栓塞式气力输送浅谈

栓塞式气力输送浅谈

引言 

随着科学技术的发展，物料输送也取得了较大的发展，从机械输送发展到气力输送，而气力输送又从稀相输送过渡到了密相输送，特别是近年来粉煤灰的输送，正逐步从密相输送向栓流密相气力输送发展。  密相气力输送具有固气比高、耗气量少、需要动力少、后处理除尘设备简单、流速低、物料不易磨损、对输送管道磨损小、安全性能高等特点，因此得到了越来越广泛的应用。栓流是密相气固两相流的一种流动方式，粉料在输送管中不再散开,而是形成料栓、依靠料栓两端的静压差向前移动，具有低速、密相及低动力指数的特点，而且由于材料的磨损与流速的二次方或三次方成正比，因此气流速度的减小大大延缓了材料的磨损。与稀相气力输送相比，栓状密相气力输送具有高的料气输送比、低的输送气流速度和工作压力。  气力输送由于其特有的优点而被广泛应用于电力、化工、建材、钢铁、食品等行业，本文结合实验研究结果，系统分析密相气力输送的实验特性，简要介绍近年来气力输送的相关设备。

1.  气固两相栓流的影响因素粒体性能

1.1粉料性能

包括粒子的尺寸、 粒度分布、 密度、 形状、 硬度、 孔隙率、 透气性等，粉体性能对该粉体物料的气力输送特性有很大的影响, 决定了该粉料是否可采用气力输送以及采用何种气力输送形式。

1.1.1. 粒子尺寸  粒径又称为粒度，是用来表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数，它是粉体诸性质中最重要和最基本的因素。取粒径为当量直径，粒径越小，越难准备测定其对气力输送特性的影响。通常的方法是以粒径为自变量建立求解最小输送速度的数学模型。

1.1.2. 粒度分布  粒度分布指的将颗粒群以一定的粒度范围按大小顺序分为若干级别(粒级)，各级别粒子占颗粒群总量的分数，它是一项定义散料本质的参数。

1.1.3. 粒子形状及不规则度  粒子形状的不同导致了具有相同粒径的物料可能会有大不相同粒子性能, 从而影响粉料的气力输送特性。

1.1.4. 密度  粒子密度，即物料中单一颗粒的密度，粒子密度影响气力输送中的最小输送速度和输送要求的压降，用来计算输送的气流速度。

1.1.5. 去气系数  完全充气过的物料，其含有的空气在一段时间内会逐渐减少，这种行为称为“去气”,这段时间称为“去气时间”。物料保留空气一段时间的能力称为“存气性”。物料的去气时间越长，表明该物料的存气性越好。与透气性相同，物料的去气性可以用去气系数来描述。一般情况下，去气系数高的物料适合于浓相移动床输送，去气系数低的物料适合浓相栓流输送。

 1.2 固体输送能力  固体输送能力ms也称为固体质量流率，是指单位时间内通过管道横截面上固体的质量。在栓流中，气固两相之间存在强耦合的作用，两相界面互相渗透，具有较强的质量、动量和能量的输运特性。  当固气质量比为定值时，固体输送能力ms与气体表观速度ug之间呈近线性关系，当输送同一种物料时，固体的输送能力随表观气速的增大而增大，这是因为表观气速的增大使得气体对固体的推动力增大，固体加速较快，导致固体的质量流率增大。

 1.3 颗粒速度  在栓流运动中，料栓内存在着不同的速度分布，料栓上部的颗粒比下部颗粒速度大，料栓内部粒子速度略小于料栓平均速度。随着表观气体速度增大，固体速度增大。这是因为当气体速度较大时，气固之间的动量差增大，在相同的气栓作用时间内，气体推动固体的力增大，导致固体加速较快，达到较大的固体速度密相栓流运动时，由于气栓渗流，致使一部分气流穿过料栓，气流与料栓之间存在着速度差，即为滑移速度。随表观气速的增大，气固两相间的滑移速度up增大。  2. 栓塞式密相气力输送的流动模型及机理    图1 料栓流动模型  1) 料栓前面的空气栓里，上层是分散的颗粒,下层是静止的料层;  2) 料栓向前移动时，堆起前面的静止料层,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。  3. 栓流气力输送的阻力特性  随输送气速的增大，压力损失减小，在相同表观气速的情况下，固气比大的粉体阻力损失大，这是由于在同一气体速度下，固气比越大，两相流中颗粒浓度越大，颗粒间的相互作用程度增强,阻力损失增大。  管径的大小也会对阻力损失产生影响，它们成反比关系。当管径变小，管道中两相流与管壁之间的作用力增大，由此造成能量损耗增大，阻力损失增大。  除此之外，物料特性对两相流动特性及阻力特性也有较大影响。在相同的固气质量比及相同管径情况下，密度大的固体输送能力、滑移速度及压力损失大，而固体速度小。

 4 理论分析

 4.1 运动方程  在水平输送管道中,固粒群在气流中运动,作用在固粒群上的力包括气流对固粒的阻力、重力、固粒和壁面的摩擦力等.此时,由于固粒群的重力垂直于运动方向, 故可不考虑重力影响.在忽略其他力的情况下,作用在固粒群上的阻力与管壁表面的摩擦力之差,就是使固粒群加速的惯性力.假设长度为dl的管段内的力是平衡的, 则运动方程为    式中:u 为速度,t为时间,m为质量, FR为气流总阻力,Ff为壁面摩擦力,下标s 代表固相。 阻力：    摩擦力：    式中:下标a代表气相,下标m代表混合物,cm为固粒群在dl管段内的阻力系数,γ为比重,da为在 与流体运动方向垂直的截面上的投影面积总和,g为重力加速度，λn为气固混合物的管路摩擦系数，D为管径。  将阻力和摩擦力带入运动方程，经推导得：    式中: umg为混合物的悬浮速度(m/s),k为阻力定律指数。  定义无量纲数：      考虑受斯托克斯阻力作用,固粒粒径小于100μm时k=1，得到固粒群在水平输送管内的无量纲运动方程：               4.2 运动特性  经数值计算可知，固粒的运动具有以下特性  1) 固粒在气流中的运动,初期为变速运动,经过一段时间后到达稳定,然后作恒速运动,这与固粒的初始速度无关;  2) 不同的固粒初始速度,影响固粒在近壁区的变速段运动; 固粒在变速段可能作加速也 可能作减速运动,这取决与固粒的初始速度,并与影响最终稳定速度的因素有关; 3) 变速运动段为变加速度运动,初期较大,然后逐步减小,最后趋于零) 最终稳定速度与壁面摩擦有关。

 5 总结

  物料的管道气力输送技术至今已有100多年的历史了，在早期的80多年里气力输送都是在物料全部悬浮的条件下进行的动压输送，称之谓稀相气力输送。由于这种输送方法能耗大、磨损大、料粒易破碎等缺点，80年代初出现了密相静压气力输送的可行性研究，早期的实验装置只适用短距离和中距离输送。  随着科学技术的发展，栓状流密相气力输送在短距离和中距离的工业应用获得成功。而粉料性能、固体输送能力、颗粒速度及滑移速度等是影响栓流密相气力输送的重要因素。实验研究表明，在气力输送过程中，当形成稳定的料栓并且料栓不被破坏时，物料就能稳定的输送。  气力输送技术发展到今天，已经形成了比较完备的科学体系，随着科学技术的日趋成熟，气力输送已经越来越多的应用到工业、食品业等各种领域。由于栓状密相输送技术具备其独特的优势，必将成为未来的主导方式 

栓塞式气力输送浅谈

引言 

随着科学技术的发展，物料输送也取得了较大的发展，从机械输送发展到气力输送，而气力输送又从稀相输送过渡到了密相输送，特别是近年来粉煤灰的输送，正逐步从密相输送向栓流密相气力输送发展。  密相气力输送具有固气比高、耗气量少、需要动力少、后处理除尘设备简单、流速低、物料不易磨损、对输送管道磨损小、安全性能高等特点，因此得到了越来越广泛的应用。栓流是密相气固两相流的一种流动方式，粉料在输送管中不再散开,而是形成料栓、依靠料栓两端的静压差向前移动，具有低速、密相及低动力指数的特点，而且由于材料的磨损与流速的二次方或三次方成正比，因此气流速度的减小大大延缓了材料的磨损。与稀相气力输送相比，栓状密相气力输送具有高的料气输送比、低的输送气流速度和工作压力。  气力输送由于其特有的优点而被广泛应用于电力、化工、建材、钢铁、食品等行业，本文结合实验研究结果，系统分析密相气力输送的实验特性，简要介绍近年来气力输送的相关设备。

1.  气固两相栓流的影响因素粒体性能

1.1粉料性能

包括粒子的尺寸、 粒度分布、 密度、 形状、 硬度、 孔隙率、 透气性等，粉体性能对该粉体物料的气力输送特性有很大的影响, 决定了该粉料是否可采用气力输送以及采用何种气力输送形式。

1.1.1. 粒子尺寸  粒径又称为粒度，是用来表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数，它是粉体诸性质中最重要和最基本的因素。取粒径为当量直径，粒径越小，越难准备测定其对气力输送特性的影响。通常的方法是以粒径为自变量建立求解最小输送速度的数学模型。

1.1.2. 粒度分布  粒度分布指的将颗粒群以一定的粒度范围按大小顺序分为若干级别(粒级)，各级别粒子占颗粒群总量的分数，它是一项定义散料本质的参数。

1.1.3. 粒子形状及不规则度  粒子形状的不同导致了具有相同粒径的物料可能会有大不相同粒子性能, 从而影响粉料的气力输送特性。

1.1.4. 密度  粒子密度，即物料中单一颗粒的密度，粒子密度影响气力输送中的最小输送速度和输送要求的压降，用来计算输送的气流速度。

1.1.5. 去气系数  完全充气过的物料，其含有的空气在一段时间内会逐渐减少，这种行为称为“去气”,这段时间称为“去气时间”。物料保留空气一段时间的能力称为“存气性”。物料的去气时间越长，表明该物料的存气性越好。与透气性相同，物料的去气性可以用去气系数来描述。一般情况下，去气系数高的物料适合于浓相移动床输送，去气系数低的物料适合浓相栓流输送。

 1.2 固体输送能力  固体输送能力ms也称为固体质量流率，是指单位时间内通过管道横截面上固体的质量。在栓流中，气固两相之间存在强耦合的作用，两相界面互相渗透，具有较强的质量、动量和能量的输运特性。  当固气质量比为定值时，固体输送能力ms与气体表观速度ug之间呈近线性关系，当输送同一种物料时，固体的输送能力随表观气速的增大而增大，这是因为表观气速的增大使得气体对固体的推动力增大，固体加速较快，导致固体的质量流率增大。

 1.3 颗粒速度  在栓流运动中，料栓内存在着不同的速度分布，料栓上部的颗粒比下部颗粒速度大，料栓内部粒子速度略小于料栓平均速度。随着表观气体速度增大，固体速度增大。这是因为当气体速度较大时，气固之间的动量差增大，在相同的气栓作用时间内，气体推动固体的力增大，导致固体加速较快，达到较大的固体速度密相栓流运动时，由于气栓渗流，致使一部分气流穿过料栓，气流与料栓之间存在着速度差，即为滑移速度。随表观气速的增大，气固两相间的滑移速度up增大。  2. 栓塞式密相气力输送的流动模型及机理    图1 料栓流动模型  1) 料栓前面的空气栓里，上层是分散的颗粒,下层是静止的料层;  2) 料栓向前移动时，堆起前面的静止料层,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。  3. 栓流气力输送的阻力特性  随输送气速的增大，压力损失减小，在相同表观气速的情况下，固气比大的粉体阻力损失大，这是由于在同一气体速度下，固气比越大，两相流中颗粒浓度越大，颗粒间的相互作用程度增强,阻力损失增大。  管径的大小也会对阻力损失产生影响，它们成反比关系。当管径变小，管道中两相流与管壁之间的作用力增大，由此造成能量损耗增大，阻力损失增大。  除此之外，物料特性对两相流动特性及阻力特性也有较大影响。在相同的固气质量比及相同管径情况下，密度大的固体输送能力、滑移速度及压力损失大，而固体速度小。

 4 理论分析

 4.1 运动方程  在水平输送管道中,固粒群在气流中运动,作用在固粒群上的力包括气流对固粒的阻力、重力、固粒和壁面的摩擦力等.此时,由于固粒群的重力垂直于运动方向, 故可不考虑重力影响.在忽略其他力的情况下,作用在固粒群上的阻力与管壁表面的摩擦力之差,就是使固粒群加速的惯性力.假设长度为dl的管段内的力是平衡的, 则运动方程为    式中:u 为速度,t为时间,m为质量, FR为气流总阻力,Ff为壁面摩擦力,下标s 代表固相。 阻力：    摩擦力：    式中:下标a代表气相,下标m代表混合物,cm为固粒群在dl管段内的阻力系数,γ为比重,da为在 与流体运动方向垂直的截面上的投影面积总和,g为重力加速度，λn为气固混合物的管路摩擦系数，D为管径。  将阻力和摩擦力带入运动方程，经推导得：    式中: umg为混合物的悬浮速度(m/s),k为阻力定律指数。  定义无量纲数：      考虑受斯托克斯阻力作用,固粒粒径小于100μm时k=1，得到固粒群在水平输送管内的无量纲运动方程：               4.2 运动特性  经数值计算可知，固粒的运动具有以下特性  1) 固粒在气流中的运动,初期为变速运动,经过一段时间后到达稳定,然后作恒速运动,这与固粒的初始速度无关;  2) 不同的固粒初始速度,影响固粒在近壁区的变速段运动; 固粒在变速段可能作加速也 可能作减速运动,这取决与固粒的初始速度,并与影响最终稳定速度的因素有关; 3) 变速运动段为变加速度运动,初期较大,然后逐步减小,最后趋于零) 最终稳定速度与壁面摩擦有关。

 5 总结

  物料的管道气力输送技术至今已有100多年的历史了，在早期的80多年里气力输送都是在物料全部悬浮的条件下进行的动压输送，称之谓稀相气力输送。由于这种输送方法能耗大、磨损大、料粒易破碎等缺点，80年代初出现了密相静压气力输送的可行性研究，早期的实验装置只适用短距离和中距离输送。  随着科学技术的发展，栓状流密相气力输送在短距离和中距离的工业应用获得成功。而粉料性能、固体输送能力、颗粒速度及滑移速度等是影响栓流密相气力输送的重要因素。实验研究表明，在气力输送过程中，当形成稳定的料栓并且料栓不被破坏时，物料就能稳定的输送。  气力输送技术发展到今天，已经形成了比较完备的科学体系，随着科学技术的日趋成熟，气力输送已经越来越多的应用到工业、食品业等各种领域。由于栓状密相输送技术具备其独特的优势，必将成为未来的主导方式