粉粒物料運輸車的流態化特征

摘要：水泥屬于Geldart流態化分類法的B類顆粒，罐體內水泥顆粒的湍流表現為其流態化的基本特征，卸料后期水泥顆粒主要依靠氣體夾帶卸出罐體。為此，介紹了Geldart流態分類方法和臨界流化速度，針對臥式散袋水泥罐車分析其流態化特征，并對卸料后期的氣-固兩相的流體行為進行了分析。

關鍵詞：散裝水泥運輸車;Geldart流化分類法;B類顆粒;臨界流化速度

中圖分類號：U469.6收稿日期：2022-05-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.017

1 前言

水泥散裝化在節能環保方面的良好社會效益已在多年的應用中得以充分肯定，水泥散裝化的實現主要是利用小顆粒固體物料在多相技術中的流化特性。散裝水泥的運輸主要依賴散裝水泥運輸車，該類車型按罐體布置方式分為三類：a.立式罐體車型，主要用于鋁粉、PTA運輸;b.舉升式罐體車型，近幾年在干混砂漿上應用較多;c.臥式罐體車型，是當前最普及的車型，在粉料運輸中占比超過80%，大量應用于水泥、粉煤灰、石粉等這些大宗物資的轉運，其大致結構如圖1所示。

對臥式罐體車型的品質提升，行業各板塊投入了不少精力予以研究，特別是對其使用性能方面，即卸料速度和剩余率。本文僅分析該類產品的流態化特征，并對卸料后期的氣-固兩相的流體行為予以分析，以期為同行研究做參考。

2 Geldart流化分類

氣力輸送最早由英國人Medhurst于1810年提出口。20世紀50年代前，氣力輸送主要為稀相輸送，氣速高固氣比低，動能消耗大;50年代后期日本、德國及美國主要研究密相輸送，這也是現代工業主要應用并研究的領域[2]。布拉德福德大學的D.Geldart教授（3-4提出了著名的顆粒物料Geldart流化分類方法，該方法適用于氣-固二相領域，固體顆粒分為A、B、C、D四組，如圖2所示。

A組：小顆粒（d～30～ 150μum），低密度（顆粒密度<1.4 g/cm3），流化容易、平穩且均勻，可以在較低流速的流體介質中實現流態化并控制氣泡的生長和速度。

B組：中等直徑顆粒（d≈40～500μm），顆粒密度在1.4～4 g/cm3之間。需要在高速度的流體介質才能流化，氣泡傾向于大量生長，并且氣泡在流化開始時就出現（臨界流化速度μmt與鼓泡速度μmb基本相當）。

C組：非常小的顆粒（d<30μm），流化困難。

D組：致密大顆粒（d>500 μm） ，流化困難且不均勻，適宜噴動床。

3臨界流化速度

流體速度較低時，床層處于固定床狀態，此時，流體流速與床層壓降的關系可用公式：

式中，AP為床層壓降;H為床高;s為床層空隙率;u為流體動力粘度; u為表觀速度;d。為顆粒等體積當量直徑;P，為流體密度。

隨著流體速度的增加，床層壓降△P不斷增加;當AP等于單位截面上的床料重量時，顆粒開始進人流態狀態;此后，再增大流體流速，AP也將基本保持一個穩定狀態。均勻粒度沙粒床層壓降與氣速的關系如圖3所示。

圖3中，床層從流化狀態返回降入固定床狀態時的拐點對應的氣速，就是最小流化速度，或稱為顆粒的臨界流化速度umf。

針對水泥的臨界流化速度umf，不同的估算模型有不同的估算值，估算值范圍在1.9～5.4 mm/s。

4 臥式散裝水泥罐車的流態化特征

卸料過程中，空壓機持續向罐體內供氣，許多文獻的測算都力圖證明從流化帶上側帶面溢出的氣速，能遠超水泥相的臨界流化速度，并使水泥顆粒能保持良好的散式流態化，僅在后期會出現流態化變差的情況，從而卸料性能降低。

結合前述，本文持有以下觀點。

目前，比較公認的水泥最佳顆粒級配為3～32顆粒對強度的增長起主要作用，其粒度分布是連續的，總量應不低于65%;16～24μm的顆粒對水泥性能尤為重要，含量越多越好;小于的細顆粒易結團，不宜超過10%;大于64μm的顆粒活性很小，最好沒有。在實際的工業生產中，水泥粉料的顆粒粒徑一般在30～60μm。根據物料特性，水泥的真密度在3.0～3.2g/cm3，堆積密度在1～1.6g/cm3。

根據Geldart流化分類法，日常我們所用到的水泥粉料，其顆粒屬于B類顆粒。Geldart流化分類法在業界內經歷過大量的驗證，證明B類顆粒的流態化以聚式流態化為主。聚式流態化表現的更多是湍流，且由于湍流的存在，其氣-固兩相的流態化可操作域很寬闊。卸料過程罐體內流態如圖4所示。

罐體卸料前期、中期，罐體內的湍流相對穩定，到卸料末期，又是怎樣一個狀態呢？

如圖5所示，空壓機產生的壓縮空氣從主管道通過分支管道進入罐體氣室，再分別從前后氣室進入與之連接的流化帶，流化帶僅有上部帶面能溢出壓縮空氣，進人罐體內部與物料混合，形成聚式流態化。罐體與外部空間的連接，僅僅是中部的卸料管，卸料管通過外部連接管進入料倉，料倉是一個與大氣相通的空間。則“罐體-卸料管-料倉”這個系統，實際上類似于一個文丘里裝置。無論罐體內部的流化狀態如何，在空壓機持續的壓縮空氣供應下，在罐體內與料倉的壓力差作用下，根據文丘里裝置的原理，就會在卸料管道這個突然變小的管道內，氣-固兩相的速度將會大大提升。

空壓機啟動后，罐體內壓力逐漸建立，一般操作者在罐內氣壓達到0.15MPa時，打開卸料罐道上的蝶閥，開始進行卸料;隨著卸料的進行，罐內氣壓將先升后降，最大限值一般設定為0.2MPa時安全閥開始工作，后罐體內壓力隨著水泥顆粒的減少逐漸下降;直到罐體內壓力降至0.1MPa，即一個大氣壓時，認為卸料基本完畢。根據這個實際操作，在卸料末期，這里假定空氣經由空壓機壓縮后進入罐體，由于罐體內壓力也接近一個大氣壓，則視同空氣在罐內未被壓縮，此時，空壓機流量Q可視為進入卸料管的瞬時流量，則

式中，Q為進入卸料管內的總氣體體積流量， m3/s ;S 為卸料管道的截面積，m2 ; v為卸料管道內氣體流速，mm/s。

目前市場上常用的空壓機流量選擇為12.5 m3/min，卸料管道內徑100 mm，則由式（2）可算出卸料管道內氣-固兩相流速為v=26539 mm/s ，遠遠超出水泥相的臨界流化速度。

5 結語

水泥顆粒在罐體內的流態化不是大家習慣認為的散式流態化，而是聚式流態化，湍流是罐體內氣-固兩相的主要狀態;卸料末期不是因為流態化的變差影響卸料性能，而是到后期固氣比大大降低;在卸料管這個文丘里裝置喉部作用下，水泥顆粒被氣體夾帶而出。卸料口過高時，在卸料后期，流過的快速氣流避開了水泥顆粒直接進入卸料管，導致卸料慢剩余率高;卸料口過低時，水泥顆粒容易堵塞管道，卸料口位置高低對卸料性能影響很大，也恰恰反證了本文的觀點。

參考文獻：

[1]黃標.氣力輸送[M].上海：上海科學技術出版社，1984.

[2]許盼.高壓密相氣力輸送氣固兩相流動特性研究[D].南京：東南大學，2019.

[3]GeldartD.Types of gas fluidization[J].Powder Technology，1973，7 （5）：285-292.

[4]GeldartD.Abrahamsen A R.Homogeneous fluidization of fine pow- ders using various gases and pressures[J].Powder Technology， 1978，19（1）：133-136.

[5]鄭鐳.散裝水泥運輸車的優化分析[D].唐山：河北理工大學，2008.

作者簡介：

朱德見，男，1973年生，高級工程師，研究方向為商用車底盤及罐式車輛結構。