7-气力输送给料机的选择和运转汇总

气力输送给料机的选择和运转

P．W．Wypych

摘要

两种最常见的气力输送给料机是充气罐和旋转阀。尽管它们得到广泛使用并具有普遍性，这类给料机能产生相对独特的问题。

本文深入到充气罐和旋转阀一些重要特性，还就可靠性，给/排料量和耗气等，提出能够或应该如何做以扩大它们的性能。重点放在设计特点，运转方法（如，充气/加压，排气等）和三种输送形式：流态化密相；低速栓流；单栓密相输送上[1]。

1．充气罐

装入充气罐的物料经常并不流畅排出或甚至根本排不出。这就导致出现许多问题，如输送能力下降或不稳定，物料不能完全排空，粉料交叉污染，产品破损和卫生差。根本问题是由于充气罐的“静止”本性和没有运动机件，它本质上是个简单器具。许多设计和操作人员常常并不懂得能影响充气罐性能，也就是给料和运转效率的一些因素。

1．1充气罐设计

充气罐也称为压力容器或充气锅，由于它的“静止”本性，本质上是简单的给料器具。主要按其受高压能力来选择（如，高达4000kpa，但一般<600kpa），有时也因它在高温及/或磨削性应用中没有运动机件，操作压力可以<100kpa（甚至<50kpa）。

多年来，由于各种原因已开发了许多不同型式的充气罐。工业中较常见的设计以及它们的主要特性和功能，描述汇总如下：

●底排料，物料由罐底排出。单一或批量充气罐给料机不必定需要排料阀，见图1

所示。这种给料机能处理各种各样细的、粘的和粗的物料。还应济意到许多气力

式铁路或道路槽车，事实上是多出口底排料充气罐，见图2。

●顶排料，物料由罐顶排出，见图3，为保证全部排空物料，这种充气罐一般限用于

细的且流动性好的粉料，始聚合物粉、煤粉，飞灰和矾土等。

●侧排料，物料由罐侧面排出。这种充气罐给料机能在移动式卸船机和有些气力式

道路槽车上看到，一般也限用于细的和流动性好的粉料。

Peter Wypych教授：澳大利Wollongong大学工程学院教授、博士生导师，澳大利亚工程师协会高级会员。1981年起从事气力输送及粉

尘控制技术的研究及应用，到目前为止在该领域已发表了230多篇文

章，编写了280多篇工业项目咨询报告，为400多项工程项目提供了

设计、咨询、研究、审计、问题解决等服务。

●单栓底排料，每一循坏以10到15m长度的移动料栓形式输送限定的一批物料。

这种型式装置可用于运送粗的/磨削性的物料，如碾碎的煤、砂、谷物、金刚石矿料、石油焦、食品和骨炭等。通过相对短的距离，一般达100m。这种给料机正常以分批形式操作并无需排料阀，见图4。

●水平充气罐，应用于净空低的场所，内装多孔板促使物料流向出口。这种装置一

般限用于细的和流动性好的粉料。见图5。

●螺旋给料充气罐，见图6，集中充气罐和螺旋给料机的优点，用于要求精确控制料

流的特殊需要，如喷粉技术。

●微形罐，见图7，是小型和低成本装置（如，由管段和现有法兰构成），供并非很

重要和低磨损的应用。一般无需排料阀，但当同一管道上连接几个微形罐时则需要。这种型式给料机可以有底部，顶部和侧面出料布置。

图1 底排料充气罐无排料阀图2 气力式道路槽车

图3 顶排料充气罐带排料阀图4 单栓底排料充罐无排料阀

图5 水平充气罐图6 螺旋给料充气罐

1．2充气罐布置

充气罐可以有多种不同形式布置，这取决于物料和应用的需要。例如：

●单充气罐批量运转形式。由于每次循环中有额外操作，如充气罐装料，初始加压，

循环终了的清扫/排气和阀门驱动等，平均充气罐排料量可能需要比要求的每批总

输送量大50%至100%。

●并联（平行）充气罐[2]，对管道几乎连续给料。这种给料装置可以是底部或顶部

排料（图8），几乎广泛用于长距离及/或大容量输送，运转时必须保持管道“充满”

物料。

●串联（背包）充气罐[2]，对管道真正连续给料，顶罐（闭锁料斗）让物料在重力

下（和压力平衡）落入主罐内。当用于净空不够高场合时，闭锁料斗也可安放在

主罐旁边，见图9。

1．3充气罐的优缺点

由于充气罐无运动机件和多用性，故能以多种不同流动模式[1]如：稀相（悬浮流），流态化密相（细粉），低速栓流（颗粒料），低速栓流（粘性粉料），单栓输送（粗的/磨削性物料），旁通输送（快速去气粉料）和挤压流动（湿的/粘的物料）等供给各种类型物料。其他典型优点汇总如下：

●给/排料时无漏气（旋转阀给料机会产生）。

●运转费用很低（将物料喂入管道内）——与螺旋泵和旋转阀给料机相比。

●适合高温（高达900℃），高压（高达5000kpa）及/或磨蚀性应用——由于无运动

机件。

●相对低的维护要求。

●对某些物料和应用，无需排料阀。

●能应付宽范围的过程波动（如，能力、压力），也就是工厂可能的将来增产。

●对磨蚀性极强的物料（如，金钢石矿料）可以安装能调换的耐磨内衬。

图7 微形罐带排料阀图8 并联顶排料充气罐

图9 特殊连续充气罐给料装置

当然，也必须注意到一些重要的缺点：

●投资成本一般相对要高。

●需要更多的净空——比方说与旋转阀给料机相比。

●充气罐的排气通常导致空气或气体流失入大气中。

许多在充气罐装置上碰到问题的人员，可能很快提出其他缺点。但是这类问题通常是由于设计不正确及/或操作程序造成。以下综述对充气罐给料装置造成的许多常见错误。1．4问题与解决方法

1．4．1部件的选择

操作人员共有的抱怨同某一阀门或密封件频繁或过早失效有关。遗憾的是由于这类问题，往往使整个充气罐及/或输送系统受到全面非难。问题的根本原因经常是个别部件的选择、安装或操作不对。部件的性能或技术规格要与物料特性和应用要求匹配是最为重要。现今已有许多不同型式的阀门和部件可资利用，而且经常能做到匹配良好使运转可靠。举例来说，快动作全通径阀门，如金属对金属旋转双盘阀（图10），可供磨蚀性及/或高压力/温度的应用。这类阀门不采用橡胶密封件、O形圈或阀座，因而无需附加冷却保护。

图10 高温金属对金属旋转双盘阀（450℃）

1．4．2充气罐型式和布置

如前所述，充气罐的型式和布置必须同给定的物料和应用相匹配。举例来讲，在顶排料充气罐中，粘性粉料或粗粒料能导致罐内部形成“死角区”，因而不能完全排空余料。

1．4．3进气方式

已对四种常见的流动模式：稀相、流态化密相、单栓输送和低速栓流等，研究过不同进气方式的影响。发现在每种情况下，进气方式对装置可靠和高效运转是极其紧要的。例如，对各种粉料（如，细的和粗的飞灰、煤粉、水泥）进行稀相和流态化密相输送，将图11中充气罐1（BT1）所示传统的“单点”充气方式，直接同充气罐2（BT2）所示最新的流态化排料锥体（FDC ）作比较。由这项研究得到的关键结果汇总如下：

a) 较细的较粘的粉料（如，中位粒径d 50≤15μm ）用BT1出现各种问题（如，鼠洞、

未完全排空、排料量降低）。

b) 较粗的粉料（如，15μm ＜d 50≤40μm ）成功地从BT1排出。然而，当留在充气罐

内部物料量达到最初量的约40%时，罐内排料量开始由其稳定状态下的值一直减少。需要相当长的增加时间来排出最后约20%的料，这就指明是受到了罐内漏斗流的影响。

c) 所有粉料都能匀称而始终稳定的从BT2中排出。整个循环中稳定状态排料量不变。 d) 在最初加压循环时，发觉不论项部进气多少均能压紧充气罐的粉料。这势必会加重

上述的鼠洞和流动问题。

表1给出以上（b ）和（c ）的示例，表中s m ——稳定状态输送量；f m ——输送空气质

量流量；*m ——料气负荷比=1s f m m -

；t P

?——稳定状态下总的管道压降；s m ——平均充气罐排料量=排料质量除以排料时间。结果显示，即使两种充气罐有相同的6.7th -1初始稳定状态输送量，BT2的每批排料量也即输送效率，提高20%。而且BT2将同样的料量送到目的地要少耗气20%。这种相差对长时间连续运转的工厂就特别重要，因为一年下来的节省很可观。

表1 飞灰输送参数一览，D=69mm 和L=300m

进气方式对图12所示单栓输送的重要性示例可参见表2（表中bt M ——装入充气罐内的物料质量；T ——顶部进气，R ——环形进气，S ——补充进气；f M ——总用气质量；s M ——输送物料质量；bt P ——充气罐压力；c t ——输送时间）以及图13和14。

图11 不同进气式充气罐比较图12 单栓充气罐

m充气罐，D=105mm和L=161m）表2 碾碎的巴斯石单栓输送参数一览（0.1133

图13 碾碎巴斯石输送参数

图14 碾碎巴斯石输送参数 （试验编号 108-12）

（试验编号108-16）

这些试验及其结果显示：

(a) 单纯顶部进气产生强烈料栓，很高的背压（如，kpa P bt 600~500=）且管道严

重振动。

(b) 将顶部进气，环形进气和补充进气三者组合（即使总的f m 相同），见图12，能阻

止形成强烈的料栓和导致压力大为降低（如，100bt P kpa <）

，以及平缓得多的输送模式（如，砂丘）。但每批输送量下降约25%。

注意：试验编号10-13与编号14-16之间惟一差别是进气方式，发觉它对物料喂入管道和沿管道输送的途径具有重大影响。

下面描述另一证实进气重要性的示例，这次是对低速栓流。最近对聚合物切片所作低速栓流试验的方案如图15所示，采取两种充气罐充气安排。第一种是顶部空气/锥体空气；第二种是顶部空气/输送空气。注意这些试验未采用料斗空气。对第一种充气罐充气情况，由100%顶部空气和100%锥体空气作试验，得出两条截然不同的数据线，而s m 随f m 减少，对

于用80%、60%、40%和20%顶部空气作试验，在所用的f m 范围内（即，t P ?约60kpa ），管道中产生的压力相差相对小。这些影响和趋势可以在图16的气力输送特性图中看到，它包含了等124s m kgs -=到的曲线。

对第二种充气罐充气情况，由100%顶部空气和100%输送空气作试验，得出与上述类似的两条截然不同的数据线，而s m 再次随f m 减少。然而，对于用80%、60%、40%和10%顶部空气作试验，由图17可见管道压力有显而易见的差异，它包含了等126s m kgs -=到的曲线。与图16相比，这些结果表示顶部空气/输送空气的进气方式，达到好得多的运转控制以及更高的输送能力（即，与顶部空气/锥体空气相比）。

图15 低速栓流充气罐

图16 聚合物切片PCC ，98.4mm 内径×10m 长不锈钢管

（顶部空气/锥体空气充气罐）

图17 聚合物切片PCC ，98.4mm 内径×40m 长不锈钢管

（顶部空气/输送空气充气罐）

2．旋转阀

旋转阀是气力输送系统最常用的给料机。尽管其用途广泛并流行，旋转阀能产生相对独特的问题。认识这种型式给料机的特性和潜在的问题，大大有助于旋转阀给料气力输送系统的设计、选择、操作和消除故障。

旋转阀的尺寸确定和选择取决于（除了其他要求之外）是否将阀用作系统给料量的控制器。例如：

(a) 若旋转阀直接连接“装满”物料的料斗，则阀被称为“满流——给料”，给料/输送量

可以靠改变转子速度来变化——这样，旋转阀就是给料量控制器。

(b) 若旋转阀直接安装在其他给料设备（如，螺旋给料机）或其他给料量控制器（如，

锤式粉碎机）的下游，则旋转阀用作其他目的（如，压力密封或锁气，爆炸止回阀）。

2．1给料量能力

理论上，满流——给料旋阀转子的每个格腔均完全装满由料仓供给的物料。然而由于各种原因（如，粒子之间的摩擦，漏气阻碍物料流进转子格腔等等），不同的物料和应用，转子充填“效率”可以变化很大。例如，物料质量流量可由下式估算：

s b m N αρψ= （1） 式中，α——物料充填系数，可从图18[3]中查出；b ρ——格腔中物料堆积密度（3kgm -）；ψ——旋转阀的工作容积（31

m rer -）和N ——转速（rpm ）。注意，虽然图18中所示最大50N rpm =，实践中转速正常地限于：对粉料30N rpm ≈，对颗粒料25N rpm ≈。

转速（rpm ）

图18 旋转阀充填系数[3]—平均值

对锁气操作，式（1）仍可用于尺寸确定和选择，但附加以下提议的限制：

● 对颗粒状散料，最大25N rpm ≈和最大0.5α≈；

● 对粉料，最大30N rpm ≈和最大0.3α≈。

旋转阀同输送管道之间的接口（通称直落箱）是给料设备的整体部件，需要设计恰当以适合被处理物料的性能和局部条件（如，输送模式，输送能力）。忽视直落箱（也称为“给料靴”）的重要性，可以引起许多不同的问题，以下提出一些典型示例。

众所周知，来自旋转阀的真实料流并非连续的（亦即，如图19所指那样转子格腔放出物料的“栓”）。在下一个料栓落下之前，需要足够气流将整个料栓卷入，否则料栓可能合并而在管道起点出现沉积问题。此潜在问题又因以下情况而加重：

● 在真空输送系统给料点处，相对低的空气密度（但要求较高“起动”速度）；

● 装满物料的旋转阀长时间停车，造成进料口同转子格腔内部的物料压实（特别由

于设备振动），因而在随后再启动时，更密实的料栓落进直落箱中；

● 空气进入直落箱内突然膨胀（由于容积突然增大），因而降低实际“起动”气速； ● 直径相对大和输送管道（如，100..D mmN B >），促使物料刚过给料点后就过早

沉积。

经常采用文丘里夹带器产生稍微的负压，使物料从阀内被吸出并吹进输送管内，见图

20。然而，为此采用的文丘里型式，在设计/操作上一般效率低，并对输送管道压力十分敏感（即，文丘里“出口”压力越高，可能的吸进量越少）。而且，文丘里渐缩段产生的较高“起动”速度，有可能使轻的/蓬松的物料，跨过相对高惰性气流时实际上搭桥，见图20所示（亦即，物料“坐落”在气流顶部，只有少量物料断开落下并被送走，导致输送量很低和物料在阀内堆起成层）。一种可能的解决办法是装上一根短的旁通管，将文丘里夹带器的渐缩段与直落箱的背部连接起来，这就有助于破坏直落箱内的搭桥（还减慢文丘里的喉部速度）。 充填系数

图19 直落旋转阀和直落箱图20 直落旋转阀和文丘里夹带器2．2漏气

旋转阀给料的正压气力输送系统可以碰到许多问题：如给料量能力不足，装置漏失空气，不稳定流动状态，输送管堵塞和旋转阀内部过度磨损。在很多情况下，这类问题的根本原因是通过旋转阀的漏气。

旋转阀的漏气量取决于多种因素：如系统压力，转子间隙，处理的物料，阀上面的物料压头以及是否采取了排气。不考虑漏气或者在气力输送系统设计阶段估算漏气不精确，能导致错误确定气源机械（即，风机、鼓风机或压缩机）的大小。尺寸过大的气源机械能产生较快的输送速度，降低物料输送量，增大设备磨损及/或磨蚀，增多物料破碎及/或不必要的过多花费。尺寸过小的气源机械能使输送速度不够，造成操作压力提高，流动不稳定，系统停机及/或管道堵塞[4]。

漏气的其他后果有：使阀上面的加料槽/料斗受到加压而引起扬尘，旋转阀上部的物料流化因而堆积密度减小，阻碍物料向下流入阀内。后者造成阀的给料量能力降低。对于经一段时间后因磨损造成内部间隙扩大而漏气的旋转阀，这种状况就加重。当发觉漏气成问题时（如，给料量不足），建议采取有效的排气方法，如Wollongong大学开发的新型离心式排气斗，见图21所示。

图21 离心式排气斗布置

（进料口封闭供纯空气试验）

这种型式的排气斗在解决与漏气有关的问题上非常成功，即使是很细的粉料：

● 缺乏有效的排气则聚合物粉料（31522b kgm ρ-=，31488s kgm ρ-=，

50115d m μ=）

所能达到的最大给料量在5和71th -之间（操作压力10到100kpa ），而采用新型离心排气斗，最大给料量在12和131th -之间。

● 发现排气斗大大提高了珍珠岩（3155~60b kgm ρ-=）通过旋转阀的质量流量（如，

从最大7501kgh -到最大23001

th -）。

● 一家公司曾碰到由三种不同稀相气力输送系统输送磨细粉料（5010d m μ=）而能

力受限的难题。每台系统额定为151th -，但可以达到的最大能力仅约61th -。而且发觉每台现有的旋转阀，见图23，通过每根100..mmN B 排气管丢失大量粉料（可由观察到通过软管的满管流动以及软管过度摇摆来证实），还造成显著扬尘（由落在地面上的粉料量作证）。按图21设计了新型排气斗并安装在现有的旋转阀上，见图24所示。此排气斗使漏气的逸出达到最大，而给料量能力至少161th -。还观察到很少的物料向上流过（透明的）排气管，可直接同以往看到的“满管”流作对比。

速度（rpm ）

图22 料和气流量试验结果

（低压试验=10kPag ，高压试验=100kPag ）

质量(t p h )

图23 现有旋转阀图24 新型排气斗旋转阀排气管应当作气力输送系统来考虑，并必须按照它来设计（如，确定适合漏气的最佳排气管径，因而为“逸出粒子”产生适宜的输送速度）。操作压力的波动及/或阀上面物料压头的变化，会引起漏气流动因而排气管输送速度的变化。因此，应避免图25所示的水平排气管段。实际上整个排气管应尽可能垂直，使得沉降下来的粒子能倒流回阀内，见图26。否则排气管内会发生物料的沉降、堆积和堵塞。

图25 旋转阀本体排气和水平排气管图26 陡峭排气管使粒子下落返回2．3优先给料

旋转阀安装中常常受到忽视或者尚不知情的一个重要问题是，在供料仓或料斗内部能产生非对称的流动模式（即，由于对返回到阀顶部的空出格腔优先装满，见图27）。可能的后果有：在整体流料仓内出现漏斗流；物料积累在料斗的对壁处；在料斗出口成粘性搭桥；偏析；供料斗严重受损等，参见图28。这些问题能因散料含有相当多的细粉而更加严重。一些解决办法有：沿料斗壁安装如脉冲阀类助流工具，用以激活出料口附近的物料；料斗出口

法兰与旋转阀进料口之间安装垂直立管（即，实现出料口全部激活）。

图27 旋转阀对料斗流动模式的影响图28 有优先给料问题的直落旋转阀

2．4粒子切碎问题

满流——给料旋转阀容易切碎或损伤被卡在前进的转子叶片与壳体之间的粗粒子。这就能引起转子的驱动立即停车，或者驱动及/或壳体由于疲劳而完全破坏。在进行切碎动作时就可以产生很大的冲击力。防止这类问题的一种方案是选择具有内装抗切进料口的旋转阀，见图29所示。然而在现有的设备中，用新的抗切型式来调换所有的旋转阀可能太花费。为此，Wollongong大学已特别设计了抗切衬片，并发觉极为有效（图30）。

图29 有内装抗切进料口的旋转阀图30 有抗切衬片旋转阀

3．充气罐和旋转阀给料量能力

图31所示试验台用于聚合物切片在（密相）低速流输送下，对旋转阀和充气罐给料量的能力进行初步调研。一开始先确定充气罐给料机（采用顶部空气和输送空气组合）的输送特性，并示于前面图17中（再复制为以下的图32）。再采用图31所示高压旋转阀（型号ZGR-250，每转8升），将同样聚合物切片通过同一输送管道给料和输送。将考虑了漏气的旋转阀输送特性的密相部分叠加在图32上，它也示出可靠稳定状态数据点的边界线（包络线）。

从图32清楚可见，在给定操作压力和空气流量下，旋转阀的物料流量较低。而且，并

th 而充气无可能的办法使旋转阀产生像充气罐达到的同样物料流量（如，旋转阀最大约61

图31 低速栓流试验台

空气质量流量（kg/s ）

图32 采用充气罐和旋转阀给料机的聚合物切片密相输送特性

总的管道压降（k p a ）

罐超过约201th -）。另一项有意义的观察是，就运转范围而言，充气罐的密相区远大于旋转阀的（如，充气罐的空气流量范围在0.03和0.121kgs -之间，旋转阀的则在0.02和0.081kgs -之间）。

旋转阀达到的最大可能物料给料量（即，约1.6/kg s ），认为是由于已达到它的能力极限，这同图22所示相似。我们想到工作容积更大的旋转阀，会达到更高的物料质量流量。因此，采用了更大的旋转阀（型号ZGH320，每转16升）作试验来调研这种可能性。然而最大的物料给料量仅达到约1.8/kg s 。这些相似的极限结果力图指出，不管采用多少大小（能力）的旋转阀，管道达到一种“臃塞”状态以致不可能有更高的给料量。不过，充气罐给料机能达到事实上更高的物料流量。可能以下与旋转阀给料栓流系统有关机理的某种组合，促成了此“臃塞”状态。

● 重力使物料向下流入旋转阀内，但漏气阻扰料流并随背压增高而增大。不过由于

所用压力相对低，这种漏气影响应该极小。

● 物料从转子的分隔格腔内自由下落，并扩散开来进入给料靴内。

● 要求将这些扩散开的物料聚集并缩紧，喂入管道形成密相料栓。

至于充气罐给料机，物料是连续流进管道并沿管道形成密相料栓（并不影响料栓形成）。在这种状态下，充气罐给料机显然能达到高得多的输送量。这也意味着对给定的物料和吨输送量，充气罐给料系统可以采用较小直径的输送管道（因而气流量较少）。举例来讲，由图32可以看出，要达到181th -（或51

gks -）的聚合物切片，旋转阀给料系统需要较大直径管道（如，150mm ），也即较多空气流量（如，0.12到0.14/kg s ），然而充气罐给料系统不过采用98.4D mm =的管道（空气流量0.09至0.10kg/s ）。

应指出以上的试验和结果仅为初步，需要更充分的研究来彻底调研各种趋势和现象。

4．结论

尽管外表简单，充气罐和旋转阀有着许多不同的大小、型式和布置。为使系统功能达到最大，必须使给料机的设计，所用部件，进气方式等等与输送的物料性能和应用要求相匹配。这同样应用于稀相或密相条件下处理粉、粒料的系统。一旦选择和操作均正确，这类输送系统能够可靠及高效率地使用许多年而维修则不多。

程克勤译