基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置及方法与流程

本发明涉及核桃壳微粉多粒径域分级技术领域，尤其涉及一种基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

核桃壳质地厚且坚硬，粒径为1.25-1.60mm的核桃壳颗粒，平均抗压极限为230n；粒径为0.80-1.00mm的核桃壳粒，平均抗压极限为165n。100μm粒径大小的核桃壳粉可添加在汽车轮胎的内生产出一种极耐磨的新轮胎，这种轮胎比冰层坚硬，既不损坏路面，又不产生粉尘公害。作为一种粒度均匀、耐磨性好、表面多微孔、吸附效果好的磨料，核桃壳经脱脂、破碎、筛选(约0.08-1.11mm)等处理后，可应用于珍珠首饰、纽扣、电子件、冲压件以及高档家具等稀有宝贵产品的抛光和打磨。

由于不同粒径的核桃壳粉体应用领域不一样，所以实现核桃壳微粉的精准分级对于提高核桃壳粉利用率至关重要。核桃壳粉经超细化后呈现出与原物料不同的性质，比表面积增大，由于外来杂质如水分和表面的油脂的作用而易于聚集；核桃壳微粉也易在粉碎过程中由于碰撞吸收或粉碎后由于静电等作用力而聚集在大粒子上，在空气中易生成粒径较大的二次颗粒。这使得核桃壳微粉的分级比普通产品的分级更加困难。

目前市场上主要有两种分级机，即分级机和筛分机。筛分机是通过一定孔径的筛面将大小不同的颗粒分开的简单方法，粒径大于筛孔直径的颗粒被截留筛面，小于筛孔直径的颗粒则通过筛孔成为筛下料。但是其筛分性能受颗粒形状和筛分时间的影响，实际筛分过程中核桃壳微粉会对筛孔造成堵塞；一般来说筛分机对于100μm以上的颗粒分级效率高，但对于超微粉颗粒的分级的效果不理想。核桃壳细胞径在34μm左右，500目以上的核桃壳微粉粒径约为10μm，筛分对于核桃壳超微粉的分级作用甚微；而且，核桃壳微粉在筛分的过程中，不可避免的会经摩擦荷电产生吸引力等粒子间作用力加剧团聚现象，因此筛分工艺不适合核桃壳微粉的精准分级。分级机根据不同粒径颗粒在流体中受到离心力、重力、惯性力的作用，产生不同的运动轨迹，实现粒度更小的精分级。重力分级是利用不同粒径粒子在重力场中沉降速度不同而进行分级，按流场的流动反向不同，重力分级有水平流型和垂直流型。重力分级装置结构简单，阻力小，喂料量大，可实现一次多粒径分级，但是分级粒径限制为200-2000μm，分级精度、效率低。惯性力场分级中由于不同粒径颗粒受到的惯性不同，形成不同的运动轨迹，实现粗细颗粒的分离，可一次实现多粒径域颗粒的分级，分级精度高，结构简单，易维修，但是流场的干扰因素较多，不易控制。离心分级装置中粗颗粒所受到的离心力大于空气曳力而沿转笼径向甩出，在自身的重力作用下沿壳体下落而被收集，细粉因所受到的空气曳力大于离心力而被吸入转笼，随气流一起被带出分级机。离心分级机一次仅能分级粗细两种粒径产品，适用于较细的分级，如果要一次分级多种粒径，需采取多台分级机串联组合的方式，串联式分级工艺虽可以实现颗粒的多级分级，但是其能耗高，颗粒运动路线长增加团聚的概率，而且转子外缘的湍流作用会降低分级精度，特别是分级自身的分级精度越高则湍流的影响越明显。

实现核桃壳微粉多粒径域精准分级是解决上述技术瓶颈的有效途径，而实现核桃壳微粉的高效高质分级主要面临两个挑战：一方面由于不同核桃微粉粒径应用领域不同，为实现核桃微粉的高效利用，需要多粒径域精准分级，但目前的筛分和分级技术能耗高、效率精度低、分级后的粒径分布范围太宽等缺点，无法经济高效精准的实现核桃壳微粉多粒径域分级工艺；另一方面由于核桃壳粉经超细粉碎后呈现出不同的性质，粒子之间的引力和表面油脂的作用容易聚集，产生多次团聚现象，造成粒径分布不均，不利于各个领域核桃壳微粉的高效利用。

现有技术公开了一种提高粉体颗粒分级精度的方法及颗粒分级器，在颗粒分级器内设置中空的分级腔，使流体由分级腔高度方向上的中间位置处沿分级器腔的内壁的切线方向进入分级腔内；通过优化颗粒分级器的流体动力学布局，根据颗粒分级流场的速度分布特点，控制物料进入分级器内的位置，实现固体颗粒的高精度分级。

现有技术公开了一种双锥螺旋超细颗粒分级机，通过主轴高速转动产生强大的离心力，使粗细颗粒在双锥形腔体和螺纹套处实现两级分级，最终实现超细颗粒分级的目的。

但是，上述技术均没有考虑烘干及粉体微团聚的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置及方法，该装置能够避免核桃壳粉分级时产生多次团聚现象，实现核桃壳微粉多粒径域精准分级。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置，包括：用于产生气流的空压机以及用于输送粉体的粉体输送机构；所述空压机和粉体输送机构分别连接气固混合机构，所述气固混合机构的输出连接至分级机构，所述分级机构通过康达效应实现粉体的多粒径域分级。

具体地，所述分级机构包括：分级箱体，所述分级箱体一侧壁上设有康达块，所述分级箱体顶部分别设有电极板和迎风气管；所述分级箱体底部设有若干不同颗粒等级的分级室；带电粉体在康达块的吸附力，电极板的电场力以及迎风气管的迎风力的共同作用下，能够根据颗粒大小进入不同的分级室。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级方法，包括：

核桃壳粉体经过搅拌预碎，在设定压力的气流作用下，经过电晕处理后，喷射进入分级机构；

所述分级机构通过康达效应，在电场力和迎风力的辅助作用下，实现粉体的多粒径域分级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用射流喷射的给料工艺，实现核桃壳微粉多粒径流的同腔并联迅速分级，降低核桃壳微粉的二次团聚概率；

2)本发明基于附壁原理，通过电场力和迎风力的辅助调节，提高核桃壳超微粉的分级效率和分级精度；

3)本发明通过调节风速、迎风气流角度、电场强度、给料速度等主要工艺参数，实现核桃壳微粉多粒径流的动态可调精准分级。

附图说明

图1为本发明实施例中基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置结构示意图；

图2是本发明实施例中管道连接部分结构示意图；

图3(a)-(b)分别是本发明实施例中气固混合器的俯视图和剖视图；

图4是本发明实施例中连接气固混合器的料斗结构示意图；

图5是本发明实施例中粉体阀结构示意图；

图6是本发明实施例中电晕管结构示意图；

图7是本发明实施例中电晕棒的轴测图；

图8是本发明实施例中粉体输送机构的轴测图；

图9是本发明实施例中绞龙料斗的俯视图；

图10是本发明实施例中绞龙与绞龙料斗连接的剖视图；

图11是本发明实施例中螺旋输送叶片的轴测图；

图12是本发明实施例中搅拌转子的轴测图；

图13是本发明实施例中分级机构主视图；

图14是本发明实施例中分级机构后视图；

图15是本发明实施例中分级机构轴测图；

图16是本发明实施例中迎风气管的俯视图；

图17是本发明实施例中迎风气管的局部剖视图；

图18是本发明实施例中迎风气管的局部放大图；

图19(a)-(b)分别是本发明实施例中分级机构内部视图和剖视图；

图20是附壁效应原理图；

图21是方形出口管结构示意图；

其中，i.空压机，ii.管道部分，iii.粉体输送机构，iv.分级机构；

ii-01.第一段管道，ii-02.压力调节阀，ii-03.流量调节阀，ii-04.第二段管道，ii-05.第一螺丝，ii-06.密封垫，ii-07.空气加热器，ii-08.第三段管道，ii-09.料斗，ii-10.粉体阀，ii-11.气固混合器，ii-12.螺栓，ii-13.第四段管道，ii-14.电晕管，ii-15.电晕棒，ii-16.第五段管道，ii-17.喷嘴；

iii-01.减速机支架，iii-02.第二螺丝，iii-03.驱动电机，iii-04.减速机，iii-05.联接器，iii-06.搅拌转子轴，iii-07.链条，iii-08.第三螺丝，iii-09.绞龙料斗，iii-10.绞龙外壳，iii-11.轴承盖螺母，iii-12.轴承盖螺丝，iii-13.大链轮，iii-14.小链轮，iii-15.绞龙支架，iii-16.搅拌转子，iii-17.外扩料斗，iii-18.螺旋输送叶片，iii-19.轴承盖，iii-20.转动轴；

iv-01.分级箱体，iv-02.辅助气流喷嘴，iv-03.可旋转直角气管接头，iv-04.方形出口管，iv-05.第四螺丝，iv-06.伺服电机，iv-07.电极板，iv-08.第四螺母，iv-09.迎风气管，iv-10.康达块，iv-11.分级室。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置，包括：用于产生气流的空压机i以及用于输送粉体的粉体输送机构iii；空压机i和粉体输送机构iii分别连接气固混合机构，气固混合机构的输出连接至分级机构，分级机构通过康达效应实现粉体的多粒径域分级。

具体地，参照图1，基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级装置具体包括：空压机i、管道部分ii、粉体输送机构iii，分级机构iv四个部分。

空压机部分的主要作用是提供一定压力的气流。管道部分主要用于气流和粉体的混合以及干燥，把粉体颗粒带上同种电荷使其相互之间有微小的排斥力以防止团聚。从空压机出来的气流经过压力调节阀ii-02、流量调节阀ii-03、空气加热器ii-07、气固混合气、电晕管ii-14最后经喷嘴ii-17进入分级机构。

参照图2，管道部分ii结构包括：从空压机接出来的第一段管道ii-01依次串接压力调节阀ii-02和流量调节阀ii-03，然后通过第二段管道ii-04的法兰和空气加热器ii-07通过第一螺丝ii-05连接；空气加热器ii-07和第二段管道ii-04之间装有密封垫ii-06，然后空气加热器ii-07另一端通过法兰和第三段管道ii-08通过螺丝连接，并且之间有密封垫；接着第三段管道ii-08通过法兰和气固混合器ii-11通过螺丝连接；气固混合器ii-11另一端通过法兰和第四段管道ii-13道通过螺栓ii-12连接，之间装有密封垫，气固混合器ii-11中间连接粉体阀ii-10，粉体阀ii-10和料斗ii-09连接；第四段管道ii-13通过法兰和电晕装置进行螺丝连接，之间装有密封垫，电晕装置另一端和第五段管道ii-16进行螺丝连接，之间装有密封垫；第五段管道ii-16另一端和喷嘴ii-17通过快速接头连接。

第一段管道ii-01为弯管，第三段管道ii-08和第四段管道ii-13为法兰管，第五段管道ii-16为气管。

参照图2-图5，气固混合器ii-11中间管口连接粉体阀ii-10，粉体阀ii-10和料斗ii-09连接一起，气固混合器ii-11右端和电晕管ii-14通过第四段管道ii-13连接一起，中间装有密封垫，第五段管道ii-16把电晕管ii-14和喷嘴ii-17连接在一起，电晕管ii-14和第五段管道ii-16通过法兰连接，第五段管道ii-16和喷嘴ii-17通过快速接头连接。

电晕管ii-14及电晕棒ii-15结构参照图6和图7，电晕管ii-14一周装有四个电晕棒ii-15。电晕管通过电晕放电可以把经过的粉体颗粒带上同种电荷，带上同种电荷的颗粒相互排斥防止其团聚。

气固混合器的结构参照图3(a)-(b)，气动混合器一端接进气管，气流经过加速管路，气流从加速管路端口喷出，加速端口周围产生负压，中间为进料管，粉体从进料管进入，在气流带动下进入上端的降速管路。

气固混合器的原理如下：利用由收缩段或喷嘴喷出的高速空气在喉管部位造成等于或略低于大气压的压力,使粉粒料因重力落入或被吸入供料器内,高速空气的速度能将粉粒料加速,而在扩散管内则转换为输送所需的压力能,对物料进行气力输。

其中，pp为喷嘴进口压力；pt为喷嘴喉部压力；ut为喷嘴出口速度；r为气体常数；tp为进口温度；γ为气体常数。

根据进出口压力及空气流量确定收缩喷嘴喉径：

其中，dt为喷嘴喉部直径；m为气体质量流量；ρp为进口气体密度。

其中，a3为混合室截面积；at为喷嘴喉部面积；πp＊为喷嘴临界膨胀比；pc为输送管道背压；ph为喷嘴出口压力；λp为喷嘴折算等熵速度，为速度系数，

根据索科洛夫理论，得出喷嘴距方程；

l＝l1+l2

其中，l1为自由流束的长度；l2为混合室入口段长度。

混合室长度与内径的比值在6-10时能够取得较高料气比，混合室的内径根据最优面积比确定。

lk＝(6～10)dz

其中，lk为混合室长度；dz为混合室直径。

扩散室的角度一般为6°～8°，长度根据出口直径来选取，出口直径一般为输送管道直径。

ld＝(7～9.5)(dc-dz)

其中，ld为扩散室长度；dc为扩散室出口直径。

参照图8，粉体输送机构iii由绞龙输送部和搅拌部组成，绞龙输送部包括绞龙，绞龙内设有连接有螺旋输送叶片iii-18的转动轴iii-20；搅拌部包括与绞龙连接的绞龙料斗iii-09，绞龙料斗iii-09连接外扩料斗iii-17，绞龙料斗iii-09内设有若干搅拌转子iii-16；搅拌转子iii-16均连接在搅拌转子轴iii-06上；转动轴iii-20与搅拌转子轴iii-06通过传动机构连接；所述转动轴iii-20通过驱动装置驱动转动，进而带动搅拌转子iii-16转动。粉体进入输送机先是经过搅拌部分对结块粉体进行预碎，然后进入绞龙进行搅拌，松散完成物料的输送。经过粉体输送机构，核桃壳粉进入气固混合器上料斗。

具体地，粉体输送机构包括：用于支撑减速机iii-04的减速机支架iii-01，用于支撑绞龙的绞龙支架iii-15；减速机iii-04通过第二螺丝iii-02与减速机支架iii-01连接；绞龙包括绞龙外壳iii-10，绞龙外壳iii-10通过第三螺丝iii-08与绞龙支架iii-15连接，绞龙外壳iii-10端部通过轴承盖螺丝iii-12和轴承盖螺母iii-11与轴承盖iii-19连接；绞龙外壳iii-10内部设有连接有螺旋输送叶片iii-18的转动轴iii-20，带有螺旋输送叶片iii-18的转动轴iii-20结构如图11所示，转动轴iii-20自绞龙外壳iii-10一端延伸出来，并通过联接器iii-05与减速机iii-04连接；绞龙外壳iii-10另一端的出口与料斗ii-09对应，使得自绞龙外壳iii-10输出的粉料进入料斗ii-09。

参照图9-图10，绞龙外壳iii-10与绞龙料斗iii-09连通，绞龙料斗iii-09内设有搅拌转子iii-16，搅拌转子iii-16结构如图12所示。

驱动电机iii-03设置在减速机支架iii-01上，驱动电机iii-03与减速机iii-04连接，减速机iii-04通过联接器iii-05与绞龙内部的转动轴iii-20连接，转动轴iii-20上设有小链轮iii-14，搅拌转子轴iii-06上设有大链轮iii-13，小链轮iii-14和大链轮iii-13通过链条iii-07连接。

驱动电机iii-03驱动减速机iii-04带动转动轴iii-20转动，转动轴iii-20通过链条iii-07传动带动搅拌转子iii-16转动，从而达到搅拌和输送的目的。

绞龙输送量为：

q＝47d²snψ；

其中，q为输送量(t/h)；s为螺距，d为螺旋叶片直径(m)，n为螺旋轴转速(γ/min)，ψ为填充系数。

参照图13-15，分级机构iv包括：分级箱体iv-01，分级箱体iv-01一侧壁上设有康达块iv-10，分级箱体iv-01顶部分别设有电极板iv-07和迎风气管iv-09；分级箱体iv-01底部设有若干不同颗粒等级的分级室iv-11；带电粉体在康达块iv-10的吸附力，电极板iv-07的电场力以及迎风气管iv-09的迎风力的共同作用下，能够根据颗粒大小进入不同的分级室iv-11。

其中，康达块iv-10与粉体颗粒接触的壁为曲面壁。当粉体颗粒随着气流从喷嘴射出时，若粉体颗粒粒径越小，则粉体颗粒随着气流的附壁效应越好，易于随着气流沿着曲面壁运动；若粉体颗粒的粒径越大，则粉体颗粒随着气流的附壁效应越差，容易在惯性的作用下飞出，远离康达块曲面壁运动。在康达块近壁面处，气流压强。

参照图16-图19(a)-(b)，迎风气管iv-09一端与伺服电机iv-06通过键连接，以便微调迎风气管的角度，另一端有进气口通过旋转接头iv-03与外部进气气管相接，以使气流进入迎风气管iv-09。如图16和18，迎风气管内镂空，一侧为气流出口，一端与伺服电机进行键连接，另一端与可旋转的进气接头相接。伺服电机iv-06与分级箱体iv-01通过第四螺丝iv-05和第四螺母iv-08配合的方式固定。

其中，粉体进入分级箱体iv-01，利用康达块iv-10的附壁效应，射流中携带的不同颗粒由于惯性力和受到的迎风阻力不同，会产生不同的偏转轨迹，并由此导致核桃壳超微粉的分离。不同颗粒所带静电不同，在电极板iv-07产生的匀强电场下，电场力会对颗粒有一个向下的电场力，辅助其分离。迎风气管产生迎风力辅助核桃壳粉体分离，伺服电机iv-06控制迎风气管转动以提供不同角度的迎风力。

辅助喷嘴iv-02在康达块气固出口的正上面，辅助喷嘴通过喷出的气流可以帮助粉体颗粒附壁，防止微小颗粒向上运动。

在康达效应的作用下，结合电场力和迎风力的共同作用，细颗粒紧贴康达块iv-10，中颗粒在中间部位，大颗粒远离康达块iv-10。这样微粉颗粒被瞬间分成细、中、粗三级，然后在下游的分级室iv-11中被分别回收。

如图19(b)分级室在分级箱体的底端，由三角体分隔组成，两个三角体之间既是分级室。

具体地，粉体颗粒在气流的带动下进入分级箱体iv-01，经康达块iv-10出现附壁效应，由于颗粒的惯性，以及曲面壁，颗粒由于粒径和质量不同运动方式不一样，根据附壁效应进行分离，由于颗粒电荷，i电极板iv-07产生的匀强电场对带电颗粒有一个向下的排斥力，这个排斥力会进一步辅助颗粒进入不同的分级室iv-11，迎风气管iv-09产生的迎风力辅助大颗粒上的细小颗粒进行分离，以提高分离效率。不同粒径的颗粒经分离后进入不同分级室然后经方形出口管iv-04流出打包，如图21方形出口管iv-04为长方体中间镂空，顶部通过滑槽装在分级箱体底端。

参照图20，对附壁效应的原理说明如下：

康达块近壁面压强ps,其表达式为：

射流沿康达块壁面的分离角α，其表达式为：

式中：p为喷嘴出口压强，pa；p∞为康达块远壁面压强，pa；ps康达块近壁面压强，pa；ym康达块壁面径向截面上最大气流速度所在位置距离附壁块表面的径向距离，mm；b喷嘴出口宽度，mm；r为康达块的曲率半径，mm；α为气流沿康达块壁面的分离角，°。

力的耦合：

f1＝fe+fycoso+mg

f2＝fp-fysino

f1为向下的力，f2为向右的力，fp为颗粒所受的气动力，fe为电场力，fy为迎风力，o为应风管与竖直方向的夹角。通过驱动电极可以调节该夹角，以调节迎风气流的角度。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于多能场驱动的核桃壳微粉多粒径域分级方法，包括：

核桃壳粉体经过搅拌预碎，在设定压力的气流作用下，经过电晕处理后，喷射进入分级机构；

分级机构通过康达效应，在电场力和迎风力的辅助作用下，实现粉体的多粒径域分级。

具体地，通过粉体输送机构对核桃壳粉体进行搅拌后，经过绞龙输送至气固混合器中，通过空压机产生设定压力的气流，通过气流对核桃壳粉体进行输送，输送过程中，通过电晕装置进行电晕处理，以增加粉体的附着性。

在气流的带动下，粉体喷射进入分级机构，分级机构的康达块产生康达效应，对核桃壳粉体根据粒径进行分级；同时，在电场力和迎风力的辅助下，提高分级效率。

通过调节风速、迎风气流角度、电场强度以及给料速度参数，能够动态调节核桃壳微粉多粒径流的大小，以核桃壳微粉的分级效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。