董中華

（拜耳材料科技(中國(guó))有限公司)

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氣力輸送系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)

董中華*

（拜耳材料科技(中國(guó))有限公司)

介紹了散裝物料的氣力輸送技術(shù)，并對(duì)氣力輸送系統(tǒng)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。

散裝物料氣力輸送設(shè)計(jì)輸送壓力氣流速度壓力損失輸料管

0　引言

輸送散裝物料有多種方式，如帶式輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)和振動(dòng)輸送機(jī)等。相比這些輸送方式，氣力輸送經(jīng)常是一種更實(shí)際和更經(jīng)濟(jì)的物料輸送方式。其原因如下：（1）氣力輸送系統(tǒng)的安裝和操作較為經(jīng)濟(jì)。 （2）氣力輸送系統(tǒng)是個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，如果需要，可以設(shè)計(jì)為沒有任何運(yùn)動(dòng)部件與被輸送物料接觸。因?yàn)槭敲荛]系統(tǒng)，運(yùn)行起來相對(duì)干凈和環(huán)境友好，也更易維護(hù)。（3）對(duì)于后期的路徑改變和擴(kuò)展，較為靈活方便。

1　氣力輸送分類

從壓力方面來分，有負(fù)壓輸送和正壓輸送。

負(fù)壓輸送的優(yōu)勢(shì)：

（1）可以從幾個(gè)源頭點(diǎn)到一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，即多對(duì)一；

（2）在環(huán)境壓力下，喂入裝置簡(jiǎn)單 （正壓輸送通常需要旋轉(zhuǎn)閥）；

（3）輸送氣體無需冷卻處理。

正壓輸送的優(yōu)勢(shì)：

（1）可以從一個(gè)源頭到幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，即一對(duì)多；

（2）物料的目標(biāo)接受裝置為常壓設(shè)計(jì)，較為簡(jiǎn)單；

（3）可以采用高的輸送壓力 （6×105Pa或者更高，而負(fù)壓輸送壓力最大不超過-1×105Pa）；

（4）可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的輸送；

（5）可以采用較小直徑的管道；

（6）適合用密相輸送。

從物料在輸送氣體中的形態(tài)來分，有稀相輸送、沉底流輸送和密相輸送。各種輸送方式的對(duì)比如表1所示。

2　氣力輸送系統(tǒng)構(gòu)造

圖1所示為典型的正壓氣力輸送系統(tǒng)構(gòu)造，該系統(tǒng)的各組成部件如表2所示。

表1　各種輸送方式的對(duì)比

圖1　正壓氣力輸送系統(tǒng)

表2　正壓氣力輸送系統(tǒng)各組成部件

3　氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟如圖2所示。

圖2　氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟邏輯圖

（1）指定物料

物料的堆密度對(duì)于確定系統(tǒng)部件的大小很重要，例如確定旋轉(zhuǎn)閥大小和料倉(cāng)容積。透氣性影響輸送模式和所用到的最小氣流速度。物料的硬度影響系統(tǒng)部件的磨損性。

（2）指定物料質(zhì)量流率Mp

物料質(zhì)量流率Mp一般為一段時(shí)間內(nèi)的平均值，其單位為kg/h或t/h。對(duì)于連續(xù)輸送系統(tǒng)，設(shè)計(jì)值等同于平均值；對(duì)于批次發(fā)送系統(tǒng)，考慮到批次之間時(shí)間段內(nèi)無物料輸送，設(shè)計(jì)值須高于平均值。

（3）指定輸送距離

確定輸送距離時(shí)，需要全面考慮每段的水平距離、垂直距離、彎頭的角度、彎頭的曲率半徑等。

（4）選擇管徑d

對(duì)于確定的物料輸送量，管徑是主要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。初次管徑是個(gè)估猜值，如果某些因素表明初次管徑是不可接受的，則需要重新選擇。

（5）選擇輸送壓降

與管徑類似，初次壓降也是個(gè)估計(jì)值。如果初選值受限于最大負(fù)壓或低壓系統(tǒng) (如系統(tǒng)提供不了這么大的壓力)，則需要重新選擇。

（6）選擇輸送線入口氣流速度C1

氣力輸送的工藝設(shè)計(jì)就是要弄清楚三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：管徑、所需氣體的氣量和壓力。因此確定輸送氣體的速度很有必要。在物料喂入點(diǎn)輸送氣體的速度，即入口氣流速度C1，不是估猜值，它是依據(jù)物料特性得出來的。

對(duì)于稀相輸送，最小的氣流速度Cmin通常大于10 m/s。對(duì)于水泥，Cmin為10～11 m/s，對(duì)于顆粒鋁為13～14 m/s，對(duì)于砂糖為16 m/s。Cmin主要取決于粒徑大小、粒子形狀和粒徑分布。對(duì)于密相輸送，很多物料的Cmin可以低至3 m/s。設(shè)計(jì)時(shí)，入口氣流速度C1通常取最小氣流速度Cmin的1.2倍。

不建議采用最小氣流速度設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)余量可彌補(bǔ)物料流量波動(dòng)的影響。物料流量波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓力增加，從而導(dǎo)致氣體流速略微減小。這是因?yàn)闅怏w具有可壓縮性，同時(shí)設(shè)備還可能漏氣，如旋轉(zhuǎn)閥。

在密相輸送中Cmin取決于固氣比，在此情況下，需估計(jì)一個(gè)初始值。在設(shè)計(jì)過程中，需要執(zhí)行檢查和反饋。

（7）計(jì)算氣體質(zhì)量流率Ma

式中S——管道的截面積，m2；

ρa(bǔ)——?dú)怏w密度，kg/m3；

p1——輸送線入口壓力，kPa；

T1——輸送線入口溫度，K；

R——?dú)怏w常數(shù)，R=0.287 kJ/（kg·K）。由式 （2）可得

式中 d——管道內(nèi)徑，m。

（8）計(jì)算固氣比

固氣比μ是物料質(zhì)量流率和氣體質(zhì)量流率的比值，是個(gè)無量綱量。Mp的單位kg/h，Ma的單位kg/s。氣體的密度隨著壓力變化而變化，因此輸送氣體的體積流量也可能沿著輸送管線而變化。固氣比是個(gè)重要參數(shù)，旨在描述物料在輸送管線中的濃度，其值是個(gè)不變量。

（9）檢查輸送壓降Δp

此時(shí)，所有主要參數(shù)值已經(jīng)獲得，因此可以檢查輸送系統(tǒng)的壓力降。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，求解出整個(gè)系統(tǒng)的壓降，然后與第5步的值進(jìn)行比較。如果不相同，則回到第5步。系統(tǒng)壓降的計(jì)算有不同的數(shù)學(xué)模型[1-3]。下面介紹一個(gè)常用的計(jì)算方法。

①管道中純空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Δpa

式中λa——純空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù)；

l——管道長(zhǎng)度，m；

d——管道內(nèi)徑，m；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

va——?dú)饬魉俣?，m/s。

λa值主要取決于雷諾數(shù) （，u為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度）。在工程設(shè)計(jì)時(shí)按經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算，可以滿足要求。

②管道中粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Δpp

式中μ——固氣比；

kp——由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料分析，kp一般隨輸料管管徑及顆粒直徑的增大而增大；水平輸料管中的kp值較垂直輸料管中的kp值大。隨著輸送氣流速度的增大，kp值減??；當(dāng)輸送氣流速度增大到使物料完全處于均勻懸浮狀態(tài)時(shí)，kp值基本上為常數(shù)。此外，kp尚與物料的形狀和懸浮速度等有關(guān)，而與固氣比無關(guān)[1]。如無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，kp可按下式估算：

式中ρm——物料的堆密度，t/m3；

C——顆粒的阻力系數(shù)，對(duì)不規(guī)則形狀的物料，C=Cd漬；

Cd——當(dāng)量圓球顆粒的阻力系數(shù)，根據(jù)Re值由圖查得[1]；

漬——顆粒的形狀系數(shù)，由表選取[1]。

對(duì)于彎管中的壓力損失取彎管的當(dāng)量長(zhǎng)度[4]。

③ 顆粒加速壓力損失Δpacc

式中孜——加速壓力損失系數(shù)，

vm1——物料處在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的速度;對(duì)于垂直管道，vm1=va-vt，vt為物料懸浮速度，m/s；對(duì)于水平管道，vm1= (0.70～0.85)va；

vm2——加速區(qū)物料初速度。

由垂直向水平方向過渡的90°彎管，彎管出口的顆粒初速度比進(jìn)口的速度約減小1/3～1/5（其中大的數(shù)值適用于重和大的顆粒，小的數(shù)值適用于輕和小的粉末）；由水平向垂直方向過渡的90°彎管，出口的顆粒速度比進(jìn)口的速度約減小1/2～1/2.5。

若物料在加速區(qū)段的初速度為零 （例如物料喂入點(diǎn)），則孜=2vm1/va。

④提升壓力損失Δph

式中vm——垂直管內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

h——垂直管高度，m。

⑤ 其他壓力損失Δpmisc

其他壓力損失有排氣壓力損失以及經(jīng)過換熱器、過濾器、旋風(fēng)分離器等設(shè)備的壓力損失等。

壓力降與氣體密度有關(guān)，而氣體密度又與壓力有關(guān)。輸送系統(tǒng)壓力降的計(jì)算需要將系統(tǒng)劃分成多個(gè)單元。每個(gè)單元內(nèi)，認(rèn)為其氣體密度是個(gè)不變值，計(jì)算出該單元的出口壓力和出口速度，作為下個(gè)單元的入口條件。

（10）重新指定物料的質(zhì)量流率

如果步驟9中檢查發(fā)現(xiàn)，壓降接近初始估計(jì)值，這樣返回第5步，選擇一個(gè)新值即可。如果檢查發(fā)現(xiàn)偏差很大，就有可能需要按照一個(gè)完全不同的系統(tǒng)來考慮。例如，初始?jí)航倒烙?jì)值是8×104Pa，檢查發(fā)現(xiàn)計(jì)算值比初始值大2～3倍，這就需要考慮更改系統(tǒng)。在8×104Pa情況下，適合用低壓旋轉(zhuǎn)閥和羅茨風(fēng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)。在高壓下，系統(tǒng)就要基于壓力發(fā)送罐，或高壓旋轉(zhuǎn)閥、螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。如果采用壓力發(fā)送罐的不連續(xù)操作系統(tǒng)，物料的質(zhì)量流率就需要修改，見步驟2中描述。

（11）重新選擇管徑

如果步驟9中計(jì)算的壓降不能令人滿意，同時(shí)第10步中重新選擇也不能接受，就有必要選擇其它管徑。例如，設(shè)計(jì)受限于低壓連續(xù)運(yùn)行，那么就必須選擇較大的管徑。分析從第4步重新開始。

（12）計(jì)算功率

之前，已經(jīng)評(píng)估了系統(tǒng)所有的參數(shù)，現(xiàn)在可以計(jì)算系統(tǒng)的功率，從而獲得系統(tǒng)運(yùn)行的大致成本。關(guān)于精確的功率值，需要咨詢?cè)O(shè)備制造商?？梢杂檬?（12）快速估算出功率，該式是一種基于等溫壓縮過程的簡(jiǎn)化模型。

式中Ma——?dú)怏w質(zhì)量流率，kg/s；

pi、po——壓縮機(jī)入口、出口絕對(duì)壓力，kPa。

（13）系統(tǒng)重新評(píng)估

對(duì)于相同的輸送量，可以有多種不同管徑和壓力降的組合。同時(shí)對(duì)于兩套不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合的系統(tǒng)，所需功率也可能不同。此步驟用于全面評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)，選擇最合適的參數(shù)組合。

（14）確定需要的管徑和氣量

工藝設(shè)計(jì)的最終要求是確定需要的管徑和氣體供給單元的規(guī)格。

4　結(jié)語

本文介紹了散裝物料的氣力輸送技術(shù)，并對(duì)氣力輸送系統(tǒng)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，一項(xiàng)重要的工作是計(jì)算輸送壓力降。氣力輸送的設(shè)計(jì)計(jì)算依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和以往的經(jīng)驗(yàn)。

[1]運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)編輯委員會(huì).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè) (上冊(cè))[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999: 696-697.

[2]Amrit T Agarwal.Theory and design of dilute phase pneumatic conveying systems[J].Powder Handling& Processing，2005,17(1):18-19.

[3]David Mills,Mark G Jones,Vijay K Agarwal.Handbook of pneumatic conveying engineering[M].New York: Marcel Dekker,2004.

[4]化學(xué)工業(yè)部.HG/T 20570.7—1995管道壓力降計(jì)算[S].北京，1996：170.

Introduction and Design of Pneumatic Conveying System

Dong Zhonghua

The pneumatic conveying technology of the bulk material,as well as the configuration and the design procedure of the pneumatic conveying system are elaborately introduced.

Bulk material；Pneumatic conveying；Design；Feed pressure；Gas velocity；Pressure loss；Conveying pipe

TQ 051.21DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.002

2015-10-18)

*董中華，男，1981年生，碩士。上海市，201507。