湖南蔚藍(lán)環(huán)保設(shè)備科技有限公司
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綜述了密相氣力輸送的理論，并對(duì)目前開(kāi)發(fā)的密相氣力輸送裝置進(jìn)行了介紹，分析了各種形式裝置的技術(shù)指標(biāo)及性能，為進(jìn)一步完善密相輸送理論和開(kāi)發(fā)新型密相氣力輸送裝置奠定了基礎(chǔ)。
粉體氣力輸送是一項(xiàng)利用氣體能量輸送固體顆粒的古老而有效的技術(shù)，迄今已有100多年的歷史。在粉體氣力輸送的發(fā)展歷史中，尤其是近幾十年，粉體的氣力輸送技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。在稀相懸浮式氣力輸送方面，不同行業(yè)的研究者研究水平均已達(dá)到較高層次，在某些參數(shù)計(jì)算及其輸送機(jī)理方面都已達(dá)成了共識(shí)。稀相懸浮式氣力輸送技術(shù)在建材、冶金、化工等行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用。理論與實(shí)踐都證明粉體的氣力輸送具有機(jī)械輸送所不具備的優(yōu)越性，如設(shè)備簡(jiǎn)單、布置靈活、易于收塵等等，但同時(shí)，這種稀相懸浮式氣力輸送的不足之處也逐漸引起了人們的注意，如所需功率較大，是斗式提升機(jī)的2～4倍，是帶式輸送機(jī)的15～40倍；管內(nèi)料速快，一般約在20～30m/s，造成管道磨損十分嚴(yán)重；氣固分離量大等［1］。這些弊端給氣力輸送研究人員提供了又一研究課題——開(kāi)發(fā)一種能耗低、固氣比大、氣固分離量小、性能更優(yōu)越的輸送技術(shù)。近期逐漸興起的密相氣力輸送技術(shù)引起了氣力輸送研究人員的極大興趣。
密相氣力輸送技術(shù)主要是指栓流氣力輸送，粉料在輸送管中不再散開(kāi)，而是形成料栓、依靠料栓兩端的靜壓差向前移動(dòng)，具有低速、密相及低動(dòng)力指數(shù)的特點(diǎn)，而且由于材料的磨損與流速的二次方或三次方成正比，因此氣流速度的減小大大延緩了材料的磨損。隨著固氣比的提高，氣力輸送的動(dòng)力指數(shù)顯著下降，是一種更理想的輸送方式［2］。
本世紀(jì)初，尤其是六、七十年代，密相氣力輸送的研究達(dá)到了高潮，不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)密相氣力輸送的理論進(jìn)行了探討，得到了許多有價(jià)值的研究成果，并開(kāi)發(fā)了形式多樣的密相氣力輸送裝置。
1 密相氣力輸送的流動(dòng)模型機(jī)理
1.1 密相氣力輸送的定義
關(guān)于密相氣力輸送的定義或密相與稀相的劃分界限，至今尚未形成統(tǒng)一的看法，比較典型的主要有以下幾種說(shuō)法［3］：
(1)固氣比大于10，15，25或80時(shí)，可以認(rèn)為是密相氣力輸送；
(2)物料的體積濃度大于40%，50%時(shí)，可以認(rèn)為是密相氣力輸送； \
(3)氣力輸送時(shí)，物料充滿管道的一個(gè)或多個(gè)斷面時(shí)，可以認(rèn)為是密相氣力輸送；
(4)Dixson等認(rèn)為：對(duì)于水平輸送，氣體量不足以使所有物料處于懸浮狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為是密相輸送狀態(tài)；對(duì)于垂直輸送，有顆粒回落現(xiàn)象，即可認(rèn)為處于密相氣力輸送狀態(tài)；
(5)用目前廣泛使用的Zenz相圖對(duì)氣力輸送進(jìn)行分類(lèi)。
以上的幾種方法，都不同程度地存在著缺陷。對(duì)于用固氣比進(jìn)行定義，Yokota曾明確指出，即使在相同輸送方式和輸送條件下，輸送固氣比也隨物料物性、輸送速度、輸送距離而改變，其意義只能是相對(duì)的。其它學(xué)者Krambrook，Geldart和Ling等亦認(rèn)為僅靠固氣比來(lái)定義是不完善的［4］；對(duì)于用體積濃度來(lái)定義，K.Konard［3］指出堆積空隙率為70%的物料很難以物料濃度大于30%輸送，因此用體積濃度來(lái)定義是有缺陷的。上述的第三種說(shuō)法及第四種說(shuō)法顯然是有矛盾的。第四種定義的范圍較廣，而且所描述的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又非密相輸送所專(zhuān)有。第三種說(shuō)法雖比較嚴(yán)格，但顯然無(wú)法解釋密相動(dòng)壓輸送所表現(xiàn)出來(lái)的密相流動(dòng)特征，因此第三種說(shuō)法可能會(huì)顯得過(guò)于狹窄。Zenz相圖較準(zhǔn)確地描述了氣力輸送的流動(dòng)特征，在Zenz相圖上對(duì)氣力輸送進(jìn)行分類(lèi)似顯得更加明確。
1.2 密相氣力輸送的流動(dòng)模型及機(jī)理
從流動(dòng)形式來(lái)分，密相氣力輸送可分為栓塞式氣力輸送及非栓塞式密相氣力輸送兩種。非栓塞式密相氣力輸送主要是密相動(dòng)壓輸送，物料在管道內(nèi)非均勻分布，成密集狀態(tài)，但管道并未被物料堵塞，因而仍然是靠空氣動(dòng)能來(lái)輸送。一般氣流輸送速度為8～15m/s，固氣比范圍一般在30～70之間［1］。栓塞式氣流輸送一般是密相靜壓輸送，是指物料在輸送管道內(nèi)堆集成料栓。料栓之間充滿了空氣，完全依靠?jī)啥说撵o壓差推動(dòng)前進(jìn)。這種輸送方式氣流速度在8m/s以下，輸送壓力一般為0.2MPa左右，固氣比在25～250之間［5］。
本世紀(jì)初，不同行業(yè)的學(xué)者開(kāi)始研究密相氣力輸送，對(duì)其流動(dòng)模型及機(jī)理進(jìn)行了探討，取得了許多有價(jià)值的成果。
1.2.1 非栓塞式密相氣力輸送的流動(dòng)模型
大部分理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)非栓塞密相氣力輸送考慮的是完全懸浮流，但Myler和Klinizing的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在穩(wěn)定的水平管稀相流動(dòng)時(shí)，上層固體質(zhì)量流率與下層相比也不應(yīng)忽略。而且Konard與洪江等發(fā)現(xiàn)，輸送管道內(nèi)存在著滑動(dòng)床與懸浮層，并建立了水平氣固分層流動(dòng)模型，如圖1所示。并認(rèn)為，穩(wěn)定分層流動(dòng)時(shí)，懸浮顆粒易集中于滑動(dòng)床表面，層間剪切力是滑動(dòng)床移動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力［6］。
圖1 水平氣固分層流動(dòng)模型
1.2.2 栓塞式密相氣力輸送的流動(dòng)模型及機(jī)理
K.Komard和Davison，富田上潼研究了典型栓流的流動(dòng)機(jī)理，建立了流動(dòng)模型。森川和遷裕等則對(duì)內(nèi)重管式栓流即非典型栓流的流動(dòng)機(jī)理提出了自己的見(jiàn)解，并建立了重管栓流的流動(dòng)模型。
通過(guò)考查前人的流動(dòng)機(jī)理及模型，發(fā)現(xiàn)基本上在水平管密相輸送的流動(dòng)模型及機(jī)理研究上達(dá)成如下幾點(diǎn)共識(shí)(如圖2所示)：
圖2 料栓流動(dòng)模型
(1)料栓前面的空氣栓里，上層是分散的顆粒，下層是靜止的料層；
(2)料栓向前移動(dòng)時(shí)，堆起前面的靜止料層，同時(shí)又在其后留下一定量的物料。當(dāng)料栓堆起的物料等于留下的物料時(shí)，料栓穩(wěn)定輸送；當(dāng)這種平衡被破壞時(shí)，便可能形成長(zhǎng)料栓或料栓破壞。
2 密相氣力輸送裝置
2.1 非栓塞式氣力輸送裝置
非栓塞式氣力輸送技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，常用的工業(yè)設(shè)備主要有螺旋氣力輸送泵、倉(cāng)式泵、流化罐式氣力輸送裝置及紊流雙套管系統(tǒng)。
(1)螺旋氣力輸送泵：主要是由節(jié)距逐漸減小的螺旋輸送機(jī)及噴氣室組成。輸送壓力大約0.2MPa，固氣比約為30～40，輸送速度在10～20m/s之間。
(2)倉(cāng)式泵：也稱(chēng)發(fā)送罐式氣力輸送裝置，在水泥工業(yè)中應(yīng)用最多的是下送料式發(fā)送罐，也就是單倉(cāng)泵系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的料罐與輸送管道通過(guò)牛角變徑管連接，并在牛角變徑管尾部引入輸送空氣。在實(shí)
際應(yīng)用時(shí)，輸送壓力通常是0.5MPa左右，固氣比為10～30之間，而且單倉(cāng)泵是間歇輸送。
(3)流化罐式氣力輸送：這種技術(shù)是將物料裝于密閉的罐中，進(jìn)行充氣流化，而后進(jìn)行壓送。從輸送實(shí)例來(lái)看，所使用的平均壓力一般是0.2～0.3MPa，固氣比為20～60。
(4)紊流雙套管系統(tǒng)［7］：為了解決輸送管道時(shí)常被物料堵塞的問(wèn)題，在輸送管道內(nèi)加了一個(gè)較細(xì)的內(nèi)套管，內(nèi)套管沿途開(kāi)了很多的小孔，此內(nèi)套管無(wú)任何壓縮空氣供給設(shè)備。當(dāng)主管被堵塞時(shí)，主管中的空氣被迫通過(guò)小孔進(jìn)入內(nèi)套管，從內(nèi)套管的下一個(gè)小孔噴出，吹開(kāi)堵著的物料，使輸送繼續(xù)進(jìn)行。輸送管道內(nèi)始終處于高度紊流狀態(tài)。在國(guó)外，幾乎所有的單倉(cāng)泵都裝備了這種系統(tǒng)。這種系統(tǒng)適用于短距離輸送，固氣比可達(dá)到100，管內(nèi)空氣的起始流速為2～6m/s，適合輸送松散比重為0.5～1.5g/cm3，粒徑為20～200μm之間的物料。
總的看來(lái)，非栓塞氣輸送裝置在實(shí)際應(yīng)用中，固氣比一般在30～70，氣流速度為8～15m/s之間，相對(duì)于栓塞式氣力輸送來(lái)講還是有一定差距的。
2.2 栓塞式密相氣力輸送裝置
栓流氣力輸送中，如何制栓是一關(guān)鍵技術(shù)。60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了眾多的制栓方法，主要有機(jī)械成栓及氣力成栓兩種。機(jī)械成栓法主要有擠壓式、微料罐式、階梯管式、旋轉(zhuǎn)成栓器、料栓再生管、球式栓流輸送等。氣力成栓法則有內(nèi)重管式、外重管式、螺線管式、脈沖氣刀式等幾種成栓方法。
由于氣力成栓相對(duì)機(jī)械成栓而言簡(jiǎn)單的多，控制也容易，因此密相氣力輸送多采用氣力成栓法。用氣力成栓法的密相氣力輸送裝置有單栓塞輸送系統(tǒng)、重管式栓流輸送系統(tǒng)及脈沖氣刀式栓流輸送裝置。
(1)單栓塞輸送系統(tǒng)：這種系統(tǒng)只通過(guò)壓力倉(cāng)中壓縮空氣壓送物料，整個(gè)輸送管道只有一個(gè)料栓。輸送壓力大，輸送距離短［1］。挪威學(xué)者Silva［8］認(rèn)為目前幾乎沒(méi)有幾種物料適合這種輸送方式。
(2)重管式栓流輸送系統(tǒng)：這種系統(tǒng)有一旁通管與主管相通，通過(guò)旁通管上的小孔噴出的氣流切割物料而成料栓。其工作壓力在0.15～0.3MPa之間，料速為1～9m/s，固氣比在20～100之間。
(3)脈沖氣刀式栓流輸送系統(tǒng)［3］：這種系統(tǒng)是在輸送管道的開(kāi)始端用脈沖空氣來(lái)切割物料而成料栓，如圖3所示。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是固氣比高、料速低。就輸送水泥為例，固氣比可達(dá)到145，工作壓力在0.1～0.2MPa之間，氣流速度為3～10m/s，其技術(shù)指標(biāo)是十分優(yōu)越的。但是，此系統(tǒng)中的電磁閥等元件損壞較快。另外，目前大部分的此類(lèi)系統(tǒng)還不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送。
圖3 脈沖氣力式栓流輸送系統(tǒng)
2.3 自動(dòng)吹堵式輸送系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
為了解決輸送管道堵塞的問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了二次空氣系統(tǒng)，如圖4所示。此系統(tǒng)是通過(guò)壓力傳感器測(cè)定堵塞位置，并將信號(hào)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，然后二次空氣的閥門(mén)打開(kāi)，使高壓空氣進(jìn)入管道進(jìn)行吹堵。這種系統(tǒng)的運(yùn)行情況很好，但由于沿管道裝備了許多壓力傳感器及閥門(mén)，此系統(tǒng)的造價(jià)偏高［8］。
總之，密相氣力輸送裝置的開(kāi)發(fā)，從開(kāi)始至今，已出現(xiàn)了眾多的形式，但仍存在著許多不足，在技術(shù)指標(biāo)的提高及參數(shù)優(yōu)化方面仍有許多工作有待進(jìn)一步深化。
3 問(wèn)題與展望
(1)密相氣力輸送的理論研究有待進(jìn)一步開(kāi)展，以指導(dǎo)設(shè)備開(kāi)發(fā)，尤其在理論參數(shù)的計(jì)算方面，定量關(guān)系式有待進(jìn)一步給出；
(2)氣力輸送技術(shù)應(yīng)充分利用其他相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)，如自動(dòng)控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)等；
(3)材料物性對(duì)輸送參數(shù)的影響研究也應(yīng)加強(qiáng)。
