氣力輸送作為散裝物料的輸送已經(jīng)有 100 多年的歷史，與常規(guī)機械輸運和車輛輸運相比，具有輸送效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維護管理方便、易于實現(xiàn)自動化及有利于環(huán)境保護等許多獨特的優(yōu)點。
因此，氣力輸送已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火電、鋼鐵冶煉和水泥等行業(yè)的裝卸貯運及粉體工程的單元操作中。另外，隨著國家對環(huán)保要求的越發(fā)嚴格，改善工業(yè)粉塵污染的現(xiàn)狀將極大地推動氣力輸送行業(yè)的不斷發(fā)展。
氣力輸送從出現(xiàn)到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了從稀相到密相的研究轉(zhuǎn)變，促進了氣力輸送的不斷發(fā)展。就當今國內(nèi)外對粉體氣力輸送的研究而言，大多仍集中于較短距離的密相氣力輸送，主要是為了解決工廠內(nèi)部或工廠間的近距離氣力輸送問題，而對于長達數(shù)十公里的長距離氣力輸送系統(tǒng)，如電廠除灰的氣力輸送系統(tǒng)，由于技術(shù)限制，常采用多級接力或系統(tǒng)串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。但在現(xiàn)場條件受限或征地困難的情況下，實現(xiàn)長距離氣力輸送仍比較困難，因此迫切需要長距離氣力輸送新技術(shù)的研究開發(fā)。
1 長距離氣力輸送技術(shù)的研究現(xiàn)狀
影響粉體長距離氣力輸送的兩個關(guān)鍵因素是能耗和穩(wěn)定性。能耗是粉體隨輸送氣體在管道內(nèi)運動的能量消耗，即壓降；穩(wěn)定性即輸送過程的平穩(wěn)性，輸送不平穩(wěn)將可能導(dǎo)致堵塞，使輸送無法進行。因此研究粉體長距離氣力輸送，就是研究如何降低能耗，并保證輸送的穩(wěn)定性。
1.1 能耗
能耗是氣力輸送過程中的動力消耗 (壓降)，降低能耗可使單位輸送長度壓降減小，延長輸送距離。氣力輸送壓降與很多因素有關(guān)，其中最復(fù)雜多變的就是輸送物料的性質(zhì)。不同種類、粒徑、水分的粉體氣力輸送規(guī)律不同，對于同一種粉體，粒度及分布、含水率是影響粉體流動性的主要因素。粒度越小，分布越寬，水分越高，其流動性越差，則氣力輸送越困難。
Geldart按照物料的綜合特性對物料的種類進行了劃分，Dixon[6] 根據(jù) Geldart 顆粒分類法提出了輸送相圖，認為物料與氣體的作用取決于物料的平均粒徑分布和顆粒密度，將物料分為 3 類：PC1(如飛灰、水泥、煤粉)，可以平穩(wěn)地由稀相流動過渡到密相流動；PC2 (如塑料球、小麥)，在輸送時可能出現(xiàn)稀相、不穩(wěn)定以及柱塞流動；PC3 (粗精礦)，只能采用稀相輸送。研究表明，由于平均粒徑小的顆粒跟隨性強，容易與氣體一起運動；而平均粒徑大的顆粒由于重力易沉積管底，增加了與管壁的摩擦力。因此相同輸送壓差下，輸送固氣比隨著平均粒徑的增大而減小。
洪江研究了平均粒徑分別為 83μm 和 420μm 的石灰及沙粒在水平管內(nèi)的流動特性，得出細顆粒與氣體的跟隨性強，容易被攜帶，而粗顆粒由于重力作用容易往管底沉積，輸送相同量的物料需要更多的氣體的結(jié)論。
梁財?shù)热搜芯苛嗣悍酆蕦航岛洼斔头€(wěn)定性的影響，表明含水率增加到 6% 時輸送困難，且經(jīng)常出現(xiàn)堵管，但含水率越低，壓力損失越大。
不僅輸送物料，管道的選型和氣力輸送操作條件也對輸送壓降有著重要影響。趙軍等人試驗研究了管徑對兩相流阻力的影響，得出一定流速下阻力p/ L 與管徑 Dn 成反比，即管徑越大，則阻力損失越小；但管徑增大，顆粒沉積速度增加，輸送穩(wěn)定性降低。
周云等人在氣力輸送試驗臺上對高壓密相氣力輸送垂直彎管的阻力特性進行了研究，表明隨相同質(zhì)量流量下表觀氣速的增加，彎管動能壓損增加，摩擦壓損降低；相同表觀氣速下煤粉質(zhì)量分數(shù)增加，摩擦壓損增加；固相摩擦因數(shù)與煤粉平均粒徑及煤粉質(zhì)量流量無明顯直接關(guān)系，隨著表觀氣速增加略有降低。用一組以固體質(zhì)量流量為參數(shù)來描述氣體表觀速度與單位管長壓降關(guān)系的曲線 (即相圖)。相圖能夠準確地描述氣力輸送的流動特征，直觀地給出壓降與表觀氣速的關(guān)系，可用于流動形態(tài)的劃分、穩(wěn)定性分析和優(yōu)化參數(shù)等方面的研究。典型的相圖如圖 1 所示，隨著輸送氣速 (氣量) 的降低，管壓降先降低再增加，存在一個最低點，在此輸送風(fēng)速處進行氣力輸送最為節(jié)能。
在長距離氣力輸送管內(nèi)固粒的運動狀態(tài)既有滾動又有懸浮，同時還發(fā)生固粒與固粒、固粒與壁面的碰撞，固粒旋轉(zhuǎn)還產(chǎn)生舉力，完全考慮這些問題是相當復(fù)雜的。因此很多研究者在試驗的同時也借助數(shù)值模擬的方法對氣力輸送機理進行研究。
Tsuji 等人首先用硬球模型模擬研究了水平管栓塞流，但受計算能力的限制，僅能對較少數(shù)量的顆粒進行跟蹤模擬。Levy用雙流體模型模擬水平管內(nèi)顆粒栓塞流動，得到了栓塞運動過程中流場參數(shù)的變化規(guī)律。但 Levy模型采用了經(jīng)驗本構(gòu)關(guān)系，因而不適用于其他密相輸送工況。
顧正萌等人應(yīng)用顆粒動力學(xué)雙流體模型模擬水平管內(nèi)顆粒栓塞流，得到了栓塞運動過程中流場參數(shù)的變化規(guī)律，但是他們的模型中沒有考慮顆粒之間的摩擦應(yīng)力。
蒲文灝等人對 Johnson 等人提出的摩擦正應(yīng)力模型和 Syamlal 等人提出的摩擦剪切黏度模型進行了修正，并結(jié)合顆粒動力學(xué)理論，建立了可描述加壓密相氣力輸送三維多相流模型，模擬得到了顆粒濃度和壓降梯度隨表觀氣速的變化趨勢，并展示了煤粉顆粒在管道截面上的分布情況。
彭小敏等人提出了一種描述固相內(nèi)部相互作用對顆粒運動影響的數(shù)學(xué)模型，模擬并試驗驗證了粒徑對密相氣力輸送流型的影響，即隨著顆粒粒徑增大，粉體密相氣力輸送流型由沉積層流變化為沙丘流，進而演變成栓塞流的過程。
在單一管徑的氣力輸送過程中，由于系統(tǒng)壓力隨管線不斷下降 (尤其是長距離輸送時)，氣體的密度不斷降低，氣速不斷增加，根據(jù)水平管氣力輸送狀態(tài)相圖可知，氣速過大將會導(dǎo)致壓降增大。因此，如何控制管中氣速，使之穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，是保證輸送節(jié)能必須完成的任務(wù)。采用變徑管可在一定范圍內(nèi)有效地降低氣速，從而減少因輸送氣速過高帶來的問題。
李勇等人介紹了氣力輸送管道的變徑設(shè)計方法和變徑管道氣力輸送試驗中壓損、料氣比及物料質(zhì)量流量等之間的關(guān)系。
1.2 穩(wěn)定性
長距離氣力輸送表觀氣速沿管道不斷增加，氣固兩相流流型也隨之變化。如圖 1 所示，當輸送氣速下降到超出密相穩(wěn)態(tài)的輸送的邊界時，就會形成不穩(wěn)定的沙丘流，其特點是壓力波動增強，繼續(xù)降低輸送氣速，物料將沿管線堆積直至管道堵塞。因此，研究氣力輸送的穩(wěn)定性，使輸送系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，對于實現(xiàn)長距離氣力輸送具有重要意義。
雙套管氣力輸送系統(tǒng)最初是為了解決電力行業(yè)粉煤灰長距離輸送的堵塞問題而設(shè)計的，其輸送管道具有獨特的結(jié)構(gòu)，能保證在輸送過程中管道不易堵塞，提高了粉體輸送的安全性和可靠性。如圖 2 所示，在輸送管道內(nèi)設(shè)置一有開孔的小管，開孔間距與輸送物料有關(guān)。當輸料管內(nèi)的粉體堆積過高時，氣流就會優(yōu)先從小管內(nèi)流動，并以較高氣速從下一孔處噴出，沖刷堆積粉體的背風(fēng)面，減少粉體堆積的高度和長度，從而保證粉體的正常輸送。
李向陽等人從理論上建立了雙套管內(nèi)氣固兩相流動的阻力特性模型，模型計算表明，流過雙套管的壓力損失要大于普通單管的壓力損失，試驗驗證了模型的準確性。因此，雙套管的結(jié)構(gòu)特點只是解決了輸送穩(wěn)定性的問題，但一定程度上卻增加了能耗。
王桂勇總結(jié)了內(nèi)旁通管氣力輸送系統(tǒng)的技術(shù)特點，即低磨損、防堵塞、高灰氣比及運行費用低。許華、莫偉軍分別應(yīng)用電容層析成像技術(shù)對雙套管氣力輸送系統(tǒng)進行了深入研究，并結(jié)合試驗更深入地了解了雙套管實際氣力輸送的內(nèi)部情況。
粉體能夠輸送是因為在一定程度上它具有流動的特性，而之所以會堵塞管道是因為流動性較差而引起沉積造成的，因此粉體具有良好的流動性對輸送穩(wěn)定很重要。流態(tài)化是使固體顆粒層與通過其間的氣體或液體相接觸，從而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诹黧w的狀態(tài)，達到有利于顆粒物料流動的工藝要求。
流態(tài)化倉泵就是利用流態(tài)化原理設(shè)計的一種有利于粉體長距離輸送的供料裝置。典型的倉泵結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其底部為一氣室，用流化板和倉泵主體分開。出料口位于流化板上部中央，倉泵本體充當混合室。倉泵工作時，下部室出來的壓縮氣體經(jīng)流化板使輸送粉體處于流化狀態(tài)，輸送粉體與空氣在進入輸送管道之前得到了充分混合，這樣就消除了氣固兩相流進入管道的加速壓損；另外，充分混合的流化狀態(tài)，使粉體在輸送氣體中分布得比較均勻，減小了發(fā)生沉積堵塞的可能性，有利于粉體長距離輸送。
孫云生等人介紹了壓送式倉泵氣力輸送系統(tǒng)的工作原理及常見的上引式倉泵和下引式倉泵。康懷云等人對單倉泵系統(tǒng)運行中因間歇操作和輸送氣體壓力變化造成的堵管現(xiàn)象進行了分析，并對輸送管路進行了改造設(shè)計，改善了單倉泵的工作狀況。
李福洲對德國 IBAU 公司的穩(wěn)流倉泵進行了介紹，它采用三通球閥使倉泵的 3 個倉實現(xiàn)零壓差倒料，不僅降低了倒料時的閥門磨損，也減少了停機時間，使系統(tǒng)可以保持長時間的穩(wěn)定輸送。羅駒華等人針對單倉泵非連續(xù)操作和雙倉泵半連續(xù)操作的弊端，研究并設(shè)計了三倉泵系統(tǒng)，可以在改變料、氣以及氣體壓力的條件下實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸送，有利于長距離輸送。氣力輸送系統(tǒng)在實現(xiàn)長距離輸送時，空氣的能量會不斷地消耗，管道內(nèi)壓力隨輸送長度的增加逐漸降低，在達到一定程度時輸送將無法進行。為解決這一問題，可以在特定的長度段增設(shè)助推補氣裝置，以彌補系統(tǒng)摩擦造成的壓力損失，并對堆積較為嚴重的管段進行疏導(dǎo)，使輸送各段保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣就為長距離輸送提供了壓力和穩(wěn)定保障。
結(jié)語
(1) 對長距離輸送的需求越來越大，因此需要對長距離氣力輸送進行專門研究。
(2) 解決粉體長距離氣力輸送需要從輸送過程能耗和穩(wěn)定性兩方面綜合考慮，既要達到輸送的壓力需求，又要保障輸送不堵塞。
(3) 無論是降低輸送過程的能耗，還是保證輸送過程平穩(wěn)不堵塞，都應(yīng)對管道內(nèi)的氣固兩相流動機理和管道內(nèi)的摩擦特性進行深入研究。
