第四節 氣流粉碎設備
一、簡述
1. 氣流粉碎簡述
氣流粉碎機也稱氣流磨，自1882年戈斯林首先提出利用氣流動能進行粉碎以來，到現在已有一百多年的歷史，是一種比較成熟的技術。它利用高速氣流（300～500m/s）或過熱蒸汽（300～400℃）的能量使顆粒產生強烈多相紊流場，固體顆粒相互產生沖擊、碰撞或摩擦作用，致使顆粒被粉碎。
氣流粉碎機一般按氣流的作用分類、按流體介質種類分類、按給料方式分類、按顆粒加速方式分類或按分級特性分類等。目前，氣流粉碎機使用最多的是扁平式、循環管式、對噴式、靶式、對噴流化床式五種類型。
由于氣流粉碎不受物料物性的影響，在粉碎過程中不產生熱量，所以適合熱敏性物料的粉碎。工作介質可以是空氣、稀有氣體。同時在粉碎中幾乎沒有機械零部件磨損、沒有雜質滲入，從而保證了產品的質量。而且能耗低、生產量大、制造簡單、操作簡便，且粉碎細度能達到0.1μm以下，因而，氣流粉碎越來越受到人們的重視。
為了提高我國農藥的加工水平，加速提高粉體農藥的質量，在20世紀80年代末到90年代初，氣流粉碎技術開始在大型國有農藥企業應用。但是當時因傳統觀念以及資金等問題，該技術并沒有得到廣泛應用，絕大部分的農藥企業依然采用傳統的落后的加工技術。隨著經濟的發展，直到20世紀90年代末期，農藥企業開始逐步采用氣流粉碎技術。
農藥超細粉碎不僅可以大幅提高農藥有效體含量和用藥效果，減少施藥量，而且還可以使農藥更快地在作物內部代謝，加速農藥使用后的降解，大大降低農藥在作物表面及內部的殘留。因此，超細粉碎更是保障農藥使用安全和環保的需要，所以氣流粉碎機目前在我國的農藥超細粉碎中廣泛使用。從第一代的水平圓盤氣流粉碎機到第二代“O”形管氣流粉碎機，再到目前的第三代流化床氣流粉碎機，現在已成為農藥超細粉碎的主流機型。
2. 氣流粉碎原理
氣流粉碎機是利用高速旋轉氣流的能量來加速被粉碎的粒子。通過粒子之間的高速沖擊摩擦以及氣流分子對物料粒子的剪切作用而將粒子粉碎至10μm以下。由于采用壓縮空氣為動力，故氣體在噴嘴處膨脹時，能夠吸收由于粉碎而產生的熱量，有效降低了粉碎的環境溫度，使物料在粉碎過程中不升溫。所以氣流碎粉機可以粉碎較低熔點的物料。在農藥劑型加工中氣流粉碎機主要用來將低熔點原藥加工成高濃度母粉、高濃度可濕性粉劑和水分散粒劑的基料。
3. 氣流超細粉碎在農藥加工中的作用
氣流超細粉碎在農藥生產中的應用越來越廣泛，特別是近年來，農藥超細粉碎在細度要求和應用種類上都呈大幅上升趨勢。隨著農藥加工技術的發展，農藥生產中對超細粉碎的要求將會越來越普遍，農藥原藥、可濕性粉劑大都有超細化的要求。氣流超細粉碎已經成為提高現代農藥生產工藝和產品質量的最佳選擇。農藥超細化粉碎的工藝已經成熟，但是在超細化粉碎生產過程中，設備配置的合理性、衛生、安全與環保已經成為超細粉碎加工的關鍵環節。
由于環境的要求，農藥正朝著超高效、毒性低、低用量的方向發展。每畝用藥量為幾克，甚至不到1g的產品已不斷出現。通常要將藥粒粉碎到微米級，所以氣流粉碎機目前在我國農藥可濕性粉劑和水分散粒劑原料的加工中廣泛使用。從第一代的扁平圓盤式氣流粉碎機，發展到第二代循環管式氣流粉碎機和第三代對噴式流化床氣流粉碎機。對一些產品的試驗表明：在相同的能耗下，對噴式流化床氣流粉碎機比扁平式氣流粉碎機生產效率高，且粒度分布也比后者均勻。
4. 氣流粉碎機的應用
在農藥行業中，所需要粉碎的物料大致有原藥干粉、可濕性粉劑、農藥填充劑、農藥助劑、水分散粒劑等幾大類。
（1）原藥干粉 經過氣流超細粉碎機粉碎的原藥干粉，可以大幅度提高原藥的使用效果。一般原藥的干粉粉碎到600目以上，既可以大幅提高原藥的活性，也可以改善農藥的使用效果，使農藥更快更好地發揮作用，還可以大幅提高原藥的利用率。
（2）可濕性粉劑 可濕性粉劑經過超細粉碎，可以大幅度提高懸浮率。一般粉碎到600目左右后，就可以達到70%以上的懸浮率，大幅改善農藥的使用效果。
（3）農藥填充劑 農藥填充劑有很多種，主要有高嶺土、白炭黑、凹凸棒、膨潤土等。農藥填充物經超細粉碎至600目以上，可以改善農藥與各成分之間的混合效果，避免產生偏析現象，在水中不易沉淀，使農藥具有更好的分散性，使各成分能夠更加均勻地分布。
（4）農藥助劑 經超細粉碎的農藥助劑，可以大幅度增加比表面積，使助劑能夠均勻地吸附于活性成分表面，充分發揮表面活性劑（農藥加工助劑多為表面活性劑）的作用，也可以提高助劑的使用效率。一般農藥助劑的使用要求為800目以上即可（固體劑型）。
（5）水分散粒劑 在加工水分散粒劑之前，一般將原藥、填料、助劑等材料按一定比例混合均勻后進行氣流粉碎，粒度為5～15μm。加工成類似可濕性粉劑的劑型后再進行造粒，產品懸浮率可以達到70%以上。
二、扁平式氣流粉碎機
扁平式氣流粉碎機的應用較早，可以稱得上是第一代氣流粉碎機。其結構如圖1-17所示，工作原理如圖1-18所示。主要由氣流分配室、粉碎分級室、氣流噴嘴、噴射式加料器、產品收集器等部件組成。分配室與粉碎分級室相通，高速氣流經入口首先進入氣流分配室在環向均勻分布，由于氣流有很高的壓力，從分配室強行通過噴嘴進入粉碎分級室。氣流通過噴嘴時產生每秒幾百米甚至近千米的高速，物料受到氣流強大沖擊力的作用，相互摩擦、碰撞發生粉碎。由于噴嘴與粉碎分級室成一定角度，氣流夾帶被粉碎物料做水平圓周運動。粉碎合格的產品進入中心處，經分離出料。由于結構的限制，此機型不宜進行大規模生產。另外，粉碎有黏附性的物料有時會有黏壁的傾向，必要時可以加入少量隔離劑如滑石粉等以防黏壁和黏附分級葉輪。表1-1列出了扁平式氣流粉碎機的主要技術參數。
圖1-17 扁平式氣流粉碎機結構簡圖
圖1-18 扁平式氣流粉碎機工作原理圖
1—粉碎帶；2—粉碎噴嘴；3—文丘里噴嘴；4—推料噴嘴；5—墊片；6—外殼
表1-1 扁平式氣流粉碎機的主要技術參數
注：空氣壓力0.6～0.70MPa。
扁平氣流粉碎機有如下特點：
① 適用于干式超微工藝。由于沖擊速度高，可達2.5馬赫（1馬赫=340.3m/s）以上，一般情況下很容易獲得1～10μm粒子，根據物料性質，還能得到小于1μm的粒子。
② 由于粉碎機內部有閉路分級機構，制品中粗粒子不斷循環粉碎，因而能獲得粒度均勻、分布范圍窄的制品。
③ 該設備具有粉碎時間短、結構簡單、操作檢修方便、占地面積小、低噪聲（小于72dB）和無振動等優點。
④ 粉碎效率高，能進行連續粉碎，能保持粉碎制品純度。
圖1-19為扁平氣流粉碎機的三維圖。
圖1-19 扁平氣流粉碎機三維圖
三、噴射粉碎機
噴射粉碎機工作原理如圖1-20所示。通過裝設在粉碎室內的噴嘴把壓縮空氣或高壓蒸汽的能量轉變成動能，形成高速氣流軌跡，在這種超聲速噴射氣流中連續而且自動地供給粉粒體物料，讓物料之間產生強烈的沖擊和摩擦，從而進行粉碎。根據計算的噴嘴角度所產生的旋轉渦流，不僅達到了粉碎的目的，而且由于離心力的作用還能達到分級的目的，可使超微粒子被分離出來。另外，從噴嘴噴射出來的空氣通過絕熱膨脹的作用使溫度下降，因而能夠進行低溫粉碎，如圖1-20所示。被粉碎的原料通過噴射器6被送到粉碎室里，從噴射器6處噴射進去的壓縮氣體通過噴射環2噴射到粉碎室里。這時，由于產生的噴射氣流4的作用，原料便被粉碎成超微粒子。被粉碎的物料從排料口7與膨脹了的空氣一起被排放出來。
圖1-20 噴射粉碎機工作原理
1—壓縮空氣進口；2—噴射環；3—氣流；4—噴射氣流；5—加料口；6—噴射器；7—排料口
粉碎后產品可用旋風分離器、布袋除塵器等進行收集。原料的供給裝置可使用振動加料器或螺旋送料器，噴射粉碎系統流程如圖1-21所示。
圖1-21 噴射粉碎機流程圖
1—空氣壓縮機；2—二次冷卻器；3—空氣罐；4—空氣干燥器；5—噴射粉碎機；6—加料器；7—除塵器
粉碎后的粒子直徑通過調節投入量的辦法就能簡單地進行控制。在粉碎室中由于經常滯留有很多物料，因此，這些物料就起到了制動作用，使粉碎室內渦流旋轉方向上的分速度減小。物料的投入和排出正好保持著均衡的比例，噴射粉碎機各型號的主要技術參數如表1-2所示。
表1-2 噴射粉碎機技術參數
四、立式循環管氣流粉碎機
立式循環管氣流粉碎機是繼扁平式氣流粉碎機之后開發出的一種機型，可以認為是第二代氣流粉碎機，外形如圖1-22所示。粉碎室為立式環形結構，下部為粉碎區，上部為分級區。在粉碎區安裝若干個噴嘴，各噴嘴安裝位置應使噴出氣流的軸線與粉碎室中心線相切。物料經加料器定量進入粉碎區，壓縮空氣或過飽和蒸汽經過噴嘴進入粉碎室，將物料顆粒加速。物料顆粒之間產生沖擊碰撞，氣流夾帶被粉碎物料沿循環管向上運動，進入分級區。由于離心力場的形成使密集的顆粒流分離，大顆粒在外層，細小顆粒在內層。物料出口設在循環管的內側，在出口處安裝百葉窗式慣性分級器，使細顆粒通過分級器時又進行一次分離。粗大顆粒彈回粉碎室繼續粉碎，細顆粒排出機外通過旋風分離器收集。
圖1-22 立式循環管氣流粉碎機
1—出料口；2—導葉；3—進料口；4—粉碎機；5—加料噴嘴；6—文丘里噴嘴；7—粉碎噴嘴
物料經加料器由文丘里噴嘴送入粉碎區，氣流經一組粉碎噴嘴噴入不等徑變曲率的循環管式粉碎室并加速顆粒，使之相互沖擊、碰撞、摩擦而粉碎。氣流旋流攜帶出被粉碎的顆粒，沿上行管向上運動進入分級區。在分級區，由于離心力場的作用與分級區殼體的配合，密集的顆粒流分流。細粒在內層經分級器分級排出作為成品捕集，粗粒在外層沿下行管返回繼續循環粉碎。
該循環管式粉碎室內腔截面不是真正的圓截面，循環管各處的截面也不相等。分級區和粉碎區的弧形部分也不是圓周的一部分，即曲率半徑是變化的。由于循環管的這種特殊形狀設計，其具有加速顆粒運動和加大離心力場的功能，提高了粉碎和分級效果。此外，由于分級區的彎曲管壁設計成減摩曲線狀，所以循環管內壁的磨損大大減輕。
立式循環管氣流粉碎機的粉碎粒度可達0.2～3μm，廣泛應用于農藥以及具有熱敏性和爆炸性的化學品等的超細粉碎。
粉碎、分級流程如圖1-23所示，空氣經壓縮機壓縮經粗濾器15、干燥器16、油分離器17進入壓縮空氣緩沖罐，干凈的壓縮空氣分別進入粉碎機的加料噴嘴和粉碎噴嘴，加入物料進行粉碎。被粉碎的物料與氣流一起進入分離器，粗粉粒經回轉閥與原料一起回粉碎機進行粉碎。符合要求的微粉與氣流一起進入旋風分離器進行分離，由回轉閥9收集成品微粉。更小的微粉與氣流一起進入布袋除塵器10進一步分離，由回轉閥11收集超微粉成品，而廢氣由排風機12排出。表1-3是國產循環管式氣流粉碎機的主要技術參數。
圖1-23 粉碎、分級流程圖
1—原料斗；2—加料器；3—噴射粉碎機；4—分離器；5，9，11—回轉閥；6—旋流器；7—打落器；8—成器倉； 10—布袋除塵器；12—排風機；13—消聲器；14—空壓機；15—粗濾器；16—干燥器；17—油分離器
表1-3 循環管式氣流粉碎機主要技術參數
注：空氣壓力0.65～0.70MPa。
五、對沖式氣流粉碎機
圖1-24是對沖式氣流粉碎機的結構示意圖。這種粉碎機問世很晚（1956），為美國Trost Mill公司所發明。它的粉碎部分采用逆向氣流粉碎機結構，分級部分則采用扁平式氣流粉碎機結構，因此兼有兩者的特點，是一種先進的氣流粉碎機。內襯和噴嘴的更換方便，與物料和氣流相接觸的零部件可用聚氨酯、碳化鎢、陶瓷、各種不銹鋼等耐磨材料制造。
圖1-24 對沖式氣流粉碎機結構示意圖
1—微粉的運動軌跡；2—通風口；3—粗粒的運動軌跡；4—上升通道；5—原料供給料斗；6—壓縮空氣；7—粉碎區；8—壓縮空氣；9—返回通道；10—分級區
該氣流粉碎機的工作過程：由料斗喂入的物料被噴嘴噴出的高速氣流送入粉碎室，隨氣流上升至分級室，在此氣流形成主旋流使顆粒分級。粗顆粒排至分級室外圍，在氣流帶動下返回粉碎室再進行粉碎，細顆粒經產品出口排出機外捕集為成品。
對沖式氣流粉碎機的粉碎室相對安裝兩個噴管。噴嘴噴入高速氣流將物料吹入噴管，使其在管內加速。加速后的物料隨同氣流離開噴管，與對面噴管噴出的氣流形成對沖，達到粉碎目的。粉碎后的細粉隨同氣流進入靜態分級器，細粒在分級器中央排出；粗粒則由于離心力作用下落至對面的噴嘴處，并被噴出的氣流在噴管內加速，重新粉碎，該粉碎機的處理量為10～500kg/h。
六、對撞式氣流粉碎機
對撞式氣流粉碎機為兩束載物氣流在粉碎室中心正面碰撞，顆粒在氣流高速沖擊下互相碰撞瞬間粉碎，見圖1-25。隨后，粗細粒子在氣流帶動下向上運動，進入與其串聯的分級機。由于分級轉子高速旋轉，分級粒徑以下的細粒子通過分級器中心排出，進入與之相連的旋風分離器、脈沖除塵器中進行捕集。分級粒徑以上的粗粒子受離心力作用，沿內壁向下運動，返回對撞式氣流粉碎機，再次在磨腔中央與給料射流相撞，從而再次粉碎。如此周而復始，直至達到產品粒度要求為止，圖1-26是該機的工藝流程。
圖1-25 對撞式氣流粉碎機工作原理圖
圖1-26 對撞式氣流粉碎機工藝流程
1—空氣壓縮機；2—儲氣罐；3—除油器；4—冷凍干燥機；5—過濾器；6—對撞式 氣流粉碎機；7—分級機；8—旋風分離器；9—布袋除塵器；10—引風機
七、對噴流化床式氣流粉碎機
1. 對噴流化床式氣流粉碎機簡述
20世紀70年代初，德國Alpine公司成功開發了對噴流化床式氣流粉碎機。
對噴流化床式氣流粉碎機以高壓氣體為動力，據介紹，它比其他沖擊式粉碎機可以節能50%以上。由于不需像機械粉碎那樣金屬部件承受巨大的沖擊力，產品中少有金屬粉末混入，可以保證產品的純度，是農藥干式粉碎的理想設備。該設備工作噪聲低，一般低于80dB，可以處理莫氏硬度在10以上的物料。產品細度有97%在2～200μm，而且具有設備體積小、維修費用低等優點。是目前農藥干粉碎的主力機型。
粉碎室是一個立式圓柱形結構，高壓氣流噴嘴在粉碎室底部沿周向對稱布置，以利于氣流的平衡。產品出口布置在粉碎室上部，出口處有一個或多個分級器，見圖1-27。分級器有多種規格，根據產品要求可以選擇金屬和非金屬材料。物料經加料口進入粉碎室并向下落，當物料落入粉碎區時，被強大的氣流沖擊，物料受到沖撞、剪切等作用被粉碎。粉碎后物料受氣流夾帶向上運動，經分級器排出粉碎機并與氣體分離，大顆粒被截留進一步粉碎。在這里，分級器起到切割產品粒徑的作用，從而保證了產品的粒度分布。
圖1-27 對噴流化床氣流粉碎機外形
1—分級器電機；2—加料口；3—粉碎室；4—壓縮空氣管；5—粉碎噴嘴；6—機架；7—排渣口；8—分級器
2. 對噴流化床氣流粉碎機的優越性
對噴流化床氣流粉碎機與其他機械方法粉碎相比有著非常明顯的優越性。在整個粉碎過程中沒有機械磨損，而是依靠物料顆粒自身撞擊達到粉碎。這種粉碎方式有以下幾大優點：①粉碎過程中是空氣帶動物料在運行，所以不會升溫，對于各種物料不會造成任何不良影響；②粉碎過程沒有直接的機械摩擦，不使用任何固體的研磨介質，因此不會有任何雜質摻入物料之中，可以絕對保障物料的純度；③對噴流化床氣流粉碎的細度可以隨產品需求而自由調節；④生產過程始終是連續的，不管是要求什么細度，加料和出料都不需要人為間隔和停頓，都是由其控制系統自動控制進料和出成品的速率；⑤整個系統是負壓操作，在粉碎過程中不會有揚塵等現象，可以很好地控制現場衛生、安全和環境。
氣流粉碎也存在能耗和投資成本相對高的缺點，針對能耗高的問題，需要農藥廠家在上新項目的時候多關注產能及成本，對于附加值和要求不高的產品可以考慮用其他類型的粉碎設備，但是在農藥行業一般農藥不存在這樣的問題，因為農藥一般要求粉碎細度在600～800目，所以能耗是完全可以接受的。
3. 對噴流化床氣流粉碎機的原理
對噴流化床氣流粉碎機主要是利用超聲速氣流帶動物料顆粒相互撞擊而達到粉碎的效果。對噴流化床氣流粉碎機由加料口、粉碎室、出料口、分離室等組成。物料通過螺旋加料器進入粉碎室、壓縮空氣通過粉碎噴嘴向粉碎室高速噴射。物料在超聲速噴射氣流中加速，并在噴射氣流交匯處反復沖擊、碰撞，達到粉碎。被粉碎物隨上升氣流到達分級室，由于分級葉輪高速旋轉，物料顆粒受到高速旋轉的分級葉輪產生的向心力和離心力作用，達到粉碎要求的在分級粒徑以下的顆粒受到的向心力大于離心力，在負壓氣流吸引下進入分級葉輪內部并到達出料口。大于分級要求的顆粒受到的分級葉輪產生的離心力大于向心力，不會受負壓氣流的吸引而落回到粉碎室繼續進行沖擊粉碎。如此往復，使物料達到理想的粉碎效果。從出料口排出的成品隨氣流進入旋風分離器、脈沖除塵器（捕集器）收集，氣體由引風機排出。圖1-28是對噴流化床式氣流粉碎機工作原理示意圖。
圖1-28 對噴流化床氣流粉碎機工作原理
1—加料口；2—粉碎室；3—出料口；4—分離室
4. 產品粒度的控制
分級輪與出料管之間合理的氣密封設計，保證粗顆粒不會混入成品中。軸承結構及軸承座的氣流密封、氣流冷卻，使軸承在常溫下正常工作，保證了軸承長期使用及機械運行平穩性。
流化床氣流粉碎機粉碎不同物料時，主機內部的物料濃度也不同，為保證主機在最佳工況下工作，發揮最佳的工作效率，自動加料機與主機之間采用智能機電一體化控制原理，根據主機內部物料濃度來控制加料速度，確保主機在設定的最佳濃度下工作，控制原理見圖1-29。
圖1-29 控制原理框圖
5. 生產中的安全、衛生和環境控制
流化床氣流粉碎機在農藥生產中的衛生、安全和環境控制方面與其他粉碎方式相比具有明顯的優越性。
流化床氣流粉碎機的全系統是負壓，生產現場不會造成揚塵，同時，最后排放的空氣是經過布袋除塵器過濾的潔凈空氣（過濾精度為0.1μm）。因此，整個系統不會帶來任何環境影響。
適用于農藥生產的流化床超細粉碎系統，從加原料、加助劑、混合、出成品至自動包裝都實現了全自動化控制，生產現場實現了無人化作業。在系統設置方面，充分考慮了農藥生產的特點，原料加料前設有自動加料裝置和混合設備。原料進入粉碎主機實行自動控制加料，成品出料后也設有自動加料裝置和混合設備，成品出口設有全自動包裝機。可以保障生產現場的衛生、安全和環保要求，避免在農藥超細化生產中對人員造成傷害。
在選擇產品的時候，氣流粉碎機的產量和能耗比是重點考慮的要素。氣流粉碎機從上述的原理來看是比較簡單的，但是每種產品都有自己的關鍵部分。分級輪和噴嘴的精度決定著氣流粉碎機的性能。
流化床氣流粉碎系統已經廣泛應用于各類農藥的超細粉碎生產。主要有除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等品種的超細粉碎。
6. 流化床氣流粉碎生產實例
簡易工藝流程如圖1-30所示，粉碎主機氣源由壓縮機、儲氣罐、除油器、過濾器、冷凍干燥機等組成的氣流系統提供，粉碎所需工作壓力一般在0.7MPa以上。成品粉體通過旋風分離器、布袋除塵器收集。潔凈的空氣由引風機排出。部分農藥粉碎指標如下：
每小時耗電130kW·h；
40%硫黃：原料100目，成品d97＜10μm，產量800kg；
多菌靈：原料100目，成品懸浮率92%～93%，產量1500kg；
70%代森錳鋅：原料100目，成品d97＜5μm，產量1000kg。
圖1-30 流化床氣流粉碎機簡易工藝流程
對于一般需要混合的干粉農藥、可濕性粉劑一般采用氣流粉碎混合系統。根據農藥生產的需要，可以有多種流程布置。圖1-31為間歇式生產方式，適用于小規模生產或經常更換品種的情況。圖1-32適用于大規模生產，是連續化的生產方式。
圖1-31 間歇式生產流程
圖1-32 連續型、適用于大量生產流程
部分機型粉碎農藥的工藝參數見表1-4。
表1-4 農藥的工藝參數
八、閉路循環系統
農藥在超細粉碎狀態下，對人身的毒副作用將成倍增加，不僅口鼻是其進入人體的通道，皮膚毛孔都會成為其侵害人體的部位。因此，對于低毒性的農藥，也需要使用全封閉的自動化系統進行超細粉碎。對于一些粉塵泄漏對人體有害或者可能發生爆炸的物料，采用的是閉路循環系統，以達到環保和安全的要求。基本流程見圖1-33。
圖1-33 惰性氣體保護氣流粉碎系統基本流程
惰性氣體保護氣流粉碎系統特點：
① 適用性強，根據易燃易爆物料的性質，可選擇與其相適應的氣體作為粉碎介質。
② 惰性氣體循環使用，消耗極小。
③ 惰性氣體中的氧氣含量可控制在1μL/L左右，并且氧含量可任意設定。
④ 系統采用先進的觸摸屏、可編程序PLC控制器，實現了全自動控制。