山西气流分级机技术的研究

一、引言

在众多工业领域，如选矿、食品加工、精细化工、生物制药和固体废弃物回收等，对粉体原料品质的控制至关重要，而气流分级机正是实现这一目标的关键设备。它借助空气流场，依据颗粒粒径大小的差异来分离不同颗粒，其分级效果直接关系到产品质量与生产效率。近年来，随着各行业对粉体精细化程度需求的不断攀升，气流分级机技术的研究成为热点，旨在提升分级精度、效率，拓展应用范围。

二、工作原理

气流分级机工作时，物料在风机抽力作用下，从分级机下端入料口随上升气流高速进入分级区。在分级区内，高速旋转的分级涡轮产生强大离心力，不同粒径颗粒在离心力与气流曳力等多种力的综合作用下表现出不同运动轨迹。一般而言，粗颗粒因离心力较大，更易向分级机边缘运动，最终撞壁后速度消失，沿筒壁下降;细颗粒则因离心力较小，在气流曳力带动下，更易随气流运动。符合粒径要求的细颗粒能够通过分级轮叶片间隙，随后进入旋风分离器或除尘器被收集起来;而粗颗粒夹带的部分细颗粒在撞壁下降至二次风口处时，会受到二次风的强烈淘洗作用，实现粗细颗粒的再次分离。细颗粒上升至分级区进行二次分级，粗颗粒则下降至卸料口排出 。

例如在涡轮式气流分级机中，气流从两个进风口切向进入蜗壳，沿螺旋形蜗壳经环形安置的导风叶片进入环形区。风机抽吸作用使转笼中心形成负压，进入环形区的气流具备切向和径向速度。物料经上部喂料口撒落到撒料盘分散后，在重力作用下进入环形区，随气流至转笼外边缘。此时物料颗粒受重力、气流切向分速度给予的离心力以及气流径向分速度给予的向心拽力，在这些力作用下产生分级。细颗粒随气流从细粉出口逃逸并被集粉器收集，粗颗粒与蜗壳壁相碰后，旋转下降落入底部锥形排料斗，从粗粉出口排出 。

三、结构特点

(一)分级轮

分级轮是气流分级机实现精确分级的核心部件之一。其转速、叶片形状与结构等对分级效果影响显著。传统直角型叶片在工作时，气流与叶片相遇会产生冲角，致使物料颗粒反复撞击叶片，不仅造成叶片磨损，还降低分级效率。为解决此问题，有研究设计出圆弧形叶片，经数值模拟和物料试验验证，该叶片可使工作时流场更稳定 。还有学者设计出变截面叶片，通过流场仿真和模拟试验分析表明，变截面叶片能提高转笼外侧切向速度，降低叶片间径向速度和转笼内侧轴向速度。在特定工况下，相比传统直叶片，分级粒径减小，可提高分级效率并获得粒径分布更窄的微纳米食品颗粒 。此外，有对涡流空气分级机叶片结构进行改进优化，设计出 “T” 型叶片转笼结构，确定了特定角度下转笼叶片间流场分布更稳定，能降低气流和物料颗粒对叶片的冲击，减少叶片磨损 。

(二)导风叶片

导风叶片对分级机内气流走向和稳定性起着关键引导作用。例如，有基于气流运动轨迹方程设计出直导风叶片、“l” 形导风叶片和对数螺旋线导风叶片。通过数值模拟重点分析环形分级区和转笼叶片间流场特性，结果表明，有导风叶片结构的分级机内部流场比无导风叶片结构的更稳定，导风叶片能减少转笼外缘的旋涡。其中，对数螺旋线结构导风叶片使流场最为稳定 。

(三)撒料盘与挡料环

待分级物料通常经撒料盘进行分散。撒料盘的转速和结构影响物料分散效果，若分散不均匀，会导致分级精度下降。挡料环则与撒料盘配合，改变物料运动方向，使物料能更好地进入分级区域参与分级过程。合理设计挡料环的位置和尺寸，可优化物料在分级机内的运动轨迹，提高分级效率 。

(四)控制环与喷射细粒环

一些气流分级机设置控制环以保证控制环与喷射细粒环之间形成合适的截面，从而控制气流流速稳定。喷射细粒环在高速旋转叶轮作用下，流经的气体压力升高，高压气流流出叶轮后经过喷射细粒环，由于旋转导风叶的特殊设计，进口截面积大、出口截面积小，使得出口气流压力降低、速度增大且旋向流出，有利于分级过程的进行 。

(五)补气结构

针对涡流空气分级机补气效果不佳问题，有相关研究对补气结构进行设计与仿真。通过采用 Fluent 软件对不同补气结构的气流分级机进行流场仿真，探究其对气流滞留能力、均匀性、分散性的影响以及对应分级机的颗粒分级效果。例如，在导流罩上方增添挡风环结构，可有效遏制气流流失，显著提升补气气流在锥壳内部的滞留时间;在补气结构内添置导流叶片，能减弱气流冲击并增加气流分散效果;将补气结构进出气区域在竖直方向上错开，可保证气流有充足的滞留空间，阻止气流快速扩散等 。

四、技术分类

(一)静态空气分级机

重力式分级机

垂直流型：具有圆柱形垂直腔室，物料一般从顶部或侧面进料，空气流自下而上与物料接触。颗粒在分级区主要受重力和气流曳力作用，粗颗粒沉降速度大于气流速度，向下逆流运动;细颗粒则随气流向上运动，实现粗细颗粒分级。如锯齿形分级机，由几个截面为矩形的管道以固定角度相互联接构成垂直锯齿形通道 。

水平流型：进入腔室区域的水平气流在腔室内扩张并向出口汇聚，颗粒以零初速度进入腔室，在自身重力和气流曳力作用下呈抛物线下落。由于粗细颗粒沉降速度不同，在垂直和水平方向上运动轨迹有别，最终沉降在不同位置，一些更细颗粒被气流带走。但该类型分级机受随机因素影响较大，分级效率较低 。为改善其性能，有学者在分级室中加装挡板，虽可产生多种粒度产品、提高生产率，但气流在挡板处形成涡流，扰乱颗粒运动轨迹 。还有学者结合垂直流型和水平流型分级原理，设计出新型循环式分级机 。

离心式分级机：大多以旋风分离器为母体，目前研究多聚焦于其结构和内部流场特性。例如，与单蜗壳进气道和单切向进气道结构相比，轴对称蜗壳进气道结构的涡量和涡线更均匀、对称，能耗更低，内部流场更稳定，湍流较小 。还有学者在旋风分离器底部增加进气口来提高其性能 。

(二)动态空气分级机

动态空气分级机内部有高速旋转的转笼，形成涡流场用于颗粒分级。依据转笼安装方式不同，可分为立式和卧式分级机，两者分级性能差异较大。在机械结构上，卧式分级机转笼为悬臂梁支撑，主轴和轴承尺寸偏大，立式分级机整机结构复杂，制造成本高;分级效率方面，立式分级机进料点能在转笼周向大部分范围进行分级，卧式分级机只能从单侧进风，部分区域不参与分级;分级精度上，立式分级机四周进风流场稳定，分级产品粒径均齐，卧式分级机转笼底部风速大于顶部和侧面风速，分级粒径范围变宽，易跑粗;设备压损方面，立式分级机气流转向多，压力损失偏高，卧式分级机结构紧凑，内构件少，压力损失偏低 。

五、研究进展

(一)结构参数优化

除上述对分级轮叶片、导风叶片等结构的改进外，转笼底盘结构对分级区流场和分级效率也有直接影响。有研究对封闭式转笼底盘和不同开孔尺寸转笼底盘结构的流场进行数值模拟比较，发现开式底盘结构会出现分流现象，产生向下的轴向速度，使物料颗粒加速向下运动，开式底盘开口大小对流场分布和气流速度影响不大。通过碳酸钙分级实验表明，开式底盘可减小切割粒径，但分级精度较低，封闭式底盘可提高分级精度 。

(二)操作参数调控

操作参数如设备运行的喂料速度、进风量、进风速度等对分级性能影响显著。研究表明，风机风量与分级机转笼转速对分级效果影响规律相反，风量越大流场越均匀，转速增加会使叶片间流场湍流化程度增加，不利于分级，因此最好在转速和风量都足够大的情况下进行超细分级 。此外，喂料速度过快可能导致物料在分级机内分散不均匀，影响分级精度;进风速度的改变会影响颗粒所受气流曳力，进而影响分级粒径 。

(三)内部流场研究

借助计算流体力学(CFD)等技术，对气流分级机内部流场进行深入研究。通过建立数学模型，模拟气流在分级机内的流动状态，分析不同结构和操作参数下的流场特性，如速度分布、压力分布、涡量分布等，为分级机的优化设计提供理论依据 。例如，通过数值模拟不同补气结构对气流分级机内流场的影响，发现不同结构会改变气流的滞留能力、均匀性和分散性，进而影响颗粒分级效果 。

(四)新机型研发

为满足不同行业对粉体分级的特殊需求，不断有新机型研发问世。如山东埃尔派粉体科技有限公司发明的 “一种可实现惯性自分流的气流分级筛选机”，解决了传统技术中筛选效率低、筛选效果差以及功能单一、无法实现多次循环筛选的问题;潍坊凯华碳化硅微粉有限公司公开的基于气流分级的超细碳化硅微粉分级机，通过设计顶部支撑机构、二级过滤机构和一级过滤机构，大大提高了分级机的分级效率，实现了对碳化硅粉末的多次分级 。

六、应用领域

(一)化工领域

在化工原料生产中，对粉体粒度要求严格。例如，在制备高性能陶瓷材料的原料粉体时，通过气流分级机精确分级，可保证粉体粒度均匀，从而提高陶瓷材料的性能稳定性。在颜料生产中，分级后的颜料粉体粒径均一，能使颜料在使用时色泽更均匀、鲜艳 。对于氢氧化铝、硅胶等化工产品的生产，气流分级机可将产品按不同粒径分级，满足不同下游应用场景对产品粒度的需求 。

(二)食品与医药领域

在食品加工中，如对花粉、山楂、蔬菜粉等进行分级，可根据不同食品加工需求，获取特定粒径范围的原料，提升食品口感和品质。在医药领域，对于珍珠粉、灵芝、各种中草药等原料的分级，有助于控制药品有效成分的释放速度和生物利用度。对于抗生素类药物等，精确的粉体分级能保证药品质量的稳定性和一致性 。

(三)矿业领域

在选矿过程中，气流分级机可对矿石粉体进行分级，将不同粒径的矿物颗粒分离，提高后续选矿工艺的效率和精矿品位。例如，对于高岭土、重晶石等非金属矿的加工，通过气流分级机分级，可去除杂质颗粒，提高矿物的纯度和品质 。在金属矿选矿中，对金属矿物粉体的分级有助于后续的冶炼和提纯过程 。

(四)材料领域

在金属材料加工中，如铝粉、镁粉、锌粉等金属粉末的制备，通过气流分级机分级可获得粒度符合特定要求的粉末，满足不同金属加工工艺，如金属 3D 打印、粉末冶金等对金属粉末粒径的严格要求 。在陶瓷材料、耐火材料、电子材料、磁性材料、稀土材料、荧光粉、复印材料粉等生产中，气流分级机同样发挥着重要作用，通过精确分级保证材料性能的稳定性和一致性 。

七、挑战与展望

(一)面临挑战

分级精度提升瓶颈：尽管当前气流分级机技术不断进步，但在一些对粉体粒度精度要求极高的应用场景中，如高端电子材料、生物医学材料等领域，进一步提升分级精度仍面临困难。颗粒间的团聚现象、分级机内部复杂流场的细微波动等因素，都限制了分级精度的进一步提高 。

能耗问题：动态空气分级机内部转动部件多，运行过程中能耗较高。在能源成本日益增加的背景下，降低气流分级机的能耗成为亟待解决的问题。如何在保证分级性能的前提下，优化分级机结构和操作参数，降低能耗，是当前研究的难点之一 。

设备稳定性与可靠性：在工业生产中，长时间连续稳定运行至关重要。然而，气流分级机在运行过程中，由于受到物料磨损、气流冲刷等因素影响，部分部件容易损坏，影响设备的稳定性和可靠性，增加了设备维护成本和停机时间 。

(二)未来展望

新型材料与结构设计：探索使用新型耐磨、耐腐蚀材料制造分级机部件，以提高设备的使用寿命和稳定性。同时，基于先进的设计理念和计算技术，开展创新结构设计，进一步优化分级机内部流场，减少颗粒团聚和流场波动，提高分级精度 。

智能化控制与优化：借助人工智能、大数据等技术，实现对气流分级机操作参数的实时监测与智能调控。通过建立分级过程的数学模型和优化算法，根据不同物料特性和分级要求，自动优化设备操作参数，实现高效、节能、精准的分级过程 。

拓展应用领域：随着科技发展，新的应用领域不断涌现，对粉体分级技术提出新需求。例如，在新能源材料(如锂离子电池电极材料)、纳米材料制备等领域，进一步研究开发适用于特殊粉体分级的专用气流分级机，拓展气流分级机的应用范围 。

绿色可持续发展：围绕降低能耗和减少环境污染的目标，开展绿色分级技术研究。通过改进分级工艺，减少分级过程中的能源消耗和粉尘排放，实现气流分级机技术的绿色可持续发展 。