流態(tài)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體輸送定量性研究

沈偉強(qiáng)

(蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300)

氣力輸送是指利用壓縮空氣的靜壓能及動(dòng)能攜帶固體顆粒在管道內(nèi)進(jìn)行輸送的技術(shù)[1]，目前廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中。根據(jù)輸送過(guò)程中管道內(nèi)壓力來(lái)區(qū)分，氣力輸送可分為負(fù)壓輸送與正壓輸送兩種[2]。其中，倉(cāng)泵式正壓流態(tài)化倉(cāng)泵氣力輸送由于其具有穩(wěn)定性好、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)得到了重點(diǎn)關(guān)注，廣泛應(yīng)用于粉粒狀物料的長(zhǎng)距離輸送中。目前，關(guān)于此類(lèi)型氣力輸送方式的研究較多集中于倉(cāng)泵內(nèi)的兩相流的數(shù)值模擬[3]、兩相流在管道內(nèi)的流動(dòng)情況及壓力損失等方面[4]。而對(duì)于其在管道內(nèi)的固體濃度及輸送能力定量性的研究相對(duì)較少。

基于此，本文選擇了正壓倉(cāng)泵式氣力輸送系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用干燥純凈的壓縮空氣輸送粉煤灰，采用超聲測(cè)試方式得出了管道內(nèi)固體濃度、固體輸送能力隨輸送時(shí)間的變化[5]，同時(shí)，基于固體濃度、氣體流量等參數(shù)建立了后反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)后反饋調(diào)整，達(dá)到了穩(wěn)定輸送的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

論文搭建的氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。其中，輸送主管為長(zhǎng)度為75m、管徑為80mm的無(wú)縫鋼管。固體顆粒通過(guò)進(jìn)料口閥門(mén)12進(jìn)入氣力輸送倉(cāng)泵13，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定料位時(shí)，停止進(jìn)料，關(guān)閉進(jìn)料口閥門(mén)12?？諝鈩?dòng)力源1產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷干機(jī)后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)過(guò)適配器后分為三個(gè)氣路。打開(kāi)流化氣管電磁閥，氣體進(jìn)入流態(tài)化倉(cāng)泵，對(duì)內(nèi)部的固體顆粒進(jìn)行流化，當(dāng)流化到一定程度后，打開(kāi)固體出料口電磁閥16，管道內(nèi)的出現(xiàn)固體顆粒，固體顆粒在管道內(nèi)到達(dá)收料倉(cāng)21。在試驗(yàn)中，采用渦街流量計(jì)對(duì)各管路上的氣體質(zhì)量流量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量；在輸送穩(wěn)定段，距離倉(cāng)泵出口36m安裝超聲測(cè)試平臺(tái)，用以測(cè)定管道內(nèi)的固體濃度與固體輸送能力。

1.氣體動(dòng)力源;2. 氣體管道;3.流化氣流量計(jì);4. 流化氣管控制電磁閥;5. 流化氣管;6. 背壓氣流量計(jì);7. 背壓氣管控制電磁閥;8. 背壓氣管;9. 推料氣管;10. 推料氣流量計(jì);11. 推料氣管控制電磁閥;12. 進(jìn)料口閥門(mén);13. 氣力輸送倉(cāng)泵;14. 流化床;15. 固體出料口;16. 固體出料口電磁閥;17. 輸送母管;18. 超聲波測(cè)試平臺(tái);19. 靜差傳感器;20. 壓差傳感器;21. 收料倉(cāng);22. 稱(chēng)重傳感器;23. 數(shù)據(jù)采集/控制卡;24. 電子計(jì)算機(jī)

圖1 正壓上引式流態(tài)化氣力輸送倉(cāng)泵系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)物料為工程常見(jiàn)的粉煤灰，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 物料性能表征

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將粉煤灰500kg加入流態(tài)化倉(cāng)泵，輸送母管內(nèi)的氣體速度保持在12.5～18m/s之間，倉(cāng)泵內(nèi)的壓力設(shè)置為0.3～0.4MPa。

由于輸送物料選用顆粒不超過(guò)240μm的粉料，輸送介質(zhì)為純凈空氣；因此在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理過(guò)程中，論文采取McClements模型BLBL模型分析超聲波的衰減情況，進(jìn)而得到固體的濃度與固體輸送能力等參數(shù)[5]。論文根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立了后反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比前后2s固體濃度的變化，通過(guò)改變推料氣、背壓氣閥門(mén)的開(kāi)度達(dá)到調(diào)控固體濃度穩(wěn)定的目標(biāo)。

2 僅開(kāi)流化氣時(shí)固體濃度與固體輸送能力的變化

圖2 僅開(kāi)流化氣時(shí)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時(shí)間變化

圖2是采用超聲測(cè)試方法在僅打開(kāi)流化氣時(shí)管道內(nèi)粉煤灰固體濃度隨時(shí)間的變化曲線，其中，倉(cāng)泵內(nèi)輸送壓力為0.3MPa，氣體速度為13.5m/s。由圖可知，當(dāng)輸送開(kāi)始后，由于超聲測(cè)試平臺(tái)安裝距離出料口有一定距離，固體顆粒尚未到達(dá)測(cè)試點(diǎn)，輸送管內(nèi)的固體濃度接近為0。當(dāng)固體顆粒到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，管內(nèi)大量固體顆粒密集，并且隨著氣力輸送的進(jìn)行，越來(lái)越多的顆粒進(jìn)入管道，濃度越來(lái)越大，且增長(zhǎng)速率較大，固體濃度迅速由0增大至240kg/m3。當(dāng)?shù)捷斔蜁r(shí)間達(dá)40～60s時(shí)，管道內(nèi)的濃度達(dá)到最大值，并將保持10s左右時(shí)間。隨后，固體顆粒越來(lái)越少，管道內(nèi)的固體濃度越來(lái)越低，直至接近于0。同時(shí)可以看出，穩(wěn)定輸送段時(shí)間較短，且穩(wěn)定輸送段的固體濃度最大值與最小值之間差距很大

圖3 僅開(kāi)流化氣時(shí)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰輸送能力隨輸送時(shí)間變化

圖3是僅開(kāi)流化氣時(shí)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨時(shí)間的變化規(guī)律，倉(cāng)泵內(nèi)輸送壓力為0.3MPa，氣體速度為13.5m/s。由圖可知，當(dāng)輸送開(kāi)始后，固體輸送能力接近為0。當(dāng)固體顆粒到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，由于管內(nèi)固體濃度較大，并且隨著氣力輸送的進(jìn)行，越來(lái)越多的顆粒進(jìn)入管道，輸送能力越來(lái)越大，迅速由0增至8.8kg/s當(dāng)?shù)竭_(dá)40～45s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定輸送段，此時(shí)管道內(nèi)固體輸送能力達(dá)最大，并穩(wěn)定。隨后，料倉(cāng)內(nèi)的固體顆粒越來(lái)越少，固體輸送能力大大降低，直至最后接近于0。同時(shí)可以看出，固體輸送能力保持穩(wěn)定的時(shí)間較短，且輸送能力跨度較大。

3 啟用后反饋系統(tǒng)固體濃度與固體輸送能力的變化

圖4 啟動(dòng)后反饋控制系統(tǒng)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時(shí)間變化

圖4是當(dāng)啟動(dòng)后反饋控制系統(tǒng)后氣力輸送粉煤灰固體濃度隨輸送時(shí)間變化曲線。倉(cāng)泵內(nèi)輸送壓力在0.29～0.34MPa之間波動(dòng)，輸送母管內(nèi)氣體速度在11.5～15.7m/s之間波動(dòng)。由圖可以看出，當(dāng)輸送開(kāi)始后，管道內(nèi)的固體濃度接近為0。當(dāng)固體顆粒到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，固體濃度迅速增大，并且隨著氣力輸送的進(jìn)行，越來(lái)越多的顆粒進(jìn)入管道，濃度越來(lái)越大，通過(guò)后反饋系統(tǒng)，打開(kāi)調(diào)節(jié)氣，并根據(jù)超聲測(cè)試采集的濃度信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)了氣體流量的改變。由圖可以看出，在20～60s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定輸送段，管道內(nèi)的濃度達(dá)到一定值(約167kg/m3)，并在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變。隨著料倉(cāng)內(nèi)的固體顆粒越來(lái)越少，管道內(nèi)的固體濃度降低，此時(shí)后反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)節(jié)氣的流量，固體濃度將保持在一個(gè)較低的數(shù)值(約80kg/m3)基本恒定，經(jīng)過(guò)10幾秒的輸送，料倉(cāng)內(nèi)的固體物料近于0。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比圖2可以得出，開(kāi)啟后反饋系統(tǒng)后固體最大濃度較低，但迅速能調(diào)整到一較為均衡的狀態(tài)，整體的濃度較為平均。

圖5 啟動(dòng)后反饋控制系統(tǒng)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨輸送時(shí)間變化

圖5是啟動(dòng)后反饋控制系統(tǒng)倉(cāng)泵氣力輸送粉煤灰固體輸送能力隨輸送時(shí)間變化曲線，倉(cāng)泵內(nèi)輸送壓力保持0.27～0.34MPa，輸送管道內(nèi)氣體速度為10.5～16.7m/s。由圖，當(dāng)輸送開(kāi)始后，固體輸送能力接近于0，經(jīng)過(guò)十余秒以后，固體輸送能力迅速增大到5.7kg/s，且增加的斜率較大。隨著輸送的繼續(xù)進(jìn)行，固體輸送能力保持較為均勻，由調(diào)控系統(tǒng)可以看出，此時(shí)流化氣閥門(mén)開(kāi)度變小，背壓氣閥門(mén)打開(kāi)，倉(cāng)泵內(nèi)的壓力增大，輸送能力保持均衡。隨著輸送的繼續(xù)，料倉(cāng)內(nèi)固體顆粒變少，僅增加背壓氣體不能滿足固體輸送能力，此時(shí)，推料氣閥被打開(kāi)，氣體進(jìn)入輸送母管內(nèi)，管內(nèi)的固體濃度降低，導(dǎo)致固體輸送能力降低，但較為均衡，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一時(shí)刻后，倉(cāng)泵內(nèi)的固體顆粒變得很少，并最終減小至0。另外，通過(guò)對(duì)比圖3可以看出，固體輸送能力穩(wěn)定性有了大幅度提高，并且輸送時(shí)間大大減小，這主要是由于固體輸送能力保持在較大狀態(tài)，輸送相同的固體物料時(shí)間更短。

4 結(jié)論

本文建立了具有完備調(diào)控系統(tǒng)的上引式流態(tài)化倉(cāng)泵氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，采用壓縮空氣對(duì)粉煤灰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了在僅開(kāi)放流化氣以及開(kāi)放自動(dòng)控制系統(tǒng)兩種情況下氣力輸送過(guò)程中固體顆粒濃度、固體輸送能力的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，僅開(kāi)放流化氣時(shí)，固體顆粒濃度及固體輸送能力均表現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)，且變化梯度非常大；而采用后反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)調(diào)控氣體流量后，可以實(shí)現(xiàn)氣力輸送的固體顆粒濃度及固體輸送能力參數(shù)變化更加均衡、穩(wěn)定。