宋宇宸，岳 巍，高 宇，馬建華

(中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012)

氣力輸送是利用氣流的能量，在密閉管道內(nèi)沿氣流方向通過氣固兩相流輸送固體散料，是流態(tài)化技術(shù)的一種具體應(yīng)用[1]。氣力輸送裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可作水平的、垂直的或傾斜方向的輸送，在輸送過程中還可同時(shí)進(jìn)行物料的混合、粉碎、分級(jí)、干燥、冷卻、除塵等物理操作或某些化學(xué)反應(yīng)[2]。氣力輸送的主要特點(diǎn)是輸送量大，輸送距離長(zhǎng)，輸送速度較高，輸送管道布置靈活，可由數(shù)點(diǎn)集中送往一處或由一處分散輸送數(shù)點(diǎn)[3]。

旋轉(zhuǎn)閥是一種通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使閥從開位逐漸變化至關(guān)位的機(jī)械裝置[4]，具有切斷嚴(yán)密、物料流通能力強(qiáng)、低泄漏、抗氣蝕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和物料輸送量可調(diào)的特點(diǎn)，常用于氣力輸送系統(tǒng)中的供料和卸料環(huán)節(jié)。

1 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)和工作原理

旋轉(zhuǎn)閥是一種定量輸送設(shè)備，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)閥主要由1.入口法蘭、2.出口法蘭、3.閥體、4.轉(zhuǎn)子、5.變頻電機(jī)和齒輪減速器和6.排氣口組成。其中，閥體由殼體和側(cè)蓋板組成，轉(zhuǎn)子上一般安裝6～12個(gè)均布的葉片。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)閥工作時(shí)，轉(zhuǎn)子上的葉片旋轉(zhuǎn)，物料不斷從閥上端的入口進(jìn)入葉片與閥體組成的空腔，并隨著葉片轉(zhuǎn)動(dòng)被輸送到閥下端的出口。旋轉(zhuǎn)閥通過重力流對(duì)物料進(jìn)行計(jì)量和輸送，通過電機(jī)變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來改變物料的輸送量。

2 旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 輸送量計(jì)算方法

輸送量是旋轉(zhuǎn)閥最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，理論計(jì)算公式如下[5]：

Q=60nVβρ

式中：

Q——輸送量，t/h；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；

V——旋轉(zhuǎn)閥容積，m3/r；

ρ——物料堆積密度，t/m3；

β——物料填充系數(shù)。

由公式可得，旋轉(zhuǎn)閥的輸送量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)閥容積和物料填充系數(shù)成正比。實(shí)際應(yīng)用中，物料的物性、系統(tǒng)壓差和排氣效果等因素會(huì)對(duì)輸送量產(chǎn)生較大影響，旋轉(zhuǎn)閥實(shí)際輸送量的確定需要通過實(shí)驗(yàn)修正。

2.2 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，應(yīng)避免旋轉(zhuǎn)閥剪切物料。通過合理選擇旋轉(zhuǎn)閥容積和物料填充系數(shù)，可以保證旋轉(zhuǎn)閥工作時(shí)葉片與閥體組成的空腔始終處于未充滿狀態(tài)，從而避免物料堆積到易剪切區(qū)域，并有效減少物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片與閥體的徑向間隙。

其次，閥體的進(jìn)出口段的截面也應(yīng)合理設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)閥將上游物料輸送到下游的過程中，同時(shí)會(huì)將下游的部分氣體攜帶到上游，閥體的進(jìn)出口段的截面過大會(huì)使過多氣體通過旋轉(zhuǎn)閥攜帶到上游，并會(huì)形成上升氣流影響下料。通常，將閥體的進(jìn)口段的截面設(shè)計(jì)為直通式，閥體的出口段的截面設(shè)計(jì)為漸縮式，符合物料流動(dòng)特性并減少氣體上竄。旋轉(zhuǎn)閥有時(shí)在停機(jī)后會(huì)面臨滿料啟動(dòng)工況，為了防止剪切物料和物料架橋，可在閥體的進(jìn)口段上設(shè)置棱形凸起結(jié)構(gòu)以保證下料的流暢性。

2.3 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)閥在工作時(shí)，物料通常溫度較高，閥體和葉片都會(huì)經(jīng)過溫升過程，如果轉(zhuǎn)子葉片與閥體的間隙設(shè)計(jì)過小，可能造成閥體與轉(zhuǎn)子葉片間的摩擦，摩擦?xí)茐脑O(shè)備并造成物料中摻雜金屬碎屑。旋轉(zhuǎn)閥下游的輸送氣體是通過轉(zhuǎn)子葉片與閥體間的徑向間隙和軸向間隙來密封的，如果轉(zhuǎn)子葉片與閥體的間隙設(shè)計(jì)過大，旋轉(zhuǎn)閥在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，影響氣力輸送系統(tǒng)正常工作[6]，一般將閥體與轉(zhuǎn)子葉片的間隙設(shè)計(jì)為0.4～0.6mm。

轉(zhuǎn)子上的葉片，為了保證剛度，一般需有一定厚度，葉片頂端截面面積較大，易磨損物料或卡料。可將葉片頂端做倒角處理，減小葉片頂端截面面積以減小摩擦。當(dāng)需要輸送粘性物料時(shí)，可在葉片頂部和兩端加裝刮刀，在輸送物料的同時(shí)刮下粘于殼體內(nèi)壁的物料層，可有效減小旋轉(zhuǎn)閥扭矩和操作時(shí)的噪音。當(dāng)需要輸送研磨性物料時(shí)，為了防止物料磨損殼體，如圖2所示，可在轉(zhuǎn)子兩側(cè)設(shè)置加厚側(cè)板，物料直接進(jìn)入葉片與側(cè)板形成的腔體，避免與殼體間的摩擦。

圖2 側(cè)板型轉(zhuǎn)子

2.4 軸密封設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)閥的軸始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)軸密封要求較高，需有效防止粉塵進(jìn)入磨損密封件進(jìn)而磨損轉(zhuǎn)子。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)閥一般采用氣封式軸密封，在軸密封進(jìn)氣口引入比旋轉(zhuǎn)閥操作壓力稍高的密封氮?dú)?，氮?dú)膺M(jìn)入A腔和B腔形成氣環(huán)，有效阻止閥體內(nèi)物料粉塵進(jìn)入軸密封[7]。當(dāng)輸送粉料時(shí)，還可選用迷宮密封型式的氣封式軸密封，在形成氣封的同時(shí)只有極少量氮?dú)庖绯鯷8]。

圖3 軸密封結(jié)構(gòu)

3 旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)用與工藝改進(jìn)

旋轉(zhuǎn)閥常應(yīng)用于固體散料的氣力輸送系統(tǒng)，適用于粉料和粒料輸送[9]。氣力輸送工藝流程見圖4，旋轉(zhuǎn)閥安裝在料倉(cāng)的下方，料倉(cāng)和旋轉(zhuǎn)閥之間設(shè)置手動(dòng)插板閥和氣動(dòng)插板閥，物料通過重力流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)閥，由旋轉(zhuǎn)閥定量排入氣力輸送管線輸送到下游裝置，旋轉(zhuǎn)閥和氣力輸送管線之間設(shè)置氣動(dòng)插板閥。插板閥可以將旋轉(zhuǎn)閥與上下游切斷，控制氣力輸送系統(tǒng)的排料過程的開啟和關(guān)斷，并方便旋轉(zhuǎn)閥的維修和更換。旋轉(zhuǎn)閥采用低壓氮?dú)膺M(jìn)行軸密封，氮?dú)饬髁客ㄟ^電磁閥控制。由于旋轉(zhuǎn)閥在輸送物料的同時(shí)也會(huì)將下游的氣體攜帶到上游，所以旋轉(zhuǎn)閥上需設(shè)置排氣口，旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)的氣體經(jīng)排氣口排出后進(jìn)入過濾器去除粉塵后排大氣[10]。

圖4 氣力輸送工藝流程

氣力輸送系統(tǒng)中一般有多套料倉(cāng)，會(huì)配置同樣數(shù)量的旋轉(zhuǎn)閥。對(duì)于旋轉(zhuǎn)閥排氣的處理，一般每臺(tái)旋轉(zhuǎn)閥配置一臺(tái)過濾器，或者多臺(tái)旋轉(zhuǎn)閥共用一臺(tái)大過濾器，兩種形式都需專門采購(gòu)過濾器，并為過濾器預(yù)留布置空間和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架，而且過濾器內(nèi)壓力與料倉(cāng)內(nèi)壓力有較大差異，會(huì)有較多氣體通過旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入過濾器并影響旋轉(zhuǎn)閥排料。因此，可對(duì)氣力輸送工藝流程做一定改進(jìn)。由于料倉(cāng)頂部必須配置過濾器，如圖5所示，可以將旋轉(zhuǎn)閥排出的氣體引到料倉(cāng)頂部，氣體排入料倉(cāng)后通過料倉(cāng)本身的過濾器去除粉塵，旋轉(zhuǎn)閥上部和料倉(cāng)內(nèi)的壓力相近，整體系統(tǒng)壓力平衡優(yōu)化，旋轉(zhuǎn)閥排料通暢。通過流程改進(jìn)，可以省去旋轉(zhuǎn)閥專用的過濾器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，占地減小，系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性均有提升。

圖5 改進(jìn)后的氣力輸送工藝流程

4 總結(jié)

旋轉(zhuǎn)閥是固體散料氣力輸送系統(tǒng)中的常用設(shè)備，通過分析旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)、工作原理和理論計(jì)算方法，可以研究總結(jié)出旋轉(zhuǎn)閥閥體、轉(zhuǎn)子和軸密封等主要部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，保證旋轉(zhuǎn)閥的使用性能，使旋轉(zhuǎn)閥在處理不同物性物料時(shí)可采用有針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)。此外，通過改進(jìn)氣力輸送工藝流程，可以省去旋轉(zhuǎn)閥配套的專用過濾器，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并優(yōu)化系統(tǒng)性能，減小設(shè)備占地，有效降低系統(tǒng)總體投資，為旋轉(zhuǎn)閥和氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒和參考。