气力输送发展

气力输送的发展蒋存刚李勇(青岛科技大学机电学院266042)摘要:本文主要介绍了气力输送的发展及其特点，这种技术是极有应用前景，同时指出，气力输送的压降分析在气力输送设计中的重要性，并且讨论了气力输送的压降计算公式和未来的研究方向。关键词:气力输送压降发展中图分类号：TQ022.3文献标识码：B引言管道气力输送、管道水力输送和集装物容器式管道输送技术均是方兴未艾的新学科和边缘学科，它们是利用有压气体或液体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或用容器车等输送成型物品。这三种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。直到现在，不管是在理论方面还是在实际应用方面，许多问题远未得得到很好地解决。管道物料输送技术属于两相流技术，它有别于输水、输气和输油等单相流输送，是气固、固液或气固液两相流或多相流。粉体的气力输送是利用气体为载体,在管道或容器中输送粉体物料的一种方法，在气力输送中，混合介质是气体和粉粒体，一般使用的气体是空气,当要求输送的物料不能被氧化时,使用氮气或惰性气体,因而属于气固两相流。1.气力输送研究的发展1.1国外的发展气力输送技术已有一百多年的发展历史。早在1810年Uedhu-rst就提出了邮件气力输送方案，1824年Vallanse最先建立了气力输送实验装置。1853年欧洲出现第一个气力输送装置，但由于当时科学技术和工艺水平的限制，气力输送技术在较长的时间内没能得到广泛的应用。只局限于某些大码头上的装卸。1924年Gasterstaedt研究过气固悬浮体管内流动。但是许多经验和研究成果分布在各个部门，交流不多。有意识的总结归纳所遇到的各种现象，用气固两相流的统一观点系统地分析和研究，则是1940年后才开始。两相流（two-phaseflow）的名词在1949年才见诸文献。五十年代以后论文数量显著增加，内容包括两项流边界层、流态化技术、激波在两相流混合介质中的传播、空化理论、喷管理论等。1956年Ingebo研究了颗粒群阻力系数试验公式。1961年Streeter主编的流体力学手册有专门的一节介绍两相流。六十年代后，越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。早期的工作有Marble、Murray、Panton等。20世纪60年代，英国Bradford大学的Dr.Williams建立了粉粒技术研究院；并创刊了PowderTechnology杂志。Cambridge大学的J.F.Davidson和D.Harrison1971年出版了Fluidization.Klinzing在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究，Tsuji,Y在气力输送气固两相流动的数值计算方面作了大量的工作。Zenz就气-固流动特性进行了广泛的研究，提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式，前苏联学者克列因、高尔得什琴、李克洛夫斯基等对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础，进行了散粒体结构力学的基本问题研究，包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。井尹固赫、俊腾获得了在水平输送线上固体和气体的速度分布，Wen对水平中曳力和压降进行了实验研究，提出了气固存在滑动。1970年，日本学者久保辉一郎、水渡英二，对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。1985年，近尺正敏、金槔孝文针对颗粒间作用力进行了深入地研究。上潼具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法，建立管道颗粒流动的运动模型，试图得到一种解析解，建立了许多不合理的假设，分析了可利用的理论速度，但与实际情况相差很大，其方法不适用于非均匀悬浮流管流。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动，以及考察含有颗粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息，如探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等，关于这方面的研究成果，有1965年Einstein的有效粘性理论，1975年Tchen提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论。颗粒流的研究得到了迅速的发展，这方面Savage、Lun等都做出了相应的论述。VonKarman学院的Lourenco等人所进行的气固两相紊流运动模型的研究有独特的地方。将固相与稀薄气体分子运动相比拟，用方程描述，而气相用连续介质模型描述。对稀相管道紊动两相流，所应用的运动模型的数值计算结果与实验能够很好符合。两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观和宏观描述两相流动。1.2国内的发展我国的散料及气力输送技术的研究起步较晚，80年代，在中科院化冶所郭慕孙院士的倡议下，我国成立了“中国颗粒学会”。中科院化冶所、清华大学、西安交通大学、浙江大学、大连理工大学、同济大学、上海海运学院、山东建材学院等单位在散料颗粒学及气力输送技术方面作了一些有益的工作。1978年，中国科学院化工冶金研究说的李洪钟，就垂直气力输送压强降计算方法进行了深入地研究。1980年，华东化工学院的杨伦对脉冲气刀式栓流密相气力输送进行了研究。1987年，樊建人，岑可法等在单元内颗粒源模型的基础上，提出了脉动频谱随机轨道模型，该模型采用湍流双方称模型求解气相湍流速度场，并用随机的傅立叶级数来模拟气流的脉动速度，但该模型需要给出三维空间中颗粒场的详细信息。1988年陈越南、杨晓清对SIMPLE方法作了推广，提出了一种求解二维湍流稀相气固两相流动的数值方法。1992年，陆厚根和马魁用两个形状指数，来表征粉煤灰颗粒形貌。1990年上海海运学院的余达银等对气力输送进行的优化设计，1992年，余洲生又对长距离水平输送进行了有益的探讨。1996年，清华大学的魏飞、陈卫、金涌、俞芷青就气固并行系统中弥散颗粒混合行为进行了系统的研究。应用磷光颗粒示踪技术，研究了气固并行系统中弥散颗粒的轴、径向混合行为，给出了在实验条件下气固并流上并行系统弥散颗粒的轴、径向Peclet数的关联式。1996年，北京科技大学的洪江、沈颐生等就低气速高混合比水平气力输送临界速度进行了较深入地研究。1998年，陈利东、沈颐生、仓大强又对浓相气力输送的流型及稳定性判定进行了实验研究，提出了一种检测流型稳定性的方法。1999年，西北工大的魏进家等，利用两相湍流KET模型对900弯管内气固两相湍流流动进行了数值模拟，得到了弯管内两相流动的一些规律。2.气力输送的分类气力输送及相关技术广泛应用于建材、化工、粮食、冶金、采矿、环保、轻工、能源等部门，并且往往成为设备的经济安全稳定运行、开发新的工艺流程、发展新型气固输送的关键技术。在工厂车间内部和建筑、公路、铁路、传播的运输作业中，对各种份末状、颗粒状。纤维状、和叶片状的物料，如水泥，石灰，面粉、谷物、煤粉、炸药、化肥、化工原料、型砂、棉花、羊毛、烟丝、茶叶、炭黑、木屑等，越来越广泛地采用散料的存贮和气力输送的方式。气力输送和其它设备相比具有一系列的优点：生产率高、设备的构造简单、管理方便、自动化程度高、节省劳动力、易装载、防潮、防污染。特别是在车进内部应用时，可将输送过程和工艺过程相结合，简化工艺过程和设备。如水泥有袋装改为散装，是用气力输送罐车后，可提高劳动生产效率20倍；改善劳顿条件，减少水泥粉尘外卸，防止污染环境。管道气力输送技术属于气固两相流，已有一百多年的，然而直到现在，由于其机理的复杂性，只到现在还没有建立一套完善的理论，大多数设计的及使用的输送系统都是建立在实验的基础上，这导致了其理论的发展远远落后于其在工业上的应用。随着我国工业，农业现代化的进程，物料的搬运日趋频繁，特别是在化工、钢铁、冶金等企业中，大部分动力消耗于原料和制成品的运输,因此迫切需要寻找一些经济、省力的搬运方式。对于粉粒的搬运，气力输送是一种最为经济、省力、便于实现自动化的搬运方式。近些年来，在工厂车间内部和建筑、铁路、船舶的运输作业中，对各种粉沫状，颗粒状、纤维状和叶片状的物料，如面粉、水泥、谷物、煤、粉煤灰、铝矾土、石灰、化肥、型砂、棉花、羊毛、烟丝、茶叶、炭黑、等，越来越广泛地采用了气力输送的方式。气力输送是指利用气体为载体，利用气体前后压差产生的压降提供能量来连续地输送管道中的物料的一种工艺。气力输送一般分为两大类，吸送式和压送式，它们各有各的优点和缺点。物料在输送管道中的流动状态实际很复杂,主要随气流速度、气流中的物料量和物料本身特性等的不同而变化。通常,根据输送管道中压力是正压还是负压将其分为吸送式和压送;除此之外,根据气流速度的大小及物料量的多少,物料在输送管道中的流动状态也可分为两大类：一类为悬浮流,物料颗粒依靠高速气流的动压而被推动；另一类为栓流,物料颗粒依靠气流的动压或静压而被推动。气力输送系统的分类方法还有：按在输送管道中形成气流的方法,按输送压力的高低,可分为高压式和低压式；按发送装置的不同,可分为机械式和仓压式；按输送管的配置形式,可分为单管输送和双管输送,双管输送又分为内旁通道式和外旁通管式；按气源提供方式的不同,可分为连续供气和脉冲供气。2.1吸送式气力输送系统吸送式气力输送简图见图（1），气源设备在系统的末端。当风机运转后，整个系统形成负压，管道内外产生压差，空气被吸入输料管道。物料也从吸嘴被空气带入管道，通过管道进入分离收集器，然后物料通过旋转供料器进入储料罐，而空气则通过收集器中的过滤设备从风机中排除。图（1）2.2压送式气力输送系统压送式气力输送见图（2）。气源在输送设备的前端，因此，物料进入输送罐必须使用有密封压力的供料装置。一般在低压时，使用的是旋转供料器；高压时，使用流化罐。物料通过阀门进入输送罐，再通过蝶阀进入流化罐，通过量位仪或者称量秤控制其进料量，当达到要求后，蝶阀关闭，通入空气使物料流态化，开启流态化下端的阀门，通过空气将物料和空气的混合物压入管道。图（2）3.气力输送的特点3.1优点1、与其他散状固体物料的输送设备相比,气力输送系统是小颗粒固体物料连续输送最合适的输送设备,同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁路车辆和货船输送至贮仓。2、可充分利用空间。带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机械实质上是朝一个方向输送,而气力输送系统可以向上、向下或围绕建筑物、大的设备及其他障碍物输送物料,其输送管可高出或避开其他装置或设备所占用的空间。3、所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类似于流体设备的操作,因此大多数气力输送关系很容易实现自动控制,由一个中心控制台操作。4、与其他散状固体物料的输送设备相比,其着火和爆炸的危险性小。5、设计比较好的气力输送系统常常是干净的,并且消除了对环境的污染。在负压输送时,任何一处的空气泄漏都是向内的,因此物料的污染就可限制到最小。6、输送物料可以散装,操作效率高,包装和装卸费用低。7、设备简单,占地面积小,可充分利用空间,设备的投资和维修费用少。8、可以实现由数点集中送往一处，或由一处分散送往数点的远。9、对于化学性能不稳定的物料，可以采用惰性气体输送。10、利于安全生产，改善车间卫生条件，防止灰尘、粉尘的外扬，有利于环境保护。3.2缺点1、与其他散状固体物料输送设备相比,气力输送系统动力消耗较大,特别是稀相气力输送系统。2、使用受到限制。气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还需要能自由流动的物料。如果成品不允许破碎,则脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相气力输送。除非是特殊设计,否则易吸潮、结块的物料也不宜采用气力输送系统。易氧化的物料不宜用空气输送,但可以采用带有气体循环返回的惰性气体来代替空气。3、输送距离受到限制。至目前为止,气力输送系统只能用于比较短的输送距离,一般小于300ｍ,对较黏的物料则更短,例如炭黑,目前只能输送250ｍ。4、物料特性如堆积密度、粒度、硬度、休止角、磨琢性等的微小变化,都能造成操作上的困难。4.管道中物料流动方式物料在管道中的流动一般分为两种方式：一种为稀相悬浮流，另一种为密相输送。在密相中大致又分为四种：连续密相流、有沉积层栓流、无沉积层栓流和沙丘流。还有一种是介于密相和稀相流之间的带沉积层的悬浮流。在这几种流动中，带沉积层的悬浮流所需要的压降最低，而连续密相输送和高气速稀相输送所需要的压降最大。它们的分布及气速和