化工行業(yè)粉粒體輸送設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展

李紅偉，章勇鋒，齊武軍，楊 芳

（1.浙江閏土股份有限公司，浙江 紹興 312300；2.浙江閏土熱電有限公司，浙江 紹興 312300）

在化工行業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免存在多種粉粒體物料，例如精對苯二甲酸 （PTA）、聚乙烯（PE）和小蘇打等[1-5]。早期的粉粒體投料主要以人工投料為主，會產(chǎn)生安全、環(huán)保及職業(yè)衛(wèi)生等方面的問題。近年來，隨著各方面要求的不斷提高，以及工業(yè)自動化、機(jī)械化水平越來越高，人工投料的方式逐步被淘汰，采用粉粒體輸送設(shè)備投料成為化工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。文中將探討化工行業(yè)常用粉粒體輸送設(shè)備的優(yōu)、缺點(diǎn)，并介紹其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顩r。

1 粉粒體投料設(shè)備分類[6-8]

1.1 機(jī)械輸送設(shè)備

機(jī)械輸送設(shè)備主要分為帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、螺旋輸送機(jī)、埋刮板輸送機(jī)、板式輸送機(jī)、振動輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)和管鏈輸送機(jī)等種類，其優(yōu)、缺點(diǎn)對比見表1。

1.2 氣力輸送設(shè)備

根據(jù)輸送氣體的壓力正負(fù)值，氣力輸送可以劃分為正壓輸送和負(fù)壓輸送；根據(jù)輸送時粉粒體的狀態(tài)和能力，氣力輸送一般又劃分為稀相輸送和密相輸送。根據(jù)這2個劃分原則，氣力輸送設(shè)備可以劃分為正壓密相、正壓稀相、負(fù)壓密相和負(fù)壓稀相這4類輸送設(shè)備[10-11]。

表1 不同類型粉粒體機(jī)械輸送設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對比

在化工粉粒體投料設(shè)備的氣力輸送設(shè)備中，負(fù)壓輸送設(shè)備因存在以下缺點(diǎn)而無法得到廣泛使用：①負(fù)壓壓力低（最高－0.1 MPa），輸送能力比較差，難以實(shí)現(xiàn)密相輸送。②氣相、固相不可能被100%分離，真空機(jī)組往往因吸入粉粒體而發(fā)生損壞。而正壓輸送則不存在此類問題。③負(fù)壓輸送的輸送距離有限，而正壓輸送則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百米距離的輸送[12-13]。

在工程領(lǐng)域中，稀相氣力輸送相對成熟一些，但是其輸送能力不如密相輸送。正壓輸送過程中主要采用正壓密相輸送，在正壓密相輸送難以實(shí)現(xiàn)的情況下才選擇正壓稀相輸送[14-18]。

1.3 液力輸送設(shè)備

液力輸送設(shè)備一般是指水力輸送設(shè)備，其使用限制為物料能與水接觸并且容易分離，或者工藝上需要水作為溶劑等特定情況。液力輸送設(shè)備使用條件特殊，本文不再單獨(dú)闡述。

液力輸送最大的優(yōu)點(diǎn)在于粉粒體可以像流體一樣通過管道輸送，輸送能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是在使用之前往往需要分離物料，且輸送過程中管道物料殘留處或者流速較慢時會出現(xiàn)沉淀或析出現(xiàn)象，容易造成管道阻塞，限制了其使用。

2 常用粉粒體輸送設(shè)備在化工行業(yè)的應(yīng)用限制

化工行業(yè)中的粉粒體產(chǎn)品種類多，粉粒體產(chǎn)品的粒子特性 （如粒徑、密度、形狀、硬度和脆性），以及散料特性（如堆積密度、粒徑分布、空隙率、流動性、透氣性、存氣性/去氣性、休止角、內(nèi)摩擦角、壁摩擦角、滑動角、可壓縮性、黏性、吸潮性、含水率、溫度、靜電特性、熱敏感性和自然分解等）各不相同，化工特性又涉及可燃性、爆炸性、腐蝕性和毒性等[18-25]。這些限制了部分粉粒體輸送設(shè)備在化工行業(yè)的推廣應(yīng)用。

數(shù)十年來，化工粉粒體投料設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能等得到不斷改進(jìn)。但隨著各方面要求的提高，機(jī)械輸送設(shè)備中的帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、埋刮板輸送機(jī)、板式輸送機(jī)、振動輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)難以滿足安全、環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生、噪聲、防火、防爆、防塵及防靜電等標(biāo)準(zhǔn)要求，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)進(jìn)料或者多點(diǎn)出料，在設(shè)計(jì)過程中也難以實(shí)現(xiàn)三維空間布局，因而較少被采用。

3 化工行業(yè)常用粉粒體輸送設(shè)備特點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)展

3.1 螺旋輸送機(jī)

3.1.1 工作流程及特點(diǎn)

螺旋輸送機(jī)工作流程簡圖見圖1。物料一般緩存于投料緩存?zhèn)}中，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備需要物料時，通過螺旋輸送機(jī)和切斷閥將物料輸送至不同的帶除塵裝置和計(jì)量裝置的緩存?zhèn)}，在計(jì)量準(zhǔn)確后再通過下料閥投料至目標(biāo)設(shè)備中。

圖1 螺旋輸送機(jī)工作流程簡圖

螺旋輸送機(jī)優(yōu)點(diǎn)：①螺旋輸送完全在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)，不會出現(xiàn)漏氣、漏粉等問題，能夠滿足生產(chǎn)上安全環(huán)保的要求。②結(jié)構(gòu)簡單，維修操作方便，制造成本低。③目前執(zhí)行的JB/T 7679—2008《螺旋輸送機(jī)》[26]中規(guī)定了螺旋輸送機(jī)的型號、參數(shù)、尺寸、技術(shù)要求和試驗(yàn)方法等，并且提供了設(shè)計(jì)方法。螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品成熟，極具工程推廣應(yīng)用優(yōu)勢。④對物料顆粒度要求不高，一些塊狀物料也可以輸送。物料體積流量比較容易控制。⑤目前較成熟產(chǎn)品尺寸一般可以達(dá)到DN1 250 mm，能夠滿足大多數(shù)粉粒體輸送要求。

螺旋輸送機(jī)缺點(diǎn)：①靠螺旋推動力推進(jìn)輸送物料，摩擦劇烈，葉片和殼體摩擦嚴(yán)重。②由于存在螺旋軸，一般采用兩端支撐或者懸臂支撐來固定和防止撓曲變形 （考慮化工產(chǎn)品的腐蝕性等特性，不宜設(shè)置中間軸承），因此其單根輸送距離一般比較短[27]。③一般只能水平輸送，即便有傾角，原則上也不得超過15°。④理論上螺旋輸送機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)出料，但因螺旋輸送不可避免會有夾帶，造成物料輸送至螺旋輸送機(jī)末端，故容易出現(xiàn)堵塞、卡死等現(xiàn)象[28]。對出料口進(jìn)行優(yōu)化可以解決部分此類問題，但螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特性決定了該問題難以避免，在實(shí)際應(yīng)用中建議采用1點(diǎn)出料或者采用電機(jī)正反轉(zhuǎn)的形式在螺旋輸送機(jī)的兩端末端進(jìn)行2點(diǎn)出料。

3.1.2 應(yīng)用及發(fā)展

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，螺旋輸送機(jī)的理論體系相對而言比較成熟，也有現(xiàn)成規(guī)范可以參考，已經(jīng)較多地應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程中，目前在短距離大流量輸送物料上以及移動式輸送系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者針對螺旋輸送機(jī)均進(jìn)行了大量的研究，研究方向主要集中在螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和選型、無軸螺旋輸送機(jī)的研究、驅(qū)動方式的創(chuàng)新等方向上[29-30]。 在未來的發(fā)展過程中，大型化、智能化、節(jié)能化以及提升其使用壽命都是螺旋輸送機(jī)研究的熱點(diǎn)方向[30]。

在目前的常用粉粒體輸送設(shè)備研究過程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和研究過程中，其中包括有限元分析[31-33]和DEM[29-30，34-35]等技術(shù)。 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以更加直觀地分析螺旋輸送機(jī)的工作狀態(tài)，有效降低試驗(yàn)成本，更加準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型，分析不同因素對螺旋輸送機(jī)輸送過程的影響，為其設(shè)計(jì)、制造以及優(yōu)化提供便利，非常有利于螺旋輸送機(jī)的推廣使用。

3.2 管鏈輸送機(jī)

管鏈輸送機(jī)是在密閉的管道內(nèi)借助鏈條牽引，使固定于其上的刮板推動物料，以非間斷方式輸送物料的連續(xù)輸送設(shè)備。近年來，根據(jù)輸送鏈條的區(qū)別，管鏈輸送機(jī)又劃分為環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)和板鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)。

3.2.1 環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)

環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)工作流程簡圖見圖2。物料一般儲存于投料緩存?zhèn)}內(nèi)，經(jīng)過溜管后由垂直環(huán)鏈輸送機(jī)提升至一定高度，再經(jīng)溜管到達(dá)水平環(huán)鏈輸送機(jī)，經(jīng)切斷閥的調(diào)節(jié)可以到達(dá)不同的帶除塵裝置和計(jì)量裝置的緩沖倉，經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)量后由下料閥投料至目標(biāo)設(shè)備。

圖2 環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)工作流程簡圖

環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)主要由拉緊裝置、加料裝置、環(huán)鏈條、輸送盤、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向鏈輪、卸料裝置及安全卸料口等組成。垂直環(huán)鏈輸送機(jī)是隨著環(huán)鏈垂直提升，把進(jìn)入管道內(nèi)的物料由底部送至高處，然后在卸料口卸料。水平環(huán)鏈輸送機(jī)的物料由進(jìn)料口進(jìn)入底部管道，環(huán)鏈靠摩擦力驅(qū)動物料，可以設(shè)置多個出料口進(jìn)行出料。環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)一般只向一個方向推進(jìn)，所以選擇由一端進(jìn)料、向多個出料口出料的方式。

環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)優(yōu)點(diǎn)：①所有物料均在密閉的管道內(nèi)進(jìn)行輸送，避免了物料與外界的雙向污染問題。②可以實(shí)現(xiàn)水平或垂直路徑上的裝料和卸料，極大提高了環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)的適用性。③占地面積小，空間利用率高。④采用管道化設(shè)計(jì)，檢、維修相對比較方便。⑤適用性強(qiáng)，使用范圍廣，一般的粉粒體以及一些小的塊狀物基本都可以輸送，物料輸送過程中死區(qū)較少。⑥相比其他粉粒體輸送方式，環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)的輸送能力強(qiáng)，單位能耗低。⑦容易實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制，滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。

環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)缺點(diǎn)：①因采用鏈條輸送，柔性較大，如果鏈條設(shè)計(jì)過長，撓度過大，則鏈條中間部分會下墜使摩擦加劇，因此鏈條長度一般不會超過50 m。②輸送過程主要依靠摩擦力，噪聲問題難以解決。摩擦過程中有可能產(chǎn)生靜電，靜電消除也是亟待研究的方向。③實(shí)際生產(chǎn)過程中鏈盤磨損嚴(yán)重，往往半年內(nèi)就需全部更換，檢、維修費(fèi)用較高。④對管鏈輸送機(jī)至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法，比較依賴于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下就需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，工程推廣難度較大。⑤管道安裝精度要求較高，且管道內(nèi)部不得有毛刺等現(xiàn)象，必要時還需要設(shè)計(jì)專門的法蘭以保證管道安裝后的粗糙度。⑥管鏈輸送機(jī)主要向單一方向輸送，如果存在空間轉(zhuǎn)向，一般以串接為主。⑦隨著使用時間的延長，鏈條往往會伸長，有可能會發(fā)生鏈輪脫鏈等現(xiàn)象，使用過程中需設(shè)計(jì)必要的張緊裝置，并且定期進(jìn)行檢、維修。⑧為降低磨損，同時考慮物料兼容性，輸送盤主要是由工程塑料制作而成，其強(qiáng)度限制了輸送盤盤片的直徑一般不超過400 mm，使最大輸送能力受限。

3.2.2 板鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)

板鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)各方面的性能基本與環(huán)鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)相同，但其鏈條采用板鏈，鏈條的抗拉力更強(qiáng)、承載力更大，一定程度上克服了管鏈長時間使用時的拉伸問題。板鏈?zhǔn)焦苕溳斔蜋C(jī)的缺點(diǎn)是基本只能采用轉(zhuǎn)角鏈輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，無法像管鏈一樣采用大弧度彎進(jìn)行轉(zhuǎn)向，使其空間布局受到限制。

3.2.3 管鏈輸送機(jī)應(yīng)用及發(fā)展

近年來管鏈輸送機(jī)在PTA等行業(yè)應(yīng)用比較成熟，目前在類似的流量小、流動性好的粉粒體輸送中應(yīng)用較多[1-2，36-37]。

管鏈輸送機(jī)內(nèi)部設(shè)置有鏈條、輸送盤及轉(zhuǎn)角鏈輪等機(jī)構(gòu)，近年來涌現(xiàn)出不少針對輸送盤[38]、鏈條[39]、張緊裝置[40]等的研究成果，解決了管鏈輸送機(jī)制造和使用中的部分問題，有利于管鏈輸送機(jī)的推廣使用。

國內(nèi)管鏈輸送機(jī)的研究起步較晚，至今不過十幾年，參與的高校主要有遼寧工程技術(shù)大學(xué)、太原科技大學(xué)等。

國內(nèi)目前的研究方向主要集中在理論研究、有限元仿真、PID控制、計(jì)算機(jī)算法和可靠性分析等方面，但是理論仍舊不夠嚴(yán)謹(jǐn)，缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)，在設(shè)計(jì)過程中仍較大程度依賴試驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在缺陷[41-42]。后期應(yīng)對其進(jìn)行深入研究，完善設(shè)計(jì)理論，改進(jìn)結(jié)構(gòu)和性能并起草相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以推廣其工程應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用于管鏈輸送機(jī)的研究過程中，能夠更加直觀地分析管鏈輸送機(jī)的工作狀態(tài)，利用有限元仿真可以代替一部分試驗(yàn)，推動其理論的豐富與發(fā)展，對管鏈輸送機(jī)的發(fā)展和推廣應(yīng)用具有非常重要的意義[41]。

3.3 正壓氣力輸送設(shè)備

3.3.1 工藝流程及特點(diǎn)

正壓氣力輸送主要是應(yīng)用氣體的動壓和靜壓，使粉粒體隨著氣體流動而在管道中輸送至目標(biāo)點(diǎn)。

正壓氣力輸送工作流程簡圖見圖3。物料一般緩存于投料緩存?zhèn)}中，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備中需要物料時，通過切斷閥分別使物料流向倉泵，當(dāng)倉泵物料達(dá)到一定程度后切換到發(fā)送狀態(tài)，壓縮空氣的流動帶動倉泵中的物料經(jīng)分路閥流向不同的帶除塵裝置和計(jì)量裝置的緩沖倉，經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)量后物料通過下料閥投送至目標(biāo)設(shè)備。

圖3 正壓氣力輸送工作流程簡圖

正壓氣力輸送設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)長距離輸送，輸送能力強(qiáng)。一般的粉粒體輸送機(jī)械基本都有長度限制，例如管鏈輸送機(jī)輸送長度原則上不超過50 m，但氣力輸送長度可以達(dá)數(shù)百米。②在所有粉粒體輸送設(shè)備中，氣力輸送設(shè)備布局最容易。因物料基本以流動狀態(tài)存在，除了避免出現(xiàn)垂直向下輸送等極特殊情況外，幾乎可以像管道一樣實(shí)現(xiàn)三維布局。而其他粉粒體輸送機(jī)械基本都需進(jìn)行串接。③適用于向多個投料口卸料，更適合工業(yè)化應(yīng)用。④空間布局所需占地面積最小，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。⑤所有物料均在管道內(nèi)運(yùn)行，整個流程全部密閉化，經(jīng)過最終除塵設(shè)備后，比較容易達(dá)到目前的安全環(huán)保要求。⑥有關(guān)正壓氣力輸送設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范雖然不完善，但是已經(jīng)具備了一定的參考價值。正壓氣力輸送設(shè)備最先廣泛應(yīng)用于電廠的輸灰系統(tǒng)中，JB/T 8470—2010 《正壓濃相飛灰氣力輸送系統(tǒng)》[43]主要針對電廠鍋爐飛灰，化工粉粒體氣力輸送可以參考SH/T 3152—2007《石油化工粉粒體產(chǎn)品氣力輸送工程技術(shù)規(guī)范》[44]。

正壓氣力輸送設(shè)備的缺點(diǎn)：①因使用壓縮空氣輸送，故空氣壓縮過程耗能較大，長期運(yùn)行成本較高。②輸送物料流動速度快，管道尤其是轉(zhuǎn)角位置的磨損異常嚴(yán)重。目前雖然對轉(zhuǎn)角等位置進(jìn)行了內(nèi)襯層處理，但是仍然難徹底解決磨損問題[45]。③輸送對含氧量敏感的物料時往往需要使用惰性氣體進(jìn)行輸送，輸送成本高。④產(chǎn)生的廢氣量大，對環(huán)保設(shè)施的處理能力要求也相應(yīng)提高。⑤隨著對氣固分離能力要求的提高，進(jìn)一步增加了初期投資和后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。⑥相比于其他粉粒體輸送機(jī)械，正壓氣力輸送設(shè)備整體密封性要求更高，原則上不能出現(xiàn)泄漏。⑦化工行業(yè)粉粒體物料種類繁多，特性各異，現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范中雖給出了相應(yīng)設(shè)計(jì)公式，但很多數(shù)值仍為經(jīng)驗(yàn)估算所得，目前尚沒有形成成熟的正壓氣力輸送理論體系和設(shè)計(jì)方法。針對不同物料經(jīng)常需進(jìn)行試驗(yàn)論證，影響了正壓氣力輸送設(shè)備的推廣應(yīng)用。

3.3.2 應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

正壓氣力輸送設(shè)備以前在電廠輸灰裝置中應(yīng)用較多，其密閉輸送、易于布局等特點(diǎn)以及近年來國家對環(huán)保的要求促使其在化工行業(yè)逐步得到推廣應(yīng)用，在聚烯烴粉體輸送等方面已經(jīng)有較多的應(yīng)用實(shí)例。

粉粒體儲存和氣力輸送過程中產(chǎn)生的靜電及其消除問題仍舊沒有完善的理論體系，尚需進(jìn)一步的研究[46]。 譚鳳貴等[47]對石化粉體靜電爆炸進(jìn)行了研究和探討，但其研究著重于聚烯烴粉塵，具有片面性和局限性，尚不能完全推廣。

計(jì)算流體動力學(xué)等計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值摸擬技術(shù)被逐步應(yīng)用于氣力輸送系統(tǒng)的研究，在建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃髸斜容^契合實(shí)際的效果。這種應(yīng)用可以極大節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用和周期，為氣力輸送的推廣提供便利[48-49]。

氣力輸送的理論體系尚待進(jìn)一步完善，影響氣力輸送的各要素以及各要素之間的相互影響都需進(jìn)行深入研究[50]，以便更好地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)用于化工行業(yè)粉粒體輸送的設(shè)備主要有螺旋輸送機(jī)、管鏈輸送機(jī)和正壓氣力輸送設(shè)備。各種粉粒體輸送設(shè)備各具優(yōu)、缺點(diǎn)，在能耗、輸送能力、設(shè)備布局及適用類型等方面存在較大差異。選取粉粒體輸送設(shè)備時需兼顧各方面性能，既要綜合考慮物料的理化特性，還要滿足實(shí)際生產(chǎn)的輸送能力和指標(biāo)要求。

螺旋輸送機(jī)已經(jīng)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以參考并執(zhí)行，正壓氣力輸送設(shè)備也有個別的設(shè)計(jì)規(guī)范可以參考，尚沒有針對管鏈輸送機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前沒有完整的理論體系支撐管鏈輸送機(jī)和正壓氣力輸送設(shè)備，都以試驗(yàn)論證為主，在充分論證其可行性的情況下才能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，嚴(yán)重阻礙了其工程應(yīng)用。

針對粉粒體輸送過程中的防靜電和防爆問題，目前有一定的研究成果，但尚存不足。氣力輸送過程中物料傳送速度快、摩擦靜電作用較強(qiáng)的問題亟待解決。

計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值摸擬技術(shù)近年來被較多地應(yīng)用于粉粒體輸送設(shè)備的研究開發(fā)，可以縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本并優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)，為粉粒體輸送設(shè)備的推廣應(yīng)用提供便利條件。