日本的散料输送技术现状

日本的散料输送技术现状

富田侑嗣

摘要本文将阐述当今日本的散料输送技术现状。机械式散料输送包括带式输送机、管带式输送机和气垫式输送机，而气力输送则以密相和稀相输送来加以展开，文中还对气力集装容器式管道输送系统技术稍加讨论。

关键词：机械式输送机、气力输送机、稀相、密相、散料

1．前言

针对输送各种散料的要求，诸如资源类的砂石和煤、化工产品中催化剂和塑料颗粒、建材类中的水泥、谷物和麦粉等农产品、工业和建设业中飞灰、挖泥、渣滓和木片、生活垃圾、带有放射性的危险物料，以及在食品和医药业中众多散料等；再进一步来看，医院中输血用品、车间和城镇中物品的配送和集收、多雪地区和人工滑雪场雪和冰的清扫乃至在液体环境中作为能源运输冷却媒介物的冰、甲烷水合物、以及深海锰核瘤矿块的采集均会涉及到输送技术这个命题。

作为散料的单元操作，输送本身不能作为一个主要角色而只是起到辅助作用。但是我们也可以这样说在诸如干燥、称量操作中输送是必不可少和同时存在的。对输送来说，期待要求能耗量小、操作强度轻、维护方便，在输送过程物料漏失和破损少、要防止外部异物的混入，发尘和噪音小以及设备的安全可靠。对于食品和医药业还特别需要严格的卫生许可要求。针对上述的各种输送要求有多种的输送方法。文中阐述日本的散料输送技术现状，以输送机构来分有机械式输送机和气力输送设备之分。

2．机械式输送机

与气力输送机相比较，机械式输送机的优点是能耗小，物料破损少，可实现长距离和大容量输送。然而，它也存在产生噪音，发尘、物料撒落和可能异物混入的不足之处，而作为机械式输送机最大问题是灵活配置受到制约并需经常维护。在很多场合，机械式输送机持有重力的优点，而在微重力环境就难以显示其功能。

2．1带式输送机

带式输送机因其对输送距离、输送量很宽的适用性以及低的能耗在众多领域中得以广泛地应用。举例来说，由海洋取土砂回填构筑机场、输送能力高达6800吨·时-1。作为存在的问题是发尘，异物可能混入，噪音的产生以及向上输送坡度的限制以及难以改变输送的方

1942年生，东京大学大学院博士毕业获工学博士，现九州工

业大学产业工学科教授，长期从事管道物料输送理论和技术的研

究，尤其在气固两相流、气力式容器管道输送和水力式容器管道

输送等领域。

向。为了防止发尘和输送过程异物的混入，输送设备通常配置罩壳使其与外界环境隔离。同时，为了克服上述的不足点对带式输送机作各种的改进。

2．1．1可弯曲的带式输送机

当需要从水平配置改变方向时可用能转弯的带式输送机。这种输送机其断面形状不像管状带式输送机呈完全封闭，而是通过一些托辊的设置使其呈U-形状。作为应用，已有输送石灰石，输送能力为1500吨·时-1，输送距离超过2.5公里的示例。这时带式输送机系统起到了一个水平可转弯输送机和管状输送机的作用。这种可弯曲的带式输送机最小转弯半径从400m 至1600m 。再有一个应用示例是一台1.4公里长的可转弯输送机输送包括40厘米大小石块在内的土砂由隧道建设侧运出其输送能力达到200吨·时-1，最小转弯半径150米，带宽1200毫米，带速50米/分。目前已经可以做到最小弯曲半径为30米，输送能力达到300吨·时-1，带宽为600毫米，带速为90~150米/分的可转弯带式输送机。作为特例，要转 180也是有可能的，只要有一个60米宽的场地空间。

2．1．2封闭带式输送机

封闭带式输送机可用于大倾角输送，这也是我们常说的管状带式输送机，其断而完全密封，通常用6个托辊组来支承。由于与环境完全隔离，这样就不会有输送物料的撒落以及外部异物的混入。然而，由于被输送物料的大小有限制、输送量不能太大，最大的管状尺寸约为600毫米。输送机最小的转弯半径约为输送管状带尺度的300倍且大都呈水平设置。作为急转弯例子有420毫米直径管状带式输送机输送石灰石其转弯半径为130米。电厂中输送气灰已有400毫米直径的管状带式输送机输送量达350吨·时-1；另外尚有管状带式输送机管径为350毫米输送石膏输送量达500吨·时-1的应用例。由于被输送物料的破损少和系统易于清扫，这种设备用于输送食品料也应是可行的。

作为其它形式的封闭输送带输送机还有夹带式输送机，在输送过程中被送物料完全夹持在双带之间，因此，它易于实现垂直输送。这种设备其所需安装位置相对较小。

2．1．3气垫带式输送机

这种输送机又称流体动力输送机、

气垫输送机、空气悬浮带式输送机。其

机理由图1所示。输送带上的载荷不是

由托辊支承而是通过气流流径小孔在输

送带下部形成气压来实现的。沿输送机

长度方向的空气盘槽开有小孔，如同静

压轴承的机理一样产生支承力。由于载荷不再由托辊来支承，输送带与托辊之间的摩擦阻力改为空气阻力，这样阻力减小可使输送所需功率降低。同时，带速可以提高，整个设备的设置空间可以减小。由于没有托辊、噪音可降低，维护工作量减少并有可能改变输送的方向。已有愈来愈多的这种设备用于燃煤电厂和钢厂，如带宽1600毫米，盘槽尺寸1200毫米其输送量达5000吨·时-1而支承的气压低于8kpa 。

2．2其它机械输送机

尚有很多种类的机械式输送机被开发应用，它们用于各自特殊的用途，输送距离相对较充气室 空气流 输送带 散料 气流环道 图1 气垫带式输送机

短，以下介绍较通常的几种。

2．2．1振动输送机

振动输送机可输送不同的物料诸如很轻的和很细小的物品，且在输送的同时可作诸如脱水、冷却、干燥和分拣操作。目前在工业废弃物再生利用以及垃圾焚化设备中得到应用。输送距离单机可达100米，速度可达到40米/分。此外，垂直输送也可能通过一个移动槽上升到10米的高度。

2．2．2链式输送机

有多种链式输送机，其组成有槽壳体和链条，可用于输送谷物、麦粉和飞灰。连续式流动输送机是埋刮板输送机，物料可以充满整个横断截面，同时也可作垂直输送。其可以实现多点进料和卸料。

2．2．3斗式提升机

斗式提升机主要用于垂直提升，根据斗的提升速度有三种型式。低速型适用于提升大的输送量和磨耗性物料。输送物料盛载在提斗中而通过在框槽中运动的链条来实现提升。利用上述机理用于卸船设备、卸煤的能力可以达到3000吨·时-1。

2．2．4螺旋输送机

螺旋输送机具有多种功能：混合加热、冷却和干燥操作过程均有应用，输送长度相对较短。用于卸船设备，对煤可达到1500吨·时-1，在建设地下工程中运送泥土高度可达50米。3．气力输送机

气力输送机的工作基理如同真空吸尘器一样，被输送的物料通过气流将它在管道中输送。由于整个输送过程是密闭的，与外界环境隔绝，因此不会对环境带来影响，同时输送线路的配置灵活自由并可实现高速输送。装置安装空间紧凑，除了气源无运动部件，故维护和系统实现自控方便。然而，它存在能耗较大以及当输送速度高时带来被输送物料的破碎和管道的磨损。输送机可以达到2公里的输送距离。如果不是把能耗大看得太重的话，对散料选用气力输送方法由于其优点在现代的社会生活环境下会愈加获得应用和发展。然而，对输送方法的操作理解应予以足够的重视，因为它会对能耗，被输送物料的破碎乃至管道的磨耗带来影响。

根据管道中的压力状态有二种输送方式，分别是压送式和吸送式。无疑压送式，高的压力易于输送并不会发生异物侵入，然而，在管道的进口部分压力过高，要连续对管内供料就困难。相反，在出口部的连续集收物料就变得容易。虽然现在通过可密封高压的旋转供料器已可实现上述的高压连续输送，但压送式主要适用于输送量大的长距离输送，物料的多点配送和对卫生要求高的情形。作为吸送式则适用于较短的输送距离，将多处物料往一处集送和安全型输送，这是因为其取料部不会产生扬料发尘，从基理上来看上述二者无甚大的区别。

在气力输送装置上不同的输送风速和管径的匹配是为了满足用户方提出的对某种物料的输送量和输送距离要求，而所需的能耗则取决于输送风速、管径和输送距离。为此，如何选定最优的输送风速和管径就成为非常重要了。上述工作与管道内的物料流动模式密切相关，如果粗略给予分类有稀相和密相二类之分。对于已给定的某输送量和管径，管内的混合比是随着输送风速的增加而降低。对稀相情形，物料颗粒悬浮在气流中，要保持这种流动模式，存在一个称之谓跳跃速度或最小输送风速的临界值。该临界值出现在某给定的输送量和

管径情形下压损为最小时，可见图2

中所示。图中的dp 为压损，U 为输送

风速，而Gs 为输送量，然而，在该输

送风速时的流动也不是始终保持稳定

的，因为空气随着向管道出口处流动

它要产生膨胀。如果管径保持不变，

则输送风速会不断增大。由于压损正

比于输送风速的二次方，而压损增加

又会带来流动模式的改变，为了避免

上述膨胀带来的影响而采取沿输送方

向变径扩管的方法。

换个话题，谈气力容器式管道输

送，因为散料是盛装在带轮子的容器车中，这样能耗可以降低、被运送物料也不会破损，并可降低管道的磨损。但是这种输送系统要有使容器车返回到系统的起点处考虑，以重复使用容器车。

3．1稀相输送

稀相输送的机理已众可周知，它已无多大的困难。用数学仿真设计已成为可能。稀相流从技术上也日臻成熟，基于上述认识已开发和改进了各种装置并在各领域中推进其应用。大容量的气力卸船机已实现可达600吨·时-1卸送饲料和1000吨·时-1吸卸水泥和飞灰的卸船设备，为了节能已作很多尝试使以用接近跳跃速度值来保持稳定的操作，已有介绍通过调节风机的转速来控制气流的流量保持在最优值从而节能25%的报告。此外还有开展对旋涡流和螺旋管的研究并已有实际应用。同样，对像飞灰那样微细的颗粒作大容量输送从节能考虑应开发一种高效的节能系统。而从安全的角度考虑为避免粉尘的爆炸，而设计一种用以泄放释压的空气通风口。在食口工业、很多的研究重点在如何防止异物混入。此外，从需求来看，有要求一条管道输送多种物料，这样，系统的清扫就变得重要。由于输送带来物料的破碎则又是另一个重要的课题。

3．2密相输送

当输送状态低于跳跃速度情形就呈现密相流动。由于输送速度小，则物料的破损和管道的磨耗就降低。但是，密相的机理尚未完全阐明。对于塑料颗粒，密相流动持有栓料和蠕动流模式，当输送量增加时，料栓作用在管线上的力已开始考虑，因为一些方法中均已涉及到该力。最新的装置已有输送量达70吨·时-1，输送塑料颗粒水平距离77米，垂直距离为25米并包括7个弯头的实例，其管径的尺寸由305毫米改变到340毫米。对于诸如飞灰那样的细料，采用另一模式的密相输送输送量也可达800吨·时-1。为了减小这种细粉粒的管壁磨耗降低输送速度是特别重要的，各种方法其目的就是保持低的输送速度而大多的方法是着眼于特殊的管道系统。对这种流动模式的基础研究应继续开展下去，以更深化了解Geldart 图中A 和C 类那样细粒子的节能输送。 图2 给定管道尺寸的状态示意图 密相 跳跃速度 稀相 纯气流

3．3容器式管道输送

对容器式管道输送系统的初始成本与物料直接投入管线的散料输送方法相比是高的，其装卸系统是为了将物料对容器车的装卸操作，空容器车的返送系统也是必要的。然而这种输送方法在多山川地区的隧道建设工程用以运送土砂和住房区中的垃圾运输中得到重视，最为成功的装置是从某矿向工厂运送石灰石线，这种系统已成功地运转了20年，开挖深的地下工程需要行之有效方法将泥土运出来。容器式管道输送系统是快速的，粉尘得到控制而噪音小且又不会干扰现有地面的交通运输系统。

4．结论

对散料输送技术有很多关注点，其最重要的是节能，然而便于使用又常优先于能耗。为此，在很多领域，气力输送机的应用正日趋增加，因为管道输送从环卫和布置灵活上有诸多优点，此外尚有操作方便、节约劳力。然而机械式输送机在长距和大容量输送方面有其无可置疑的优点而超过气力输送技术。输送尺度较大的物料较输送细小颗粒来说较容易，每种输送方法对其功能理解了就可拓宽其应用的领域，此外新的输送方法引用要着眼于减少污染和节能。当今，在日本对散料输送的关注点是节能，减少物料撒失和飞扬，防止异物混入、减噪，洁净卫生以及多功能应用，作为下一步的方向，则是在可靠地输送诸如纳米那样超细颗粒技术上的进步。

陈宏勋译