密相气力输送水平料栓作用力分析

黄秋莹

（上海金申德粉体工程有限公司，上海 200040）

密相气力输送水平料栓作用力分析

黄秋莹

（上海金申德粉体工程有限公司，上海 200040）

密相气力输送技术已成为输送固体物料的新途径，其一个重要指标就是输送系统的稳定性，输送过程是否稳定主要看输送管道的振动。要想使输送系统更加稳定，必须对密相输送过程进行分析，找到管线振动的来源，从而控制好输送过程中的参数，进而解决管道振动的问题。

密相气力输送； 料栓； 稳定输送； 作用力；振动

气力输送是利用空气在管道内的流动，将物料沿着指定的路线进行输送，它在化工、采矿、粮食等行业有着广泛的应用，因此得到各国工业界的关注和重视，其发展至今已有百余年的历史。气力输送一般分为密相输送和稀相输送两种形式，但在相当长的一段时间内，这门技术几乎都是在物料全部悬浮的条件下进行的动压输送，称之为稀相输送。该方式采用高速气流在管道中带走散状粉粒料，这使得粒子相互间及其和管壁的碰撞不可避免，并导致粒子破碎及管道磨损，加之空气输送量大使能耗也大。

20世纪80年代出现了低速密相气力输送技术，即物料在几乎充满管道的情况下移动。通常采用较高输送气压力、较低的气流速度和较高的固气比，通过输送风量和下料量的配比，使物料在管道中以近似柱塞状态来实现输送[1]。低速密相气力输送技术已经成功应用于工业生产装置，具有许多优点。首先是输送速度低，故能做到最少的管道磨蚀和粒料破碎，而高浓度则使耗气量少；其次，因耗气量少而使输送终端的料、气分离较易，空气过滤设备也就小得多；再则，粒子的静电荷减少有助于防止诸如粉尘爆炸和压降逐渐增加的问题[2]。

因此密相气力输送技术在近十几年得到世界各国的重视，更在众多行业中得到应用，已成为输送固体物料的新途径。但因其机理复杂，受物性、操作条件、设备等因素的限制，目前它的理论研究尚处于发展阶段。密相气力输送的一个重要指标就是输送系统的稳定性，输送过程是否稳定主要看输送管道的振动，密相输送管道的振动也是一个密相输送研究人员比较难以解决的问题。要想使输送系统更加稳定，必须对密相输送过程进行分析，这有助于我们对料栓形成过程的了解，找到管线振动的来源，从而控制好输送过程中的参数，进而解决管道振动的问题[3]。

1 栓塞式密相气力输送的流动机理及料栓上作用力

1.1 流动机理

从流动形式来分，密相气力输送可分为栓塞式气力输送和非栓塞式密相气力输送两种。本文所探讨的即为栓塞式气力输送，其一般是静压密相输送，是指物料在输送管内堆集成料栓，料栓之间充满了空气，完全依靠两端的静压差推动前进，这种输送方式气流速度在10 m/s以下，输送压力一般为0.2 MPa左右，固气比在25～250之间[4]。图1示出栓塞式密相气力输送的理想状况，即在合理的间距下，由合理长度的栓塞来输送物料。

图1 理想的栓流运输Fig.1 Ideal particle plug conveying

但是在实际中，人们不可能指望固体颗粒会自然地形成这样一种稳定的栓塞，因此图1所示的理想栓流状态在管路中几乎不大出现。一般是如图2所示，在管道的底部形成一层沉积的物料稳定层，栓塞在层上移动时十分类似水平管道中气-液蠕动的波状移动，这样形成料栓的稳定输送。料栓向前移动时，堆起前面静止的物料，同时又在其后留下一定量的物料。当料栓堆起的物料等于留下的物料时，料栓稳定输送，当这种平衡被破坏时，便可能形成长料栓或料栓破坏[5]。如图3所示，静止层从沙丘增高为栓塞，并在输送一段距离后倒塌。

图2 波状栓流Fig.2 Waving plug flow

图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

在栓塞式密相输送的水平管道中，颗粒料栓单元受空气压力和应力的情况如图4所示。

图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 ─ 推动物料向前所需要的力，N；

（2）K1─ 物料的重力，N；

（3）K2─ 料栓之间空气的向后作用力，N；

（4）K3─ 由于该反向作用力使料栓挤向管壁的作用力，N；

（5）K4─ 沿管壁的摩擦力，N。

在以上这些力当中，有的会破坏料栓，只有向后作用力K2和输送压力K在一起才能保住料栓[6]。当一个运动料栓达到定常状态，水平方向的驱动和阻力二者达到平衡状态。即平衡方程：

式中 m—料栓单元的质量，kg；

a—料栓单元的加速度，m/s2。

根据加速度运动方程：

式中 V1—料栓的速度，m/s；

t—时间，s。

摩擦力：

阻力：

式中 γm—气固混合物的比重，kg/m3；

γg—气体的比重，kg/m3；

λn—气固混合物的管路摩擦系数；

dl—管段长度，m；

cm—固体颗粒群在dl段内的阻力系数；

ds—在与流体运动方向垂直的截面上的投影面积总和，m2；

D—管道直径，m；

g—重力加速度，m/s2；。

把摩擦力、阻力及加速度运动公式代入平衡方程即可得出：

经简化得：

2 水平料栓作用力分析的工程实践意义

由K值的计算公式可判断出，当水平料栓稳定输送，料栓质量保持相对稳定的情况下，推动料栓向前运动的力K与料栓速度、输送气与料栓速度差、料栓加速度息息相关。如果水平管道很长，则随着料栓速度的加快，K值将快速增加，并对管道有着强烈的影响，即让管道出现剧烈振动。此时，需要在水平管道的中后段设置一个能承受巨大推力的止推支架，以避免力K对管道造成破坏。

以作者本人参与设计的某HDPE密相输送系统为例，其粒料输送3线水平管距离达到150 m，根据1.2中推动物料向前的力K的计算公式，在该段管段末端将会产生很大的推力，影响管系的安全。所以考虑在水平管段末端设置一个止推支架，吸收力K对管道的反作用力，以保护管道不受破坏。如图5所示。

图5 长距离水平管道止推支架设置Fig.5 Placement of the thrust support for long-distance horizontal pipeline

经实践证明，图5所示水平管道没有放置止推支架时，管道剧烈振动，安全性难以得到保障。在图中所示位置安装止推支架后，管系运行稳定，基本消除了力K对管道的影响，保护了密相气力输送系统的管系。

3 结论

与稀相输送相比，低速密相输送因其独特的优势正变得越来越重要。随着科学的不断发展，栓塞式密相气力输送在短距离、中距离的工业应用中获得成功，预计未来将会出现长距离的栓状流密相气力输送工艺。但目前密相输送的机理和物理模型远不如稀相输送成熟，且由单个料栓物理模型导出的计算公式并不完全符合实际情况，更何况输送时管道中往往可能同时存在几种形态。所以要做到精确控制、系统更稳定可靠、管系更加安全，这些都是我们面临的问题，因此在技术指标的提高及参数优化方面仍有许多工作有待进一步深化。

[1] 黄起中.密相气力输送在LDPE装置应用浅析[J].甘肃石油和化工.2006（3）：18～21.

[2] 程克勤.低速密相气力输送综述.硫磷设计与粉体工程[J].2001（2）：22～26.

[3] 高敬国等.粉体密相气力输送理论与技术进展[J].中国粉体技术.1999，5（5）：35～37.

[4] 张庆今.硅酸盐工业机械及设备[M].广州：华南理工大学出版社，1992.

[5] 刘宗明等.低速高能效的浓相气力输送技术[J].中国粉体技术.2005（5）：36～40.

[6] 程克勤译.密相气力输送译文集（23）[C].江南造船厂技改科技术情报股，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

黄秋莹（1983—），女，工程师，从事气流输送系统的配管设计工作。