氣力輸送系統的研究現狀及發展趨勢

由于氣力輸送系統適應面廣 ,輸送物的物性相異懸殊 ,不同的物料必須有不同的特性的裝置來適應 ,故氣力輸送裝置的品種十分繁多、復雜 ,代表裝置概括起來可分為筒式氣力輸送、稀相氣力輸送系統、濃相動壓氣力輸送系統、濃相靜壓栓流氣力輸送系統 4大類。其發展歷程經歷了稀相、半稀相、濃相 (也稱密相 )幾個階段 ,發展到今天的濃相動壓、濃相靜壓栓流輸送技術。由國家電力公司科技環保部發布的信息可知 ,氣力輸送設備在 我國發展起步較晚。1980年代初 ,才開始在燃煤電站使用國外進口的產品 ,主要為美國艾倫公司的負壓稀相系統和美國 U. C. C公司的低正壓氣鎖閥稀相系統 ; 1988年 ABB 公司的正壓濃相流態化小倉泵系統進入中國市場 ; 1994年德國穆勒公司的內套管正壓濃相系統進入中國 ,至此 ,國際上 4種主要的輸灰技術產品才都在中國落了戶 ,據近兩年的統計資料 ,我國從國外進口的氣力輸灰設備仍占高達 40%的市場份額 ,若包括合資企業生產的產品 ,則占一半以上。我國在“八五 ”、“九五 ”期間組織了氣力輸送技術和產品的科技攻關 ,并相繼開發出負壓稀相系統和正壓濃相流態化小倉泵系統 ; 1994年浙江菲達機電集團有限公司從美國 Dynam ic A ir公司引進了助推型正壓濃相氣力輸灰技術。據統計 ,已進入中國氣力輸送市場的國內外廠家有幾十家 ,其中內資企業 20余家 ,中外合資企業 5家 ,國外廠商 10余家。國外廠商有美國U. C. C,艾倫 , 空動 (Dynam ic A ir) , ABB, 德國穆勒(Moller) ,英國 Clyde等。國內的氣力輸送技術研發狀況不盡樂觀 ,急需研發擁有自主知識產權的產品來與國外產品爭奪市場。
1 氣力輸送的類型
1. 1 筒式氣力輸送
將需要輸送的物料、物件裝入傳輸筒或筒車內 ,利用空氣的靜壓使傳輸筒在管道內飛速滑行的一種輸送方式 ,用于既難以懸浮 ,而本身又無法成栓的成件貨物的輸送 ,這種輸送方式應用面小 ,適用于特定場合。
1. 2 稀相氣力輸送
氣流速度較高 ,物料懸浮在鉛垂管中呈均勻分布 ,在水平管中呈飛翔狀態 ,空隙率很大。物料的輸送主要依靠由較高速度的空氣所形成的動能 ,因而也稱稀相動壓輸送。通常氣流速度在 12～40 m /s之間 ,料、氣質量比 (簡稱料氣比 )在 1～5之間 ,最大可達 15。輸送效率在 10～20 t/h之間。稀相輸送是最傳統的氣力輸送方式 ,被送物料的質量流量與輸送氣體的質量流量之比較小 ,物料顆粒的間距較大 ,輸送氣體的壓力較低 ,輸送速度較大 ,系統磨損大 ,輸送效率低 ,能耗大。稀相輸送一般適用于被輸送物料的質量和粒度較小、干燥和易流動、輸送距離較短的場合。技術已相當成熟。
1. 3 濃相動壓氣力輸送
氣流速度在 8～15 m /s之間。物料在管內已不再均勻分布 ,而呈密集狀態 ,但管道并未被物料堵塞 ,因而仍然依靠空氣的動能來輸送 ,稱為濃相動壓輸送。這類流動狀態的裝置有 :高壓壓送、高真空吸送和流態化輸送。料氣比的變化范圍很大 ,高壓壓送與高真空吸送的料氣比大致在 15～50之間 ,流動狀態呈脈動集團流。而對于易充氣的粉料 ,料氣比可高達 200以上 ,呈流態化輸送。輸送效率一般在 20～50 t/h。濃相動壓氣力輸送是目前應用較多的氣力輸送系統。是我國在“八五 ”期間組織的氣力輸送技術和產品的科技攻關技術之一 ,如寶雞第二發電廠 4 ×300MW 燃 煤 機 組 工 程 , 采 用 美 國 Fuller2Kovake 公 司Modu2flow正壓濃相輸送系統 ;上海南市電廠、珠江電廠等都采用了這類裝置。這類裝置是美國 Dynam icA ir公司、美國 Fuller2Kovake公司、國家電力成套設備公司、浙江菲達環保公司等國內外大、中型氣力輸送廠商目前的主打產品。濃相氣力輸送系統穩定性較好,維 護量少。較低的流速可使管道磨損減低 ,輸送料氣比也較高 ,因此能耗低 ,經濟性好 ,基本上能滿足生產的要求。但隨著生產發展的要求提高 ,用戶對此類系統存在的堵塞、輸送效率不能滿足要求的問題的敏感程度變得越來越高 ,迫切要求有性能更優良的氣力輸送系統來代替現有的系統 ,以適應高輸送效率 ,高可靠性的要求。
1. 4 濃相靜壓栓流氣力輸送
濃相栓流氣力輸送的原理是在輸送管內形成密集狀物料連綿不斷地充塞管道的料柱 ,同時利用引入獨立于輸送管的外部受控或非受控的單相二次氣流 ,人為地把料柱預先切割成較短的料柱 ——料栓 ,進行輸送的一種輸送方式。濃相靜壓栓流氣力輸送系統 ,是在濃相動壓系統基礎上發展起來的新型氣力輸送技術。為目前國內外的研究熱點 ,已有幾種不同類型的裝置并展開了相應的應用理論研究。按栓流氣力輸送成栓的方法不同有機械成栓和氣力成栓 2類。
1) 機械成栓 是利用機械方式來形成料栓 ,由于增加了機械裝置 ,存在進料器堵塞磨損等問題 ,主要適應硬度低、形狀圓滑的物料的輸送。如北京航空航天大學的高速螺旋文丘里管旋流輸送設備 ;上海博隆粉體工程公司的高壓差旋轉閥連續加料等均屬此類裝置。
2) 氣力成栓 是利用氣流或引入受控或非受控的氣流切割料柱 ,形成栓流的方法 ,代表性裝置有 :雙套管 (內重管、內套管 )式、外重管式、脈沖氣刀式等結構各異的裝置 ,以適應不同的應用場合。
2 氣力輸送系統的類比
普通的氣力輸送系統主要是稀相高速系統。此類系統因高的輸送速度帶來了高能耗、高磨損。其一 ,不言而喻 ,速度越高 ,能耗越大 ;其二 ,物料的高速運動使物料破損 ,其三 ,物料的高速運動使系統中某些部件 ,如彎管、閥門等磨損相當嚴重 ,有時僅能使用 1～2周時間 ,嚴重制約生產。濃相技術的出現 ,解決了降低能耗、減少破損磨損的問題 ,并且輸送效率高。但低速濃相輸送系統對技術水平要求很高 ,參數控制精密 ,不良的設計 ,將由于導致的不穩定、堵管等問題 ,到出現輸送效果差、甚至輸送失敗的結果。如何實現低速、低能耗、又能保證穩定運行、滿足生產要求的輸送效率 ;尋找科學合理的設計依據和設計方法 ,以更加嚴密準確的科學數據指導生產 ,是當今氣力輸送研究的主要趨勢。除栓流氣力輸送外的其他類型的氣力輸送裝置 ,不論進口還是國產 ,在輸送過程中均有不同程度堵塞現象。突發的堵塞 ,將影響正常生產 ;嚴重時 ,將導致系統停止運行 ,危及正常生產和設備安全 ,造成經濟損失。從堵塞機理方面來看 ,氣力輸送過程是一個復雜的多相流動過程 ,固粒在輸送管內的運動 ,涉及到氣流速度的分布以及固粒與管壁摩擦等各種條件。輸送管道內固粒的運動狀態既有滾動又有懸浮 ,同時還發生固粒與固粒、固粒與壁面的碰撞 ,固粒的旋轉還產生舉力 ,完全考慮這些問題是相當復雜的。長期以來人們已在該領域進行了大量的研究 ,但仍有許多問題沒有得到很好解決 ,例如散狀物料在管道中被氣流帶走的過程中固粒相互之間以及固粒同管壁發生碰撞 ,碰撞的結果使得固粒破碎以及造成管道磨損等 ,這種情況在高速時尤為顯著。濃相栓流氣力輸送料氣比高、運行速度低 ,可實現高效率 ,低磨損、低破損的運行效果 ,是現代氣力輸送技術的發展方向。栓流輸送時 ,氣栓與料栓相間分開 ,可實現在總壓降很低的情況下提高料栓速度的可能性 ;從而提高了系統輸送效率 ,降低輸送壓力 ,減少動力消耗 ,增加輸送距離。由于被送物料是以料栓的形式運行 ,通過控制氣栓、料栓的運動 ,可消除輸送過程中的堵塞現象 ,并實現低速高效輸送。引入外部單相氣流的方式、輸送氣流和引入氣流的流動參數和流動狀況決定了裝置的優劣。近年來的研究和生產實際表明濃相栓流技術是解 決堵管問題的有效方式 ,引進的國外內套管紊流氣力輸送系統取得了良好的效果 ,研發擁有自主知識產權的新型氣力成栓濃相裝置已成為國內氣力輸送領域的搶占技術領先優勢的標志。從國外發展狀況看 ,國外產品技術成熟 ,研究趨勢主要集中在系統理論計算設計體系的建立 ;利用流體力學理論計算、分析機理 ;數值模擬試驗優化設計研發新品方面。Tom ita等利用雙流體法對氣力輸送水平直管中栓塞流進行了數值模擬 ,他們根據栓的流特性 ,把流動區域分為顆粒栓塞區、顆粒自由層區和顆粒沉降層區 3個區域。計算中假設 :沉降層區的表面剪切應力小于脈動量 ,顆粒的壓降服從 Ergun方程 ,栓塞阻力只受栓塞的重量影響 ,沉降層的厚度衡定 ,空隙度為常數。顆粒被連續送進 ,形成栓塞 ,達到一固定的長度后停止 ,計算時氣流量為恒定。Dhodapkar對濃相輸送的波狀氣固流動的特征進行了研究 ,闡述了在每 2
波之間穩定的顆粒層的運動 ,并分析了完整的栓流系統 ,提出了相應的設計方法。Levy等借鑒了 W ilson液固二層模型 ,給出了細粉濃相氣力輸送的二層流動模型 ,還采用雙流體模型進行了濃相流動的三維模型數值模擬 ,演示了栓流沿平管的形成與變形 ,給出了徑向壓降與栓流的關系。從文獻報道可知 ,現有為數不多的有關研究主要集中在對栓塞流流動的研究上 ,但關于內套管氣力成栓濃相栓流中形成栓塞流動的二次氣流對栓流流動控制的影響研究 ,還有許多工作要做。
3 存在問題
分析國內外現有氣力輸送系統的現狀 ,進一步發展濃相栓流氣力輸送 ,應是今后的主要趨勢。濃相栓流氣力輸送機理 ,是目前世界上公認最先進的氣力輸送機理 ,解決了磨損、堵塞、高效等許多制約氣力輸送發展的問題 ,基于該原理開發的各種氣力輸送裝置 ,代表著氣力輸送領域的發展方向 ,在該領域取得突破性進展 ,技術領先新明顯 ,也具有重要的學術意義和社會效益。針對對于濃相栓流氣力輸送 ,還存在以下問題 ,
有待解決 :
1) 設計根據經驗公式 ,缺乏關于引入的單相二次氣流對輸送管中氣固兩相流動所產生影響的理論依據。
2) 單相氣流引入方式帶來的問題。單相氣流引入沿整條輸送管線分布的各個入口不斷進入輸送管 ,導致輸送管中、后部分輸送速度疊加遞增 ,后部速度增高 ,連續性方程失平 ;造成系統后部、出口料氣分離裝置等磨損、噪聲嚴重 ;耗能高。
3) 缺乏對于對二次氣流引入機理的研究 ,即二次流所引起的輸送主管氣固流動狀況的變化 ,二次流的引入方式 ,裝置結構的不同對輸送機理的影響。
4 結語
氣力輸送系統對電力、化工、食品處理、鋼鐵、冶金、建筑材料、機械制造、醫藥、飼料等行業部門的發展有直接的影響 ,其技術的提升對國民經濟發展意義重大。
1) 從市場需求來看 ,氣力輸送在國民經濟各行各業都有著的廣泛應用 ,占領氣力輸送市場經濟效益是非常可觀的。
2) 為了控制環境惡化、實現經濟與環境的協調發展、保持國民經濟的可持續發展 ,國家對節能減排要求越來越高 ,氣力輸送的需求也越來越大。