氣力輸送系統在無水氯化鎂顆粒輸送上的應用

殷萬成，李鵬業*，夏 風，張海娟

（1.青海鹽湖鎂業有限公司，青海 格爾木 816099；2.青海匯信資產管理有限責任公司，青海 格爾木 816099）

1 前言

鹽湖金屬鎂裝置是目前世界上最大的電解金屬鎂生產裝置，也是世界唯一的采用鹽湖鹵水生產金屬鎂的生產工藝，是通過對精制鹵水的造粒、脫水、高溫烘干制成無水氯化鎂，再進入電解槽進行電解生產的工藝過程，在電解槽中利用700 ℃的高溫將無水氯化鎂熔融，通入直流電將無水氯化鎂分解成金屬鎂和氯氣。由于無水氯化鎂具有較強的吸水性，嚴重影響電解工藝的生產，因此無水氯化鎂的輸送已成為關鍵技術，必須充分考慮無水氯化鎂的輸送條件、系統安全、可控操作和合理的輸送工藝及裝備。國外原海德魯鎂廠，無水氯化鎂的加料方式是采用加料罐車運至電解廠房，再用壓縮空氣輸送至電解槽上方的料倉中。此種方式雖能避免無水氯化鎂顆粒與外界空氣接觸，但是在大規模生產過程中，車輛行駛排放的尾氣不僅影響環境，而且加料方式復雜、自動化程度低、人工成本高。

2 氣力輸送系統簡介

氣力輸送又稱氣流輸送，是消耗氣流的一定動能，將物料在封閉的管道內沿著一定的方向向前推送的過程。氣力輸送裝置輸送管路可完全密閉、輸送物料不會被外界物質污染、輸送管路布置靈活、占用空間較小、自動化程度高。

1853 年世界上出現了第一個在郵局內部傳遞信件的氣力的輸送裝置，1882 年在俄國彼得堡港出現了第一臺用來卸船上糧食的氣力輸送裝置。1893 年英國也出現了固定式吸糧機，后來世界各港口廣泛采用了氣力輸送裝置來卸運糧食。1945 年在瑞士建成了第一個氣力輸送面粉廠。1958 年，我國糧食工業部門在浙江金華最早建成了采用氣力輸送的面粉廠。1966 年，南京浦鎮建成了采用氣力輸送的米廠。氣力輸送的用途有很多，大部分還是粉體、粒體物料方面，如：碼頭散裝水泥的氣力卸料系統、高爐煤粉氣力噴吹系統、煤礦和礦山在采礦后形成的空區回填、無水氯化鎂干顆粒的輸送等。

3 無水氯化鎂原料特性

3.1 顆粒形狀

精制鹵水經脫水后的無水氯化鎂是結晶體粘結顆粒，干燥后外觀多為球粒狀、方粒狀、多面體狀，氣力輸送時易于破碎并使輸送管道磨損。

3.2 粒度及分布

無水氯化鎂是通過六面結晶體濕法高溫造粒而成，近似球面，無水氯化鎂的粒度分布通過篩分法篩分。篩分結果是：d0.4～0.6=21%，d0.6～0.75=33%，d0.75～0.85=31%。

3.3 比表面積

比表面積是指多孔固體物質單位質量所具有的表面積，常用于度量物料的“細度”［1］。在比表面積一定的情況下，比表面積越小，物料的透氣性越大，物料不易存氣，隨著比表面積的不斷增大，該物料的透氣性減小，物料更易存氣，輸送過程中氣體不易從物料的孔隙中溜走，輸送氣量損失較小。無水氯化鎂的實測比表面積BET=2.478 7 m2/g。

4 氣力輸送系統在無水氯化鎂輸送中的應用

氣力輸送系統一般由發送罐、輸送氣源、輸送管道和尾氣處理系統組成。

對輸送氣源介質無要求的工藝，氣力輸送系統氣源采用壓縮空氣即可，但是由于無水氯化鎂的易吸水性，致使無水氯化鎂輸送利用壓縮空氣是不可行的，必須對壓縮空氣進行干燥，將壓縮空氣的露點降至-60～-40 ℃，再利用干燥后的壓縮空氣輸送時，可避免外界環境對無水氯化鎂的污染。

氣力輸送系統可以將多點位置的物料輸送至一點，一般利用負壓輸送，即將外界氣體與物料一起吸入管道內進行輸送，輸送類型常被稱為吸送式氣力輸送系統或真空吸送。也可將一點位置的物料輸送至多點處，一般利用正壓輸送，即利用高于大氣壓力的壓縮氣體推動物料在管道內移動，輸送類型常被稱為正壓式氣力輸送系統。在無水氯化鎂的輸送過程中，需要將無水氯化鎂從儲存料倉中輸送至各電解槽上方的加料倉中，選用的是正壓式氣力輸送系統。

氣力輸送系統發送罐是一個承壓設備，使用過程中，其主要作用是暫存一定物料，并對物料進行加壓，待加壓到一定范圍后，瞬間打開出口閥門，利用氣體壓力將物料從出口壓出送至指定位置。隨著氣力輸送系統的不斷更新，發送罐類型也在不斷更新，現今主要類型有：渦流式發送罐、推壓式發送罐、差壓式發送罐、推送式發送罐、上引式沸騰式發送罐等。青海鹽湖使用的發送罐是推壓式發送罐（圖1），發送罐頂部是半球體、中間是圓柱體、底部是圓錐體，無水氯化鎂通過旋轉給料閥從發送罐頂部裝入發送罐中，發送罐頂部進料口旁有一進氣口，當發送罐物料填裝完成后，從頂部進氣口將干燥壓縮空氣充入發送罐中，氣體會給物料一個下壓力，并促使物料向下微移、壓實，待達到輸送設計壓力后，打開發送罐錐體底部管道上的閥門，將物料壓至管道中，發送罐底部管道上有一噴射混合室，在發送物料時，向輸送管道持續充入大量干燥壓縮空氣，以補充物料輸送時的壓損，將物料向前推送，這是物料輸送的主要動力源，它的輸入量和輸入壓力是可調的。

圖1 氣力輸送發送罐圖Fig.1 Diagram of pneumatic conveying and sending tank

推壓式發送罐下部的錐體傾角對物料在罐內的流動性有很大影響；如果傾角較小，在發送物料時，會導致部分與錐體罐壁相接的物料，因罐壁摩擦阻力的影響，不能從發送罐中流出，而如果傾角過大，就會造成發送罐罐體高度偏高，占用較多的現場空間，在占用空間不變的情況下，只能減小發送罐的體積，體積的減小勢必會影響物料的額定輸送量。故在設計時錐體傾角要大于等于物料休止角、大于物料與錐體內壁的內摩擦角，一般錐面傾角比摩擦角大5～10°，比儲存物料的自然休止角大10～15°。對于整體流的料倉，錐面傾角一般取55～75°，青海鹽湖發送罐的錐面傾角為65°。

休止角一般指輸送物料在重力作用下從漏斗自由流出后，在平面上形成的圓錐狀堆積體錐面與平面之間的夾角，此夾角越小，表明物料之間的摩擦力越小，物料的流動性越好，反之則表明摩擦力越大，流動性越差。內摩擦角是指塊體在斜面上的臨界自穩角，斜面角度小于等于這個角度時，塊體與斜面之間的摩擦阻力大于塊體在重力作用下向下的滑動力，塊體處于靜止狀態；當斜面角度大于這個角度時，當無其他力作用在此塊體上時（除重力外），塊體就會向下滑動。休止角和內摩擦角兩者概念不同。內摩擦角反映散粒物料層間的摩擦特性，休止角則表示單粒物料在物料堆上的滾落能力，是內摩擦特性的外觀表現。

青海鹽湖的無水氯化鎂由鹵水蒸發干燥而成，干燥后的無水氯化鎂為多孔隙結構，強度差、脆性大，在輸送過程中易破碎，而破碎的無水氯化鎂又不利于電解操作。壓送式氣力輸送系統分為稀相輸送、密相輸送、高密相輸送和濃相輸送，輸送特點各不相同，故需選用適合無水氯化鎂物理特點的輸送方式。

（1）稀相輸送。是將具有一定動能的氣體介質作為輸送動力源，作用于輸送物料上，將氣體介質的部分動能傳遞給輸送物料，使物料以懸浮或集團懸浮的狀態向前運動的方式。一般輸送管道內的物料均勻分布。輸送過程中輸送氣流速度快，輸送過程中耗氣量大，單位體積輸送物料少，物料間空隙率大，物料在輸送管道內以稀相懸浮狀態分布，物料的輸送速度大于物料的懸浮速度，通常采用的氣速在15 m/s 以上，料氣比一般為1～10。由于輸送速度快，輸送物料與管壁的磨損和碰撞激烈，不適合輸送強度差、易破碎的物料。

（2）密相輸送。采用的輸送動力源同樣是具有一定動能的氣體介質，相較于稀相輸送，輸送氣速較低，密相輸送的輸送氣速接近于臨界物料懸浮速度。輸送時管道中物料的密度同樣接近于臨界流化態下的床層密度，物料在管道中不再以懸浮狀態向前運動，而是以密集狀態下的有線流、疏密流或沙丘流的流動方式向前運動，物料濃度較稀相輸送濃度大，在管道中的分布方式也是雜亂無章，不再呈現均勻分布。因密相輸送的輸送氣速較低，故而在輸送過程中物料在管道中的運動速度較低，輸送耗氣量較小，顆粒與管線的磨損也相應較小，這種輸送方式的輸送距離一般比較短，輸送氣流速度一般在8～12 m/s之間。但是輸送過程中氣流的壓降較大，需及時補充輸送氣流壓降。由于輸送氣速較稀相低，輸送過程中部分物料會沉積在管底，部分會懸浮在管道上部，沉積在管道底部的顆粒會被懸浮在頂部的物料拖動前行。

（3）高密相輸送。高密相輸送系統是近幾年發展起來的低速高濃度輸送系統。將輸送物料分為多個料栓，物料移動不是靠空氣的動壓，而是借助料栓前后氣體靜壓來推移，因而，此類輸送也被稱為栓流輸送。這種輸送方式的料氣比高，可達50以上，氣速一般為5 m/s 左右，最高不超過l0 m/s，缺點是輸送距離短，并且受粒料物性的限制。密相氣力輸送技術中如何制栓是氣力輸送系統研究的關鍵。目前，料栓平均速度2～10 m/s，料氣比為30～100，輸送距離為40～200 m。

（4）高濃相輸送。根據近年發展，推廣長距離、高壓力、高濃度、低速壓送系統已是趨勢。輸送粉體物料采用高濃度輸送既解決了分級問題，又能解決積料和污染問題，如果再解決長距離難題將是其他輸送形式無法比擬的，且氣力輸送系統在粉塵控制、輸送距離、輸送管道的走向靈活性等方面具有明顯的優勢；研究各種高濃度氣力輸送技術是當今重要的課題，其中將物料從輸送罐以高密相推進管道，在管路中以加壓、助推、擾動等各種方式將高密相栓流輸送演變成高濃度氣力輸送是關鍵技術。

根據壓送式氣力輸送系統的形式和特點，為了盡可能減少無水氯化鎂在輸送過程中的破碎率，只能在高濃相輸送方式中選擇。當前氣力輸送的研究方向是高密相、低速度、低能耗、無堵塞，推行可控管路高密相低速輸送，較為典型的路線是雙管沿程增壓氣力輸送、可控雙管增壓氣力輸送、內套管氣力輸送。

①雙管沿程增壓氣力輸送。高濃度氣力輸送系統常用外置輔管的雙管沿程增壓氣力輸送系統，氣力輸送管路設計時會沿著物料輸送主管方向再設置一條輔管，輔管與主管之間每隔一定距離通過管路相連，輸送過程中，輔管中充有與主管輸送壓力一致的氣體，輔管會向主管提供源源不斷的氣體介質，以補充物料輸送過程中主管的壓力損失，防止輸送時管路堵塞。同時，此設計還可保證非正常工況停車后輸送系統能二次順利啟動：二次啟動時通過輔管氣體介質可將管道中堵塞物料從堵塞位置逆輸送方向，迅速沖散，吹出管道，保證二次順利啟動。在主輔管連接管路上設有單向閥和過濾器，單向閥的作用是保證氣體只能從輔管流向主管，防止主管中含料氣體進入輔管，影響輔管供氣和主管物料輸送，如圖2 所示。由于輔管中的氣體介質是持續向主管中輸入，輔管的二次進氣是不可控的，氣體會將料栓破壞，使物料以沙丘狀流暢輸送，同時也會使管內輸送物料速度越來越快，最終使輸送物料從出口高速噴出，由濃相氣力輸送演變成稀相氣力輸送。高速氣流會產生粒子并對管壁碰撞，會造成粒子破碎，改變物料性能和降低產品質量。此外，還存在管道磨損十分嚴重、氣固分離設備復雜、除塵設備負載大的不利情況，所以此輸送方式不合適。

圖2 雙管沿程增壓氣力輸送Fig.2 Pressurized pneumatic conveying along the double tubes

②可控雙管增壓氣力輸送?？煽仉p管增壓氣力輸送見圖3，與雙管沿程增壓氣力輸送系統基本類似，在氣力輸送主管方向設置了輔管，為了消除雙管沿程增壓氣力輸送系統的缺陷，將輔管設計成2 條，并增加了電磁閥精確控制系統，以便有效控制輔管的二次進氣，同時節省大量能耗。主管首先與輔管3 連接，輔管3 呈樹枝狀并能自動獨立工作，輔管2 與輔管3 相連，當主管某處的輸送壓力高于設計值時，輔管2 便會打開附近的電磁閥單獨向該處的輔管3 提供壓縮氣體，輔管3 再單獨打開單向閥向主輸送管道提供高壓氣體，以避免輸送管道堵塞?？煽仉p管密相氣力輸送系統主管1 和輔管3 之間同樣增加了過濾器和單向閥，防止主管1 中含料氣體進入輔管3，影響輔管供氣和主管物料輸送，如圖3 所示。由于青海鹽湖使用的是電解法煉鎂，在生產車間內存在強磁場，而眾多傳感器不適合在電解車間強磁環境下工作。

圖3 可控雙管增壓氣力輸送Fig.3 Controllable double tubes pressurized pneumatic conveying

③內套管氣力輸送。內套管氣力輸送系統是在輸送主管內部設置了一條輔助子管，依據輸送物料特性、輸送壓力等因素，在輔助子管上按一定間距開設出氣孔，出氣孔中央裝設有截流孔板，輸送物料時，壓縮氣體會同時經過主管和內置輔管，在設計的出氣孔中噴出。輸送中，隨著物料輸送距離的增加，物料的紊流流動狀態會被破壞，使部分物料積聚于管道底面，堵塞管道［2］，使主管內局部壓阻增加，產生局部高氣壓，高氣壓會增加內置輔管中的氣體流量，在物料積聚前后開孔處，形成強紊流，從而疏松堆積的物料堆，消除堵塞。這樣料段會不斷分割、移動、吹散，將物料不斷向前輸送。

內套管氣力輸送系統是靜壓輸送機理，物料以半栓塞狀運動，且上部又有內置輔管分流氣流，因此物料的運動速度大大低于氣體運動速度。與常規正壓輸送系統相比，其物料流速也遠低于常規正壓輸送系統，物料對其他物體的磨損速度與該物料運動速度的三次方成正比，內套管低速密相輸送系統同常規系統相比，物料的輸送真正運行在低速狀態下，因此對管道和彎頭的磨損可以降到最低［3］。

內套管氣力輸送系統屬于紊流密相輸送，料氣比一般可達30以上；低正壓、低速度輸送，起始速度為2～7 m/s；系統安全性好，能隨時起停而不堵管。所以，相較于其他形式的氣力輸送系統，選用內套管氣力輸送系統輸送無水氯化鎂是合理的。

5 氣力輸送系統輸送壓力計算

氣力輸送系統壓力損失主要由4 部分組成：分別為垂直提升氣固兩相流的壓力損失Δp1，管路摩擦阻力損失Δp2，物料啟動壓力損失Δp3，以及進料口、除塵裝置等機構造成的其他壓力損失Δp4［4］。

垂直提升壓力損失即物料從勢能較低處輸送至勢能較高處時，克服勢能對物料所做的功，即：

式中：ρ為兩相混合物平均密度，單位kg/m3；g為重力加速度，單位m/s2；h為輸送管道的垂直高度，單位m。

管路摩擦壓力損失即為氣固兩相流輸送到指定位置時，與管路產生摩擦而損失能量。管路摩擦造成的壓力損失可表示為：

式中：λl、λh為管路材料在水平方向和垂直方向的摩擦阻力系數；ξ為管路的局部結構阻力系數（彎管），∑ξ為總的局部結構阻力系數；d為管路直徑，單位m；l為管道水平長度，單位m；w為兩相混合物平均流速，單位m/s。

層流和湍流時摩擦阻力系數的計算方法不同、層流時圓管摩擦系數λ=64/Re，紊流時λ還無法從理論上推導出來，需查經驗表（Moody）或通過經驗關系式計算［5］。雷諾數是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數，Re>4 000為紊流狀態，Re=2 300～4 000為過渡狀態（見圖4）。

圖4 流體狀態圖Fig.4 Fluid state diagram

局部阻力系數可以表示為Le/D，物料啟動壓力損失。物料輸送初期，物料的初速度為0 m/s，為了使物料獲得一定的輸送速度，需將氣體的部分動能傳遞給物料，動能在傳遞過程中，輸送氣體會損失一定的壓力：

式中：ρ為兩相混合物平均密度，單位kg/m3；w為兩相混合物平均流速，單位m/s。

其他壓力損失由卸料器的壓力損失Δpa和除塵器的壓力損失Δpb兩部分組成。表示為：

式中：ξa為卸料器的阻力系數；ξb為除塵器的阻力系數。

6 總結

針對氣力輸送無水氯化鎂展開的應用研究，該項技術為國內首創。設計投產的無水氯化鎂氣力輸送生產線高濃度、低速度、低磨損，系統密閉性好，自動化控制水平高，達到預期的技術指標，能夠滿足電解鎂生產要求。