密相氣力輸送水泥粉體流動特性研究

黃長明，吳永強

(蘇州中材建設有限公司，江蘇 蘇州 215300)

氣力輸送是指利用具有一定勢能或動能的氣體來輸送固體顆粒的一種方法[1]。近年來，隨著國內環保要求的提高，具有較好密閉性的氣力輸送技術受到了極大重視。目前已廣泛應用于固體粉粒狀顆粒的輸送之中[2]。

水泥行業是粉粒狀物料生產及輸運大戶。而目前不管是在生料粉還是水泥粉，仍以短距離的空氣輸送斜槽或負壓吸送為主[3]，這種輸送方式不能實現長距離及大輸送量輸送[4-5]。本文為解決水泥粉體的輸送量大、密閉性的需求，建設了1∶1的正壓旋轉供料器氣力輸送系統，以兩種不同水泥粉料為輸送對象，采用密相氣力輸送的方式(固氣質量比高于25)，研究了當管道內氣流速度發生變化時管道內固體輸送能力、固氣質量比、固體速度及單位長度壓力損失等參數的變化規律，本文的結論可為該類型氣力輸送方式在水泥行業中的應用提供依據。

1 實驗

本文采用兩種水泥粉體為實驗輸送物料，其物性參數如表1所示。

表1 固體物料物性參數

1.氣體動力源;2.氣體管道;3.背壓氣管;4.背壓氣流量計;5.背壓氣管控制電磁閥;6.輸送氣流量計;7.輸送氣管控制電磁閥;8.旋轉閥下料器;9.推料氣流量計;10、11.輸送氣管;12.推料氣管控制電磁閥;13.氣力輸送倉泵;14.進料口;15.輸送母管;16.壓差傳感器;17.靜壓傳感器;18.壓差傳感器;19.數據采集/控制卡;20.電子計算機;21.收料倉;22.稱重傳感器

圖1 正壓旋轉供料器氣力輸送系統

本文建立了正壓旋轉供料器氣力輸送倉泵系統，如圖1所示。其中，輸送母管路為水力等效長度120 m、管徑80 mm的無縫鋼管。水泥粉體通過進料口閥門14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14。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。打開輸送氣管電磁閥7，氣體進入輸送管內，固體顆粒在重力和旋轉供料器的作用下進入輸送母管15，管道內的出現固體顆粒，固體顆粒在管道內到達收料倉21。在輸送過程中采用差壓傳感器16，18測定的平均值得出單位長度上的壓力損失，采用稱重傳感器22監控管道內固體的輸送能力。隨著輸送倉泵內的固體質量的減少，管道內的固體濃度降低，輸送能力降低。此時，啟動固體流量調控系統，打開或改變氣路閥門(包括背壓氣管控制電磁閥、推料氣管控制電磁閥、輸送氣管控制電磁閥等)開度，實時監控固體輸送能力、氣體流量、固氣質量比、固體平均速度等參數。

2 實驗結論

2.1 固體輸送能力的變化

固體的輸送能力是指單位時間通過管道某一斷面上固體顆粒的質量，單位為kg/s，本文通過計量單位時間進入收料倉內的固體質量來表征。

圖2 輸送能力隨氣體速度的變化規律

圖2給出的是在輸送母管內壓力為0.28 MPa時固體輸送能力隨氣體的變化。由圖可以看出，對于正壓旋轉供料器式氣力輸送系統來說，隨著氣體速度的增加，固體輸送能力呈增大趨勢，這主要是由于當固體物料通過旋轉供料器下入管道后，氣體速度越大，所能夠攜帶固體的質量越大，單位截面積上的固體顆粒濃度越大，固體輸送能力也就越大。由圖同時可以看出，輸送不同的水泥粉體所形成的變化趨勢線基本平行，這與旋轉供料器供料能力有關，顆粒粒徑越小，在相同的旋轉速度下被送入輸送母管的固體顆粒就越多，在相同的氣體速度的情況下其輸送能力越大。

2.2 固氣質量比的變化

圖3 固氣質量比隨氣體速度的變化

固氣質量比是指單位時間通過某一截面積固體質量與氣體質量的比值，單位為kg固體/kg氣體。其大小反應了固體在管道內的輸送濃度的大小。本文采用輸送的固體總質量與所需的氣體質量流量的比值來衡量。

圖3給出的是當輸送母管內的靜壓力保持在0.28 MPa時固氣質量比隨氣體速度的變化。由圖可以看出，當輸送壓力不變時，隨著氣體速度增加，兩種水泥粉體的固氣質量比均下降，這主要是由于氣體流速增加加大了氣體對固體的拖曳作用，單位體積內固體的濃度大大減小，固氣質量比減小，而流動形態由原來的沙丘流動變為分層流動進而變為均勻懸浮流動。對比兩種水泥粉體發現，密度較小水泥顆粒在相同的輸送氣速下的固氣質量比越小，這說明密度較小的顆粒更容易懸浮，更容易發生流動型態的轉變。

2.3 固體平均速度的變化

固體平均速度是指固體在氣體的帶動下在管道內流動的速度平均值。在本文中采用輸送距離與固體到達收料倉的時間比值來表征。

圖4 固體平均速度隨氣體速度的變化

圖4給出的是當輸送母管內的靜壓力保持在0.28 MPa時固體平均速度隨氣體速度的變化規律。由圖可以看出，當輸送壓力不變時，隨著氣體速度的增加，兩種水泥粉體的固體速度均呈增加趨勢，這主要是由于固體的加速度正比于氣體速度的平方，氣體速度越大，對固體顆粒的拖曳能力越強，加速度越大，在相同的時間固體速度增大越快。對比不同水泥粉的輸送曲線，得出在同一氣體速度下，顆粒的密度越小，粒徑越大固體速度增速越大。

2.4 單位長度壓力損失的變化

本文采用在不同位置1 m的壓力損失值的平均值(見圖1)作為管路平均單位長度壓力損失。

圖5 單位長度壓力損失隨氣體速度的變化

圖5給出的是輸送母管內的靜壓力保持在0.28 MPa時單位長度壓力損失隨氣體速度的變化規律。由該圖可以看出，隨著氣體速度的增加，單位長度壓力損失呈近線性增加。根據上述研究結論發現，隨著氣體速度的增加雖然固氣質量比減小會導致單位長度壓力損失降低，但固體速度與輸送能力的增加會導致單位長度壓力損失增加，綜合以上各個因素，單位長度的壓力損失會隨著氣體速度的增加而增大，但增大的速率較低。

3 結論

本文建立了工業尺度的正壓旋轉供料器氣力輸送系統，選用兩種水泥粉體為輸送物料，在保證旋轉供料器轉速及輸送母管內壓力保持基本不變的情況下得出了固體輸送能力、平均固氣質量比、固體平均速度及單位長度壓力損失等參數的變化規律。研究發現，隨著氣體速度的增加，固體輸送能力、固體平均速度及單位長度壓力損失增加，而平均固氣質量比減小。