流態倉泵氣力輸送粉煤灰固體輸送定量性研究

沈偉強

(蘇州中材建設有限公司，江蘇 昆山 215300)

氣力輸送是指利用壓縮空氣的靜壓能及動能攜帶固體顆粒在管道內進行輸送的技術[1]，目前廣泛應用于工農業生產之中。根據輸送過程中管道內壓力來區分，氣力輸送可分為負壓輸送與正壓輸送兩種[2]。其中，倉泵式正壓流態化倉泵氣力輸送由于其具有穩定性好、便于實現自動控制、運行成本較低等優點得到了重點關注，廣泛應用于粉粒狀物料的長距離輸送中。目前，關于此類型氣力輸送方式的研究較多集中于倉泵內的兩相流的數值模擬[3]、兩相流在管道內的流動情況及壓力損失等方面[4]。而對于其在管道內的固體濃度及輸送能力定量性的研究相對較少。

基于此，本文選擇了正壓倉泵式氣力輸送系統作為研究對象，利用干燥純凈的壓縮空氣輸送粉煤灰，采用超聲測試方式得出了管道內固體濃度、固體輸送能力隨輸送時間的變化[5]，同時，基于固體濃度、氣體流量等參數建立了后反饋自動控制系統，通過后反饋調整，達到了穩定輸送的目的。

1 實驗

論文搭建的氣力輸送實驗系統如圖1所示。其中，輸送主管為長度為75m、管徑為80mm的無縫鋼管。固體顆粒通過進料口閥門12進入氣力輸送倉泵13，當到達一定料位時，停止進料，關閉進料口閥門12。空氣動力源1產生的壓縮空氣經過冷干機后進入儲氣罐，經過適配器后分為三個氣路。打開流化氣管電磁閥，氣體進入流態化倉泵，對內部的固體顆粒進行流化，當流化到一定程度后，打開固體出料口電磁閥16，管道內的出現固體顆粒，固體顆粒在管道內到達收料倉21。在試驗中，采用渦街流量計對各管路上的氣體質量流量進行實時計量；在輸送穩定段，距離倉泵出口36m安裝超聲測試平臺，用以測定管道內的固體濃度與固體輸送能力。

1.氣體動力源;2. 氣體管道;3.流化氣流量計;4. 流化氣管控制電磁閥;5. 流化氣管;6. 背壓氣流量計;7. 背壓氣管控制電磁閥;8. 背壓氣管;9. 推料氣管;10. 推料氣流量計;11. 推料氣管控制電磁閥;12. 進料口閥門;13. 氣力輸送倉泵;14. 流化床;15. 固體出料口;16. 固體出料口電磁閥;17. 輸送母管;18. 超聲波測試平臺;19. 靜差傳感器;20. 壓差傳感器;21. 收料倉;22. 稱重傳感器;23. 數據采集/控制卡;24. 電子計算機

圖1 正壓上引式流態化氣力輸送倉泵系統

實驗物料為工程常見的粉煤灰，其物性參數如表1所示。

表1 物料性能表征

實驗時，將粉煤灰500kg加入流態化倉泵，輸送母管內的氣體速度保持在12.5～18m/s之間，倉泵內的壓力設置為0.3～0.4MPa。

由于輸送物料選用顆粒不超過240μm的粉料，輸送介質為純凈空氣；因此在實驗數據的分析和處理過程中，論文采取McClements模型BLBL模型分析超聲波的衰減情況，進而得到固體的濃度與固體輸送能力等參數[5]。論文根據實時測得的數據建立了后反饋自動控制系統，通過對比前后2s固體濃度的變化，通過改變推料氣、背壓氣閥門的開度達到調控固體濃度穩定的目標。

2 僅開流化氣時固體濃度與固體輸送能力的變化

圖2 僅開流化氣時倉泵氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時間變化

圖2是采用超聲測試方法在僅打開流化氣時管道內粉煤灰固體濃度隨時間的變化曲線，其中，倉泵內輸送壓力為0.3MPa，氣體速度為13.5m/s。由圖可知，當輸送開始后，由于超聲測試平臺安裝距離出料口有一定距離，固體顆粒尚未到達測試點，輸送管內的固體濃度接近為0。當固體顆粒到達測點后，管內大量固體顆粒密集，并且隨著氣力輸送的進行，越來越多的顆粒進入管道，濃度越來越大，且增長速率較大，固體濃度迅速由0增大至240kg/m3。當到輸送時間達40～60s時，管道內的濃度達到最大值，并將保持10s左右時間。隨后，固體顆粒越來越少，管道內的固體濃度越來越低，直至接近于0。同時可以看出，穩定輸送段時間較短，且穩定輸送段的固體濃度最大值與最小值之間差距很大

圖3 僅開流化氣時倉泵氣力輸送粉煤灰輸送能力隨輸送時間變化

圖3是僅開流化氣時倉泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨時間的變化規律，倉泵內輸送壓力為0.3MPa，氣體速度為13.5m/s。由圖可知，當輸送開始后，固體輸送能力接近為0。當固體顆粒到達測點后，由于管內固體濃度較大，并且隨著氣力輸送的進行，越來越多的顆粒進入管道，輸送能力越來越大，迅速由0增至8.8kg/s當到達40～45s時，達到穩定輸送段，此時管道內固體輸送能力達最大，并穩定。隨后，料倉內的固體顆粒越來越少，固體輸送能力大大降低，直至最后接近于0。同時可以看出，固體輸送能力保持穩定的時間較短，且輸送能力跨度較大。

3 啟用后反饋系統固體濃度與固體輸送能力的變化

圖4 啟動后反饋控制系統倉泵氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時間變化

圖4是當啟動后反饋控制系統后氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時間變化曲線。倉泵內輸送壓力在0.29～0.34MPa之間波動，輸送母管內氣體速度在11.5～15.7m/s之間波動。由圖可以看出，當輸送開始后，管道內的固體濃度接近為0。當固體顆粒到達測點后，固體濃度迅速增大，并且隨著氣力輸送的進行，越來越多的顆粒進入管道，濃度越來越大，通過后反饋系統，打開調節氣，并根據超聲測試采集的濃度信號進行調節了氣體流量的改變。由圖可以看出，在20～60s時，達到穩定輸送段，管道內的濃度達到一定值(約167kg/m3)，并在一段時間內基本保持不變。隨著料倉內的固體顆粒越來越少，管道內的固體濃度降低，此時后反饋控制系統實時調整調節氣的流量，固體濃度將保持在一個較低的數值(約80kg/m3)基本恒定，經過10幾秒的輸送，料倉內的固體物料近于0。同時，通過對比圖2可以得出，開啟后反饋系統后固體最大濃度較低，但迅速能調整到一較為均衡的狀態，整體的濃度較為平均。

圖5 啟動后反饋控制系統倉泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨輸送時間變化

圖5是啟動后反饋控制系統倉泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨輸送時間變化曲線，倉泵內輸送壓力保持0.27～0.34MPa，輸送管道內氣體速度為10.5～16.7m/s。由圖，當輸送開始后，固體輸送能力接近于0，經過十余秒以后，固體輸送能力迅速增大到5.7kg/s，且增加的斜率較大。隨著輸送的繼續進行，固體輸送能力保持較為均勻，由調控系統可以看出，此時流化氣閥門開度變小，背壓氣閥門打開，倉泵內的壓力增大，輸送能力保持均衡。隨著輸送的繼續，料倉內固體顆粒變少，僅增加背壓氣體不能滿足固體輸送能力，此時，推料氣閥被打開，氣體進入輸送母管內，管內的固體濃度降低，導致固體輸送能力降低，但較為均衡，當到達某一時刻后，倉泵內的固體顆粒變得很少，并最終減小至0。另外，通過對比圖3可以看出，固體輸送能力穩定性有了大幅度提高，并且輸送時間大大減小，這主要是由于固體輸送能力保持在較大狀態，輸送相同的固體物料時間更短。

4 結論

本文建立了具有完備調控系統的上引式流態化倉泵氣力輸送實驗系統及自動控制系統。在此實驗系統上，采用壓縮空氣對粉煤灰進行了實驗研究，考察了在僅開放流化氣以及開放自動控制系統兩種情況下氣力輸送過程中固體顆粒濃度、固體輸送能力的變化規律。實驗研究發現，僅開放流化氣時，固體顆粒濃度及固體輸送能力均表現出現增大后減小的趨勢，且變化梯度非常大；而采用后反饋自動控制系統調控氣體流量后，可以實現氣力輸送的固體顆粒濃度及固體輸送能力參數變化更加均衡、穩定。