粉过程是一个分段 流态化输送：分级叶片的圆柱面等价为分级气流 通道，当量流速为“ 、流通截面Ａ 、料气比为 Ｃ ；在选粉室内分级叶片外的环形通道，向上输 送的气流速度为 、流通截面Ａ。、料气比为Ｃ。、 进入分离器的气流速度为“。、流通截面Ａ３、料气 比为Ｃ （ｋｇ／ｍ。）。 ３）系统无漏风，选粉过程中温度不变，忽略 压力变化对气体流量的影响，因而气体流量在选 粉过程中是常量。 ３选粉机参数化计算公式导出 给定条件：粉磨系统主要组成；目标产品的 性能、细度和产量Ｇ。 ３．１设计产量 设计时，考虑提产和扩产的可能，通常用设 Ｇｏ一忌。×Ｇｔ／ｈ （１） 式中忌。为产量富裕系数。 ３．２计算风量Ｑ。 。一 丽ＩＯ００Ｇ一 一 一丽ｍ。／ｓ“ （２） 式中Ｃ为选粉当量料气比，ｋｇ／ｍ。。 Ｃ—Ｃ。／（Ｌ＋１） （３） 式中， 为喂料浓度，ｋｇ／ｍ。；Ｌ为循环负荷，主 要由粉磨系统、粉磨能力、粉磨工艺决定。 ３．３风机选择 ３．３．１风机风量Ｑ Ｑ—ｋ１Ｑｏ ＩＴＩ。／ｓ （４） 式中ｋ 为风量储备系数。 ３．３．２风机风压Ｐ Ｐ＝＝＝是２（Ｐ１＋Ｐ２） （５） 式中Ｐ 为选粉部分阻力损失；Ｐｚ为分离部分阻力 损失；沿程管道阻力损失Ｐ。约１５０～３００Ｐａ，因占 总体份额较小，通常可忽略而在储备系数中考虑。 ｋ 为风压储备系数。 据风量和风压，即可直接选择风机型号规格。 ３．４选粉机结构参数计算 ３．４．１选粉分级力场表面积Ｓ Ｓ一 ｈ 一 ＱＯ （６） Ｕ１ 式中：ｄ 为转子直径，ｍ；Ｈ 为转子高度，ｍ； 为分离面径向平均流速。 ３．４．２转子直径ｄ 令ｈ 一忌。ｄ ，代入式（４）得 （７） ３．４．３转子高度ｈ ｈ 一ｋ３ｄ （８） 转子上径为ｄ 一ｄ ＋ ｔｇｙ （９） 转子下径为ｄ 一ｄ －－ｈ ｔｇ７ （１０） ３．４．４选粉室直径Ｄ 和高度Ｈ 在选粉室内，分级叶片外的环形通道截面与 流场的关系为： 丌（ 一 ）一 得：Ｄ 一√ （１１） 式中 为选粉室进风垂直方向风速，ｍ／ｓ。 ３．４．５选粉室高度Ｈ Ｈ ：ｈ ＋ｈ （１２） 式中：ｈ 为转子高度；ｈ 为撒料高度。 第１２期 倪文龙，等：选粉机参数化设计 ３．５转速计算 选粉机主轴转速设计为可调，最高速值７／： ／７＝＝＝ｋ４Ｂ ／ｄ｛２ （１３） 式中：Ｂ为产品比表面积，ｍ ／ｋｇ；ｄ 为转子外径， ｒｎ； 为转子最高速值，ｒ／ｍｉｎ；ｋ 为速度系数； －厂 为比表面积指数；ｆｚ为转子外径指数，当分级 产品的比表面积一定时，分级力场的切割料径的 离心力为定值，即 ／（４ｎ ｍ）一７／２Ｒ—Ｃ，故式 （１３）中ｆｚ一０．５。 ３．６选粉机传动功率计算 ３．６．１撒料功率 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＿４］： Ｎ 一丢 。一号 ｋ，Ｇｏ（Ｌ＋１），ｍｒｄｚ、２ 一—— ７２００ ６０ 一３．８０８ｋ Ｇ０（Ｌ＋１）ｎ。ｄ 。×１０ （１４） 式中：Ｎ 为撒料功率，ｋｗ；Ｇｓ为最大撒料量， ｔ／ｈ；Ｇｓ—Ｇ。×（１＋Ｌ）； 为撒料盘外缘线速度， ｍ／ｓ（与转子速度相近），Ｖ 一 ｌ ｍｒｄ （ｍ／ｓ）；ｋ 为实际达到Ｖ 的当量质量修正系数。 ３．６．２转子叶片回转阻力消耗的能量 转子叶片回转时，气流相对速度 正变于转子 外缘线速度 ，并随转子直径变化而有微小变化， 可用 ＝＝＝ 近似，因此所有叶片的总阻力为： １厂２ Ｆ—Ｃ Ａ ０（Ｃｏ—卜ｐ） 一ｔ ’ 厶ｇ 式中：Ｆ为转子叶片回转时的总阻力，ｋＮ；Ａ。为转 子叶片总面积，ｍ２，取Ａ。一ｋ ｚｒｄｌｈｌ；ｋ 为叶片面 积系数； 为喂料浓度，ｋｇ／ｍ３；ｐ为气体密度， ｋｇ／ｍ。； 为阻力系数，与Ｒ 有关，高效选粉机流 场的雷诺数Ｒ ＞１Ｘ１０ 属高度湍流区Ｃｒ一０．１８； 克服气流阻力消耗的功率为Ｎ Ｎ 一ＦＶ，／１０２一 一 ２ ０００ ＊（Ｉ ６０）Ｊ 。 一４．０６×１０一 ｋ５ｋ ６ 。ｄ ｈ （ｃｏ＋Ｊ０） （１５） 式中：ｋ ＝ 为速度修正相对系数。 转子回转功率Ｎ。 Ｎ０一Ｎ ＋Ｎ （１６） ３．６．４电动机安装功率 ｒ Ｎ 一ｒｅ７Ｎｏ （１７） 叩 式中：ｋ 为电动机的储备系数；叩为传动装置的机 械效率。 ３．７旋风分离器设计 旋风分离器结构设计，可以将各结构要素均 看作是直筒部分直径ｄ的函数。先由风量平衡得： Ｚａｂ＝Ｑｏ／ｖ３ （１８） ａ一是８ｄ （１９） ｂ—ｋ９ｄ （２０） 代入式（１８） 忌８愚９ｄ 一ｑｏ／（ｚ× ） ａ一 （２１） ｈ１一Ｋ１ｏｄ （２２） Ｈ—Ｋ１１ｄ （２３） 式中：Ｚ为旋风筒个数；ａ、ｂ为旋风分离器进风口 高、宽，ｍ；ｄ为旋风分离器筒体直径，ｍ；Ｈ、 ｈ 为旋风分离器总高、直筒部分高，ｍ； 为进 口风速；ｋ。、ｋ。、愚。。、忌 为旋风筒进风口高度系 数、宽度系数、柱高系数、全高系数。 当使用双出风口分离器时（图２），推荐按表１ 中公式确定各参数。 图２双出风口分离器结构简图 表１双出风口旋风分离器的结构参数 ４反求工程方法确定选粉机相关参数 本研究以某先进选粉机产品样本中的相关数 据，结合笔者十多年选粉机研发和技改的经验， 作为反求工程的主要依据资料，用待定系数法确 定上述函数式中的相关参数。经工程反求确定相 关参数范围，见表２。 中国矿业 表２工程反求确定相关参数表 第２Ｏ卷 ５选粉机尺寸参数化计算程序编制 ５．１ 编程软件 编程软件为Ｄｅｌｐｈｉ。 ５．２编程要求 ５．２．１界面输入参量 １）“粉磨物料”：可选项为（１一矿渣；２一水 泥熟料；４一粉煤灰；４一其他）； ２）“比表面积Ｓｖ／ｎｆ・ｋｇ ”可选项输入数字； ３）“粉磨产量／ｔ．ｈ ”； ４）编程参数２８个见表２。 ５．２．２界面输出计算结果 计算结果主要包括结构参数和工艺参数，见 式（１）～式（２４）左端各项。 ５．３ 编程 该程序采用Ｄｅｌｐｈｉ软件来编写，是Ｂｏｒｌａｎｄ 公司开发的一种基于客户／服务器体系的Ｗｉｎｄｏｗｓ 快速应用开发工具。 打开程序软件，在人机界面输入相关参数， 点击“计算”按钮，由程序计算结果，并输出。 ５．４输出结果 对于每一个产量要求和比表面积要求，输入 相应的参数要求，程序自动计算并输出计算结果 如表３所示，这就初步形成了面向工程、面向用户 的选粉机系列产品的参数化设计。 注：①大风量取下限，小风量取上限；②大风压取下限，小风 压取上限；③制造厂家的制造风格不同而异，一般ｋ ｓ一０．３～ ０．７５，ｋ３取值小，转子直径大，高度小，选粉机壳体大，风阻小； ④目标产量Ｇ￣６０ｔ／ｈ时， 取１．８～２，目标产量Ｇ￣６０ｔ／ｈ时，ｅ ６验证和结论 表３计算结果与某先进选粉机产品样本数据基 本吻合，本设计软件的实用性和正确性得到验证。 应用本软件，用户只需提出粉磨对象、产量要求、 取２～２．２；，⑤“ｚ增大，休积紧凑，但压力损失增加，产品粒度变 大，粗粉中细粉减小；⑥上撒料时取ｈ ＝１５０～２００ｍｍ，下撒料时 取ｈ 一３００ｍｍ；⑦下撒料，且锥形转子时，Ｐ１—２～２．５ｋＰａ，上撒 料，柱形转子时，Ｐ１＝２．５～３ｋＰａ，上撤料，柱形转子，有导流叶 片时，Ｐ１＝３～３．５ｋＰａ；⑧只用旋风分离器分离时，ｐ２—１．５～ 产品比表面积要求，选粉机其余主要结构参数和 工艺参数均由程序完成。选粉机参数化设计提出， 在旋转流体力场中进行颗粒分级和气固分离的各 流场主参数，从目前的类比设计提高到理性设计， ２．０ｋＰａ，只用袋式除尘器分离时，Ｐ２—１．２～１．６ｋＰａ，两者兼用时， Ｐ２—２．７～３．２ ｋＰａ；⑨产品要求粗， ＝４，产品细，分离器直径 ＜１．１ｍ时，建议ｚ＝６，分离器直径 ＞１．１ｍ时，建议 一８。 显著降低研发成本和制造成本，为面向工程面向 用户的大型选粉机快速响应设计提供平台。 表３选粉机参数化设计结果部分参数 一 参考文献 ［３］ 倪文龙．选粉机数字化设计编程及流场关键参数选择［Ｊ］． 扬州大学学报，２００８（４）：５３—５６． ［１］ 盖国胜．超细粉碎分级技术［Ｍ］．北京：中国轻工业出版 社，２０００． ［４］ 王仲春．高效笼式选粉机的选型计算［Ｊ］．水泥技术， ２００５（３）：２５—２９． ［２］ 中国建材联合信息部．２００９水泥产量和生产能力统计 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