采用正壓氣力輸送技術(shù)輸送大米的試驗(yàn)研究

闕富榮

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000 ）

1 概述

氣力輸送又稱氣流輸送，其利用氣流的能量，在完全密閉的管道內(nèi)沿氣流方向輸送顆粒狀物料，其氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約空間，操作方便，可用作水平的、垂直的或傾斜方向的輸送，主要應(yīng)用于散料輸送領(lǐng)域，其系統(tǒng)設(shè)備完全封閉，在物料輸送過程中不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵、泄漏等危害環(huán)境的情況，在保護(hù)環(huán)境方面效果顯著。對(duì)有毒、有害、易腐蝕的物料，以及對(duì)人體傷害大的物料，封閉式的氣力輸送系統(tǒng)對(duì)保護(hù)職工健康發(fā)揮著重要作用。氣力輸送技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于電力，鋼鐵、冶金、化工等領(lǐng)域，但對(duì)于大米這類糧食物料，則較少使用氣力輸送系統(tǒng)。究其原因主要是大米在輸送過程中容易破碎，而破碎率的增加將影響大米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和食用品質(zhì)，為降低大米輸送過程中的破碎率問題，很多學(xué)者都進(jìn)行了研究，楊進(jìn)平［1］從大米輸送過程中的壓力、速度、管道及大米的料性，包括大米的顆粒形狀和壓碎強(qiáng)度、顆粒粒徑等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出輸送速度是影響大米破碎的主要因素。曹峰等［2］對(duì)大米在斗式提升機(jī)裝料和提升過程中的破碎進(jìn)行了分析，提出改進(jìn)斗式提升機(jī)的結(jié)構(gòu)降低料斗的速度可降低大米在提升過程中的破碎率。

由此可見，降低大米的輸送速度，減少輸送過程中的碰撞和沖擊是降低大米破碎率的主要手段。為此，本文采用下引式倉(cāng)式泵［3］，配合內(nèi)徑為65 mm的輸送管道，在使用不同氣量和不同進(jìn)氣點(diǎn)氣量配比的條件下，對(duì)大米經(jīng)過氣力輸送后的破碎率進(jìn)行研究，通過采用合適的氣量和輸送氣配比，調(diào)試出穩(wěn)定的大米輸送狀態(tài)，最終將大米的破碎率降到最低。

2 實(shí)驗(yàn)物料選擇

大米在輸送過程中產(chǎn)生破碎的原因大致可分為大米自身的因素和設(shè)備因素兩種。大米自身的影響因素主要有大米的種類［秈米（個(gè)頭細(xì)長(zhǎng)）、粳米（相比秈米更圓潤(rùn)）］粒徑分布、壓碎強(qiáng)度、含水率、加工過程中產(chǎn)生的裂紋等；設(shè)備因素主要有輸送氣量和輸送壓力兩個(gè)方面。由于不同種類的大米抗破碎能力不同，即使是同種大米，不同批次的抗破碎能力也會(huì)有差別，因此為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)能適應(yīng)不同種類大米輸送的需求，本試驗(yàn)采用壓碎強(qiáng)度低、易破碎、輸送性能差的南方常見秈米為輸送原料進(jìn)行輸送試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用的秈米由3年陳谷脫殼去糠后得到，加工中產(chǎn)生的碎米一并在內(nèi)，堆積密度為0.85 t/m3。相比粳米，細(xì)長(zhǎng)的秈米在氣力輸送中更易破碎。

3 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

大米屬于顆粒狀物料，為降低大米破碎率，在輸送設(shè)備上不能選擇旋轉(zhuǎn)給料閥正壓氣力輸送方式，以避免旋轉(zhuǎn)給料閥葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)大米造成剪切破碎。根據(jù)大米流化性差和存氣性較差的雙重特點(diǎn)，為保證大米能夠完全從容器內(nèi)排出，輸送裝置采用下出料形式的發(fā)送罐，大米在發(fā)送罐內(nèi)能依靠自身的重力作用順暢地流入輸送管道進(jìn)行輸送。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。整個(gè)裝置由以下4個(gè)部分組成：①發(fā)送罐系統(tǒng)，包括輸送氣閥組（氣量的大小可決定出料量、物料的輸送速度等）、補(bǔ)氣閥組（通過此氣閥可調(diào)整料氣比，也可用它切斷長(zhǎng)料栓，防止因料栓過長(zhǎng)造成管道堵塞）、稱重傳感器、發(fā)送罐本體及進(jìn)料閥等，由于采用無充氣加壓輸送，發(fā)送罐出口可不配出料閥，大米顆粒之間的間隙大，采用重力流下料，發(fā)送罐上部也可不配平衡閥。②輸送管道系統(tǒng)，包括 65 mm輸送管道及彎頭、隔膜式壓力變送器等。③終端料倉(cāng)系統(tǒng)，包括料倉(cāng)本體、料倉(cāng)稱重傳感器、布袋除塵器。④氣源系統(tǒng)，包括供氣量為13 Nm3/min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）的螺桿式空壓機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、主管過濾器、微油過濾器、4 m3儲(chǔ)氣罐、安全閥等。

實(shí)驗(yàn)裝置采用上位機(jī)+PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，為了實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)送罐內(nèi)大米的重量，減少外部設(shè)備對(duì)稱重傳感器的干擾，發(fā)送罐與各管道連接處均采用橡膠波紋管連接；在進(jìn)氣母管上設(shè)有羅斯蒙特Annubar流量計(jì)，在每個(gè)進(jìn)氣閥組件上都設(shè)有手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，通過羅斯蒙特Annubar流量計(jì)，可以調(diào)節(jié)每個(gè)進(jìn)氣閥組的進(jìn)氣流量。壓力變送器量程為 0～1.0 MPa，稱重傳感器量程為 0～1.0 t。壓力變送器、稱重傳感器等信號(hào)通過通信電纜接入上位機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中各輸送階段的壓力、重量進(jìn)行測(cè)量、記錄，并生成氣力輸送特性曲線。

3.2 實(shí)驗(yàn)管道布置及測(cè)壓點(diǎn)位置設(shè)置

當(dāng)量輸送長(zhǎng)度為97.65 m的管道布置圖和壓力變送器布置圖如圖1所示，各管段長(zhǎng)度分別為ab段2 m，cd段17.2 m，ef段 15.5 m，gh 段 11.75 m，ij段 8 m，km 段1 m。本試驗(yàn)輸送管道上共有90°的彎頭5個(gè)，水平輸送距離為 25.5 m，垂直爬升 17.2 m，下降輸送 12.75 m，輸送管道總當(dāng)量長(zhǎng)度為97.65 m（龍凈環(huán)保管道當(dāng)量長(zhǎng)度L=水平管段長(zhǎng)度+下降段管道長(zhǎng)度+2×垂直爬升管道長(zhǎng)度+5×彎頭數(shù)量，單位：m）。本試驗(yàn)選擇的管道壓力測(cè)點(diǎn)為P（發(fā)送罐上部設(shè)置的壓力表及壓力變送器P）。

圖1 試驗(yàn)管道及壓力變送器布置圖

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：①試驗(yàn)前對(duì)大米進(jìn)行取樣分析，測(cè)定大米的初始破碎率。②調(diào)整輸送氣組件帶刻度盤球閥和補(bǔ)氣組件帶刻度盤球閥的開度，使經(jīng)過輸送氣閥和補(bǔ)氣閥的總氣量及氣量配比符合預(yù)先設(shè)計(jì)的要求值。③打開發(fā)送罐進(jìn)料閥，將大米裝入發(fā)送罐。④關(guān)閉進(jìn)料閥，在上位機(jī)上打開輸送氣組件進(jìn)氣閥和補(bǔ)氣組件進(jìn)氣閥，采用無壓開泵的輸送方式進(jìn)行輸送，輸送過程壓力測(cè)點(diǎn)P全程測(cè)量輸送過程中的壓力，輸送的氣量及壓力均反饋到上位機(jī)中，獲得輸送壓力曲線、輸送氣量曲線和發(fā)送罐重量變化曲線。⑤料倉(cāng)底部設(shè)有卸料閥，輸送完成后，從料倉(cāng)卸料閥放下米樣，取得輸送大米的樣品。每次輸送完后均進(jìn)行取樣，同一批大米連續(xù)輸送3次后，更換新米進(jìn)行輸送。

大米破碎率檢測(cè)按《糧油檢驗(yàn)碎米檢驗(yàn)法》（GB/T 5503—2009）給定的檢測(cè)方法，將隨機(jī)拾取的大米平攤在試驗(yàn)平臺(tái)上，由人工肉眼挑選，將顆粒完整度大于3/4的認(rèn)定為該顆粒完整，小于3/4以有斷層、出現(xiàn)裂紋的米粒認(rèn)定為破碎大米。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過3次輸送，得到以下3組輸送曲線。

第一次輸送的曲線如圖2所示，平均輸送壓力為46 kPa，最大輸送壓力為 78 kPa，總氣量為 2.5 Nm3/min，輸送末速度為 12.56 m/s，出力為 2.1 t/h。

圖2 第一次輸送的曲線

第二次輸送的曲線如圖3所示，平均輸送壓力為41 kPa，最大輸送壓力為 75 kPa，總氣量為 2.5 Nm3/min，末速度為 12.56 m/s，出力為 2.2 t/h。

圖3 第二次輸送曲線

第三次輸送的曲線如圖4所示，平均輸送壓力為42 kPa，最大輸送壓力為 59 kPa，總氣量為 2.5 Nm3/min，輸送末速度為 12.56 m/s，出力為 2.3 t/h。

圖4 第三次輸送曲線

5 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算公式：取樣重量=整米重量+碎米重量；完整率=（整米重量/取樣重量）×100%。

表1中，3組樣本總的取料量為83.16 g，總整米重量為 57.79 g，總碎米重量為 25.37 g，原始米樣完整率 =（57.79 g/83.16 g）×100%=69.49%。

表1 原始米樣完整率

表2中，3組樣本總的取料量為66.69 g，總整米重量為 46.14 g，總碎米重量為 20.55 g，輸送完整率 =（46.14 g/66.69 g）×100%=69.19%。

表2 第一次輸送米樣完整率

表3中，3組樣本總的取料量為113.06 g，總整米重量為 77.74 g，總碎米重量為 35.32g，輸送完整率 =（77.74 g/113.06 g）×100%=68.76%。

表3 第二次輸送米樣完整率

表4中，3組樣本總的取料量為109.12 g，總整米重量為 74.47 g，總碎米重量為 34.65 g，輸送完整率 =（74.47 g/109.12 g）×100%=68.25%。

表4 第三次輸送米樣完整率

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由于大米在輸送過程中容易破碎，因此本次大米只進(jìn)行了3次輸送試驗(yàn)，輸送總氣量根據(jù)以往輸送類似物料的耗氣量進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)中，通過調(diào)整輸送氣和補(bǔ)氣的氣量配比，可以形成穩(wěn)定均勻的栓柱流輸送。第三次輸送實(shí)驗(yàn)中，輸送氣和補(bǔ)氣的氣量配比較優(yōu)，因此獲得的輸送出力較大，輸送壓力也較穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在59 kPa。

本次大米輸送試驗(yàn)，輸送當(dāng)量長(zhǎng)度為97.65 m，其中爬升 17.2 m，下降 12.75 m，輸送管道采用普通無縫碳素鋼管（20#鋼），由于管道較長(zhǎng)時(shí)間未使用，內(nèi)壁銹蝕較嚴(yán)重，表面較粗糙，大米在輸送過程中受此因素干擾，破碎率會(huì)有一定程度的影響。在此輸送條件下，原始米樣的完整率為69.49%，經(jīng)過一次輸送后的完整率為69.19% ；經(jīng)過二次輸送后的完整率為68.76%，經(jīng)過3次輸送后的完整率為68.25%。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，采用氣力輸送的方式運(yùn)送大米，對(duì)大米的破碎影響較小。

相比于傳統(tǒng)機(jī)械的輸送，斗提機(jī)對(duì)大米產(chǎn)生的破碎主要有擠壓破碎、摩擦破碎、撞擊破碎，另外斗提機(jī)還存在回流情況，氣力輸送則不存在回流情況，傳統(tǒng)斗式提升機(jī)的增碎單次大于10%，回流率大于15%。TDTM系列防破碎性斗式提升機(jī)增碎單次小于2%，回流率小于4%，氣力輸送進(jìn)行大米的一次增碎在0.3%，無回流；二次增碎在0.43%，無回流；三次增碎在0.51%，無回流。提升機(jī)只是單純地將大米從低處送到高處，使用性較差，因此氣力輸送可作為大米輸送的一種方案。

對(duì)于氣力輸送，降低輸送的速度，調(diào)試出合適的氣量，控制恰當(dāng)?shù)妮斔蛪毫土纤ǖ拈L(zhǎng)度，合理運(yùn)用變徑技術(shù)，對(duì)降低大米的破碎率有積極作用。對(duì)于輸送的介質(zhì)壓縮空氣而言，可通過采用無油螺桿空壓機(jī)、高效干燥機(jī)和精密除油除水過濾器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥凈化，使大米在輸送過程中不受潮，輸送后大米的干燥度達(dá)到可直接存儲(chǔ)的程度。另外，對(duì)于發(fā)送罐及輸送的管道，可采用食品級(jí)不銹鋼或其他潔凈材質(zhì)，減少管道內(nèi)壁銹蝕對(duì)輸送破碎率的影響，并能滿足糧食輸送的安全要求。

無論是新廠建設(shè)還是舊廠改造，氣力輸送對(duì)空間的要求遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的斗式提升機(jī)和帶式輸送機(jī)，它可以將各個(gè)系統(tǒng)分開布置，可在不同位置分別設(shè)置進(jìn)料點(diǎn)后最終合并在一起，輸送管道可根據(jù)廠區(qū)情況靈活走位，氣源可以距離設(shè)備較遠(yuǎn)布置，控制系統(tǒng)可以就地也可以遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，真正在廠房?jī)?nèi)的設(shè)備只有輸送裝置和分離裝置，對(duì)優(yōu)化廠房?jī)?nèi)的空間布局來說，氣力輸送在改造中有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

綜上，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用氣力輸送的方式進(jìn)行大米輸送是可行的，氣力輸送的增碎情況比傳統(tǒng)機(jī)械的增碎情況低，為大米的轉(zhuǎn)倉(cāng)和運(yùn)輸提供了新的思路。合理利用管道技術(shù)對(duì)提升空間利用、降低運(yùn)行維護(hù)成本、由機(jī)械化轉(zhuǎn)向自動(dòng)化都有著積極的意義。