密相氣力輸送系統設計

梁麗華

上海利柏特工程技術有限公司 （上海 201101）

氣力輸送是一種利用氣體流作為輸送動力在管道內輸送粉狀、顆粒狀物料的方法。氣力輸送系統由于系統密閉、管道布置靈活、效率高、環境友好、運動部件少、維修和操作方便等優點，廣泛應用于石油、化工、食品、醫藥、鋰電、環保等領域。按氣流中固相濃度，氣力輸送可分為稀相輸送和密相輸送兩種形式。稀相氣力輸送輸送速率大、能耗高、輸送固氣比低，物料在氣流中呈懸浮狀態；密相氣力輸送由于其輸送速率小、能耗低、輸送固氣比高、磨損小、破碎率低等優點，在工業領域得到日益廣泛的應用。隨著白炭黑被廣泛應用于橡膠制品、化學制品、醫藥、食品等行業，其氣力輸送系統設計顯得尤為重要。白炭黑粒徑比較小、破碎率要求低，而密相輸送具有輸送速率小和破碎率低等優勢，適用于白炭黑的輸送。本文主要介紹白炭黑密相發送罐氣力輸送。

1 密相氣力輸送原理

密相輸送時，顆粒在少量氣體松動的流化狀態下進行集體運動，但并不依靠氣體來進行加速，而是依靠靜壓差來移動。在進料過程中，物料通過氣動閥重力進料到發送罐中，置換出的空氣通過排氣閥排出。當發送罐料位計高報警時，進料完成，進料閥門與排氣閥門同時被關閉，而后通過進氣閥向發送罐頂部及底部加入壓縮氣，加入的壓縮氣與物料相混合，當罐內的壓力達到設定值時便自動打開底部出料閥，然后物料以栓狀流形式輸送，直至物料排空，關閉出料閥，完成一次輸送循環，繼續進行下一次輸送循環。密相發送罐氣力輸送有單發送罐輸送和雙發送罐輸送：單發送罐輸送，物料在管道內不是被連續輸送；雙發送罐輸送，由于其中一個發送罐輸送，另一個發送罐進料，兩個發送罐交替操作，物料在管道內被連續輸送，可連續生產。輸送氣體常采用空氣或氮氣，動力一般由壓縮機提供。

2 白炭黑密相氣力輸送工藝流程

白炭黑密相氣力輸送系統主要由空氣壓縮機組、儲氣罐、緩沖斗、發送罐、管道氣體注入器、輸送和氣體管道、除塵裝置、儲料倉及邏輯編程控制器（PLC）組成。白炭黑密相輸送工藝流程如圖1所示。來自上游儲料倉的白炭黑通過重力卸料到發送罐，當物料進滿發送罐后，對發送罐進行充氣加壓；發送罐內物料在壓縮空氣的作用下緩慢流入輸送管道，輸送管內物料在管內壓力和布置于沿途相應輸送管的管道氣體注入器注入的壓縮空氣的作用下，緩慢流向輸送目的地緩沖斗；物料被輸送進入緩沖斗，含塵氣體進入到倉頂除塵器，過濾后排出。白炭黑輸送為單發送罐密相輸送，為批次輸送。

圖1 白炭黑密相輸送工藝流程簡圖

3 設計輸入條件

在進行氣力輸送設計時，首先要了解系統的基本設計數據要求，如物料來源、物料特性、輸送末端情況、輸送能力要求、水平和垂直輸送距離等，然后根據輸入的基本參數信息，確定系統的技術參數并優化輸送系統。

白炭黑粒徑為125～400 μm，堆積密度ρb為250 kg/m3；系統中彎頭數量為 5個（90°），水平輸送距離L為20 m，垂直輸送距離H為26 m，最大輸送量Gs為8 t/h，固氣比m取20。

4 主要參數的確定

4.1 發送罐容積

在確定發送罐設備的有效容積時，既要考慮輸送系統的輸送能力，又要考慮發送罐單位時間內的發送次數及相應閥門的啟動頻率，所以，合理選擇發送罐的有效容積是輸送系統安全可靠運行的重要保證。白炭黑發送罐是批次進料和輸送的，同樣的輸送能力下，發送罐的發送物料次數越多，則發送罐的容積越小，即每小時的發送次數和發送罐的容積成反比，相應地，成本降低、閥門開啟頻繁、損耗增加；發送罐的發送次數越少，則發送罐的容積越大，相應成本增加。[1]因此，確定發送罐容積時要全面綜合考慮，一般發送次數n取5～20次/h，此處取15次/h。

發送罐有效容積V：

發送罐全容積V′：

式中：η為發送罐內裝入物料的容積系數，一般取0.7～0.9，此處取 0.8。

4.2 輸送氣體體積流量Qa

式中：ρg為高壓端的空氣密度為氣體體積，m3；M為空氣的摩爾質量，取0.029 kg/mol；R為摩爾氣體常數，取 8.314 J/(mol·K)。

假定輸送高壓端壓力p2為270 kPa（絕壓）、每個循環4 min、進料時間約為1 min、每罐輸送所需要的時間約為3 min，則高壓端輸送壓縮氣體體積流量Qa為 2.77 m3/min（標準狀態下 6.9 m3/min），管道上噴嘴空氣注入耗氣量約為1.7 m3/min（標準狀態），則氣體體積流量為8.6 m3/min（標準狀態）。

4.3 輸送管徑D

輸送管道公稱直徑為125 mm，取D=0.130 m；va為高壓端的速率，一般為3～8 m/s，取va=3.5 m/s。根據實際管徑，高壓端輸送壓縮氣體體積流量為2.8 m3/min（標準狀態下 6.9 m3/min）。

4.4 輸送系統管道壓力損失Δp

4.5 倉頂除塵器過濾面積

脈沖式濾筒除塵器有凈化效率高、外形尺寸小、過濾面積大、過濾效果好、壓力損失小、安裝維修快捷方便、可連續使用等特點。正確選擇和優化除塵器相關參數是實現除塵效率及滿足環保要求的關鍵。

除塵器主要由過濾室、濾筒、凈氣室、脈沖控制儀、噴吹閥、噴吹管、氣包等結構組成。濾筒由聚酯纖維折疊、卷制而成，其下端封閉，上端中心正對噴吹管下口。含塵氣體由與料倉相連的接口進入除塵器后，氣流速率減慢，粗顆粒脫離氣流沉降到料倉內，細微粉塵隨氣流穿過濾筒時被阻于濾筒外表面，潔凈氣體由出風口排出；當濾筒表面灰層較厚時，脈沖控制儀發出指令開啟噴吹閥，氣包內的壓縮空氣經噴吹管高速噴出，同時誘導數倍于噴射氣量的周圍空氣進入濾筒，并由內向外快速射出，將濾筒外表面的粉塵吹下落入料倉內。除塵器采用脈沖噴吹方式，清灰過程由脈沖控制儀自動控制，可采用壓力差控制或時間控制。

可以選用聚四氟乙烯（PTFE）覆膜聚酯纖維濾筒。從上述數據可知，實際管徑下系統輸送風量約為8.6 m3/min。選取過濾風速u為0.48 m3/min，則過濾面積A=Q/u=18 m2。

4.6 輸送管道

氣力輸送管道有物料輸送管道和氣體管道。根據被輸送物料的特性及工藝要求，物料輸送管道需要有足夠的強度和剛度，較好的氣密性和耐磨性，且內壁光滑，能快速安裝并方便清理堵塞等。氣體管道主要為用于純氣體輸送的管道和排放低含塵濃度氣體的管道。管道布置應按照工藝要求，安全、合理并滿足操作及維護要求。管道連接優先選用法蘭連接或快拆卡箍連接。輸送彎頭為大半徑彎頭，一般選取R=6～10D，兩端法蘭連接。管道與管道、管道和設備之間的法蘭連接，須設靜電跨接。

氣力輸送管道有單管輸送、雙管輸送和雙套管輸送，單管輸送主要用于稀相輸送，雙管及雙套管可以實現密相輸送，并且雙套管輸送多用于飛灰輸送。

白炭黑輸送采用雙管密相低速氣力輸送，沿白炭黑物料輸送管路，每隔一段距離由氣體注入器注入壓縮空氣，可以有效防止堵管，并降低物料的破碎率。白炭黑物料磨蝕性較弱，選用不銹鋼輸送管道。

5 氣力輸送氣源

在氣力輸送系統中，氣源設備非常重要，處于核心地位，它提供的風量和壓力有效地保證了系統的有效和可靠運行。由于氣力輸送的方式、輸送距離、被輸送物料的能力要求及特性都不相同，所以用于氣力輸送的氣源也各不相同。用于氣力輸送的氣源設備主要有氣體壓縮機、羅茨鼓風機、真空泵、離心風機等。羅茨鼓風機、真空泵和離心風機由于壓力低，主要用作稀相氣力輸送系統的氣源；壓縮機輸出壓力高，主要用作密相氣力輸送系統的氣源。噪音也需要滿足限制要求，一般離機組1 m處噪音不超過85 dBA。白炭黑密相氣力輸送系統選用空氣壓縮機來滿足風量和壓力的要求，且由于白炭黑對輸送氣源的品質要求較高，需提供潔凈干燥無油的壓縮空氣作為氣源。高壓壓縮空氣經氣體緩沖罐和管路上的壓力調節閥調節后，提供穩定的輸送氣體。

6 結論

介紹了具有易破碎和較小平均粒徑等物料特性的白炭黑的密相發送罐氣力輸送系統。系統的最大輸送量為8 t/h，發送罐的有效容積為2.1 m3，物料輸送管的公稱直徑為125 mm，輸送管道高壓端壓力假定為270 kPa（絕壓），且輸送系統管道壓力損失為165.6 kPa，假定合理；倉頂除塵器選用PTFE覆膜聚酯纖維濾筒，過濾面積為18 m2。密相氣力輸送系統的設計及相關參數的設計可降低物料的破碎率。