湖南蔚藍環保設備科技有限公司
Hunan Weilan EP equipment Technology Co., Ltd
綜述了密相氣力輸送的理論，并對目前開發的密相氣力輸送裝置進行了介紹，分析了各種形式裝置的技術指標及性能，為進一步完善密相輸送理論和開發新型密相氣力輸送裝置奠定了基礎。
粉體氣力輸送是一項利用氣體能量輸送固體顆粒的古老而有效的技術，迄今已有100多年的歷史。在粉體氣力輸送的發展歷史中，尤其是近幾十年，粉體的氣力輸送技術有了突飛猛進的進步。在稀相懸浮式氣力輸送方面，不同行業的研究者研究水平均已達到較高層次，在某些參數計算及其輸送機理方面都已達成了共識。稀相懸浮式氣力輸送技術在建材、冶金、化工等行業有了廣泛的應用。理論與實踐都證明粉體的氣力輸送具有機械輸送所不具備的優越性，如設備簡單、布置靈活、易于收塵等等，但同時，這種稀相懸浮式氣力輸送的不足之處也逐漸引起了人們的注意，如所需功率較大，是斗式提升機的2～4倍，是帶式輸送機的15～40倍；管內料速快，一般約在20～30m/s，造成管道磨損十分嚴重；氣固分離量大等［1］。這些弊端給氣力輸送研究人員提供了又一研究課題——開發一種能耗低、固氣比大、氣固分離量小、性能更優越的輸送技術。近期逐漸興起的密相氣力輸送技術引起了氣力輸送研究人員的極大興趣。
密相氣力輸送技術主要是指栓流氣力輸送，粉料在輸送管中不再散開，而是形成料栓、依靠料栓兩端的靜壓差向前移動，具有低速、密相及低動力指數的特點，而且由于材料的磨損與流速的二次方或三次方成正比，因此氣流速度的減小大大延緩了材料的磨損。隨著固氣比的提高，氣力輸送的動力指數顯著下降，是一種更理想的輸送方式［2］。
本世紀初，尤其是六、七十年代，密相氣力輸送的研究達到了高潮，不同領域的學者對密相氣力輸送的理論進行了探討，得到了許多有價值的研究成果，并開發了形式多樣的密相氣力輸送裝置。
1 密相氣力輸送的流動模型機理
1.1 密相氣力輸送的定義
關于密相氣力輸送的定義或密相與稀相的劃分界限，至今尚未形成統一的看法，比較典型的主要有以下幾種說法［3］：
(1)固氣比大于10，15，25或80時，可以認為是密相氣力輸送；
(2)物料的體積濃度大于40%，50%時，可以認為是密相氣力輸送； \
(3)氣力輸送時，物料充滿管道的一個或多個斷面時，可以認為是密相氣力輸送；
(4)Dixson等認為：對于水平輸送，氣體量不足以使所有物料處于懸浮狀態時，可認為是密相輸送狀態；對于垂直輸送，有顆粒回落現象，即可認為處于密相氣力輸送狀態；
(5)用目前廣泛使用的Zenz相圖對氣力輸送進行分類。
以上的幾種方法，都不同程度地存在著缺陷。對于用固氣比進行定義，Yokota曾明確指出，即使在相同輸送方式和輸送條件下，輸送固氣比也隨物料物性、輸送速度、輸送距離而改變，其意義只能是相對的。其它學者Krambrook，Geldart和Ling等亦認為僅靠固氣比來定義是不完善的［4］；對于用體積濃度來定義，K.Konard［3］指出堆積空隙率為70%的物料很難以物料濃度大于30%輸送，因此用體積濃度來定義是有缺陷的。上述的第三種說法及第四種說法顯然是有矛盾的。第四種定義的范圍較廣，而且所描述的運動狀態又非密相輸送所專有。第三種說法雖比較嚴格，但顯然無法解釋密相動壓輸送所表現出來的密相流動特征，因此第三種說法可能會顯得過于狹窄。Zenz相圖較準確地描述了氣力輸送的流動特征，在Zenz相圖上對氣力輸送進行分類似顯得更加明確。
1.2 密相氣力輸送的流動模型及機理
從流動形式來分，密相氣力輸送可分為栓塞式氣力輸送及非栓塞式密相氣力輸送兩種。非栓塞式密相氣力輸送主要是密相動壓輸送，物料在管道內非均勻分布，成密集狀態，但管道并未被物料堵塞，因而仍然是靠空氣動能來輸送。一般氣流輸送速度為8～15m/s，固氣比范圍一般在30～70之間［1］。栓塞式氣流輸送一般是密相靜壓輸送，是指物料在輸送管道內堆集成料栓。料栓之間充滿了空氣，完全依靠兩端的靜壓差推動前進。這種輸送方式氣流速度在8m/s以下，輸送壓力一般為0.2MPa左右，固氣比在25～250之間［5］。
本世紀初，不同行業的學者開始研究密相氣力輸送，對其流動模型及機理進行了探討，取得了許多有價值的成果。
1.2.1 非栓塞式密相氣力輸送的流動模型
大部分理論和實驗對非栓塞密相氣力輸送考慮的是完全懸浮流，但Myler和Klinizing的實驗發現，即使在穩定的水平管稀相流動時，上層固體質量流率與下層相比也不應忽略。而且Konard與洪江等發現，輸送管道內存在著滑動床與懸浮層，并建立了水平氣固分層流動模型，如圖1所示。并認為，穩定分層流動時，懸浮顆粒易集中于滑動床表面，層間剪切力是滑動床移動的主要驅動力［6］。
圖1 水平氣固分層流動模型
1.2.2 栓塞式密相氣力輸送的流動模型及機理
K.Komard和Davison，富田上潼研究了典型栓流的流動機理，建立了流動模型。森川和遷裕等則對內重管式栓流即非典型栓流的流動機理提出了自己的見解，并建立了重管栓流的流動模型。
通過考查前人的流動機理及模型，發現基本上在水平管密相輸送的流動模型及機理研究上達成如下幾點共識(如圖2所示)：
圖2 料栓流動模型
(1)料栓前面的空氣栓里，上層是分散的顆粒，下層是靜止的料層；
(2)料栓向前移動時，堆起前面的靜止料層，同時又在其后留下一定量的物料。當料栓堆起的物料等于留下的物料時，料栓穩定輸送；當這種平衡被破壞時，便可能形成長料栓或料栓破壞。
2 密相氣力輸送裝置
2.1 非栓塞式氣力輸送裝置
非栓塞式氣力輸送技術在工業中應用十分廣泛，常用的工業設備主要有螺旋氣力輸送泵、倉式泵、流化罐式氣力輸送裝置及紊流雙套管系統。
(1)螺旋氣力輸送泵：主要是由節距逐漸減小的螺旋輸送機及噴氣室組成。輸送壓力大約0.2MPa，固氣比約為30～40，輸送速度在10～20m/s之間。
(2)倉式泵：也稱發送罐式氣力輸送裝置，在水泥工業中應用最多的是下送料式發送罐，也就是單倉泵系統。這種系統的料罐與輸送管道通過牛角變徑管連接，并在牛角變徑管尾部引入輸送空氣。在實
際應用時，輸送壓力通常是0.5MPa左右，固氣比為10～30之間，而且單倉泵是間歇輸送。
(3)流化罐式氣力輸送：這種技術是將物料裝于密閉的罐中，進行充氣流化，而后進行壓送。從輸送實例來看，所使用的平均壓力一般是0.2～0.3MPa，固氣比為20～60。
(4)紊流雙套管系統［7］：為了解決輸送管道時常被物料堵塞的問題，在輸送管道內加了一個較細的內套管，內套管沿途開了很多的小孔，此內套管無任何壓縮空氣供給設備。當主管被堵塞時，主管中的空氣被迫通過小孔進入內套管，從內套管的下一個小孔噴出，吹開堵著的物料，使輸送繼續進行。輸送管道內始終處于高度紊流狀態。在國外，幾乎所有的單倉泵都裝備了這種系統。這種系統適用于短距離輸送，固氣比可達到100，管內空氣的起始流速為2～6m/s，適合輸送松散比重為0.5～1.5g/cm3，粒徑為20～200μm之間的物料。
總的看來，非栓塞氣輸送裝置在實際應用中，固氣比一般在30～70，氣流速度為8～15m/s之間，相對于栓塞式氣力輸送來講還是有一定差距的。
2.2 栓塞式密相氣力輸送裝置
栓流氣力輸送中，如何制栓是一關鍵技術。60年代以來，國內外學者開發了眾多的制栓方法，主要有機械成栓及氣力成栓兩種。機械成栓法主要有擠壓式、微料罐式、階梯管式、旋轉成栓器、料栓再生管、球式栓流輸送等。氣力成栓法則有內重管式、外重管式、螺線管式、脈沖氣刀式等幾種成栓方法。
由于氣力成栓相對機械成栓而言簡單的多，控制也容易，因此密相氣力輸送多采用氣力成栓法。用氣力成栓法的密相氣力輸送裝置有單栓塞輸送系統、重管式栓流輸送系統及脈沖氣刀式栓流輸送裝置。
(1)單栓塞輸送系統：這種系統只通過壓力倉中壓縮空氣壓送物料，整個輸送管道只有一個料栓。輸送壓力大，輸送距離短［1］。挪威學者Silva［8］認為目前幾乎沒有幾種物料適合這種輸送方式。
(2)重管式栓流輸送系統：這種系統有一旁通管與主管相通，通過旁通管上的小孔噴出的氣流切割物料而成料栓。其工作壓力在0.15～0.3MPa之間，料速為1～9m/s，固氣比在20～100之間。
(3)脈沖氣刀式栓流輸送系統［3］：這種系統是在輸送管道的開始端用脈沖空氣來切割物料而成料栓，如圖3所示。此系統的特點是固氣比高、料速低。就輸送水泥為例，固氣比可達到145，工作壓力在0.1～0.2MPa之間，氣流速度為3～10m/s，其技術指標是十分優越的。但是，此系統中的電磁閥等元件損壞較快。另外，目前大部分的此類系統還不能實現連續輸送。
圖3 脈沖氣力式栓流輸送系統
2.3 自動吹堵式輸送系統的開發
為了解決輸送管道堵塞的問題，研究人員開發了二次空氣系統，如圖4所示。此系統是通過壓力傳感器測定堵塞位置，并將信號反饋給自動控制系統，然后二次空氣的閥門打開，使高壓空氣進入管道進行吹堵。這種系統的運行情況很好，但由于沿管道裝備了許多壓力傳感器及閥門，此系統的造價偏高［8］。
總之，密相氣力輸送裝置的開發，從開始至今，已出現了眾多的形式，但仍存在著許多不足，在技術指標的提高及參數優化方面仍有許多工作有待進一步深化。
3 問題與展望
(1)密相氣力輸送的理論研究有待進一步開展，以指導設備開發，尤其在理論參數的計算方面，定量關系式有待進一步給出；
(2)氣力輸送技術應充分利用其他相關的先進技術，如自動控制技術、測量技術等；
(3)材料物性對輸送參數的影響研究也應加強。
