气力输送系统的研究现状及发展趋势

0　 引言

由于气力输送系统适应面广, 输送物的物性相异悬殊, 不同的物料必须有不同的特性的装置来适应 ,故气力输送装置的品种十分繁多 、 复杂 ,代表装置概括起来可分为筒式气力输送、 稀相气力输送系统、 浓相动压气力输送系统 、浓相静压栓流气力输送系统 4大类。其发展历程经历了稀相、半稀相 、 浓相 ( 也称密相 ) 几个阶段 ,发展到今天的浓相动压 、 浓相静压栓流输送技术 。由国家电力公司科技环保部发布的信息可知, 气力输送设备在我国发展起步较晚。 1980年代初, 才开始在燃煤电站使用国外进口的产品 , 主要为美国艾伦公司的负压稀相系统和美国 U . C . C 公司的低正压气锁阀稀相系统 ; 1988年 A B B 公司的正压浓相流态化小仓泵系统进入中国市场 ; 1994年德国穆勒公司的内套管正压浓相系统进入中国 ,至此,国际上 4种主要的输灰技术产品才都在中国落了户, 据近两年的统计资第 26卷 第 3期2008年 6月轻工机械L i g h t I n d u s t r yMa c h i n e r y　V o l . 26 N o . 3J u n . 2008料 ,我国从国外进口的气力输灰设备仍占高达 40%的市场份额, 若包括合资企业生产的产品, 则占一半以上 。我国在 “八五 ”、“九五”期间组织了气力输送技术和产品的科技攻关, 并相继开发出负压稀相系统和正压浓相流态化小仓泵系统 ; 1994年浙江菲达机电集团有限公司从美国 D y n a m i cA i r 公司引进了助推型正压浓相气力输灰技术。据统计, 已进入中国气力输送市场的国内外厂家有几十家 ,其中内资企业 20余家, 中外合资企业 5家, 国外厂商 10余家。国外厂商有美国U . C . C , 艾伦 , 空动 ( D y n a m i cA i r ) , A B B , 德 国穆勒( M o l l e r ) ,英国 C l y d e 等 。国内的气力输送技术研发状况不尽乐观 ,急需研发拥有自主知识产权的产品来与国外产品争夺市场。

1　 气力输送的类型

1. 1　 筒式气力输送

将需要输送的物料、 物件装入传输筒或筒车内 ,利用空气的静压使传输筒在管道内飞速滑行的一种输送方式, 用于既难以悬浮 ,而本身又无法成栓的成件货物的输送 ,这种输送方式应用面小 ,适用于特定场合。

1. 2　 稀相气力输送

气流速度较高,物料悬浮在铅垂管中呈均匀分布,在水平管中呈飞翔状态, 空隙率很大 。物料的输送主要依靠由较高速度的空气所形成的动能 ,因而也称稀相动压输送 。通常气流速度在 12 ～ 40 m/s 之间 , 料、气质量比( 简称料气比 ) 在 1 ～ 5之间, 最大可达 15。输送效率在 10～ 20 t /h 之间。稀相输送是最传统的气力输送方式 ,被送物料的质量流量与输送气体的质量流量之比较小 ,物料颗粒的间距较大 ,输送气体的压力较低 ,输送速度较大, 系统磨损大,输送效率低 ,能耗大 。稀相输送一般适用于被输送物料的质量和粒度较小 、 干燥和易流动 、 输送距离较短的场合。技术已相当成熟。

1. 3　 浓相动压气力输送

气流速度在 8 ～ 15 m/s 之间。物料在管内已不再均匀分布,而呈密集状态, 但管道并未被物料堵塞, 因而仍然依靠空气的动能来输送, 称为浓相动压输送。这类流动状态的装置有: 高压压送、 高真空吸送和流态化输送 。料气比的变化范围很大, 高压压送与高真空吸送的料气比大致在 15 ～ 50之间 ,流动状态呈脉动集团流。而对于易充气的粉料 ,料气比可高达 200以上,呈流态化输送。输送效率一般在 20 ～50 t /h 。浓相动压气力输送是目前应用较多的气力输送系统 。是我国在 “八五 ”期间组织的气力输送技术和产品的科技攻关技术之一, 如宝鸡第二发电厂 4 ×300M W燃煤 机组 工程 , 采 用美 国 F u l l e r - K o v a k e 公 司M o d u - f l o w 正压浓相输送系统 ; 上海南市电厂、珠江电厂等都采用了这类装置。这类装置是美国 D y n a m i cA i r 公司、 美国 F u l l e r - K o v a k e 公司、国家电力成套设备公司、 浙江菲达环保公司等国内外大 、 中型气力输送厂商目前的主打产品 。浓相气力输送系统稳定性较好[ 1],维护量少 。较低的流速可使管道磨损减低 , 输送料气比也较高 ,因此能耗低 , 经济性好 ,基本上能满足生产的要求。但随着生产发展的要求提高, 用户对此类系统存在的堵塞 、 输送效率不能满足要求的问题的敏感程度变得越来越高, 迫切要求有性能更优良的气力输送系统来代替现有的系统,以适应高输送效率,高可靠性的要求 。

1. 4　 浓相静压栓流气力输送

浓相栓流气力输送的原理是在输送管内形成密集状物料连绵不断地充塞管道的料柱 , 同时利用引入独立于输送管的外部受控或非受控的单相二次气流, 人为地把料柱预先切割成较短的料柱— — —料栓 ,进行输送的一种输送方式。浓相静压栓流气力输送系统, 是在浓相动压系统基础上发展起来的新型气力输送技术 。为目前国内外的研究热点 ,已有几种不同类型的装置并展开了相应的应用理论研究 。按栓流气力输送成栓的方法不同有

机械成栓和气力成栓 2类。

1) 机械成栓 　 是利用机械方式来形成料栓 ,由于增加了机械装置 ,存在进料器堵塞磨损等问题 ,主要适应硬度低、 形状圆滑的物料的输送 。如北京航空航天大学的高速螺旋文丘里管旋流输送设备 ; 上海博隆粉体工程公司的高压差旋转阀连续加料等均属此类装置。

2) 气力成栓　 是利用气流或引入受控或非受控的气流切割料柱 ,形成栓流的方法 ,代表性装置有: 双套管( 内重管 、 内套管) 式、外重管式 、 脉冲气刀式等结构各异的装置,以适应不同的应用场合。

2　 气力输送系统的类比

普通的气力输送系统主要是稀相高速系统 。此类系统因高的输送速度带来了高能耗、高磨损。其一 ,不言而喻 ,速度越高 ,能耗越大; 其二,物料的高速运动使物料破损,其三, 物料的高速运动使系统中某些部件,如弯管 、 阀门等磨损相当严重, 有时仅能使用 1 ～ 2周时间,严重制约生产。浓相技术的出现 ,解决了降低能耗、 减少破损磨损· 5 · 　 [ 综述·专论] 　 　 楼建勇, 等　 气力输送系统的研究现状及发展趋势 　 　 的问题 ,并且输送效率高。但低速浓相输送系统对技术水平要求很高 ,参数控制精密 ,不良的设计, 将由于导致的不稳定、 堵管等问题, 到出现输送效果差、甚至输送失败的结果 。如何实现低速、 低能耗 、 又能保证稳定运行 、 满足生产要求的输送效率; 寻找科学合理的设计依据和设计方法, 以更加严密准确的科学数据指导生产, 是当今气力输送研究的主要趋势。除栓流气力输送外的其他类型的气力输送装置,不论进口还是国产, 在输送过程中均有不同程度堵塞现象。突发的堵塞, 将影响正常生产; 严重时, 将导致系统停止运行,危及正常生产和设备安全 ,造成经济损失 。从堵塞机理方面来看, 气力输送过程是一个复杂的多相流动过程 ,固粒在输送管内的运动 ,涉及到气流

速度的分布以及固粒与管壁摩擦等各种条件[ 2]。输送管道内固粒的运动状态既有滚动又有悬浮, 同时还发生固粒与固粒 、 固粒与壁面的碰撞 ,固粒的旋转还产生举力 ,完全考虑这些问题是相当复杂的[ 3]。长期以来人们已在该领域进行了大量的研究 , 但仍有许多问题没有得到很好解决 ,例如散状物料在管道中被气流带走的过程中固粒相互之间以及固粒同管壁发生碰撞 ,碰撞的结果使得固粒破碎以及造成管道磨损等 ,这种情况在高速时尤为显著 。浓相栓流气力输送料气比高、 运行速度低 ,可实现高效率 ,低磨损、低破损的运行效果 , 是现代气力输送技术的发展方向 。栓流输送时 ,气栓与料栓相间分开,可实现在总压降很低的情况下提高料栓速度的可能性 ; 从而提高了系统输送效率 , 降低输送压力, 减少动力消耗 ,增加输送距离 。由于被送物料是以料栓的形式运行 ,通过控制气栓、料栓的运动 , 可消除输送过程中的堵塞现象,并实现低速高效输送 。引入外部单相气流的方式 、 输送气流和引入气流的流动参数和流动状况决定了装置的优劣。近年来的研究和生产实际表明浓相栓流技术是解决堵管问题的有效方式 ,引进的国外内套管紊流气力输送系统取得了良好的效果, 研发拥有自主知识产权的新型气力成栓浓相装置已成为国内气力输送领域的抢占技术领先优势的标志 。从国外发展状况看,国外产品技术成熟,研究趋势主要集中在系统理论计算设计体系的建立 ; 利用流体力学理论计算、 分析机理; 数值模拟试验优化设计研发新品方面。 T o m i t a[ 4]等利用双流体法对气力输送水平直管中栓塞流进行了数值模拟 ,他们根据栓的流特性,把流动区域分为颗粒栓塞区、颗粒自由层区和颗粒沉降层区 3个区域。计算中假设: 沉降层区的表面剪切应力小于脉动量 ,颗粒的压降服从 E r g u n 方程, 栓塞阻力只受栓塞的重量影响,沉降层的厚度衡定,空隙度为常数。颗粒被连续送进,形成栓塞,达到一固定的长度后停止 ,计算时气流量为恒定 。 D h o d a p k a r[ 5]对浓相输送的波状气固流动的特征进行了研究 , 阐述了在每 2波之间稳定的颗粒层的运动, 并分析了完整的栓流系统 ,提出了相应的设计方法。 L e v y[ 6]等借鉴了 Wi l s o n液固二层模型,给出了细粉浓相气力输送的二层流动模型,还采用双流体模型进行了浓相流动的三维模型数值模拟,演示了栓流沿平管的形成与变形,给出了径向压降与栓流的关系。从文献报道可知 ,现有为数不多的有关研究主要集中在对栓塞流流动的研究上, 但关于内套管气力成栓浓相栓流中形成栓塞流动的二次气流对栓流流动控制的影响研究,还有许多工作要做。

3　 存在问题

分析国内外现有气力输送系统的现状 ,进一步发展浓相栓流气力输送, 应是今后的主要趋势。浓相栓流气力输送机理 ,是目前世界上公认最先进的气力输送机理 ,解决了磨损、堵塞、高效等许多制约气力输送发展的问题 ,基于该原理开发的各种气力输送装置 ,代表着气力输送领域的发展方向, 在该领域取得突破性进展,技术领先新明显 ,也具有重要的学术意义和社会效益。针对对于浓相栓流气力输送, 还存在以下问题,

有待解决:

1) 设计根据经验公式 ,缺乏关于引入的单相二次气流对输送管中气固两相流动所产生影响的理论依据 。

2) 单相气流引入方式带来的问题。单相气流引入沿整条输送管线分布的各个入口不断进入输送管,导致输送管中、 后部分输送速度叠加递增 ,后部速度增高 ,连续性方程失平; 造成系统后部 、出口料气分离装置等磨损、 噪声严重; 耗能高。

3) 缺乏对于对二次气流引入机理的研究, 即二次流所引起的输送主管气固流动状况的变化 ,二次流的引入方式,装置结构的不同对输送机理的影响 。

4　 结语

气力输送系统对电力、化工、食品处理、钢铁 、冶金 、 建筑材料 、 机械制造、 医药、饲料等行业部门的发展有直接的影响 , 其技术的提升对国民经济发展意义重大。

1) 从市场需求来看, 气力输送在国民经济各行各业都有着的广泛应用 ,占领气力输送市场经济效益是· 6 · 　 轻工机械　 L i g h t I n d u s t r yMa c h i n e r y 2008年第 3期非常可观的 。

2) 为了控制环境恶化 、 实现经济与环境的协调发展 、 保持国民经济的可持续发展 ,国家对节能减排要求越来越高,气力输送的需求也越来越大。

参考文献:

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[ 3] 　 G E L D A R TD , L I N GSJ .D e n s ep h a s e c o n v e y i n g o f f i n ec o a l a t h i g ht o t a l p r e s s u r e s [ J ] .P o w d e r T e c h n o l o g y , 1990, 62: 243- 252.

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[ 5] 　 D H O D A P K A R , P L A S Y N S K I SL , K L I N Z I N GGE . N u m e r i c a l s i m u l a -t i o no f g a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nav e r t i c a l p i p e[ J ] . P o w d e r T e c h -n o l o g y , 1994, 81: 432- 436.

[ 6] 　 L E V Y .T w o - f l i u da p p r o a c hf o rp l u gf l o ws i m u l a t i o ni nh o r i z o n t a lp n e u m a t i c s c o n v e y i n g [ J ] . P o w d e r t e c h n o l o g y , 2000, 112: 263- 272.

3　 结束语

《造纸产业发展政策 》制定了今后一段时期我国造纸工业在结构调整 、 节能减排 、 行业准入和投融资等方面的一系列政策,目标明确, 措施有力。它将引导我国造纸工业进一步加快结构调整,促进产业升级,不断提高整体竞争力 。同时产业政策还对造纸工业的科技创新、淘汰落后、环境保护 、 资源节约 、 行业准入提出了更高的要求 ,有利于促进资源节约型 、 环境友好型和创新型造纸工业的建设 ,有利于推动我国造纸工业转变发展方式,做大做强。我们相信《造纸产业发展政策》的颁布实施,对全面构建我国装备先进、 生产清洁、 发展协调、 增长持续、 循环节约、 竞争有序的现代造纸工业将发挥重要作用,对指导和推进我国造纸工业健康持续发展具有重要意义。

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