粉体密相气力输送理论与技术进展

  从流动形式来分，密相气力输送可分为栓塞式气力输送及非栓塞式密相气力输送两种。非栓塞式密相气力输送主要是密相动压输送，物料在管道内非均匀分布，成密集状态，但管道并未被物料堵塞，因而仍然是靠空气动能来输送。一般气流输送速度为8～15m/s，固气比范围一般在30～70之间［1］。栓塞式气流输送一般是密相静压输送，是指物料在输送管道内堆集成料栓。料栓之间充满了空气，完全依靠两端的静压差推动前进。这种输送方式气流速度在8m/s以下，输送压力一般为0.2MPa左右，固气比在25～250之间［5］。

  (3)流化罐式气力输送：这种技术是将物料装于密闭的罐中，进行充气流化，而后进行压送。从输送实例来看，所使用的平均压力一般是0.2～0.3MPa，固气比为20～60。

  (4)紊流双套管系统［7］：未解决输送管道时常被物料堵塞的问题，在输送管道内加了一个较细的内套管，内套管沿途开了很多的小孔，此内套管无任何压缩空气供给设备。当主管被堵塞时，主管中的空气被迫通过小孔进入内套管，从内套管的下一个小孔喷出，吹开堵着的物料，使输送接着来进行。输送管道内始终处于高度紊流状态。在国外，几乎所有的单仓泵都装备了这种系统。这种系统适用于短距离输送，固气比可达到100，管内空气的起始流速为2～6m/s，适合输送松散比重为0.5～1.5g/cm3，粒径为20～200μm之间的物料。

  (3)脉冲气刀式栓流输送系统［3］：这种系统是在输送管道的开始端用脉冲空气来切割物料而成料栓，如图3所示。此系统的特点是固气比高、料速低。就输送水泥为例，固气比可达到145，工作所承受的压力在0.1～0.2MPa之间，气流速度为3～10m/s，其技术指标是十分优越的。但是，此系统中的电磁阀等元件损坏较快。另外，目前大部分的此类系统还不能够实现连续输送。

  (1)螺旋气力输送泵：主要是由节距逐渐减小的螺旋输送机及喷气室组成。输送压力大约0.2MPa，固气比约为30～40，输送速度在10～20m/s之间。

  (2)仓式泵：也称发送罐式气力输送装置，在水泥工业中应用最多的是下送料式发送罐，也就是单仓泵系统。这种系统的料罐与输送管道通过牛角变径管连接，并在牛角变径管尾部引入输送空气。在实际应用时，输送压力通常是0.5MPa左右，固气比为10～30之间，而且单仓泵是间歇输送。

  K.Komard和Davison，富田上潼研究了典型栓流的流动机理，建立了流动模型。森川和迁裕等则对内重管式栓流即非典型栓流的流动机理提出了自己的见解，并建立了重管栓流的流动模型。

  通过考查前人的流动机理及模型，发现基本上在水平管密相输送的流动模型及机理研究上达成如下几点共识(如图2所示)：

  总的看来，非栓塞气输送装置在实际应用中，固气比一般在30～70，气流速度为8～15m/s之间，相对于栓塞式气力输送来讲还是有一定差距的。

  栓流气力输送中，如何制栓是一关键技术。60年代以来，国内外学者开发了众多的制栓方法，主要有机械成栓及气力成栓两种。机械成栓法主要有挤压式、微料罐式、阶梯管式、旋转成栓器、料栓再生管、球式栓流输送等。气力成栓法则有内重管式、外重管式、螺线管式、脉冲气刀式等几种成栓方法。由于气力成栓相对机械成栓而言简单的多，控制也容易，因此密相气力输送多采用气力成栓法。用气力成栓法的密相气力输送装置有单栓塞输送系统、重管式栓流输送系统及脉冲气刀式栓流输送装置。

  综述了密相气力输送的理论，并对目前开发的密相气力输送装置进行了介绍，分析了各种各样的形式装置的技术指标及性能，为加强完善密相输送理论和开发新型密相气力输送装置奠定了基础。

  (3)气力输送时，物料充满管道的一个或多个断面时，可以认为是密相气力输送；

  (4)Dixson等认为：对于水平输送，气体量不足以使所有物料处于悬浮状态时，可认为是密相输送状态；对于垂直输送，有颗粒回落现象，即可认为处于密相气力输送状态；

  本世纪初，不一样的行业的学者开始研究密相气力输送，对其流动模型及机理进行了探讨，取得了许多有价值的成果。

  大部分理论和实验对非栓塞密相气力输送考虑的是完全悬浮流，但Myler和Klinizing的实验发现，即使在稳定的水平管稀相流动时，上层固体质量流率与下层相比也不应忽略。而且Konard与洪江等发现，输送管道内存在着滑动床与悬浮层，并建立了水平气固分层流动模型，如图1所示。并认为，稳定分层流动时，悬浮颗粒易集中于滑动床表面，层间剪切力是滑动床移动的主要驱动力［6］。

  (1)单栓塞输送系统：这种系统只通过压力仓中压缩空气压送物料，整个输送管道只有一个料栓。输送压力大，输送距离短［1］。挪威学者Silva［8］认为目前基本上没有几种物料适合这种输送方式。

  (2)重管式栓流输送系统：这种系统有一旁通管与主管相通，通过旁通管上的小孔喷出的气流切割物料而成料栓。其工作所承受的压力在0.15～0.3MPa之间，料速为1～9m/s，固气比在20～100之间。

  为了解决输送管道堵塞的问题，研究人员开发了二次空气系统，如图4所示。此系统是通过压力传感器测定堵塞位置，并将信号反馈给自动控制系统，然后二次空气的阀门打开，使高压空气进入管道进行吹堵。这种系统的运作情况很好，但由于沿管道装备了许多压力传感器及阀门，此系统的造价偏高［8］。

  本世纪初，尤其是六、七十年代，密相气力输送的研究达到了高潮，不相同的领域的学者对密相气力输送的理论进行了探讨，得到了许多有价值的研究成果，并开发了形式多样的密相气力输送装置。

  关于密相气力输送的定义或密相与稀相的划分界限，至今还没形成统一的看法，很典型的主要有以下几种说法［3］：

  粉体气力输送是一项利用气体能量输送固体颗粒的古老而有效的技术，迄今已有100多年的历史。在粉体气力输送的发展历史中，尤其是近几十年，粉体的气力输送技术有了突飞猛进的进步。在稀相悬浮式气力输送方面，不一样的行业的研究者研究水平均已达到较高层次，在某些参数计算及其输送机理方面都已达成了共识。稀相悬浮式气力输送技术在建材、冶金、化工等行业有了广泛的应用。理论与实践都证明粉体的气力输送具有机械输送所不具备的优越性，如设备简单、布置灵活、易于收尘等等，但同时，这种稀相悬浮式气力输送的不足之处也逐渐引起了人们的注意，如所需功率较大，是斗式提升机的2～4倍，是带式输送机的15～40倍；管内料速快，一般约在20～30m/s，造成管道磨损十分严重；气固分离量大等［1］。这些弊端给气力输送研究人员提供了又一研究课题——开发一种能耗低、固气比大、气固分离量小、性能更优越的输送技术。近期逐渐兴起的密相气力输送技术引起了气力输送研究人员的极大兴趣。

  密相气力输送技术主要是指栓流气力输送，粉料在输送管中不再散开，而是形成料栓、依靠料栓两端的静压差向前移动，具有低速、密相及低动力指数的特点，而且由于材料的磨损与流速的二次方或三次方成正比，因此气流速度的减小大大延缓了材料的磨损。随着固气比的提高，气力输送的动力指数显著下降，是一种更理想的输送方式［2］。

  (2)料栓向前移动时，堆起前面的静止料层，同时又在其后留下一定量的物料。当料栓堆起的物料等于留下的物料时，料栓稳定输送；当这种平衡被破坏时，便可能形成长料栓或料栓破坏。

  非栓塞式气力输送技术在工业中应用十分广泛，常用的工业设施主要有螺旋气力输送泵、仓式泵、流化罐式气力输送装置及紊流双套管系统。

  4洪江，沈颐身.水平管密相气力输送压降研究综述〔J〕.化工冶金，1993，4(4)：376～387.

  5张庆今.硅酸盐工业机械及设备〔M〕.广州：华南理工大学出版社，1992.

  6周建刚，沈颐身，马恩祥.粉体高浓度气力输送控制与分配技术〔M〕.北京：冶金工业出版社，1996.

  7储松年.密相紊流气力输灰系统及工程应用〔J〕.浙江电力，1997，(2)：59～62.

  以上的几种方法，都不同程度地存在着缺陷。对于用固气比进行定义，Yokota曾精确指出，即使在相同输送方式和输送条件下，输送固气比也随物料物性、输送速度、输送距离而改变，其意义只能是相对的。其它学者Krambrook，Geldart和Ling等亦认为仅靠固气比来定义是不完善的［4］；对于用体积浓度来定义，K.Konard［3］指出堆积空隙率为70%的物料很难以物料浓度大于30%输送，因此用体积浓度来定义是有缺陷的。上述的第三种说法及第四种说法显然是有矛盾的。第四种定义的范围较广，而且所描述的运动状态又非密相输送所专有。第三种说法虽比较严格，但显然无法解释密相动压输送所反映出来的密相流动特征，因此第三种说法可能会显得过于狭窄。Zenz相图较准确地描述了气力输送的流动特征，在Zenz相图上对气力输送进行分类似显得更为明确。

  2潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备：上册〔M〕.武汉：武汉工业大学出版社，1993.

  总之，密相气力输送装置的开发，从开始至今，已出现了众多的形式，但仍存在着许多不足，在技术指标的提高及参数优化方面仍有许多工作有待进一步深化。

  (1)密相气力输送的理论研究有待进一步开展，以指导设备开发，尤其在理论参数的计算方面，定量关系式有待进一步给出；

  (2)气力输送技术应充分的利用其他相关的先进的技术，如自动控制技术、测量技术等；