氣力輸送系統及其設計

董中華

（拜耳材料科技(中國)有限公司)

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氣力輸送系統及其設計

董中華*

（拜耳材料科技(中國)有限公司)

介紹了散裝物料的氣力輸送技術，并對氣力輸送系統的構造和設計步驟進行了較詳細的闡述。

散裝物料氣力輸送設計輸送壓力氣流速度壓力損失輸料管

0　引言

輸送散裝物料有多種方式，如帶式輸送機、螺旋輸送機、刮板輸送機和振動輸送機等。相比這些輸送方式，氣力輸送經常是一種更實際和更經濟的物料輸送方式。其原因如下：（1）氣力輸送系統的安裝和操作較為經濟。 （2）氣力輸送系統是個完全封閉的系統，如果需要，可以設計為沒有任何運動部件與被輸送物料接觸。因為是密閉系統，運行起來相對干凈和環境友好，也更易維護。（3）對于后期的路徑改變和擴展，較為靈活方便。

1　氣力輸送分類

從壓力方面來分，有負壓輸送和正壓輸送。

負壓輸送的優勢：

（1）可以從幾個源頭點到一個目標點，即多對一；

（2）在環境壓力下，喂入裝置簡單 （正壓輸送通常需要旋轉閥）；

（3）輸送氣體無需冷卻處理。

正壓輸送的優勢：

（1）可以從一個源頭到幾個目標點，即一對多；

（2）物料的目標接受裝置為常壓設計，較為簡單；

（3）可以采用高的輸送壓力 （6×105Pa或者更高，而負壓輸送壓力最大不超過-1×105Pa）；

（4）可以實現更長距離的輸送；

（5）可以采用較小直徑的管道；

（6）適合用密相輸送。

從物料在輸送氣體中的形態來分，有稀相輸送、沉底流輸送和密相輸送。各種輸送方式的對比如表1所示。

2　氣力輸送系統構造

圖1所示為典型的正壓氣力輸送系統構造，該系統的各組成部件如表2所示。

表1　各種輸送方式的對比

圖1　正壓氣力輸送系統

表2　正壓氣力輸送系統各組成部件

3　氣力輸送系統設計步驟

氣力輸送系統設計步驟如圖2所示。

圖2　氣力輸送系統設計步驟邏輯圖

（1）指定物料

物料的堆密度對于確定系統部件的大小很重要，例如確定旋轉閥大小和料倉容積。透氣性影響輸送模式和所用到的最小氣流速度。物料的硬度影響系統部件的磨損性。

（2）指定物料質量流率Mp

物料質量流率Mp一般為一段時間內的平均值，其單位為kg/h或t/h。對于連續輸送系統，設計值等同于平均值；對于批次發送系統，考慮到批次之間時間段內無物料輸送，設計值須高于平均值。

（3）指定輸送距離

確定輸送距離時，需要全面考慮每段的水平距離、垂直距離、彎頭的角度、彎頭的曲率半徑等。

（4）選擇管徑d

對于確定的物料輸送量，管徑是主要的設計參數之一。初次管徑是個估猜值，如果某些因素表明初次管徑是不可接受的，則需要重新選擇。

（5）選擇輸送壓降

與管徑類似，初次壓降也是個估計值。如果初選值受限于最大負壓或低壓系統 (如系統提供不了這么大的壓力)，則需要重新選擇。

（6）選擇輸送線入口氣流速度C1

氣力輸送的工藝設計就是要弄清楚三個關鍵參數：管徑、所需氣體的氣量和壓力。因此確定輸送氣體的速度很有必要。在物料喂入點輸送氣體的速度，即入口氣流速度C1，不是估猜值，它是依據物料特性得出來的。

對于稀相輸送，最小的氣流速度Cmin通常大于10 m/s。對于水泥，Cmin為10～11 m/s，對于顆粒鋁為13～14 m/s，對于砂糖為16 m/s。Cmin主要取決于粒徑大小、粒子形狀和粒徑分布。對于密相輸送，很多物料的Cmin可以低至3 m/s。設計時，入口氣流速度C1通常取最小氣流速度Cmin的1.2倍。

不建議采用最小氣流速度設計，增加設計余量可彌補物料流量波動的影響。物料流量波動會導致壓力增加，從而導致氣體流速略微減小。這是因為氣體具有可壓縮性，同時設備還可能漏氣，如旋轉閥。

在密相輸送中Cmin取決于固氣比，在此情況下，需估計一個初始值。在設計過程中，需要執行檢查和反饋。

（7）計算氣體質量流率Ma

式中S——管道的截面積，m2；

ρa——氣體密度，kg/m3；

p1——輸送線入口壓力，kPa；

T1——輸送線入口溫度，K；

R——氣體常數，R=0.287 kJ/（kg·K）。由式 （2）可得

式中 d——管道內徑，m。

（8）計算固氣比

固氣比μ是物料質量流率和氣體質量流率的比值，是個無量綱量。Mp的單位kg/h，Ma的單位kg/s。氣體的密度隨著壓力變化而變化，因此輸送氣體的體積流量也可能沿著輸送管線而變化。固氣比是個重要參數，旨在描述物料在輸送管線中的濃度，其值是個不變量。

（9）檢查輸送壓降Δp

此時，所有主要參數值已經獲得，因此可以檢查輸送系統的壓力降。應用數學模型，求解出整個系統的壓降，然后與第5步的值進行比較。如果不相同，則回到第5步。系統壓降的計算有不同的數學模型[1-3]。下面介紹一個常用的計算方法。

①管道中純空氣運動產生的壓力損失Δpa

式中λa——純空氣運動時的摩擦阻力系數；

l——管道長度，m；

d——管道內徑，m；

ρa——空氣密度，kg/m3；

va——氣流速度，m/s。

λa值主要取決于雷諾數 （，u為空氣的運動黏度）。在工程設計時按經驗式計算，可以滿足要求。

②管道中粒子運動產生的壓力損失Δpp

式中μ——固氣比；

kp——由實驗確定的經驗系數。

據有關實驗資料分析，kp一般隨輸料管管徑及顆粒直徑的增大而增大；水平輸料管中的kp值較垂直輸料管中的kp值大。隨著輸送氣流速度的增大，kp值減小；當輸送氣流速度增大到使物料完全處于均勻懸浮狀態時，kp值基本上為常數。此外，kp尚與物料的形狀和懸浮速度等有關，而與固氣比無關[1]。如無實驗數據，kp可按下式估算：

式中ρm——物料的堆密度，t/m3；

C——顆粒的阻力系數，對不規則形狀的物料，C=Cd漬；

Cd——當量圓球顆粒的阻力系數，根據Re值由圖查得[1]；

漬——顆粒的形狀系數，由表選取[1]。

對于彎管中的壓力損失取彎管的當量長度[4]。

③ 顆粒加速壓力損失Δpacc

式中孜——加速壓力損失系數，

vm1——物料處在穩定運動狀態時的速度;對于垂直管道，vm1=va-vt，vt為物料懸浮速度，m/s；對于水平管道，vm1= (0.70～0.85)va；

vm2——加速區物料初速度。

由垂直向水平方向過渡的90°彎管，彎管出口的顆粒初速度比進口的速度約減小1/3～1/5（其中大的數值適用于重和大的顆粒，小的數值適用于輕和小的粉末）；由水平向垂直方向過渡的90°彎管，出口的顆粒速度比進口的速度約減小1/2～1/2.5。

若物料在加速區段的初速度為零 （例如物料喂入點），則孜=2vm1/va。

④提升壓力損失Δph

式中vm——垂直管內物料顆粒的運動速度，m/s；

h——垂直管高度，m。

⑤ 其他壓力損失Δpmisc

其他壓力損失有排氣壓力損失以及經過換熱器、過濾器、旋風分離器等設備的壓力損失等。

壓力降與氣體密度有關，而氣體密度又與壓力有關。輸送系統壓力降的計算需要將系統劃分成多個單元。每個單元內，認為其氣體密度是個不變值，計算出該單元的出口壓力和出口速度，作為下個單元的入口條件。

（10）重新指定物料的質量流率

如果步驟9中檢查發現，壓降接近初始估計值，這樣返回第5步，選擇一個新值即可。如果檢查發現偏差很大，就有可能需要按照一個完全不同的系統來考慮。例如，初始壓降估計值是8×104Pa，檢查發現計算值比初始值大2～3倍，這就需要考慮更改系統。在8×104Pa情況下，適合用低壓旋轉閥和羅茨風機的連續運行系統。在高壓下，系統就要基于壓力發送罐，或高壓旋轉閥、螺桿壓縮機設計。如果采用壓力發送罐的不連續操作系統，物料的質量流率就需要修改，見步驟2中描述。

（11）重新選擇管徑

如果步驟9中計算的壓降不能令人滿意，同時第10步中重新選擇也不能接受，就有必要選擇其它管徑。例如，設計受限于低壓連續運行，那么就必須選擇較大的管徑。分析從第4步重新開始。

（12）計算功率

之前，已經評估了系統所有的參數，現在可以計算系統的功率，從而獲得系統運行的大致成本。關于精確的功率值，需要咨詢設備制造商。可以用式 （12）快速估算出功率，該式是一種基于等溫壓縮過程的簡化模型。

式中Ma——氣體質量流率，kg/s；

pi、po——壓縮機入口、出口絕對壓力，kPa。

（13）系統重新評估

對于相同的輸送量，可以有多種不同管徑和壓力降的組合。同時對于兩套不同設計參數組合的系統，所需功率也可能不同。此步驟用于全面評估整個系統，選擇最合適的參數組合。

（14）確定需要的管徑和氣量

工藝設計的最終要求是確定需要的管徑和氣體供給單元的規格。

4　結語

本文介紹了散裝物料的氣力輸送技術，并對氣力輸送系統的構造和設計步驟進行了較詳細的闡述。在設計計算中，一項重要的工作是計算輸送壓力降。氣力輸送的設計計算依賴于實驗數據和以往的經驗。

[1]運輸機械設計選用手冊編輯委員會.運輸機械設計選用手冊 (上冊)[M].北京：化學工業出版社，1999: 696-697.

[2]Amrit T Agarwal.Theory and design of dilute phase pneumatic conveying systems[J].Powder Handling& Processing，2005,17(1):18-19.

[3]David Mills,Mark G Jones,Vijay K Agarwal.Handbook of pneumatic conveying engineering[M].New York: Marcel Dekker,2004.

[4]化學工業部.HG/T 20570.7—1995管道壓力降計算[S].北京，1996：170.

Introduction and Design of Pneumatic Conveying System

Dong Zhonghua

The pneumatic conveying technology of the bulk material,as well as the configuration and the design procedure of the pneumatic conveying system are elaborately introduced.

Bulk material；Pneumatic conveying；Design；Feed pressure；Gas velocity；Pressure loss；Conveying pipe

TQ 051.21DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.002

2015-10-18)

*董中華，男，1981年生，碩士。上海市，201507。