密相氣力輸送水平料栓作用力分析

黃秋瑩

（上海金申德粉體工程有限公司，上海 200040）

密相氣力輸送水平料栓作用力分析

黃秋瑩

（上海金申德粉體工程有限公司，上海 200040）

密相氣力輸送技術(shù)已成為輸送固體物料的新途徑，其一個(gè)重要指標(biāo)就是輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸送過程是否穩(wěn)定主要看輸送管道的振動(dòng)。要想使輸送系統(tǒng)更加穩(wěn)定，必須對(duì)密相輸送過程進(jìn)行分析，找到管線振動(dòng)的來源，從而控制好輸送過程中的參數(shù)，進(jìn)而解決管道振動(dòng)的問題。

密相氣力輸送； 料栓； 穩(wěn)定輸送； 作用力；振動(dòng)

氣力輸送是利用空氣在管道內(nèi)的流動(dòng)，將物料沿著指定的路線進(jìn)行輸送，它在化工、采礦、糧食等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，因此得到各國工業(yè)界的關(guān)注和重視，其發(fā)展至今已有百余年的歷史。氣力輸送一般分為密相輸送和稀相輸送兩種形式，但在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，這門技術(shù)幾乎都是在物料全部懸浮的條件下進(jìn)行的動(dòng)壓輸送，稱之為稀相輸送。該方式采用高速氣流在管道中帶走散狀粉粒料，這使得粒子相互間及其和管壁的碰撞不可避免，并導(dǎo)致粒子破碎及管道磨損，加之空氣輸送量大使能耗也大。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了低速密相氣力輸送技術(shù)，即物料在幾乎充滿管道的情況下移動(dòng)。通常采用較高輸送氣壓力、較低的氣流速度和較高的固氣比，通過輸送風(fēng)量和下料量的配比，使物料在管道中以近似柱塞狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)輸送[1]。低速密相氣力輸送技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)裝置，具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先是輸送速度低，故能做到最少的管道磨蝕和粒料破碎，而高濃度則使耗氣量少；其次，因耗氣量少而使輸送終端的料、氣分離較易，空氣過濾設(shè)備也就小得多；再則，粒子的靜電荷減少有助于防止諸如粉塵爆炸和壓降逐漸增加的問題[2]。

因此密相氣力輸送技術(shù)在近十幾年得到世界各國的重視，更在眾多行業(yè)中得到應(yīng)用，已成為輸送固體物料的新途徑。但因其機(jī)理復(fù)雜，受物性、操作條件、設(shè)備等因素的限制，目前它的理論研究尚處于發(fā)展階段。密相氣力輸送的一個(gè)重要指標(biāo)就是輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸送過程是否穩(wěn)定主要看輸送管道的振動(dòng)，密相輸送管道的振動(dòng)也是一個(gè)密相輸送研究人員比較難以解決的問題。要想使輸送系統(tǒng)更加穩(wěn)定，必須對(duì)密相輸送過程進(jìn)行分析，這有助于我們對(duì)料栓形成過程的了解，找到管線振動(dòng)的來源，從而控制好輸送過程中的參數(shù)，進(jìn)而解決管道振動(dòng)的問題[3]。

1 栓塞式密相氣力輸送的流動(dòng)機(jī)理及料栓上作用力

1.1 流動(dòng)機(jī)理

從流動(dòng)形式來分，密相氣力輸送可分為栓塞式氣力輸送和非栓塞式密相氣力輸送兩種。本文所探討的即為栓塞式氣力輸送，其一般是靜壓密相輸送，是指物料在輸送管內(nèi)堆集成料栓，料栓之間充滿了空氣，完全依靠?jī)啥说撵o壓差推動(dòng)前進(jìn)，這種輸送方式氣流速度在10 m/s以下，輸送壓力一般為0.2 MPa左右，固氣比在25～250之間[4]。圖1示出栓塞式密相氣力輸送的理想狀況，即在合理的間距下，由合理長度的栓塞來輸送物料。

圖1 理想的栓流運(yùn)輸Fig.1 Ideal particle plug conveying

但是在實(shí)際中，人們不可能指望固體顆粒會(huì)自然地形成這樣一種穩(wěn)定的栓塞，因此圖1所示的理想栓流狀態(tài)在管路中幾乎不大出現(xiàn)。一般是如圖2所示，在管道的底部形成一層沉積的物料穩(wěn)定層，栓塞在層上移動(dòng)時(shí)十分類似水平管道中氣-液蠕動(dòng)的波狀移動(dòng)，這樣形成料栓的穩(wěn)定輸送。料栓向前移動(dòng)時(shí)，堆起前面靜止的物料，同時(shí)又在其后留下一定量的物料。當(dāng)料栓堆起的物料等于留下的物料時(shí)，料栓穩(wěn)定輸送，當(dāng)這種平衡被破壞時(shí)，便可能形成長料栓或料栓破壞[5]。如圖3所示，靜止層從沙丘增高為栓塞，并在輸送一段距離后倒塌。

圖2 波狀栓流Fig.2 Waving plug flow

圖3 栓的形成和倒塌Fig.3 Formation and collapsing of the particle plug

1.2 水平管道料栓作用力分析

在栓塞式密相輸送的水平管道中，顆粒料栓單元受空氣壓力和應(yīng)力的情況如圖4所示。

圖4 作用于水平料栓上的力Fig.4 Force applied to the horizontal particle plug

其所受作用力主要如下：

（1）K ─ 推動(dòng)物料向前所需要的力，N；

（2）K1─ 物料的重力，N；

（3）K2─ 料栓之間空氣的向后作用力，N；

（4）K3─ 由于該反向作用力使料栓擠向管壁的作用力，N；

（5）K4─ 沿管壁的摩擦力，N。

在以上這些力當(dāng)中，有的會(huì)破壞料栓，只有向后作用力K2和輸送壓力K在一起才能保住料栓[6]。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)料栓達(dá)到定常狀態(tài)，水平方向的驅(qū)動(dòng)和阻力二者達(dá)到平衡狀態(tài)。即平衡方程：

式中 m—料栓單元的質(zhì)量，kg；

a—料栓單元的加速度，m/s2。

根據(jù)加速度運(yùn)動(dòng)方程：

式中 V1—料栓的速度，m/s；

t—時(shí)間，s。

摩擦力：

阻力：

式中 γm—?dú)夤袒旌衔锏谋戎兀琸g/m3；

γg—?dú)怏w的比重，kg/m3；

λn—?dú)夤袒旌衔锏墓苈纺Σ料禂?shù)；

dl—管段長度，m；

cm—固體顆粒群在dl段內(nèi)的阻力系數(shù)；

ds—在與流體運(yùn)動(dòng)方向垂直的截面上的投影面積總和，m2；

D—管道直徑，m；

g—重力加速度，m/s2；。

把摩擦力、阻力及加速度運(yùn)動(dòng)公式代入平衡方程即可得出：

經(jīng)簡(jiǎn)化得：

2 水平料栓作用力分析的工程實(shí)踐意義

由K值的計(jì)算公式可判斷出，當(dāng)水平料栓穩(wěn)定輸送，料栓質(zhì)量保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，推動(dòng)料栓向前運(yùn)動(dòng)的力K與料栓速度、輸送氣與料栓速度差、料栓加速度息息相關(guān)。如果水平管道很長，則隨著料栓速度的加快，K值將快速增加，并對(duì)管道有著強(qiáng)烈的影響，即讓管道出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。此時(shí)，需要在水平管道的中后段設(shè)置一個(gè)能承受巨大推力的止推支架，以避免力K對(duì)管道造成破壞。

以作者本人參與設(shè)計(jì)的某HDPE密相輸送系統(tǒng)為例，其粒料輸送3線水平管距離達(dá)到150 m，根據(jù)1.2中推動(dòng)物料向前的力K的計(jì)算公式，在該段管段末端將會(huì)產(chǎn)生很大的推力，影響管系的安全。所以考慮在水平管段末端設(shè)置一個(gè)止推支架，吸收力K對(duì)管道的反作用力，以保護(hù)管道不受破壞。如圖5所示。

圖5 長距離水平管道止推支架設(shè)置Fig.5 Placement of the thrust support for long-distance horizontal pipeline

經(jīng)實(shí)踐證明，圖5所示水平管道沒有放置止推支架時(shí)，管道劇烈振動(dòng)，安全性難以得到保障。在圖中所示位置安裝止推支架后，管系運(yùn)行穩(wěn)定，基本消除了力K對(duì)管道的影響，保護(hù)了密相氣力輸送系統(tǒng)的管系。

3 結(jié)論

與稀相輸送相比，低速密相輸送因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正變得越來越重要。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，栓塞式密相氣力輸送在短距離、中距離的工業(yè)應(yīng)用中獲得成功，預(yù)計(jì)未來將會(huì)出現(xiàn)長距離的栓狀流密相氣力輸送工藝。但目前密相輸送的機(jī)理和物理模型遠(yuǎn)不如稀相輸送成熟，且由單個(gè)料栓物理模型導(dǎo)出的計(jì)算公式并不完全符合實(shí)際情況，更何況輸送時(shí)管道中往往可能同時(shí)存在幾種形態(tài)。所以要做到精確控制、系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠、管系更加安全，這些都是我們面臨的問題，因此在技術(shù)指標(biāo)的提高及參數(shù)優(yōu)化方面仍有許多工作有待進(jìn)一步深化。

[1] 黃起中.密相氣力輸送在LDPE裝置應(yīng)用淺析[J].甘肅石油和化工.2006（3）：18～21.

[2] 程克勤.低速密相氣力輸送綜述.硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程[J].2001（2）：22～26.

[3] 高敬國等.粉體密相氣力輸送理論與技術(shù)進(jìn)展[J].中國粉體技術(shù).1999，5（5）：35～37.

[4] 張慶今.硅酸鹽工業(yè)機(jī)械及設(shè)備[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1992.

[5] 劉宗明等.低速高能效的濃相氣力輸送技術(shù)[J].中國粉體技術(shù).2005（5）：36～40.

[6] 程克勤譯.密相氣力輸送譯文集（23）[C].江南造船廠技改科技術(shù)情報(bào)股，1978.2.

Analysis of Force Acting on Horizontal plug in Dense Phase Pneumatic Conveyance

Huang Qiuying
（Shanghai KSD Bulk Solid Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200040）

Dense phase pneumatic conveyance technology has been the new route for transporting bulk solid.One important feature is the stability of conveying system, however the stability lies in whether there is vibration of conveying piping.To make conveying system more stable, it is necessary to analyze the process of dense phase conveyance and to find the source resulting in vibration, so that the parameters in conveying process can be controlled and the vibration of piping can be avoided.

dense phase pneumatic conveyance; particle plug; stable conveyance; acting force; vibration

TQ 022.3

：A

：2095-817X（2015）04-0016-003

2015-04-01

黃秋瑩（1983—），女，工程師，從事氣流輸送系統(tǒng)的配管設(shè)計(jì)工作。