氣體輸送技術(shù)在食品企業(yè)的應(yīng)用

□ 張 玲 畢恩建筑工程咨詢(上海)有限公司

氣流輸送是利用一定壓力及速度的氣流在管道中來輸送粉粒狀物料的一種方法。從流體力學(xué)的觀點而言，氣流輸送所研究的是兩種混合介質(zhì)（兩相流），即氣-固。因此氣流輸送的系統(tǒng)是研究氣固兩相流的一門基本學(xué)科。

1 氣流輸送技術(shù)簡介

粉體的氣流輸送技術(shù)至今已有一百多年的歷史。近代歷史上曾被在港口運輸中來卸運糧食。典型的吸送式吸糧機應(yīng)用圖，參見圖1。

相比與傳統(tǒng)的各種輸送機，輸送帶等的粉體輸送方式，氣流輸送具有了防塵、密閉等優(yōu)點。在現(xiàn)代的食品制造企業(yè)中，會大量使用干粉或顆粒裝原料。而且出于產(chǎn)品質(zhì)量的把控，現(xiàn)代的食品制造企業(yè)越來越注重對其產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境。氣流輸送對于此類干粉狀或顆粒狀的物料輸送效果很好，而且在密封管道內(nèi)輸送，避免了物料在輸送過程中產(chǎn)生污染、變質(zhì)。而且采用密閉管道的輸送，因此大大減少揚塵的污染，使整個生產(chǎn)環(huán)境整潔干凈。采用了氣流輸送是有壓或負壓系統(tǒng)，使得整個工藝設(shè)備布置或布局的局限性相比與重力提升系統(tǒng)大大減小。此外，采用粉體氣流輸送系統(tǒng)，能大大增加整個工藝系統(tǒng)的自動化控制，從原料下料→自動研磨→篩分→稱量→下料等工藝形成一條全自動工藝流水線，大大減輕人工操作，正因為有了如此多的有點，粉體氣流輸送技術(shù)正在被越來越多的食品企業(yè)所采用。

1.1 氣流輸送的分類

圖1 吸氣式氣力輸送裝置

圖2 壓氣式氣力輸送裝置

氣流輸送根據(jù)粉塵在輸送管道中的狀態(tài)分為稀相輸送和密相輸送。當(dāng)粉體比重含量低于100 kg/m3亦或粉體/氣比（粉體輸送量與對應(yīng)氣流用量的質(zhì)量流率比）為0.1～25時，輸送過程為稀相輸送。當(dāng)輸送粉體比重含量高于100 kg/m3亦或粉體/氣比（粉體輸送量與對應(yīng)氣流用量的質(zhì)量流率比）比大于25時，輸送過程稱為密相輸送。

例如：吸引式（圖1）和壓送式（圖2）均為粉體的典型稀相輸送方式。例如脈沖式輸送（圖3） 這個就是典型的密相輸送.它的原理是將一股壓力氣流通入物料儲罐，將物料松動；同時另一股壓力氣流壓入輸料的管道中，在管道內(nèi)形成交替排列的料柱和氣柱，此外還可以根據(jù)不同輸送要求進行壓力的補充，這種借氣體壓力推動前進的密相輸送方式。

在實際運用操作，會根據(jù)現(xiàn)場或設(shè)計的要求中既有使用吸引式并輔助壓送模式，即混合式來達到生產(chǎn)的目的，如圖4所示。

1.2 氣流輸送的優(yōu)缺點

1.2.1 吸送式氣流輸送具有的特點

①適用于多處向一處集中輸送。即一個或多個供料點，而卸料點是一個。②供料裝置相對簡易，因為物料很容易在負壓的作用下被吸入。③因為整個系統(tǒng)處于負壓狀態(tài)，系統(tǒng)各個部件需要有良好的密封，防止吸漏。④物料濃度和輸送距離受到的限制。負壓設(shè)計對風(fēng)機的壓頭或真空泵的真空度要求越大；在設(shè)計上往往受限于真空泵的真空度壓力損失。⑤采用負壓管道的輸送，物料不易泄漏，因此大大減少揚塵的污染。

1.2.2 壓送式氣流輸送具有的特點

①與吸送式相反，更適用于一處向多處集中輸送。即一個供料點，而卸料點可以是一個或者多個。②物料濃度和輸送距離受限較小。因為其濃度與輸送距離只要主要取決壓縮空氣機的性能壓力，而且可以隨程進行加壓，因此距離可以達到數(shù)千米。③因為整個系統(tǒng)處于正壓狀態(tài)，粉體容易下料。④整個系統(tǒng)處于正壓下，因此物料不容易進入輸送管路，需要額外的上料系統(tǒng)。⑤采用正壓輸送，一旦管道泄漏，物料會泄漏到管道外部，操作人員能很快根據(jù)粉塵泄漏位置找出管道泄漏點。

1.2.3 氣流輸送的缺點

氣流輸送系統(tǒng)也有相應(yīng)的缺點或不是用的場合。①相對其他裝置而言，氣流輸送電力消耗大，由于粉塵摩擦，管道容易磨損。②黏濕度較大的粉塵或者特別容易結(jié)塊的粉塵不適宜氣流輸送方式。③對于輸送率及輸送距離有一定要求的系統(tǒng)。

1.3 氣流輸送參數(shù)

上述提到的氣流輸送即混合兩相流，所以混合物的物理性質(zhì)，對兩相流的運動狀態(tài)、固體顆粒速度及輸送管內(nèi)的壓力損失等有很大的影響。固體特性、輸送量、輸送氣流的速度及輸送濃度比這三個參數(shù)是粉體氣流輸送系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)[2]。

在氣流輸送的設(shè)計中，選擇恰當(dāng)?shù)妮斔蜐舛缺仁欠浅Ｖ匾?。因為輸送濃度比越大，在一定的輸送產(chǎn)能條件下，所消耗的氣流就小，那么功率消耗也少，則相應(yīng)的管路，設(shè)備等相應(yīng)小些。投資額可以節(jié)省。但是輸送濃度比不能過大，否則物料容易產(chǎn)生堵塞，管道損失亦會增大；因此風(fēng)機壓頭需要較大壓力。物料適用的輸送濃度比可以通過實驗測試或經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，或表1的經(jīng)驗值。

根據(jù)不同的物料選擇恰當(dāng)?shù)臍饬魉俣纫彩欠浅Ｖ匾?，氣流速度過小容易導(dǎo)致固體物料沉積在管道底部，特別是彎頭等部位。表2為常用物料的氣流速度經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

圖3 脈沖式輸送裝置

圖4 混合式氣力輸送裝置

表1 質(zhì)量濃度的選用范圍

表2 常用物料的氣流速度經(jīng)驗數(shù)據(jù)

粉體氣流輸送系統(tǒng)設(shè)計需要從項目本身的需求出發(fā)，根據(jù)原材料物性特點及使用工況，經(jīng)過合理設(shè)計才能正真滿足將來的運行生產(chǎn)。

2 氣流輸送系統(tǒng)技術(shù)在食品企業(yè)應(yīng)用案例

鑒于氣流輸送系統(tǒng)的種種特性，現(xiàn)在越來越多地被運用到食品廠、藥廠等高科技的產(chǎn)業(yè)中。某知名糖果企業(yè)在2014年開始投資擴建建設(shè)的口香糖生產(chǎn)線，某公司工藝設(shè)計亦采用氣流輸送系統(tǒng)作為原料的輸送工藝。新增產(chǎn)能為口香糖（片狀）4 200千克 /小時；口香珠(粒狀) 4 200千克/小時；其產(chǎn)品的主要原材料有口香糖膠基、砂糖、糖漿、丙三醇、風(fēng)味香精；其中的砂糖等大量原材料均為顆粒狀粉料，通過氣流輸送系統(tǒng)從原材料噸袋輸送至口香糖混合攪拌器。

2.1 砂糖輸送系統(tǒng)

原材料砂糖采用1000千克/袋的噸袋包裝方式，存儲在原料倉庫中，通過叉車輸送至粉末處理車間，粉末處理車間緊靠原料倉庫。操作人員采用噸袋提升裝置，將噸袋提升至卸料站。

根據(jù)新增產(chǎn)能的物料衡算，需要新增3個口香糖混合攪拌器，每個混合攪拌器頂部各設(shè)一個帶稱量裝置的糖粉緩沖罐，并且需要預(yù)留一個未來上馬的混合攪拌機及附屬原料稱量緩沖罐。而混合攪拌器位于廠房中央處，整個管路從起端供料裝置至最終排風(fēng)機約150米左右，整個廠房工藝區(qū)為單層建筑約16米高。由于采購的原材料是顆粒狀的白砂糖，而用于混合攪拌的需要的是糖粉。因此需要在輸送管路上增設(shè)一臺高速磨粉機。另外，考慮到糖粉需要輸送的距離較長，且需要吸送至多個不同位置的稱量緩沖罐，整個系統(tǒng)較為復(fù)雜且自控要求較高。

2.1.1 物料描述

根據(jù)新增產(chǎn)品的要求，核算出物料輸送流速。

顆粒狀砂糖輸送要求：輸送物料為顆粒狀砂糖，固體比重為833 kg/m3，輸送能力 為2 700 kg/hr。輸送距離：水平 20 m，垂直 6.1 m。 90度彎頭7個。

粉末糖粉輸送要求：輸送物料為粉末狀砂糖，固體比重為560.6 kg/m3，輸送能力為3 178 kg/hr。輸送距離：水平146 m，垂直13.7 m。90度彎頭7個。

結(jié)合本項目的設(shè)備布局，輸送距離的需求和糖粉物性容易吸潮和結(jié)塊的特點，本項目采用了吸壓式的氣流輸送方式，質(zhì)量濃度控制在0.5左右，輸送速度在18～25 m/s。

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)備大致描述

整套下料裝置包含噸袋提升裝置、提升平臺、軟連接口、插板閥、濾網(wǎng)、氣閘閥、破碎閥、磁力棒、篩分機、旋轉(zhuǎn)閥、接料器。

砂糖氣流輸送系統(tǒng)包含進風(fēng)過濾器、止回閥、氣流下料、磨糖機、輸送管路。

糖粉氣流輸送系統(tǒng)包含下料除塵過濾器、進料緩沖倉、排風(fēng)機、氣閘閥、混合緩沖、罐、糖粉篩分機、旋轉(zhuǎn)閥、管道式磁力棒、三套帶稱量裝置的糖粉緩沖罐及自動分配閥組、除塵過濾器、進料緩沖倉、管道過濾器、安全閥、真空抽風(fēng)機、消音器及相應(yīng)的氣流輸送系統(tǒng)。具體參見圖6、7、8。

2.1.3 系統(tǒng)設(shè)備大致描述

操作人員將原料噸袋從倉庫取出，通過叉車運至粉末車間。通過電動提升裝置將噸袋安置在卸料站，顆粒狀物料通過重力，由氣閘閥（66ALR100）均勻出料。卸料站設(shè)有拍打器，防止物料受潮結(jié)塊，防止物料下料受阻。管道式濾網(wǎng)（66SCN100） 用作阻攔物料中的大顆?；螂s質(zhì)，破碎閥（66LBK100）用于破碎糖塊顆粒。管道式磁力棒用于取出原料中不慎帶入的金屬顆粒。糖粒經(jīng)過篩分被氣流抽輸送到磨糖機進行磨粉。為防止氣流污染產(chǎn)品，所有的進氣源都配有了進氣過濾器及壓差表。磨糖機為在線式機型，磨好的糖粉被氣流抽送至下料除塵過濾器（66FRV100），物料被濾芯截留并儲存在緩沖倉內(nèi)，并通過氣閘閥（66ALR102）進入混合儲存罐（100 Ft3約合2.83 m3）儲存，為防止粉塵結(jié)塊，罐內(nèi)設(shè)置了混合帶，進行低速攪拌。輸送氣流被濾芯過濾后排風(fēng)扇（66FCS100 ）拍走，為防止氣路受阻導(dǎo)致排風(fēng)扇空轉(zhuǎn)，管路上必須設(shè)計破真空裝置保證氣路安全。

圖5 噸袋提升系統(tǒng)及磨糖機

圖6 輸送分離系統(tǒng)

表3 可燃性信息特性表

圖7 排風(fēng)機及真空泵系統(tǒng)

圖8 下料及稱量系統(tǒng)

物料經(jīng)過糖粉篩分機（66SFT-101）后由旋轉(zhuǎn)閥下料通過負壓氣流被輸送到每個口香糖混合攪拌器的糖粉緩沖罐中， 糖粉緩沖罐上設(shè)有濾芯，氣流從濾芯通過，物料通過重力聚集在緩沖罐內(nèi)。糖粉緩沖罐有稱量裝置控制，一旦低于設(shè)定值糖粉會自動補入；糖粉緩沖罐為旁通串聯(lián)型設(shè)計， 每次只能一個罐補料，整個自控系統(tǒng)由PLC控制；氣流輸送系統(tǒng)經(jīng)過最后一個口香糖混合攪拌機后，殘余氣流重新通過除塵過濾器（66FRV101），此時可能管路中還會殘余未除凈的物料，則通過除塵過濾器（66FRV101），將這些原料重新回收，并排放至物料輸送管路內(nèi)來節(jié)約物料防止浪費。被排放的廢氣將通過真空抽風(fēng)機被排至室外。由于整個輸送線路復(fù)雜且長，一般的排風(fēng)機無法提供足夠的負壓，最終選用了真空抽風(fēng)機系統(tǒng)（約為260 mmHg）,并且將除塵過濾器（66FRV101）后的氣流管路改為10”(DN250)來減少管道阻力損失。

2.1.4 粉塵安全

粉塵爆炸是粉體氣流輸送應(yīng)用的一個安全環(huán)節(jié)。為了安全使用粉體氣流輸送,保證生產(chǎn)安全。需要根據(jù)不同的粉塵特點進行相應(yīng)的安全設(shè)計，由于本項目的糖粉粉塵本身是可燃粉塵，屬于St 1級別, MIE＞30MJ，具體數(shù)據(jù)參見表3[3]。

項目中所用的氣閘閥、過濾器、磨糖機、除塵器、風(fēng)機、排風(fēng)扇等均為防爆設(shè)計，特別是除塵器由于濾芯中會有粉塵聚集設(shè)計對空排放的瀉爆膜組保證系統(tǒng)安全；所有管道、設(shè)備都進行良好的接地防靜電措施，防止粉末傳送過程中的靜電火花產(chǎn)生。

3 結(jié)語

氣流輸送作為一種高效、便捷、簡易操作的運送技術(shù)，正在越來越多地被運用到各個行業(yè)。特別是應(yīng)用于食品企業(yè)，能大量減輕操作人員體力勞動，改善操作環(huán)境衛(wèi)生，物料密閉輸送減少污染發(fā)生。另外，配合自控系統(tǒng)能大大提高食品企業(yè)的全自動化控制，做到精準(zhǔn)投料及下料，將大量提升食品企業(yè)的質(zhì)量控制能力，從而符合人民對食品安全的要求。

[1]李詩久,周曉軍.氣力輸送理論與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[2]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊(上冊)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3] IFA. Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance GESTISDUST-EX[EB/OL].(2016-02-15)[2018-04-10].http://www.dguv.de/ifa/index-2.jsp.