气力输送概论要点.pdf
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1、25 气 力 输 送 概 论 Peter Wypych 散料的气力输送可以被定义为粉料(如:水泥,飞灰)、粒料(如:碎煤、谷粒)或 散装商品(如:罐头,活鸡,纸筒)通过一条密闭的流动通道(如:管道,多孔板),使 用负压或正压空气作为输送介质的一种输送方式。其他气体,如氮气或氢气,也可以作 为承载流体来满足特殊工艺的要求。 本文的主要目的是作一气力输送的总述。包括:优点与缺点;典型零部件和布置; 气力输送的不同模式;气力输送特性概念;一些特殊输送方式的简短介绍。 注:本概论是根据笔者自身经验和试验结果,由Marcus等人2整理而成。 1、为什么使用气力输送技术? 使用管道输送物料的概念并不新颖。
2、古罗马人运用铅管进行水的供应和污水处理, 中国人使用竹子来输送天然气。 最早的气力输送系统之一始建于19 世纪末的英国, 其利 用真空原理在铁路隧道内移动装密封膜的车厢。此后紧接着的是一套气力卸料系统,包 括 4 台 100th -1 的真空输送泵,设计并建造用以将谷物从船上卸下。这引起了空气和物 料分离的问题,从而导致旋风分离器和除尘器的发展。随着鼓风机、罗茨风机和旋转给 料器的发展,气力输送在19 世纪 20 年代的早期开始有良好的进展。 在 20 世纪的后半段气力输送技术得到了巨大的发展。英国流体力学研究协会1开 展的一项调查表明,在1971年和 1977年间英国的气力输送成长为庞大的市
3、场。仅1978 年这一年气力输送系统设备的销售就增加了50。这种情况表明为了改善健康和安全的 规程,人们宁愿选择气力输送,而非机械或者水力运输,尽管这种处理方式以往被认为 是不太经济的。比如爆炸性的、有毒的和其它危险物料的输送。改进的气力输送系统设 计理念和新技术的发展扩大了运用气力输送技术输送物料的范围。 气力输送具有以下优点 2: (a) 大部分物料的输送环境都较清洁。 (b) 系统简单,仅需要压缩空气源,喂料装置,输送管道和使输送气体和物料分离的 受料器。 (c) 通过增加弯头能够灵活的改变流动方向。 26 (d) 在工厂内能将物料分散输送至许多不同的区域,也可以从几个不同的地方集中到
4、一起。 (e) 较低的维护和人工费用。 (f) 多种使用单一管道可用作不同的物料输送。 (g) 很好的安全性,密闭的流动通道(如:管道)用来输送贵重的物料(如:钻石矿 石,货币)。 (h) 容易实现气力输送系统的自动控制,能够连续监测物料输送量来检查工厂的输入 量和输出量。 气力输送同样也存在一些缺点,列于下面2: (a) 相对较高的动力消耗,设备的磨损,尽管一些新技术(如:低速输送,扩径管道) 正变得越来越有竞争力和吸引力。 (b) 有限的输送距离,细粉的气力输送借助于扩管设计能够达到5000米的输送上限, 如煤粉,飞灰和水泥。尽管如此,大多数系统所需输送距离仅为几米到500米。 图 1 所
5、示的是气力输送和机械输送之间的比较。大多数现有系统的输送量是以物料 的粒径实际上限80mm 在 1 到 1000t/h 的范围内获得。当设计物料输送系统时,应该考 虑气力输送技术,和相对于其他输送系统做出评价。 2、能够输送什么? 大多数粉粒料能采用气力输送。表1 是已经被成功气力输送的物料的名单。最大 70mm 的石头,活鸡和加工制成的零部件也能采用气力输送技术。通常,所输送物料拥 有更大的尺寸和更高的密度,就需要采用更高的气体速度和更多的动力要求。一般建议 2输送管道的内径至少3 倍于(最好 10倍)最大的粒子尺寸以避免管道拥堵。 自由流动、无磨损和无纤维物料是气力输送理想的选择对象。低速
6、气力输送技术的 发展已经容许有粘性的、磨损性的和易碎的物料进行输送(也就是无破碎)。 3、气力输送系统 一套气力输送系统由四个明显的区域组成(见图2) ,每个部分均需仔细匹配的特殊 设备用以获得成功的输送系统。这些区域包括: (a) 供应输送气体的原动力机械; 27 (b) 将物料喂入管道并与输送气体混和的装置; (c) 输送区域; (d) 气固分离区域; 表一:典型气力输送物料列表 阿卡辛粒丸 氧化铝 氟化铝 铝箔 氢氧化铝 硅酸铝 硝酸铝 硫酸氨 无烟煤 石棉 甘蔗渣 酚醛塑料粉末 大麦,新鲜的和发芽的 重晶石 电解液粉 金属烟尘 矾土 , 铁铝氧石 啤酒坚果 斑脱土 ( 火山灰分解的一种
7、粘土) 重碳酸钠 高炉灰 蓝铜锍蓝粉 骨灰 糠, 麸 黄铜屑 碎砖 压坯块,粉状 粗糠 , 粗麸 氯化钙 氰氨化钙 碳黑 碳粉 干酪素 牛饲料 玻璃纸碎片 纤维素 水泥、水泥渣 谷类 粉笔 木炭 黏土 煤块 钴矿砂 可可豆、可可豆壳 可可粉 咖啡粉 咖啡豆 焦碳 Colmanite 铜屑 糊精粉 清洁剂 金刚石矿石 磷酸二钙 狗食 白云石 砂粉 羽毛 长石 氧化铁 铁酸盐 面粉 氟石 飞灰 白明胶 玻璃纤维 玻璃粉末 谷粉 片状石墨、石墨粉 油脂 石膏 铁矿、铁黑 高岭土 , 瓷土 Kisselguhr 沥出物 氧化铅 干苔藓 褐煤 石灰(小于50mm ) 含水石灰 石灰石 菱镁矿石 碳酸镁
8、氟酸镁 玉米 氧化镁 大理石粉 火柴 云母 奶粉 氧化镍 尼龙粒,切片,纤维 纸,碎纸 豆粉 花生壳 花生 珠光体 泥煤 , 泥炭块 泥煤 , 泥炭块(碎块,冻结的) 磷酸盐粉 聚苯乙烯粒子 聚苯乙烯粉 PVC 粉 油渣 碳酸钾 氯化钾 硝酸钾 马铃薯片、冻马铃薯 干马铃薯纤维 马铃薯淀粉 黄铁矿石 叶蜡石 生料 石英粉 石英石( 80mm) 生石灰 大米,米粉,谷壳 黑麦(疏松的,紧密的) 盐 砂、预涂层砂 锯屑 粗粒小麦粉 硅土 熔渣、熔渣灰 矿渣、炉渣 淤泥干粉 肥皂粉、肥皂片 铝酸钠 碳酸钠 氯化钠(桌盐) 硝酸钠 过硼酸钠 硫酸钠 三聚磷酸钠 煤烟 淀粉 石尘 碎麦杆 糖,细白砂糖
9、冰糖 硫磺 滑石、云母 二氧化钛 香烟 四氟化铀 尿素 蛭石 胡桃 小麦、小麦尘 刨花 28 干椰子肉 软木 玉米、玉米粉 粗玉米面 棉花、棉花籽 沥青 石膏 石膏粉 聚乙烯 聚脂,纤维,粒子 聚乙烯粒子 干酵母粉 沸石 锌焙砂 锌尘 氧化锌 锆石 种类广泛的压缩机、通风机和鼓风机可用于输送用气体的供应。原动力机械通常是 气力输送系统的投资和运行费用中最昂贵的单件设备。有关气力输送系统的设计需要确 认所需气体流量和压力,是正压还是负压,保证输送的可靠和有效。为了确保有效的设 计,有必要了解管道内流动的压缩空气基本原理,连同一些特殊设备要求,比如气体干 燥机,冷却机,滤油器等等。 气力输送时物料
10、和输送气体的状态较为关键。输送系统问题的产生主要是由于喂料 装置特性和原动力机械与(或)管道输送特性之间的不匹配引起的,这将在后面的章节 提到。 将物料喂入管道的主要问题在于喂料装置通常面临管道与储料仓之间存在的压差。 图 3 显示三种把物料从料仓送入有压力管道的喂料装置。它们均能连续运行,并能控制 物料进入管道的流量。同时显示于图3 的是一种吸嘴,用来将物料导入真空气力输送系 统。 传统的旋转喂料器适用于喂料仓与管道间的最高压差在80kPa 或 100kPa 时的场合 (取决于阀体的设计) 。 旋转给料器的主要喂料问题是由于阀体的空气泄漏而导致物料难 以填充转子格腔。正确的下料装置能防止这些
11、问题,同时也要看处理物料的料性。为给 定的产量选择合适尺寸的旋转给料器是最基本的,不合适尺寸的旋转给料器会引起气体 泄漏从而导致下料困难并使管道内气体流动不稳定。新式的旋转给料器能够承受 300kPag的压力。这些阀特别适用于密相低速的输送场合。 文丘里喂料器的压力在喉部是降低的,连同重力一起,促使物料进入输送管道。这 种类型的喂料器仅仅适用于压力约为10到 20kPag的低压供气。一些系统中的螺旋喂料 器能够用来连续喂料到压力上限为250kPag的输送管道。螺旋喂料器的动力要求是很高 的,对某些物料的破碎也是一个问题。 许多用于正压系统的喂料装置同样适用于负压系统。一套负压系统独特的喂料装置
12、 是吸嘴,它有许多不同型式。对于细粉主要导入辅助空气稀释物料防止管道的堵塞。这 些吸嘴是由同心管道组成的;内管用来输送气固混合体,外管确保粒子良好的带走。由 于在物料粒子间有足够的空隙允许气体通过,粗糙的粒子就能够被常规的末端开口的吸 嘴“拾起”。 29 如图 2 所示,当物料喂入管道时,它们基本处于静止状态,需要采用有大动量的输 送介质来提高物料速度。 将物料的速度提升到最终或末端速度需要有一定的管道长度(通 常是有足够长度的水平或垂直的直管段) 。一旦加速,物料就进入由管道、 弯头、变径管、 换向器等组成的输送区域。管道材质的选择取决于诸如输送压力要求、物料磨损性和物 料物理性质等因素。
13、由于弯头引起流动方向的改变, 故而物料通过弯头的时候将会减速。 弯头出口处有必要增设一再加速区域。 旋风分离器和袋式除尘器是普遍应用于管道末端气固分离的装置,如图4 所示。它 们通常安置于受料仓的顶部。这些设备能够连续操作。旋风分离器对于分离湿的或是无 尘的粒料是很有必要的;纤维过滤系统对于分离含尘物料或细粉是必要的;而对于粒度 分布较为宽广的物料来说,卸料到受料仓顶上安置的旋风分离器中并让含尘气体通过过 滤器;间歇运行的过滤器须由机械振动清扫,而脉冲反吹清扫对于连续运行是更为合适 的。 4、气力输送的型式 气力输送系统可分类为不同的流动型式。其中两种主要型式是: (a) 稀相输送; (b)
14、密相输送。 每种流动型式可按物料与空气的流量比率大小分类,其比率也被称为“固气比”: 1 * fsm mm(1) 然而,由于物料密度(s)和堆积密度( b)存在大量的变化,对于气力输送系 统的概括性定义或比较来说,难于采用m*。虽然如此,许多稀相的运行的范围为 015。图 5 所示的是典型水平流动模式示意图。稀相输送可 以被认为是一种完全的悬浮流,而密相输送通常被认为是非悬浮流。然而,如图 5 所示, 许多不同种类的密相(非悬浮流)依靠散料的料性和流动特性存在。密相输送同样也能 被定义为输送物料完全填满管道截面的一种输送方式。 稀相系统通常需要使用大量的高速气体。气流依靠升力和推动力以离散粒子
15、的形式 携带着物料。参考图 5 中所述的“悬浮流”。 稀相系统是最为被广泛应用的气力输送系统。 由于稀相系统设计的相对简单性,它们同时也被频繁的应用在工业领域。 30 输送气体的速度减少到比保持粒子悬浮状态的临界值更小时,导致物料在输送管道 的横截面形成不均匀的分布。临界气体速度被称为是水平输送的跳跃速度,垂直输送时 堵塞。当水平管中的物料表面气体速度低于突变速度时,输送将会以低流量通过管道横 截面的上部,在管道的剩余部分以高浓度低速度的形式填充。有时沿管道的横截面会被 填满,而有时只是部分被填满。对于一些物料来说,在这些工况下输送将会导致巨大的 力作用在管道上,使建筑物晃动,让输送变得极其嘈
16、杂。 密相输送模式会在稳定的沙丘状流动到低速栓流间变化(如图 5) , 取决于气体流速、 料性、输送量、管道粗糙度和直径。 气力输送系统也可以按照提供气源的原动力机械的类型来分类。例如, (a) 运行压力在 20kPag到20kPag之间的风机系统(例如负压或者正压系统); (b) 运行压力在 50kPag到100kPag之间的正排量罗茨风机; (c) 运行压力最高到 300kPag的单级压缩机; (d) 运行压力可到 800kPag的高压压缩机。 5、基本气力输送系统 下列的系统或许是稀相或许是密相输送系统。正压系统(图6)可称得上是最广泛 的气力输送装置。 正压系统非常适合于多个卸料点的场
17、合,在单一点获取物料后输送到几个受料仓。 正压系统也能被设计为多点受料。 正压系统要求喂料装置能够将储存在压力为大气压的料仓内的物料导入有压力管道 中。根据输送距离、运行方式等等,运行压力高于500kPag的系统应选用正压系统。一 台能够经受输送压力的有效的喂料装置对于正压输送系统的正常运行是很有必要的。 负压气力系统(图7)通常使用于将物料从几个投料点集中送到一个受料点这些系 统在输送距离和输送量上有限制,最大可达到的压降大约是50kPa。由于负压系统可以 无尘喂料故也能用作有毒或有害物料的输送,任何管道的泄漏正常情况下都不会导致环 境的污染。罗茨风机需要过滤装置以高度有效的保护,风机却无如
18、此严格要求。 对于环境保护的日益增长的意识使得负压气力输送系统得到普遍的应用。这些系统 的大小从小型的工业用移动清洁器到输送上限为1000t/h 的船舶卸料系统(图8) 。 将负压系统和正压系统的优势组合而成可得“吸吹”系统(图9) 。保持吸送管线尽 31 可能的短就能提供有效的物料输送系统。实践证明真空系统和正压系统的流动力学存在 着差异。确保负压和正压系统成功输送所需的“安全”表面空气速度的比较在表2 中可 见。注意这些速度仅仅涉及稀相输送。 表 2 不同堆积密度的物料在正压和负压系统中最小速度的比较(稀相)5 如图 10 所示,在闭环系统中输送气是循环的。 此系统用来输送有毒或放射性物料
19、是 非常合适的。同样,此项技术允许输送气,比如氮气,在输送爆炸性物料时可循环。 到目前为止有关的采用通风机、鼓风机和压缩机的低压系统都能连续输送。充气罐 是高压系统的基本组成部件,能够运行在高达500kPag的压力(在某些特殊场合甚至能 够达到 5000kPag ,比如气化煤)。这样的系统(图11)是“间歇”型。这些系统具有能 够同时适应稀相和密相输送的优点。对这些系统来说,充气罐是喂料装置,经过喂料器 相关的压差问题已经被消除了。充气罐作为喂料装置,物料的磨损和腐蚀现象减少了。 对于充气罐系统而言,物料输送是不连续的。为了在一个输送循环中获得同等的连续输 送量,输送量必须设置得更高些, 如图
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