化工行业粉粒体输送设备应用及发展

2020-12-12李红伟章勇锋齐武军

石油化工设备 2020年6期

李红伟，章勇锋，齐武军，杨芳

（1.浙江闰土股份有限公司，浙江绍兴 312300；2.浙江闰土热电有限公司，浙江绍兴 312300）

在化工行业生产过程中，不可避免存在多种粉粒体物料，例如精对苯二甲酸（PTA）、聚乙烯（PE）和小苏打等[1-5]。早期的粉粒体投料主要以人工投料为主，会产生安全、环保及职业卫生等方面的问题。近年来，随着各方面要求的不断提高，以及工业自动化、机械化水平越来越高，人工投料的方式逐步被淘汰，采用粉粒体输送设备投料成为化工行业发展的必然趋势。文中将探讨化工行业常用粉粒体输送设备的优、缺点，并介绍其应用现状和发展状况。

1 粉粒体投料设备分类[6-8]

1.1 机械输送设备

机械输送设备主要分为带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机、埋刮板输送机、板式输送机、振动输送机、刮板输送机和管链输送机等种类，其优、缺点对比见表1。

1.2 气力输送设备

根据输送气体的压力正负值，气力输送可以划分为正压输送和负压输送；根据输送时粉粒体的状态和能力，气力输送一般又划分为稀相输送和密相输送。根据这2个划分原则，气力输送设备可以划分为正压密相、正压稀相、负压密相和负压稀相这4类输送设备[10-11]。

表1 不同类型粉粒体机械输送设备优缺点对比

在化工粉粒体投料设备的气力输送设备中，负压输送设备因存在以下缺点而无法得到广泛使用：①负压压力低（最高－0.1 MPa），输送能力比较差，难以实现密相输送。②气相、固相不可能被100%分离，真空机组往往因吸入粉粒体而发生损坏。而正压输送则不存在此类问题。③负压输送的输送距离有限，而正压输送则可以实现数百米距离的输送[12-13]。

在工程领域中，稀相气力输送相对成熟一些，但是其输送能力不如密相输送。正压输送过程中主要采用正压密相输送，在正压密相输送难以实现的情况下才选择正压稀相输送[14-18]。

1.3 液力输送设备

液力输送设备一般是指水力输送设备，其使用限制为物料能与水接触并且容易分离，或者工艺上需要水作为溶剂等特定情况。液力输送设备使用条件特殊，本文不再单独阐述。

液力输送最大的优点在于粉粒体可以像流体一样通过管道输送，输送能力强。缺点是在使用之前往往需要分离物料，且输送过程中管道物料残留处或者流速较慢时会出现沉淀或析出现象，容易造成管道阻塞，限制了其使用。

2 常用粉粒体输送设备在化工行业的应用限制

化工行业中的粉粒体产品种类多，粉粒体产品的粒子特性（如粒径、密度、形状、硬度和脆性），以及散料特性（如堆积密度、粒径分布、空隙率、流动性、透气性、存气性/去气性、休止角、内摩擦角、壁摩擦角、滑动角、可压缩性、黏性、吸潮性、含水率、温度、静电特性、热敏感性和自然分解等）各不相同，化工特性又涉及可燃性、爆炸性、腐蚀性和毒性等[18-25]。这些限制了部分粉粒体输送设备在化工行业的推广应用。

数十年来，化工粉粒体投料设备的结构、性能等得到不断改进。但随着各方面要求的提高，机械输送设备中的带式输送机、斗式提升机、埋刮板输送机、板式输送机、振动输送机和刮板输送机难以满足安全、环保、职业卫生、噪声、防火、防爆、防尘及防静电等标准要求，难以实现多点进料或者多点出料，在设计过程中也难以实现三维空间布局，因而较少被采用。

3 化工行业常用粉粒体输送设备特点及应用发展

3.1 螺旋输送机

3.1.1 工作流程及特点

螺旋输送机工作流程简图见图1。物料一般缓存于投料缓存仓中，当目标设备需要物料时，通过螺旋输送机和切断阀将物料输送至不同的带除尘装置和计量装置的缓存仓，在计量准确后再通过下料阀投料至目标设备中。

图1 螺旋输送机工作流程简图

螺旋输送机优点：①螺旋输送完全在管道内实现，不会出现漏气、漏粉等问题，能够满足生产上安全环保的要求。②结构简单，维修操作方便，制造成本低。③目前执行的JB/T 7679—2008《螺旋输送机》[26]中规定了螺旋输送机的型号、参数、尺寸、技术要求和试验方法等，并且提供了设计方法。螺旋输送机产品成熟，极具工程推广应用优势。④对物料颗粒度要求不高，一些块状物料也可以输送。物料体积流量比较容易控制。⑤目前较成熟产品尺寸一般可以达到DN1 250 mm，能够满足大多数粉粒体输送要求。

螺旋输送机缺点：①靠螺旋推动力推进输送物料，摩擦剧烈，叶片和壳体摩擦严重。②由于存在螺旋轴，一般采用两端支撑或者悬臂支撑来固定和防止挠曲变形（考虑化工产品的腐蚀性等特性，不宜设置中间轴承），因此其单根输送距离一般比较短[27]。③一般只能水平输送，即便有倾角，原则上也不得超过15°。④理论上螺旋输送机可以实现多点出料，但因螺旋输送不可避免会有夹带，造成物料输送至螺旋输送机末端，故容易出现堵塞、卡死等现象[28]。对出料口进行优化可以解决部分此类问题，但螺旋输送机的结构特性决定了该问题难以避免，在实际应用中建议采用1点出料或者采用电机正反转的形式在螺旋输送机的两端末端进行2点出料。

3.1.2 应用及发展

经过数十年的发展，螺旋输送机的理论体系相对而言比较成熟，也有现成规范可以参考，已经较多地应用于化工生产过程中，目前在短距离大流量输送物料上以及移动式输送系统中得到大量应用。

国内外学者针对螺旋输送机均进行了大量的研究，研究方向主要集中在螺旋输送机的设计和选型、无轴螺旋输送机的研究、驱动方式的创新等方向上[29-30]。在未来的发展过程中，大型化、智能化、节能化以及提升其使用寿命都是螺旋输送机研究的热点方向[30]。

在目前的常用粉粒体输送设备研究过程中，计算机技术已经被越来越多地应用于螺旋输送机的设计和研究过程中，其中包括有限元分析[31-33]和DEM[29-30，34-35]等技术。利用计算机技术可以更加直观地分析螺旋输送机的工作状态，有效降低试验成本，更加准确地建立数学模型，分析不同因素对螺旋输送机输送过程的影响，为其设计、制造以及优化提供便利，非常有利于螺旋输送机的推广使用。

3.2 管链输送机

管链输送机是在密闭的管道内借助链条牵引，使固定于其上的刮板推动物料，以非间断方式输送物料的连续输送设备。近年来，根据输送链条的区别，管链输送机又划分为环链式管链输送机和板链式管链输送机。

3.2.1 环链式管链输送机

环链式管链输送机工作流程简图见图2。物料一般储存于投料缓存仓内，经过溜管后由垂直环链输送机提升至一定高度，再经溜管到达水平环链输送机，经切断阀的调节可以到达不同的带除尘装置和计量装置的缓冲仓，经过准确计量后由下料阀投料至目标设备。

图2 环链式管链输送机工作流程简图

环链式管链输送机主要由拉紧装置、加料装置、环链条、输送盘、驱动装置、转向链轮、卸料装置及安全卸料口等组成。垂直环链输送机是随着环链垂直提升，把进入管道内的物料由底部送至高处，然后在卸料口卸料。水平环链输送机的物料由进料口进入底部管道，环链靠摩擦力驱动物料，可以设置多个出料口进行出料。环链式管链输送机一般只向一个方向推进，所以选择由一端进料、向多个出料口出料的方式。

环链式管链输送机优点：①所有物料均在密闭的管道内进行输送，避免了物料与外界的双向污染问题。②可以实现水平或垂直路径上的装料和卸料，极大提高了环链式管链输送机的适用性。③占地面积小，空间利用率高。④采用管道化设计，检、维修相对比较方便。⑤适用性强，使用范围广，一般的粉粒体以及一些小的块状物基本都可以输送，物料输送过程中死区较少。⑥相比其他粉粒体输送方式，环链式管链输送机的输送能力强，单位能耗低。⑦容易实现自动化、智能化控制，满足现代企业的要求。

环链式管链输送机缺点：①因采用链条输送，柔性较大，如果链条设计过长，挠度过大，则链条中间部分会下坠使摩擦加剧，因此链条长度一般不会超过50 m。②输送过程主要依靠摩擦力，噪声问题难以解决。摩擦过程中有可能产生静电，静电消除也是亟待研究的方向。③实际生产过程中链盘磨损严重，往往半年内就需全部更换，检、维修费用较高。④对管链输送机至今没有统一的标准和计算方法，比较依赖于经验设计，在没有经验可借鉴的情况下就需要通过试验验证其可行性，工程推广难度较大。⑤管道安装精度要求较高，且管道内部不得有毛刺等现象，必要时还需要设计专门的法兰以保证管道安装后的粗糙度。⑥管链输送机主要向单一方向输送，如果存在空间转向，一般以串接为主。⑦随着使用时间的延长，链条往往会伸长，有可能会发生链轮脱链等现象，使用过程中需设计必要的张紧装置，并且定期进行检、维修。⑧为降低磨损，同时考虑物料兼容性，输送盘主要是由工程塑料制作而成，其强度限制了输送盘盘片的直径一般不超过400 mm，使最大输送能力受限。

3.2.2 板链式管链输送机

板链式管链输送机各方面的性能基本与环链式管链输送机相同，但其链条采用板链，链条的抗拉力更强、承载力更大，一定程度上克服了管链长时间使用时的拉伸问题。板链式管链输送机的缺点是基本只能采用转角链轮进行转向，无法像管链一样采用大弧度弯进行转向，使其空间布局受到限制。

3.2.3 管链输送机应用及发展

近年来管链输送机在PTA等行业应用比较成熟，目前在类似的流量小、流动性好的粉粒体输送中应用较多[1-2，36-37]。

管链输送机内部设置有链条、输送盘及转角链轮等机构，近年来涌现出不少针对输送盘[38]、链条[39]、张紧装置[40]等的研究成果，解决了管链输送机制造和使用中的部分问题，有利于管链输送机的推广使用。

国内管链输送机的研究起步较晚，至今不过十几年，参与的高校主要有辽宁工程技术大学、太原科技大学等。

国内目前的研究方向主要集中在理论研究、有限元仿真、PID控制、计算机算法和可靠性分析等方面，但是理论仍旧不够严谨，缺乏设计依据，在设计过程中仍较大程度依赖试验或者半经验设计方法，在实际应用过程中仍存在缺陷[41-42]。后期应对其进行深入研究，完善设计理论，改进结构和性能并起草相应的标准和规范，以推广其工程应用。

计算机技术被应用于管链输送机的研究过程中，能够更加直观地分析管链输送机的工作状态，利用有限元仿真可以代替一部分试验，推动其理论的丰富与发展，对管链输送机的发展和推广应用具有非常重要的意义[41]。

3.3 正压气力输送设备

3.3.1 工艺流程及特点

正压气力输送主要是应用气体的动压和静压，使粉粒体随着气体流动而在管道中输送至目标点。

正压气力输送工作流程简图见图3。物料一般缓存于投料缓存仓中，当目标设备中需要物料时，通过切断阀分别使物料流向仓泵，当仓泵物料达到一定程度后切换到发送状态，压缩空气的流动带动仓泵中的物料经分路阀流向不同的带除尘装置和计量装置的缓冲仓，经过准确计量后物料通过下料阀投送至目标设备。

图3 正压气力输送工作流程简图

正压气力输送设备的优点：①可以实现长距离输送，输送能力强。一般的粉粒体输送机械基本都有长度限制，例如管链输送机输送长度原则上不超过50 m，但气力输送长度可以达数百米。②在所有粉粒体输送设备中，气力输送设备布局最容易。因物料基本以流动状态存在，除了避免出现垂直向下输送等极特殊情况外，几乎可以像管道一样实现三维布局。而其他粉粒体输送机械基本都需进行串接。③适用于向多个投料口卸料，更适合工业化应用。④空间布局所需占地面积最小，结构简单，操作方便，易于实现自动化控制。⑤所有物料均在管道内运行，整个流程全部密闭化，经过最终除尘设备后，比较容易达到目前的安全环保要求。⑥有关正压气力输送设备的标准和规范虽然不完善，但是已经具备了一定的参考价值。正压气力输送设备最先广泛应用于电厂的输灰系统中，JB/T 8470—2010 《正压浓相飞灰气力输送系统》[43]主要针对电厂锅炉飞灰，化工粉粒体气力输送可以参考SH/T 3152—2007《石油化工粉粒体产品气力输送工程技术规范》[44]。

正压气力输送设备的缺点：①因使用压缩空气输送，故空气压缩过程耗能较大，长期运行成本较高。②输送物料流动速度快，管道尤其是转角位置的磨损异常严重。目前虽然对转角等位置进行了内衬层处理，但是仍然难彻底解决磨损问题[45]。③输送对含氧量敏感的物料时往往需要使用惰性气体进行输送，输送成本高。④产生的废气量大，对环保设施的处理能力要求也相应提高。⑤随着对气固分离能力要求的提高，进一步增加了初期投资和后期维护保养费用。⑥相比于其他粉粒体输送机械，正压气力输送设备整体密封性要求更高，原则上不能出现泄漏。⑦化工行业粉粒体物料种类繁多，特性各异，现有的相关规范中虽给出了相应设计公式，但很多数值仍为经验估算所得，目前尚没有形成成熟的正压气力输送理论体系和设计方法。针对不同物料经常需进行试验论证，影响了正压气力输送设备的推广应用。

3.3.2 应用及研究现状

正压气力输送设备以前在电厂输灰装置中应用较多，其密闭输送、易于布局等特点以及近年来国家对环保的要求促使其在化工行业逐步得到推广应用，在聚烯烃粉体输送等方面已经有较多的应用实例。

粉粒体储存和气力输送过程中产生的静电及其消除问题仍旧没有完善的理论体系，尚需进一步的研究[46]。谭凤贵等[47]对石化粉体静电爆炸进行了研究和探讨，但其研究着重于聚烯烃粉尘，具有片面性和局限性，尚不能完全推广。

计算流体动力学等计算机仿真与数值摸拟技术被逐步应用于气力输送系统的研究，在建立适当的模型后会有比较契合实际的效果。这种应用可以极大节省试验费用和周期，为气力输送的推广提供便利[48-49]。

气力输送的理论体系尚待进一步完善，影响气力输送的各要素以及各要素之间的相互影响都需进行深入研究[50]，以便更好地进行系统设计和优化。