密相气力输送系统设计

梁丽华

上海利柏特工程技术有限公司 （上海 201101）

气力输送是一种利用气体流作为输送动力在管道内输送粉状、颗粒状物料的方法。气力输送系统由于系统密闭、管道布置灵活、效率高、环境友好、运动部件少、维修和操作方便等优点，广泛应用于石油、化工、食品、医药、锂电、环保等领域。按气流中固相浓度，气力输送可分为稀相输送和密相输送两种形式。稀相气力输送输送速率大、能耗高、输送固气比低，物料在气流中呈悬浮状态；密相气力输送由于其输送速率小、能耗低、输送固气比高、磨损小、破碎率低等优点，在工业领域得到日益广泛的应用。随着白炭黑被广泛应用于橡胶制品、化学制品、医药、食品等行业，其气力输送系统设计显得尤为重要。白炭黑粒径比较小、破碎率要求低，而密相输送具有输送速率小和破碎率低等优势，适用于白炭黑的输送。本文主要介绍白炭黑密相发送罐气力输送。

1 密相气力输送原理

密相输送时，颗粒在少量气体松动的流化状态下进行集体运动，但并不依靠气体来进行加速，而是依靠静压差来移动。在进料过程中，物料通过气动阀重力进料到发送罐中，置换出的空气通过排气阀排出。当发送罐料位计高报警时，进料完成，进料阀门与排气阀门同时被关闭，而后通过进气阀向发送罐顶部及底部加入压缩气，加入的压缩气与物料相混合，当罐内的压力达到设定值时便自动打开底部出料阀，然后物料以栓状流形式输送，直至物料排空，关闭出料阀，完成一次输送循环，继续进行下一次输送循环。密相发送罐气力输送有单发送罐输送和双发送罐输送：单发送罐输送，物料在管道内不是被连续输送；双发送罐输送，由于其中一个发送罐输送，另一个发送罐进料，两个发送罐交替操作，物料在管道内被连续输送，可连续生产。输送气体常采用空气或氮气，动力一般由压缩机提供。

2 白炭黑密相气力输送工艺流程

白炭黑密相气力输送系统主要由空气压缩机组、储气罐、缓冲斗、发送罐、管道气体注入器、输送和气体管道、除尘装置、储料仓及逻辑编程控制器（PLC）组成。白炭黑密相输送工艺流程如图1所示。来自上游储料仓的白炭黑通过重力卸料到发送罐，当物料进满发送罐后，对发送罐进行充气加压；发送罐内物料在压缩空气的作用下缓慢流入输送管道，输送管内物料在管内压力和布置于沿途相应输送管的管道气体注入器注入的压缩空气的作用下，缓慢流向输送目的地缓冲斗；物料被输送进入缓冲斗，含尘气体进入到仓顶除尘器，过滤后排出。白炭黑输送为单发送罐密相输送，为批次输送。

图1 白炭黑密相输送工艺流程简图

3 设计输入条件

在进行气力输送设计时，首先要了解系统的基本设计数据要求，如物料来源、物料特性、输送末端情况、输送能力要求、水平和垂直输送距离等，然后根据输入的基本参数信息，确定系统的技术参数并优化输送系统。

白炭黑粒径为125～400 μm，堆积密度ρb为250 kg/m3；系统中弯头数量为 5个（90°），水平输送距离L为20 m，垂直输送距离H为26 m，最大输送量Gs为8 t/h，固气比m取20。

4 主要参数的确定

4.1 发送罐容积

在确定发送罐设备的有效容积时，既要考虑输送系统的输送能力，又要考虑发送罐单位时间内的发送次数及相应阀门的启动频率，所以，合理选择发送罐的有效容积是输送系统安全可靠运行的重要保证。白炭黑发送罐是批次进料和输送的，同样的输送能力下，发送罐的发送物料次数越多，则发送罐的容积越小，即每小时的发送次数和发送罐的容积成反比，相应地，成本降低、阀门开启频繁、损耗增加；发送罐的发送次数越少，则发送罐的容积越大，相应成本增加。[1]因此，确定发送罐容积时要全面综合考虑，一般发送次数n取5～20次/h，此处取15次/h。

发送罐有效容积V：

发送罐全容积V′：

式中：η为发送罐内装入物料的容积系数，一般取0.7～0.9，此处取 0.8。

4.2 输送气体体积流量Qa

式中：ρg为高压端的空气密度为气体体积，m3；M为空气的摩尔质量，取0.029 kg/mol；R为摩尔气体常数，取 8.314 J/(mol·K)。

假定输送高压端压力p2为270 kPa（绝压）、每个循环4 min、进料时间约为1 min、每罐输送所需要的时间约为3 min，则高压端输送压缩气体体积流量Qa为 2.77 m3/min（标准状态下 6.9 m3/min），管道上喷嘴空气注入耗气量约为1.7 m3/min（标准状态），则气体体积流量为8.6 m3/min（标准状态）。

4.3 输送管径D

输送管道公称直径为125 mm，取D=0.130 m；va为高压端的速率，一般为3～8 m/s，取va=3.5 m/s。根据实际管径，高压端输送压缩气体体积流量为2.8 m3/min（标准状态下 6.9 m3/min）。

4.4 输送系统管道压力损失Δp

4.5 仓顶除尘器过滤面积

脉冲式滤筒除尘器有净化效率高、外形尺寸小、过滤面积大、过滤效果好、压力损失小、安装维修快捷方便、可连续使用等特点。正确选择和优化除尘器相关参数是实现除尘效率及满足环保要求的关键。

除尘器主要由过滤室、滤筒、净气室、脉冲控制仪、喷吹阀、喷吹管、气包等结构组成。滤筒由聚酯纤维折叠、卷制而成，其下端封闭，上端中心正对喷吹管下口。含尘气体由与料仓相连的接口进入除尘器后，气流速率减慢，粗颗粒脱离气流沉降到料仓内，细微粉尘随气流穿过滤筒时被阻于滤筒外表面，洁净气体由出风口排出；当滤筒表面灰层较厚时，脉冲控制仪发出指令开启喷吹阀，气包内的压缩空气经喷吹管高速喷出，同时诱导数倍于喷射气量的周围空气进入滤筒，并由内向外快速射出，将滤筒外表面的粉尘吹下落入料仓内。除尘器采用脉冲喷吹方式，清灰过程由脉冲控制仪自动控制，可采用压力差控制或时间控制。

可以选用聚四氟乙烯（PTFE）覆膜聚酯纤维滤筒。从上述数据可知，实际管径下系统输送风量约为8.6 m3/min。选取过滤风速u为0.48 m3/min，则过滤面积A=Q/u=18 m2。

4.6 输送管道

气力输送管道有物料输送管道和气体管道。根据被输送物料的特性及工艺要求，物料输送管道需要有足够的强度和刚度，较好的气密性和耐磨性，且内壁光滑，能快速安装并方便清理堵塞等。气体管道主要为用于纯气体输送的管道和排放低含尘浓度气体的管道。管道布置应按照工艺要求，安全、合理并满足操作及维护要求。管道连接优先选用法兰连接或快拆卡箍连接。输送弯头为大半径弯头，一般选取R=6～10D，两端法兰连接。管道与管道、管道和设备之间的法兰连接，须设静电跨接。

气力输送管道有单管输送、双管输送和双套管输送，单管输送主要用于稀相输送，双管及双套管可以实现密相输送，并且双套管输送多用于飞灰输送。

白炭黑输送采用双管密相低速气力输送，沿白炭黑物料输送管路，每隔一段距离由气体注入器注入压缩空气，可以有效防止堵管，并降低物料的破碎率。白炭黑物料磨蚀性较弱，选用不锈钢输送管道。

5 气力输送气源

在气力输送系统中，气源设备非常重要，处于核心地位，它提供的风量和压力有效地保证了系统的有效和可靠运行。由于气力输送的方式、输送距离、被输送物料的能力要求及特性都不相同，所以用于气力输送的气源也各不相同。用于气力输送的气源设备主要有气体压缩机、罗茨鼓风机、真空泵、离心风机等。罗茨鼓风机、真空泵和离心风机由于压力低，主要用作稀相气力输送系统的气源；压缩机输出压力高，主要用作密相气力输送系统的气源。噪音也需要满足限制要求，一般离机组1 m处噪音不超过85 dBA。白炭黑密相气力输送系统选用空气压缩机来满足风量和压力的要求，且由于白炭黑对输送气源的品质要求较高，需提供洁净干燥无油的压缩空气作为气源。高压压缩空气经气体缓冲罐和管路上的压力调节阀调节后，提供稳定的输送气体。

6 结论

介绍了具有易破碎和较小平均粒径等物料特性的白炭黑的密相发送罐气力输送系统。系统的最大输送量为8 t/h，发送罐的有效容积为2.1 m3，物料输送管的公称直径为125 mm，输送管道高压端压力假定为270 kPa（绝压），且输送系统管道压力损失为165.6 kPa，假定合理；仓顶除尘器选用PTFE覆膜聚酯纤维滤筒，过滤面积为18 m2。密相气力输送系统的设计及相关参数的设计可降低物料的破碎率。