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炭黑密相气力输送系统的设计和试验研究 摘要 气力输送是指借助气体或其他气体在管道内的流动输送干燥的散装固体颗 粒或颗粒物料的输送方法，广泛应用于制药、食品、化! l j 、橡胶、水泥、电力等 工业部门。其分类方法相当复杂，根据输送物料的性质、输送量、输送风速可将 气力输送分为：稀相悬浮气力输送、密相悬浮气力输送、栓状流气力输送。 近几年来随着橡胶一业的发展，气力输送越柬越广泛的应用于炭黑的输送过 程中。因此炭黑气力输送系统的设计工作在橡胶工、i k 的发展中占有越来越重要的 地位。对于气力输送的设计来说，由于影响气力输送性能的因素众多，包括物料 的物性：堆积密度、含水油量、粒子大小、粒子分布、粒子形状、粒子硬度； 气源：压力、供气量、气源含水油量及杂质、拉法尔喉径；输送管路布置：管 径，管路总长度、弯头、变径位罱、阀门数量及位置、管路安装的精度、垂直管 和水半管的长度等；压送罐的容积大小等等，并且当前的理论研究还未形成系统 全面实用的设计、运行体系，因此，利用工业性试验研究为设计和运行提供依据 成为最直接有效的方法。 本文在系统、全面的回顾和总结近五十年来2e 力输送研究发展的摹础上，创 新设计了一套炭黑密相气力输送系统，并对其作了试验检验其性能，对影响气力 输送性能的一些参数进行了研究和探讨，如怎样使系统的破碎率最小、输送能力 提高等。经试验验证此套系统能比较好的完成预期的日标。 另外，在以上试验的基础上，把m a t l a b 神经网络系统引入了本系统的试验 验证，第一次预测了不同系统参数下的炭黑的破碎率问题，达到了比较好的效果。 关键词：气力输送破碎率密相橡胶工业神经网络 d e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h0 fc a r b o n b l a c kd e n s ep h a s ep n e u m 姗cc o n v e y i n g s y s t e m a b s t ra c t p n e u m a t i cc o n v e y i n g ，w h i c hu s ec o m p r e s s e da i rt ot r a n s p o r ts o l i dp a r t i c l e s t h r o u g hap i p e l i n ei sa l li m p o r t a n to p e r a t i o ni nas i g n i f i c a n tn u m b e ro fc h e m i c a la n d p r o c e s si n d u s t r i e sf o rt r a n s p o r t i n gm a t e r i a l ss u c ha sp h a r m a c y 、f o o d 、c h e m i c a l 、 r u b b e r 、c e m e n t 、p o w e re t c p n e u m a t i cc o n v e y i n gm a yb ed i f f e r e n t i a t e di n t os e v e r a l c a t e g o r i e s ，s u c ha sd i l u t ep h a s ec o n v e y i n gs u s p e n s i o nd e n s e p h a s ea n ds l u gf l o w d e p e n d i n g o np a r t i c l ep r o p e r t i e s ，m a s sf l o wr a t ea n dc o n v e y i n gv e l o c i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr u b b e ri n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s m o r ea n dm o r e p n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e di nc a r b o nb l a c kt r a n s m i s s i o np r o c e s s t h e r e f o r ed e s i g np l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e a st oi t ，t h e r ea r em a n yf a c t o r s a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n g i n c l u d i n gm a t e r i a l p r o p e r t i e s ： p a c k i n gd e n s i t y ，w a t e r o i l ，p a r t i c l es i z e ，p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l es h a p e ，p a r t i c l e h a r d n e s s ；g a sp r e s s u r ea n di t sc a p a c i t y 、t h es p e c i f i c a t i o no ft h ep r e s s u r er e l i e fv a l v e a n di t ss e t t i n gp r e s s u r e 、s o u r c ep u r l t y 、t h et h r o a td i a m e t e ro fl a v a l 、n u m b e ra n d l o c a t i o no ft h ev a l v e ；t a n kc a p a c i t y ，e t c a tt h ep r e s e n tt i m et h e r eh a sn o ty e tf o r m e da c o m p l e t et h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a ld e s i g n f o rt h e o p e r a t i n gs y s t e m t h e r e f o r e e x p e r i m e n t a ls t u d yp r o v i d e sa l le f f e c t i v ew a yf o ri t i nt h i st h e s i s ，i o r i g i n a l l yi n n o v a t i o nac a r b o nb l a c kd e n s ep h a s ep n e u m a t i c c o n v e y i n gs y s t e mb a s e do nas y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h ep a s t5 0 y e a r so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi t i t sp e r f o r m a n c ew a s t e s t e da n df o u n do u tt h a t i td og o o dt ot h e e x p e c t e dt a r g e t a n ds t u d ys o m ep a r a m e t e r st h a ta f f e c t t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m ，s u c ha sh o wt om a k es u c hs y s t e mt o m i n i m i z ef r a g m e n t a t i o nf a t ea n dh o wt oi n c r e a s ec o n v e y i n gc a p a c i t y o nt h eb a s i so ft h ea b o v et e s t ，t a k et h em a t l a bn e u r a ln e t w o r ks y s t e m si n t ot h e d e s i g no ft h es y s t e m a n di nt h ef i r s tt i m e i tf o r e c a s tt h ec a r b o nb l a c kb r o k e nr a t e k e yw o r d s ：p n e u m a t i c c o n v e y i n g b r o k e nr a t ed e n s ep h a s e r u b b e ri n d u s t r yn e u r a ln e t w o r k 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 符号说明 说明 颗粒的质量 颗粒的体积 颗粒的密度 气体的质量 气体的体积 气体的密度 颗粒的体积浓度 颗粒的质量浓度 料气比 物料的质量流量 气体的质量流量 气体的表观气速 气体的真实速度 物料所占管道横截面积 物料的速度 输送端压缩空气的密度 起始端的压力 起始端空气的温度 气固混合物体积 炭黑的堆积密度 起始端料气比 起始端所需空气的体积 日罐物料输出的时间 气体的体积流量 系统的输送量 标准大气压下空气的密度 输送末端气固混合物的体积流量 末端管道的压力 末端气固混合物的温度 输送末端气体的体积流量 输送末端气体的体积流量 i v 单位 k g m 3 k g m 3 k g m 3 k g m 3 蚝( 料) k g ( 气) j 【g 8 1 【g 8 m s m ，s m 2 m s k g m 3 胁 k m 3 k g m 3 蚝( 料) j 【g ( 气) m 3 s m 3 s 蚝8 k g m 3 m 3 m i n m p a m 3 m i n m 3 m i n 艏咋咋砟以k b g q e q4只见tn以kg氏吼乃。虮 青岛科技大学研究生学位论文 输送管道内气固混合物平均速度 在输送管道内的输送时间 输送一次所需要的时间 输送系统当量长度 水平管道的长度 垂直管道的长度 系数 系数 总弯曲角度 管道内的平均压力 管道内气体的平均重度 气体的平均速度 磨损压降 垂直管压降 系统总压降 实验筛接收盘中碳黑的质量 碳黑试样的质量 平均输送能力 真实输送能力 由涡街流量计测得的输送气量 标准大气压 输送起始端的空气流量 v m ，s m l n m m m m m 口a k g m 3 m s m 口a 口a n m a g g 蚝s 蚝s m 3 m i n m p a 1 1 1 3 m i n ，b ，k t工：m万口j。肇竹矾 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究丁作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同一l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 本人签名： 导师签名： 茂单 春朱 1 日期： 日期： 年月闩 年月同 弼趸 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 从工业应用来看，在生产实际中物料的运送占很大的比重，大部分动力消耗 于原料或制品的运输过程中。选择、设计合理的搬运方式已成为提高生产效率、 降低成本的重要组成部分。气力输送作为各种散装物料的一种连续输送方式，越 来越多的应用于工业生产中，在整个物料运输中占有很大的比重。除了在工厂车 间内部、露天、建筑、铁路、船舶的运输作业中，对各种粉末状、颗粒状、纤维 状、叶片状的物料如面粉、谷物、煤、飞灰、水泥、石灰、化肥、塑料原料、砂 石、棉花、羊毛、烟丝、茶叶等广泛采用气力输送外，而且在邮局、银行、商店、 旅馆、图书馆等搬运频繁的场合，对于信件、票证、账册、图书、药剂等也采用 气力输送。此外，滤嘴卷烟的滤棒、小包卷烟、塑料瓶装食品药品、金属零件等 成件物品气力输送也成为可供选用的运输方式。因此，气力输送系统对电力、化 工、食品处理、钢铁、冶金、建筑材料、机械制造、医药、饲料等行业以及部门 的发展具有直接的影响。 从橡胶厂炭黑的输送来看，可以了解气力输送系统在工业生产中的重要性。 汽车工业的发展加速了橡胶厂的建立，炭黑的输送问题就摆在了人们面前。炭黑 的粒径小，易飞扬( 参见图1 - 1 ) 。若采用人力输送或仅靠机械输送，不仅对人的 身体健康有极大的危害，而且劳动效率低下，同时对环境也带来极为严重的后果。 人们曾形容橡胶厂的密炼车间是“进去一身白，出来一身黑”，可见其劳动环境 的恶劣。而采用正确的气力输送系统后，不仅劳动环境改善了，而且生产效率也 提高了。这对促进企业的竞争力是有极大的帮助的。 笺飘 r ? 一，j ：7 。麓：。：。j i ： 湖? c 魏鞠 一一，7 ，= ，：5 ：，：“；，7 。z r 黪缪雾爹鬻攀雾爹黪鬈簿+ l 黔“：形；鬟誊毒鬈，：! j 爹li 彰。雾一；z 。“| l ；掣 隧鲨羞煎：l 匕 0 8 5 0 p a r t t c l es l z e - - 图1 - 1 炭黑( n 3 7 5 ) 的粒径分布 f i g u r e1 1p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fc a r b o nb l a c kn 3 7 5 蟠跖西125 o 一_u一cuuhua_ul【uphd丑 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 从应用基础研究方面来看，气力输送是一个复杂的多相流动过程，固体颗粒 在输送管内的运动，涉及到气流速度的分布以及固体颗粒与管壁摩擦等各种条 件。输送管道内固体颗粒的运动状态既有滚动又有悬浮，同时还发生固体颗粒与 颗粒、固体颗粒与壁面的碰撞和摩擦，固体颗粒自身的旋转还产生举力，完全考 虑这些问题进行研究是相当复杂的。长期以来人们虽然已在该领域进行了大量的 研究，但仍有许多问题没有得到很好解决，例如散状物料在管道中被气流带走的 过程中，固体颗粒相互之间以及固体颗粒同管壁之间发生碰撞，碰撞的结果使得 固体颗粒破碎以及造成管道磨损，这种情况在颗粒高速运动时显得愈加明显。为 了克服这些现象，可以降低输送气流的速度，但随之而来的是容易引起流动的不 稳定性，甚至堵塞。另外，系统的输送效率也是一个重要问题，被输送物料的尺 寸，硬度，抵抗损坏的能力以及黏性特征和输送系统的自身条件等因素相互制约， 共同决定了气力输送的效率，从综合的角度来考虑输送效果就变得非常复杂，系 统内气固两相流动的状况直接影响到系统能否实现稳定、高效的运行，所以要对 气力输送系统的设计进行认真研究使之进一步优化。 综上所述，炭黑气力输送的设计和实验研究的课题有着广泛的工程实际需要 和重要的理论、实践及经济意义，具有广阔的发展前景。 1 2 本课题的目的、用途及意义 由于影响气力输送性能的因素众多，包括炭黑的种类、管道的布置、输送的 长度、参数的设定等等。正是基于这种复杂性决定了对其进行准确的理论计算是 相当困难的。即使推导出一些计算公式也因误差大、计算模型与实际情况的差异 使之无法适用于所有气力输送系统中。但是我们通过理论分析和实验验证，找出 影响气力输送的诸多因素及其对输送产生的影响趋势，指导炭黑的气力输送设计 以及调试和维护使用是非常有现实意义的。 本课题以橡胶厂炭黑的气力输送为研究对象，通过理论分析和经验公式设计 了一整套炭黑密相气力输送系统，其中包括工艺流程图和设备部件图、布置图。 并对设备的选择进行了分析。在此基础上对所设计的炭黑密相气力输送系统进行 了实验，对炭黑的物性及影响炭黑破碎率的因素进行了分析。本课题同时还介绍 了m a t l a b 神经网络理论在气力输送中的应用。 1 3 主要研究内容及技术路线 由于气力输送所需能量与气速的平方成j 下比，管壁的摩擦与气速的2 3 次 方成正比，所以，在能够保证实现正常输送的情况下，如何尽量降低输送气速， 是人们研究的重点，近年来，出现了不同的输送装置，包括脉冲输送、外双套管 2 青岛科技大学研究生学位论文 输送、内双套管输送等，这些装置的出现，使得对散料的输送有了更多的选择， 对于各种不同的物料，可以根据其物料特性，选择合适的输送装置。密相输送因 其动力消耗较低，对管道的磨损小、生产效率高而更受欢迎。特别是近十多年中， 密相输送的应用，更使气力输送发展到了一个新台阶，国内外都出现了大型的气 力输送装置，用在石化、矿山、水泥等部门，可以大大降低劳动者的劳动强度， 提高劳动生产率，防止环境污染。考虑到炭黑具有颗粒小、密度低、易飞扬等特 性，特别是在橡胶厂炼胶过程中，炭黑用量大，设计一套炭黑密相气力输送系统 并对其进行实验验证，达到避免炭黑粉尘外泄对环境造成的污染，也使工作环境 得到改善，同时提高生产效率的目的，是本次研究的主要内容。 1 4 本文的主要创新工作 在学习和借鉴前人研究成果的基础上，本文重点进行了如下的研究工作： ( 1 ) 对炭黑气力输送设备装置进行了比较，并从中选出最优的组合。 ( 2 ) 设计了一套新型的炭黑压密相气力输送系统，包括设备的工艺流程图及 设备部件图和布置图。 ( 3 ) 设计了一种新型的双管输送管道，材质采用超高分子聚氯乙烯管，同时 在输送管道上安装了压力传感器，当传感器检测到某处压力值超过设定值时，即 可由p l c 程序打开气动截止阀，向输送管道内补气，当压力下降到设定值时，则 关闭气动截止阀。因此，此设备具有耗气量小，自动化程度高的优点。 ( 4 ) 日罐采用了三重保护措施，即：料位计、压力保护装置和正压阀装置，其中， 正压阀装置是一种新型的保护装置，可将正压阀通过连通管与所有储罐串联在一起， 防止在意外情况下正压阀开启造成污染，同时串联后日罐上的任何一个压力开关都 对整个系统压力进行压力保护，大大提高了系统的可靠性。 ( 5 ) 通过实验研究，提出了影响气力输送性能的各种因素，以及提高气力输 送性能的措施。 ( 6 ) 通过实验和正交分析，分析出了使炭黑破碎率最小的输送系统参数。 ( 7 ) 把m 棚a b 神经网络引进了炭黑气力输送系统中，并以其为研究手段， 对炭黑的破碎率进行了预测。 3 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 第二章文献综述 2 1 气力输送的基本概念 气力输送是利用空气( 或气体) 作为输送动力，在管道中搬运粉、粒状固体 物料的方法。空气或气体的流动直接给输送管内物料粒子提供移动所需要的能 量，管内空气的流动则是由管子两端压力差来推动。 气力输送的主要目的是将固体物料由一个位置移到另一个位置。气力输送系 统应配置压缩空气或气体源、把物料投入到输送管道内的设备、输送管道以及从 输送物料和空气的混合中将输送物料和气体分离的除尘设备。这些设备的合理选 择和布置可使工厂的布局及操作更为灵活。例如，物料可由几个分管输送到一个 总管，或者从一个总输送管分配物料到若干个接受贮斗。物料的输送压力和流动 速度可以记录和控制，可以将气力输送系统设计成全自动控制系统。 2 2 典型的气力输送系统 为了更加详细的说明气力输送系统的组成，特举流态化并联罐浓相气力输灰 系统为例，其基本的组成为：由输送压缩空气系统、输送管道、灰库系统及p l c 程序控制系统等组成的主输送系统；由灰斗气化风系统、灰库气化风系统组成辅 助系统。 图2 - 1 典型的气力输灰系统 f i g u r e2 - lt h et y p i c a la s hs y s t e m 4 青岛科技大学研究生学位论文 2 3 气力输送研究的发展 管道气力输送、管道水力输送和集装物容器式管道输送技术均是方兴未艾的 新学科和边缘学科，它们是利用有压气体或液体作为载体在密闭的管道中达到运 送散料或用容器车等输送成型物品。这三种管道输送技术是极具有光广阔前景的 有待进一步研究开发和应用的技术。直到现在，不管是在理论方面还是在实际应 用方面，许多问题远未得得到很好地解决。管道物料输送技术属于两相流技术， 它有别于输水、输气和输油等单相流输送，是气固、固液或气固液两相流或多相 流。粉体的气力输送是利用气体为载体，在管道或容器中输送粉体物料的一种方 法，在气力输送中，混合介质是气体和粉粒体，一般使用的气体是空气，当要求 输送的物料不能被氧化时或物料易燃易爆时，使用氮气或惰性气体，因而属于气 固两相流，常称之为气力输送。 2 3 1 国外的发展 气力输送技术已有一百多年的发展历史。早在1 8 1 0 年m e d h u m t 就提出了 邮件气力输送方案，1 8 2 4 年v a l l a n s e 最先建立了气力输送实验装置。1 8 5 3 年 c l a r k 制成了直径为1 5 英尺，长6 7 5 英尺的气力输送的实验装置，这也是欧洲出 现第一个气力输送装置1 1 】，此后，这种输送技术在较长的一段时间内发展较缓慢， 直到1 9 世纪，这些装置都只局限于某些大码头上的装卸。本世纪初，随着大容 量风机和真空设备的出现，气力输送开始用于车间内部物料输送。用气固两相流 的统一观点系统地分析和研究，则是1 9 4 0 年后才开始。两相流( t w o - p h a s ef l o w ) 的名词在1 9 4 9 年才见诸文献。第二次世界大战间，由于对航空汽油的需求，使 得固体流态化技术得到很大的发展，这也大大推动了人们对气力输送的研究，到 六十年代后，越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。i i l z i n g 【2 】在粉体 的物性以及气力输送进行了较深入地研究，t s u j i y 在气力输送气固两相流动的数 值计算方面作了大量的工作同。z e n z 就气固流动特性进行了广泛的研究，提出了 单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式【4 l ，前苏联学者克列因、李克洛夫斯基 等【5 j 对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础，进行了散粒体结构 力学的基本问题研究，包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。 1 9 7 0 年，日本学者久保辉一郎、水渡英二，对粉体的力学特性和运动理论进 行了研究。上潼具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法，建立管道颗粒流动的运 动模型1 6 1 。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动，以及考察含有颗粒 的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息，如探讨作用在颗粒上的合力和通 过对流场平均得到的流变性质等。 固体的气力输送代表了十九世纪工业的巨大革新之一经过一个多世纪的发 展，目前，各种装置形式越来越多，己有制造成套气力输送装置的工厂，仅在美 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 国，据不完全统计，这类工厂就有3 0 多家。此外，在西德、瑞士、英国、日本 和荷兰等国家，气力输送也非常发达川。 2 3 2 国内的发展 我国的气力输送系统发展较晚，目前，主要应用于钢厂的高炉喷煤，火电厂 的粉煤灰输送，水泥工业中水泥的输送，铸造部门的新旧砂、黏土、粉煤和型砂 等的输送。而橡胶厂炭黑的输送，则起步更晚，在二十世纪么才开始使用。 对气力输送理论研究的起始阶段，都是将气固两相流看成两相流态化的过程 来进行研究和实验的，郭慕孙等【8 】曾对颗粒和颗粒群的运动做过详细的分析。秦 霁光等【9 】对物料在管道中的流动也做过深入的研究。1 9 7 8 年，中国科学院化工冶 金研究的李洪钟，就垂直气力输送压强降计算方法进行了深入地研列删。1 9 8 0 年，华东化工学院的杨伦对脉冲气刀式栓流密相气力输送进行了研列1 1 】。1 9 9 0 年上海海运学院的余达银等对气力输送进行的优化设计，1 9 9 2 年，余洲生又对长 距离水平输送进行了有益的探讨l ”。 1 9 9 6 年，清华大学的魏飞等就气固并行系统中弥散颗粒混合行为进行了系统 的研列1 3 j 。1 9 9 8 年，陈利东等【1 4 】对浓相气力输送的流型及稳定性判定进行了实 验研究，提出了一种检测流型稳定性的方法。 2 4 气力输送的分类 气力输送的分类标准比较多，一般主要有以下两种：根据输送压力分类，其 依据来自输送管道中空气压力状态；另一种是物料在管道中的流动状态分类，其 依据相图、输送管道中气固流动状态、单位时问的输送量及料气比。 2 4 1 按输送压力分类 按输送压力分类，可以分为负压吸送式、正压压送式及混合式三种。 2 41l 负压吸送式气力输送系统 负压吸送式气力输送系统主要用于从若干个物料来源中的任何一个取料并 将物料输送到一个收集点。这种系统特别适合于卸料系统和在加工装置处理从几 个料斗中取料并送入一个单独的加工线。 负压吸送式气力输送系统是利用安装在输送系统终点的罗茨风机或真空泵 抽吸系统内的空气，在输送管中形成低于大气压的负压气流。物料同大气一起从 起吸点吸嘴或料罐经过混合进入管道，并随气流输送到终点分离器内。物料颗粒 受到重力或离心力作用从气流中分离出来，空气则由过滤除尘净化后通过风机排 放到大气中。吸送式气力输送装置的输送压差小，故仅适用于短距离输送。但由 于整个输送装置处于负压状态工作，因此具有特殊的优点，即所有的空气均是向 内泄，这样实际上消除粉尘扩散到大气的可能，物料和灰尘不会飞逸外扬，保证 了车日j 卫生条件。负压吸送式气力输送的进料方式比压送系统中的供料器简单， 6 青岛科技人学研究生学位论文 但对卸料器、除尘器的严密性要求高，要求在气密条件下排料，致使上述两设备 构造较复杂。由于除尘设备的泄露而带出的物料也会损坏通风机或鼓风机。这可 以在主要除尘器与风机之间通过增加第二级除尘器或将除尘器串联将带出的物 料限制到最小。图2 2 为负压吸送式气力输送装置最基本的配置图。 作为气固分离设备的除尘器要设计成能经受预计的真空条件，通常额定真空 度为5 4 7 k p a ( 4 1 0 m m h g ) 或更高真空度。一般采用压缩空气脉冲反吹型的除尘器， 因为这种除尘器的体积小、结构简单、可以实现较大的过滤风速、除尘效率高等。 负压吸送式输送系统输送物料的范围有一定的限度，这主要是由于输送距离 越大，真空度就越高，空气的密度就变得越低。这就意味着负压吸送式输送系统 可输送的距离或能力的限制。对于橡胶厂的炭黑、粉料和粒料，如果输送距离超 过5 0 m ，将比较困难。 图2 2 负压吸送式输送系统 1 物料压送罐2 旋转阀3 输送管4 二位分配器5 压力开关 6 除尘器7 料位计8 储罐9 罗茨风机 f i g u r e2 - 2n e g a t i v e p r e s s u r ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m 1b l o wt a n k2r o t a r yv a l v e 3c o n v e y i n gp i p e l i n e4b i d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t o r5p r e s s u r es w i t c h 6d u s tr e m o v a lc o l l e c t o r7b u l ks o l i d sp o s i t i o nd e t e c t o r8b u l ks o l i d sb i n9r o o t sb l o w e r 2 4 1 2 正压压送式气力输送系统 利用安装在输送系统起点的风机或空气压缩机，将高于大气压的空气通入供 料装置中，与物料混合后，料和气一起经输送管送到终点的分离器或同罐内，空 气经过滤后排放到大气中。根据输送压力的大小，正压压送式气力输送系统又分 为高压压送式气力输送系统和低压压送式气力输送系统。 低压送式气力输送系统的输送压力在o o 0 5 m p a 之间，被输送的固体物料 7 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 颗粒悬浮在气体中，不同的物料料气比( 单位时间输送物料质量与输送气体质量 比) 不同，对于炭黑低于1 0 。气体临界速度大约为l o 2 5 r a s 。由于低压气力输 送其输送管道通常用单管，无须在中间用辅管补充气体，又称单管输送，如图2 3 。输送管常采用防静电的超高分子聚氯乙稀管、碳钢管或不锈钢管，由旋转 供料阀控制进料速度来控制料气比，出料弯头的喷嘴使物料在该处进一步混合， 达到稳定输送，压缩空气由罗茨风机或高压风机经过滤干燥后进入系统。该输送 方式输送属于高速、连续输送。它的动力提供点仅在物料进入端，对于输送黏性 物料如半补强炭黑存在一定的困难，经常出现堵管现象。如出现意外的停气、停 电造成的堵管，更是无法解决，只能人工疏通。有些资料介绍，在输送管的弯头 处采用振动办法帮助输通，但也无法彻底根除堵塞。它只适用输送粒状物料、纤 维状和叶片状物料，对块状、圆柱形和球形物料也有较好的实用性。该输送方式 会造成输送管道的磨损严重，物料的破碎率高，耗气量大，除尘器负载大，且输 送距离和输送能力受到限制。 图2 3 低压压送式输送系统 1 解包装置2 压送装置3 消音器4 罗茨风机5 旋转阀6 喷嘴7 输送管8 压力开关 9 二位分配器1 0 除尘器1 l 料位计1 2 储罐13 风机1 4 空气净化装置 f i g u r e2 - 3p o s i t i v ep r e s s u r ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m lu n p a c k e dr i g2b l o wt a n k3m u f f l e r4r o o t sb l o w e r5r o t a r yv a l v e6n o z z l e7c o n v e y i n g p i p e l i n e8p r e s s u r es w i t c h9b i d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t o rl od u s tr e m o v a lc o l l e c t o r 1 lb u l ks o l i d sp o s i t i o nd e t e c t o r1 2b u l ks o l i d sb i n1 3b l o w e r1 4a i rc l e a n e dr i g 高压压送式气力输送系统输送压力高( 压力大于0 1 5 m p a ) ，见图2 4 。一般 均需在输送管道中间采用辅管来补充气体增加输送动力，故又称双管气力输送系 统。根据辅管与运输送管的相对位置将其分为内置辅管和外置辅管式输送，常用 外置式辅管的双管气力输送。辅管与输送管每隔一定距离通过单向阀、过滤喷嘴 8 青岛科技大学研究生学位论文 相连。其作用是防止物料反向流动进入压缩空气管中而影响其上阀门的正常使用， 防止输送管不同部位之间由于局部瞬时高压和低压而使输送不稳定。由于该输送 采用沿整个输送线路而每隔5 0 01 0 0 0 m m 距离补充作为动力的压缩空气，故可在 输送中途停止再重新启动后仍能正常输送，特别适合输送黏性较大的物料，堵塞 的可能性降低到最小。由于高压压送式气力输送系统采用辅管辅助输送，所以料 气比高，输送能力大，物料破碎率低，输送距离长，可采用较小的气体分离设备， 除尘器使用寿命可延长2 0 3 0 。 为进一步提高输送效率，节约空气用量和输送时间，可在输送管道上设置一 些压力控制点，根据管道压力变化而开启相对应辅管上的阀门，同时可在辅管上 增设薄膜调节阀，适应不同的物料采用不同气量、速度进行输送，达到最佳的输 送速度和最小的耗气量。在输送物料时实现更高的料气比，更高的输送效率，管 道的磨损更小，物料破碎率更低，耗气量更小，输送距离更远。 图2 - 4 高压压送式气力输送系统 1 解包装置2 压送装置3 压力传感器4 气动截止阀5 辅管6 输送管7 压力开关 8 二位分配器9 除尘器1 0 料住计1 1 储罐1 2 风机 f i g u r e2 - 4t w o - p i p ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m lu n p a c k e dr i g2b l o wt a n k3p r e s s u r es e n s o r4a i r o p e r a t e ds t o pv a l v e5b y p a s s t u b e6c o n v e y i n gp i p e l i n e7p r e s s u r es w i t c h8b i d i r e e t i o n a ld i s t r i b u t o r9d u s t e r 1 0b u l ks o l i d sp o s i t i o nd e t e c t o r “b u l ks o l i d s b i n1 2b l o w e r 另一种高压压送式气力输送装置，采用脉冲方式输送物料( 图2 - 5 ) 。压缩空 气通过脉冲气刀进入输送管，将物料分隔成均匀的“杜塞”进行输送。控制气刀 的脉冲时间和间隔用来调节柱塞长度和间距，适应不同物料对混合比和输送阻力 的要求。辅管在输送过程中不补充气体，只有发生堵管时才人工开启辅管上阀门 9 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 清管。由于输送管路布置变化较大，特别对于输送距离较长的输送系统，弯头较 多，故这种输送方式难以在输送过程中始终能保持“柱塞”状。“柱塞”容易被空 气击穿，造成柱塞长度的变化，输送阻力和混合比发生变化，输送不稳定。 图2 - 5 脉冲式气力输送系统 1 解包装置2 旋转阀3 压送装置4 脉冲阀5 辅助管6 输送管7 压力开关8 二位分配器 9 除尘器1 0 料住计1 1 储罐1 2 风机 f i g u r e2 - 5p u l s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m 1u n p a c k e dr i g2r o t a r yv a l v e3t r a n s m i t t e ri n s t a l l a t i o n4p u l s ev a l v e5s u b s i d i a r y p i p e l i n e6c o n v e y i n gl i n e7p r e s s u r es w i t c h8b i d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t o r9d u c t r e m o v a lc o l l e c t o rl ob u l ks o l i dp o s i t i o nd e t e c t o rl lb u l ks o l i db i n1 2b l o w e r 2 4 1 3 混合式气力输送系统 混合式气力输送系统指在同一输送系统中既有正压又有负压，由于结构复 杂，成本高，耗能大，较少采用。 2 4 2 按物料在管道中流动状态分类 按照物料流动状态及相图进行分类，分为以下四种：稀相输送、密相动压输 送、密相静压输送、筒式输送四种。 2 4 2 1 稀相气力输送系统 稀相气力输送系统属于颗粒悬浮输送，物料在管道内悬浮于气流中，粉粒体 在管内分布比较均匀，由于颗粒较少，空隙率很大，依靠较高气速的空气所形成 的动能来携带物料。通常采用的气速约在1 5 m s 以上。料气比一般为1 1 0 。 2 4 2 2 密相动压输送系统 输送气流速度在8 1 2 m s 之间，管道中物料浓度较稀相大，物料不再均匀分 布，这种输送方式中，物料的流动方式可能有三种1 1 5 】，线流、疏密流、沙丘流， 由于输送气速较稀相低，一部分物料沉积在管底，一部分悬浮于管道上部。对于 沉积颗粒，其主要依靠粒子之间的相互作用来推动物料运动。 l o 青岛科技大学研究生学位论文 2 4 2 3 密相静压输送系统 密相静压输送系统是近几年发展起来的的低速高浓度输送系统。输送物料被 分为料栓，物料移动不是靠空气的动压，而是借助于料栓前后气体静压来推移， 因而，此类输送也被称为栓流输送。这种输送方式的料气比高，可达5 0 以上， 气速低，一般为5 m s 左右，最高不超过l o m s ，缺点是输送距离短，并且受粒料 物性的限制。 2 4 2 4 筒式输送 筒式气力输送装置，是将物料装在具有一定形状的传输简中，在管道内利用 空气的压力进行输送。 2 5 气力输送的特点 2 5 1 优点 ( 1 ) 与其他散状固体物料的输送设备相比，气力输送系统是小颗粒固体物 料连续输送最合适的输送设备，同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁 路车辆和货船输送至贮罐。 ( 2 ) 生产效率高，包装和装卸费用低。 ( 3 ) 输送管道能灵活布置，输送距离长，可充分利用空间，从而使工厂设 备工艺配置更为合理。带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机械实质 上是朝一个方向输送，而气力输送系统可以向上、向下或围绕建筑物、大的设备 及其他障碍物输送物料，其输送管可高出或避开其他装置或设备所占用的空间。 ( 4 ) 所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类 似于流体设备的操作，因此大多数气力输送系统很容易实现自动控制，由一个中 心控制台集中控制。 ( 5 ) 与其他散状固体物料的输送设备相比，其着火和爆炸的危险性小。 ( 6 ) 气力输送系统常常是干净的，消除了对环境的污染。 ( 7 ) 设备简单，占地面积小，设备的投资和维修费用少。 ( 8 ) 可以实现由数点集中送往一处，或由一处分散送往数点。 ( 9 ) 对于化学性能不稳定的物料，可以采用惰性气体输送。 ( 1 0 ) 运动部件少，维修保养方便。 2 5 2 缺点 ( 1 ) 与其他散状固体物料输送设备相比，气力输送系统动力消耗较大，特 别是稀相气力输送系统。 ( 2 ) 使用受到限制。气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还 需要能自由流动的物料。如果物料不允许破碎，则不宜采用稀相气力输送。除非 炭黑密相气力输送的设计和实验研究 是特殊设计，否则易吸潮、结块的物料也不宜采用气力输送系统。易氧化的物料 不宜用空气输送，但可以采用带有气体循环返回的惰性气体来代替空气。 ( 3 ) 物料特性如堆积密度、粒度、粒子强度、休止角、磨琢性等的微小变 化，都有可能造成操作上的困难。 2 6 输送管道中物料流动方式 物料在管道中的流动一般分为两种方式：稀相悬浮流动和密相流动。密相流 动又分为四种：连续密相流、有沉积层栓流、无沉积层栓流和沙丘流。介于密相 和稀相之间的可认为是带沉积层的悬浮流。其中，带沉积层的悬浮流所需要的压 降最低，而连续密相输送和高气速稀相输送所需要的压降最大。它们的气速和压 降之间的关系大致如图2 6 。 当气速很高，大约在1 5 m s 一2 0 m s 以上时，通常被输送物料都以稀相输送， 此时输送的速度大于物料的悬浮速度，否则就会产生沉积层。 当气速低于悬浮速度时，就会产生带沉积层的悬浮流，在悬浮层中的粒子有 可能被加速，也有可能沉降到沉积层。 当气速继续下降，就产生了我们通常所说的沙丘流。以沙丘流输送物料时效 率较低，因为料团的各个粒子都要加速。沙丘的形成可以说是不连续相流动的极 限情况，为克服物料与输送管壁较大的摩擦就需要较高的输送压力。同时，由于 不同大小及速度的沙丘在移动时会碰撞合并成新的料栓，而完整的料栓还可能因 并栓而加长，可以观察到料栓长度变化很大，即使采取人为强制成栓手段，情况 也是这样，由于不连续流的这种瞬变本质，使得实际上不可能精确预测出何时物 料开始自然成拴。 当气速再下降，物料就成栓状流动，对于本质上( 或很少) 无黏聚性的物料， 一般形成有沉积层的栓流，料栓以大约最大填充密度充满管道截面，在料栓之间， 管上部为含有一些分散料粒的空气，管下部为料粒层，每个料栓移动时，都会铲 起其前面的沉积层，而在料栓尾部则不断留下相同的沉积层。对于这种栓流，当 气速降低到某一值，物料颗粒会从“满管流动”转变成“剪切流动”，转折点出 现在物料以栓流通过管道的最低速度也是最佳速度处，但由于各种因素，实际 青岛科技大学研究生学位论文 瞄2 6 气速和流型之间的关系 f i g u r e2 - 6r e l a t i o n sb e t w e e na i rv e l o c i t ya n df l o wt y p e 上的输送气速要高于此速度。而对于黏聚性物料有可能形成无沉积层栓流。这种 料栓也可以通过脉冲气刀获得，这类料栓在流动时很少有料层剥落而遗留在料栓 后面。料栓在前后气栓静压差的推动下，呈柱状运动而被输送到输送管路末端的 卸料点。 当气速相当低时，即产生连续密相流动，这种流动是人们最希望得到的，在 这种情况下，物料完全占据管道，通过静压压送来输送物料，其输送量大，需要 的气量最小，磨损相对于其它流动方式也最小，但是要求压力却很高，容易堵塞 而且输送的距离很短，能够