(中國粉體技術網/班建偉)氣力輸送作為散裝物料的輸送已經有 100 多年的歷史,與常規機械輸運和車輛輸運相比,具有輸送效率高、設備結構簡單、維護管理方便、易于實現自動化及有利于環境保護等許多獨特的優點。
因此,氣力輸送已經廣泛應用于火電、鋼鐵冶煉和水泥等行業的裝卸貯運及粉體工程的單元操作中。另外,隨著國家對環保要求的越發嚴格,改善工業粉塵污染的現狀將極大地推動氣力輸送行業的不斷發展。
氣力輸送從出現到廣泛應用,經歷了從稀相到密相的研究轉變,促進了氣力輸送的不斷發展。就當今國內外對粉體氣力輸送的研究而言,大多仍集中于較短距離的密相氣力輸送,主要是為了解決工廠內部或工廠間的近距離氣力輸送問題,而對于長達數十公里的長距離氣力輸送系統,如電廠除灰的氣力輸送系統,由于技術限制,常采用多級接力或系統串聯的方式來實現。但在現場條件受限或征地困難的情況下,實現長距離氣力輸送仍比較困難,因此迫切需要長距離氣力輸送新技術的研究開發。
1 長距離氣力輸送技術的研究現狀
影響粉體長距離氣力輸送的兩個關鍵因素是能耗和穩定性。能耗是粉體隨輸送氣體在管道內運動的能量消耗,即壓降;穩定性即輸送過程的平穩性,輸送不平穩將可能導致堵塞,使輸送無法進行。因此研究粉體長距離氣力輸送,就是研究如何降低能耗,并保證輸送的穩定性。
1.1 能耗
能耗是氣力輸送過程中的動力消耗 (壓降),降低能耗可使單位輸送長度壓降減小,延長輸送距離。氣力輸送壓降與很多因素有關,其中最復雜多變的就是輸送物料的性質。不同種類、粒徑、水分的粉體氣力輸送規律不同,對于同一種粉體,粒度及分布、含水率是影響粉體流動性的主要因素。粒度越小,分布越寬,水分越高,其流動性越差,則氣力輸送越困難。
Geldart按照物料的綜合特性對物料的種類進行了劃分,Dixon[6] 根據 Geldart 顆粒分類法提出了輸送相圖,認為物料與氣體的作用取決于物料的平均粒徑分布和顆粒密度,將物料分為 3 類:PC1(如飛灰、水泥、煤粉),可以平穩地由稀相流動過渡到密相流動;PC2 (如塑料球、小麥),在輸送時可能出現稀相、不穩定以及柱塞流動;PC3 (粗精礦),只能采用稀相輸送。研究表明,由于平均粒徑小的顆粒跟隨性強,容易與氣體一起運動;而平均粒徑大的顆粒由于重力易沉積管底,增加了與管壁的摩擦力。因此相同輸送壓差下,輸送固氣比隨著平均粒徑的增大而減小。
洪江研究了平均粒徑分別為 83μm 和 420μm 的石灰及沙粒在水平管內的流動特性,得出細顆粒與氣體的跟隨性強,容易被攜帶,而粗顆粒由于重力作用容易往管底沉積,輸送相同量的物料需要更多的氣體的結論。
梁財等人研究了煤粉含水率對壓降和輸送穩定性的影響,表明含水率增加到 6% 時輸送困難,且經常出現堵管,但含水率越低,壓力損失越大。
不僅輸送物料,管道的選型和氣力輸送操作條件也對輸送壓降有著重要影響。趙軍等人試驗研究了管徑對兩相流阻力的影響,得出一定流速下阻力p/ L 與管徑 Dn 成反比,即管徑越大,則阻力損失越??;但管徑增大,顆粒沉積速度增加,輸送穩定性降低。
周云等人在氣力輸送試驗臺上對高壓密相氣力輸送垂直彎管的阻力特性進行了研究,表明隨相同質量流量下表觀氣速的增加,彎管動能壓損增加,摩擦壓損降低;相同表觀氣速下煤粉質量分數增加,摩擦壓損增加;固相摩擦因數與煤粉平均粒徑及煤粉質量流量無明顯直接關系,隨著表觀氣速增加略有降低。用一組以固體質量流量為參數來描述氣體表觀速度與單位管長壓降關系的曲線 (即相圖)。相圖能夠準確地描述氣力輸送的流動特征,直觀地給出壓降與表觀氣速的關系,可用于流動形態的劃分、穩定性分析和優化參數等方面的研究。典型的相圖如圖 1 所示,隨著輸送氣速 (氣量) 的降低,管壓降先降低再增加,存在一個最低點,在此輸送風速處進行氣力輸送最為節能。
在長距離氣力輸送管內固粒的運動狀態既有滾動又有懸浮,同時還發生固粒與固粒、固粒與壁面的碰撞,固粒旋轉還產生舉力,完全考慮這些問題是相當復雜的。因此很多研究者在試驗的同時也借助數值模擬的方法對氣力輸送機理進行研究。
Tsuji 等人首先用硬球模型模擬研究了水平管栓塞流,但受計算能力的限制,僅能對較少數量的顆粒進行跟蹤模擬。Levy用雙流體模型模擬水平管內顆粒栓塞流動,得到了栓塞運動過程中流場參數的變化規律。但 Levy模型采用了經驗本構關系,因而不適用于其他密相輸送工況。
顧正萌等人應用顆粒動力學雙流體模型模擬水平管內顆粒栓塞流,得到了栓塞運動過程中流場參數的變化規律,但是他們的模型中沒有考慮顆粒之間的摩擦應力。
蒲文灝等人對 Johnson 等人提出的摩擦正應力模型和 Syamlal 等人提出的摩擦剪切黏度模型進行了修正,并結合顆粒動力學理論,建立了可描述加壓密相氣力輸送三維多相流模型,模擬得到了顆粒濃度和壓降梯度隨表觀氣速的變化趨勢,并展示了煤粉顆粒在管道截面上的分布情況。
彭小敏等人提出了一種描述固相內部相互作用對顆粒運動影響的數學模型,模擬并試驗驗證了粒徑對密相氣力輸送流型的影響,即隨著顆粒粒徑增大,粉體密相氣力輸送流型由沉積層流變化為沙丘流,進而演變成栓塞流的過程。
在單一管徑的氣力輸送過程中,由于系統壓力隨管線不斷下降 (尤其是長距離輸送時),氣體的密度不斷降低,氣速不斷增加,根據水平管氣力輸送狀態相圖可知,氣速過大將會導致壓降增大。因此,如何控制管中氣速,使之穩定在一定范圍內,是保證輸送節能必須完成的任務。采用變徑管可在一定范圍內有效地降低氣速,從而減少因輸送氣速過高帶來的問題。
李勇等人介紹了氣力輸送管道的變徑設計方法和變徑管道氣力輸送試驗中壓損、料氣比及物料質量流量等之間的關系。
1.2 穩定性
長距離氣力輸送表觀氣速沿管道不斷增加,氣固兩相流流型也隨之變化。如圖 1 所示,當輸送氣速下降到超出密相穩態的輸送的邊界時,就會形成不穩定的沙丘流,其特點是壓力波動增強,繼續降低輸送氣速,物料將沿管線堆積直至管道堵塞。因此,研究氣力輸送的穩定性,使輸送系統能夠保持穩定的狀態,對于實現長距離氣力輸送具有重要意義。
雙套管氣力輸送系統最初是為了解決電力行業粉煤灰長距離輸送的堵塞問題而設計的,其輸送管道具有獨特的結構,能保證在輸送過程中管道不易堵塞,提高了粉體輸送的安全性和可靠性。如圖 2 所示,在輸送管道內設置一有開孔的小管,開孔間距與輸送物料有關。當輸料管內的粉體堆積過高時,氣流就會優先從小管內流動,并以較高氣速從下一孔處噴出,沖刷堆積粉體的背風面,減少粉體堆積的高度和長度,從而保證粉體的正常輸送。
李向陽等人從理論上建立了雙套管內氣固兩相流動的阻力特性模型,模型計算表明,流過雙套管的壓力損失要大于普通單管的壓力損失,試驗驗證了模型的準確性。因此,雙套管的結構特點只是解決了輸送穩定性的問題,但一定程度上卻增加了能耗。
王桂勇總結了內旁通管氣力輸送系統的技術特點,即低磨損、防堵塞、高灰氣比及運行費用低。許華、莫偉軍分別應用電容層析成像技術對雙套管氣力輸送系統進行了深入研究,并結合試驗更深入地了解了雙套管實際氣力輸送的內部情況。
粉體能夠輸送是因為在一定程度上它具有流動的特性,而之所以會堵塞管道是因為流動性較差而引起沉積造成的,因此粉體具有良好的流動性對輸送穩定很重要。流態化是使固體顆粒層與通過其間的氣體或液體相接觸,從而轉變為類似于流體的狀態,達到有利于顆粒物料流動的工藝要求。
流態化倉泵就是利用流態化原理設計的一種有利于粉體長距離輸送的供料裝置。典型的倉泵結構如圖 3 所示,其底部為一氣室,用流化板和倉泵主體分開。出料口位于流化板上部中央,倉泵本體充當混合室。倉泵工作時,下部室出來的壓縮氣體經流化板使輸送粉體處于流化狀態,輸送粉體與空氣在進入輸送管道之前得到了充分混合,這樣就消除了氣固兩相流進入管道的加速壓損;另外,充分混合的流化狀態,使粉體在輸送氣體中分布得比較均勻,減小了發生沉積堵塞的可能性,有利于粉體長距離輸送。
孫云生等人介紹了壓送式倉泵氣力輸送系統的工作原理及常見的上引式倉泵和下引式倉泵。康懷云等人對單倉泵系統運行中因間歇操作和輸送氣體壓力變化造成的堵管現象進行了分析,并對輸送管路進行了改造設計,改善了單倉泵的工作狀況。
李福洲對德國 IBAU 公司的穩流倉泵進行了介紹,它采用三通球閥使倉泵的 3 個倉實現零壓差倒料,不僅降低了倒料時的閥門磨損,也減少了停機時間,使系統可以保持長時間的穩定輸送。羅駒華等人針對單倉泵非連續操作和雙倉泵半連續操作的弊端,研究并設計了三倉泵系統,可以在改變料、氣以及氣體壓力的條件下實現連續穩定輸送,有利于長距離輸送。氣力輸送系統在實現長距離輸送時,空氣的能量會不斷地消耗,管道內壓力隨輸送長度的增加逐漸降低,在達到一定程度時輸送將無法進行。為解決這一問題,可以在特定的長度段增設助推補氣裝置,以彌補系統摩擦造成的壓力損失,并對堆積較為嚴重的管段進行疏導,使輸送各段保持較為穩定的狀態,這樣就為長距離輸送提供了壓力和穩定保障。
結語
(1) 對長距離輸送的需求越來越大,因此需要對長距離氣力輸送進行專門研究。
(2) 解決粉體長距離氣力輸送需要從輸送過程能耗和穩定性兩方面綜合考慮,既要達到輸送的壓力需求,又要保障輸送不堵塞。
(3) 無論是降低輸送過程的能耗,還是保證輸送過程平穩不堵塞,都應對管道內的氣固兩相流動機理和管道內的摩擦特性進行深入研究。
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