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玉米粉气力输送与自动配料系统


玉米粉气力输送与自动配料系统概述

在玉米粉生产过程中,淀粉干燥后需要输送到包装车间去。这个输送系统是十分重要的,它关系到淀粉包装温度、粉尘飞扬、淀粉回收率和安全生产等重大事项。正确设计和配置玉米粉输送系统可以降低淀粉温度、保障安全生产的顺利实施。
玉米粉输送系统是指从淀粉气流干燥旋风分离器下的淀粉料斗到淀粉包装车间的淀粉料仓之间的部分。本文讲述使用罗茨风机正压吹送、离心风机负压吸送和正压吹送三种方式对淀粉进行输送的气力输送系统

玉米粉气力输送原理和分类

2.1  玉米粉气力输送原理
玉米粉输送采用气力输送技术。气力输送,又称气流输送,是利用气流能量在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料,是流态化技术的一种具体应用。在输送过程中,该技术还允许对物料进行加热、冷却、干燥和气流分级等物理操作。流过的单位重量气体得到能量的大小是气体输送机械的重要性能,用风压来表示气体输送机械赋予单位体积气体的机械能。由于气体密度小,有可压缩性。
气力输送的特点是结构简单、操作方便,可以水平、垂直或斜向输送,占用地面和空间少,输送线路灵活,防尘效果好,不污染环境和物料。在输送物料的同时还能完成干燥、加热、冷却和混合等过程,能量消耗大。输送管道两端的气体压力差使管道中的气体流动,当气流的速度达到一定值时,管道中的物料在气流动力作用下被送走。管道中物料的流动状态随气流速度、物料特性和气流中所含物料量的不同而变化。气流速度越大,物料在管道中就越接近于均匀分布的悬浮状态。气流速度渐次减小时,在水平管道中的物料逐渐沉降,靠近管底处的物料量增加,一部分物料甚至堆积在管底边滑动边前行。当气流速度小于一定值而物料又较多时,在水平管道中的物料堆积层将局部增厚,直至堵塞不动,而在垂直管道中的物料则沉降下来。
在水平管道内,气流动力方向与物料颗粒重力方向垂直,而共悬浮和运动状态更为复杂。在选择气流速度时,通常以垂直管道内的悬浮速度为依据。在实际气力输送管道中,由于物料相互之间以及和管壁的摩擦、碰撞,加之管道内气流的不均匀等多种原因,实际所需的气流速度远比物料的悬浮速度大。

2.2  玉米粉气力输送分类
⑴ 根据物料在输送管道中的密集程度,将气力输送分为密相输送和稀相输送两种。
① 密相输送:固体含量高于400kg/m3或固气比(R)为1:210~260的输送过程,操作气速为30~35m/s,用较高的气压压送。密相输送采用较大的气流速度和较高的固气比,输送能力大,输送距离长,物料破损和设备磨损较重,能耗较大。
② 稀相输送:固体含量低于100kg/m3或固气比(R)为1:900~1000的输送过程,操作气速为30~35m/s,用较低的气压压送或吸送。稀相输送采用较大的气流速度和较低的固气比,输送能力小,输送距离为数百米,物料在管道中呈悬浮状态,物料破损和设备磨损较轻,能耗较小。稀相输送按管道内气流状态分为负压(吸送)输送、正压(压送)输送和混合输送三种形式。

⑵ 根据所用设备和输送物料的方法,可将气力输送分为罗茨风机正压吹送、离心风机负压吸送、离心风机正压吹送三种。
① 罗茨风机正压吹送:正压吹送技术管道内压力高于大气压,加料器将粉粒送入有压力的管道中,卸料方便,输送距离较长。正压吹送技术一般由罗茨风机提供动力,输送量大、距离长、操作稳定等优点。该输送装置是利用装在输送系统起点的风机或空气压缩机将正压空气通入供料器处与物料混合,形成双相流经输料管送到分离器或储仓内。物料分离卸出,空气经过滤后逸入大气。这种系统适合于从一处进料向数处卸料。
正压吹送技术输送装置采用的供料器有:喷嘴式供料器、叶轮式供料器、螺旋式供料器、容积式供料器。喷嘴式供料器是压缩空气经喷嘴产生高速气流,将物料吸入供料器,并随气流进入输料管。这种供料器的空气消耗量大,输送能力与输送距离均有限。叶轮式供料器的下部为输料管,或在输料管中装有喷嘴。通常用在输料管内和供料处的压力差小于0.06MPa的系统中,输送磨琢性小的粉粒料。螺旋式供料器,又称螺旋泵,是利用螺距逐渐减小的螺旋叶片将物料压实,有时可在螺旋槽的出口处装一个重锤活门,下部是装有喷嘴的混合室,靠喷嘴喷出的气流将物料送入混合室。通常采用的空气压力为0.3MPa。它的能量消耗较大,工作部件容易磨损,仅适合输送粉料。容积式供料器,也叫充气罐或仓室泵,是将压缩空气通入装有物料的罐内,空气与物料混合后由罐的底部或顶部进入输料管进行输送。通常采用的空气压力高达0.7MPa。单罐仅能间歇式工作,连续输送需要将两罐并联或串联使用。有时还可在不同区段对输料管给予补气,输送距离可达2km。
② 离心风机负压吸送:负压吸送技术管道内压力低于大气压,自吸进料,负压卸料,输送距离较短。负压吸送技术输送可从低处(或散装处)、多点向高处一点输送,一般由通风机提供动力。负压吸送式气力输送装置利用装在输送系统末端的风机或真空泵抽吸空气,在输料管中形成负压气流。物料从吸嘴被吸入输料管,与空气形成双相流送至分离器内,物料借重力或离心力从气流中分离卸出。空气过滤后经风机逸入大气。这种系统供料方式简单,适合于由一处或数处进料向另一处集中卸料的短距离输送。吸嘴有移动式和固定式两种。移动式吸嘴通过软管与输料管相联,固定式吸嘴需要安装给料机以均匀给料。
负压吸送输送系统用以输送的气体压力低于大气压力,故称负压吸送式输送。这种方式可靠、成熟。特点:环保可靠性最好,管路内粉尘不会泄漏于环境。设备制造、维护要求低,可操作性强。使用的压力(真空度)小,安全性高。气体取自大气,气体的温度即为环境气温。输送为连续式、亦可间断,管道内无积存。容易实现多点进料、多点卸料的输送目标。气体动力源一般为离心风机,使用寿命长,适宜一般不超过100m的短距离输送,适合工艺过程中的物料输送。对物料适应性强,粉料、颗粒料均可顺利输送。
负压吸送输送一般用为离心风机作动力源,将管路及中间的仓式容器抽成一定的真空状态,促成进风口,在大气压作用下形成物料粉粒料与气体的两相流,经输送管道输入旋风分离器。两相流在旋风分离器内由于离心力及重力的作用下,使大部分物料与气体分离。少量物料与气体进入除尘器,通过滤袋作用使粉料与气体分离。气体排入大气。负压吸送输送淀粉、蛋白粉、纤维等,可降低物料温度4~7℃。
③ 离心风机正压吹送:这种正压吹送技术管道内压力高于大气压(低于使用罗茨风机正压吹送的压力),卸料方便,用离心风机将粉粒送入有压力的管道中,其它设备和部件与使用离心风机负压吸送的方法基本相同。
④ 混合气力输送:除以上正压和负压气力输送方法外,还有一种混合气力输送,这种输送装置由吸送式和压送式组合而成,共用的风机置于其间。它具有两者的特点,可在数处进料和数处卸料。

2.3  玉米粉气力输送系统计算
⑴ 气流速度:输送颗粒物料所需气流速度要大于其悬浮速度的几倍;输送粉状物料则要大几十倍。速度过小则可能产生堵塞;如果速度过大,不但所需的功率增加,而且输料管、弯头的磨损也加剧,分离器和除尘器的尺寸也要增大,所以,应选择适当的气流速度。输送量、输送风速和输送浓度是风运网路计算的主要参数。输料管正常工作,最大物料输送量(Q)为:
Q = a•q(t/h)                                                                      ①
式中:a-系数;q-设计输送量,t/h。

⑵ 沉降速度与悬浮速度:散粒物料在气流中运动时,沉降速度和悬浮速度是它的最基本性质。球形物体从静止状态在空气中自由下落时受到重力的作用,下落速度越来越快,同时,物体受空气的阻力也逐渐增大。物体的自重(G)与物体在空气中受到的浮力(F)和阻力(H)平衡关系如下:
G = f + H(kg)                                                                    ②
式中:f-浮力,kg;H-阻力,kg。
玉米悬浮速度(υt)为9.8~13.5m/s,需要的输送气流速度(υa)是悬浮速度(υt)的2.22~2.55倍,那么,玉米的输送气流速度(υa)为25~30m/s。

⑶ 输送气流速度:输送颗粒物料所需气流速度(υa)要大于其悬浮速度(υt)的几倍;输送粉状物料则要大几十倍。速度过小则可能产生堵塞,如果速度过大,不但所需的功率增加,而且输料管、弯头的磨损也加剧,旋风卸料器尺寸也要增大,所以,应选择适当气流速度。

各种物料气流速度、系数和悬浮速度经验数据见表1。

表1  各种物料气流速度、系数和悬浮速度经验数据
输送物料情况 气流速度[υa(m/s)] 悬浮速度[υt(m/s)]
松散物料在垂直管中 υa=(1.3~1.7)υt  
松散物料在倾斜管中 υa=(1.5~1.9)υt  
松散物料在水平管中 υa=(1.8~2.0)υt  
有一个弯头的上升管 υa=2.2υt  
有两个弯头的垂直或倾斜管 υa=(2.4~10)υt  
管路布置较复杂时 υa=(2.6~5.0)υt  
相对密度大、成团的粘结性物料 υa=(5.0~10.0)υt  
细粉状物料 υa=(50~100)υt  
玉米 υa=25~30 9.8~13.5
胚芽 υa=25~30 9.9~13.8
纤维 υa=30~35 10.0~15.2
蛋白粉 υa=30~35 10.3~15.4
玉米粉 υa=30~35 10.8~15.8
⑷ 固气比(R):单位时间内被输送物料的重量与输送空气的重量之比(R,也称浓度比、或固气比),即1m3空气能够输送的物料重量:
R = G物/G气                                                                      ③
式中:G物-输送物料重量,t/h;G气-通过输料管空气体积,m3/h。
常见物料气力输送时,固气比(R)见表2。
表2  常见物料气力输送时固气比(R)
物料种类 固气比(R)
细粒状物料(高压密相输送式) 1:210~260
细粒状物料(低压稀相输送式) 1:900~1000
颗粒状物料(高压密相输送式) 1:300~350
颗粒状物料(低压稀相输送式式) 1:1000~1100
粉状物料(高压密相输送式) 1:210~260
纤维状物料(高压密相输送式) 1:220~270

⑸ 输送量与输送浓度:输送一定量的物料所需的空气与输送浓度(µ)成反比,输送浓度(µ)大,所需空气少,输送浓度(µ)小,所需空气多。输送空气是要消耗动力的,空气少了动力消耗就可减少,同时,整个系统管道、卸料器、旋风卸料器及风机等都可缩小,这是输送浓度大的有利方面。浓度高,输送压力损失将增大,操作较困难,并且容易引起堵塞或掉料。考虑到空气有时还兼有通风和风选的任务,这些都必须保证有相当的风量。

⑹ 输送风量:浓度大小直接关系到网路的风量和压力损失的大小,在选定输送浓度时要考虑到此时的风量和阻力是否与风机的风量和压力相适应,即风机能否在较高的效率下工作。否则,浓度虽然高,但风机并未在较高效率下工作,动力消耗不一定会降低。根据选定的输送浓度值计算需要风量(Q)为:
Q = G物/μ•γ(m3/h)                                                                 ④
式中:G物-输送量,kg/h;µ-输送浓度,%;γ-空气比重,kg/m3。
通常选用空气量为理论空气量的1.1~1.2倍。

⑺ 压送系统压力损失(H总):可分解为由下列各部分压损组成:
H总 = H气 + H供 + H料 + H辅(MPa)                                                  ⑤
式中:H气-鼓风机出口至供料器之间输送净空气管道压损,MPa;H供-供料器压损,MPa;H料-从供料器至料仓之间的输料管道压损,MPa;H辅-卸料器、选配阀及其它辅助部分压损,MPa。

⑻ 叶轮式供料器容积(V):可根据所需的物料输送量(Q)计算公式为:
V = G/γ(m3)                                                                     ⑥
式中:V-供料器容积,m3;G-物料输送量,kg/h;γ-物料容重,kg/m3。
叶轮式供料器在工作时有一部分空气泄漏,量的多少除与供料器规格大小和叶轮与机壳之间间隙有关外,主要取决于供料器出料口处压力大小,亦即取决于供料器后面全部管路阻力,包括供料器本身阻力以及输料管、选配阀和卸料器等设备阻力。在一般情况下常用供料器漏风量(Q漏)计算公式为:
Q漏 = 0.02(H供 + H料 + H辅)(m3/min)                                                ⑦
或:Q漏 = 0.02(H总 + H气)(m3/min)                                                  ⑧
⑦和⑧式中:H总-管道总压损,MPa;H气-鼓风机出口至供料器之间输送净空气管道压损,MPa;H料-从供料器至料仓之间的输料管道压损,MPa;H辅-卸料器、选配阀及其它辅助部分压损,MPa。

⑼ 淀粉气力输送系统:淀粉颗粒不大,粉状,比重较小,沉降性不大,输送性高,采用正压(压送)技术,还可以采用负压(吸送)技术。正压(压送)输送系统使用罗茨风机制造的风输送淀粉,罗茨风机安装在气力输送管的前端,风直接吹入输送管中,淀粉使用加料器加入管道中,风将混合的淀粉输送到旋风分离器后卸料进入淀粉贮罐,旋风分离器出来的可以使用除尘器再一次回收淀粉。负压(吸送)输送系统是使用离心风机吸引的风输送淀粉,气力输送管的末端安装旋风分离器,旋风分离器的末端安装离心风机。淀粉落入吸风口后既被吸入气力输送管道,然后进入旋风分离器,旋风分离器将淀粉分离下来(或经过筛分)进入淀粉贮罐。

玉米粉气力输送方法和输送系统设备

3.1  玉米粉气力输送量
玉米粉气力输送量是决定离心风机风量多少、风机功率大小、玉米粉气力输送风管直径大小的主要因素。玉米粉输送量小需要的风量少、风机功率小、输送风管直径小,反之,需要的风量多、风机功率大、输送风管直径大。一条玉米粉生产线的气流干燥线生产量是确定的,是依据生产规模确定的,本文按气流干燥线玉米粉输送量(既产量)16.67t/h、一天的玉米粉输送量(既产量)是400t计算。

3.2  玉米粉气力输送风管风速和淀粉浓度
⑴ 玉米粉气力输送风管风速是决定能否输送走物料的主要因素。风速过低不能将玉米粉输送走,或只能输送很少,淀粉会否积存在玉米粉输送风管内的下部,风速过高也是不可以和浪费的。玉米粉输送风管的淀粉输送风速是一个恒定值、一个范围值,取玉米粉输送管风速30~35m/s,平均值35m/s。
⑵ 淀粉浓度与固气比(R)有关,取玉米粉输送管固气比(R)1:210~260。那么,使用罗茨风机正压吹送、离心风机负压吸送和正压吹送淀粉在风量中浓度分别为0.43%、0.1%、0.1%。

3.3  玉米粉气力输送风管直径
玉米粉气力输送风管直径是决定风量大小和输送量大小、引风机功率的主要因素。风管直径小,其输送量、风量、需要的风机功率就小,吸风管直径大,其输送量、风量、需要的风机功率就大,风管直径大小是由输送量、风速决定的。
根据输送量、输送风管风速和不同输送方法的淀粉浓度既可计算出输送风管直径。

3.4  引风机全压和风量
玉米粉气力输送系统的风阻情况都较大,即有阻风的部件和设备,也有输送距离较远,所以,引风机全压较大,通常取6200~8500Pa为宜(要分具体情况确定)。风机风量是决定输送淀粉能力的主要因素,风量小,输送淀粉量少;风量大,输送淀粉量多。由于影响离心风机全压的因素(输送距离、管道弯头)变化不大、不多,所以,需要的离心风机全压变化范围也不大。

3.5  玉米粉气力输送技术和设备配置
⑴ 干燥后的玉米粉气力输送技术有三种,一是使用罗茨风机正压吹送,二是使用离心风机负压吸送,三是使用离心风机正压吹送。注意,由于淀粉输送风机使用的风是室内的空气,没有换热,风温不会变化,风量也不变化。
⑵ 使用罗茨风机正压吹送、离心风机负压吸送和正压吹送三种技术配置的设备是不相同的。①使用罗茨风机正压吹送:配置的设备有罗茨风机、厚壁玉米粉输送风管(铸实管)、脉冲除尘器、淀粉贮仓。②使用离心风机负压吸送:配置的设备有薄壁玉米粉输送风管、旋风卸料器、旋转卸料阀、离心风机、淀粉贮仓。③使用离心风机正压吹送:配置的设备有离心风机、薄壁玉米粉输送风管、旋风卸料器、旋转卸料阀、淀粉贮仓。在使用离心风机负压吸送和正压吹送两个方法中,如果采用的旋风卸料器结构正确、性能高,则尾风不在需要安装脉冲除尘器了。如果采用的旋风分离器结构和性能都不能保证尾气不含有淀粉时,为了保证尾气没有淀粉飞扬,可以在旋风卸料器的后面连接安装脉冲除尘器,用来回收尾气中飞扬的淀粉。④很多生产线在玉米粉输送风管尾部、淀粉贮料罐前安装淀粉筛,用于对淀粉筛理,保证成品淀粉的细度和筛分除去大于100目的异物(特殊细度要求例外)。淀粉筛使用高方筛、园振筛、直线筛等筛分设备。
⑶ 气力输送系统设备和部件:有受料器、输送管、卸料器、关气器、旋风卸料器和风机等。①受料器:喉管、吸嘴、发送器等,作用是将物料送入输送管,造成合适的料气比,使物料被启动、加速和输送。②输送管:是输送物料的管道。压(压送)技术使用的输送管比较细,使用标准厚壁管,弯管要使用加厚的厚壁管,半径≥1.5m。负压(吸送)技术使用的输送管比较粗,是使用钢板卷制的,弯头是圆滑的。③卸料器:常用的分离器有容积式和旋风式两种,作用是将物料与空气分离,对物料进行分选和卸料。容积式卸料器是园柱体的罐,可以在其中增加一些阻料部件,旋风式卸料器即是旋风分离器。④关气器(旋转卸料阀):有翻板式和回转式两种,可作为喂料器,又可作为卸料器。关气器作用是均匀供料或卸料,同时阻止空气漏入。⑤旋风卸料器:气力输送系统的旋风卸料器是旋风分离器。⑥风机:气体输送机械具有可压缩性和很小的密度(约为液体密度的1‰左右)。气体密度很小,体积流量很大。气体输送管路中的流速要大,约为液体的15~24倍。气体具有可压缩性,在输送机械内部气体压强发生变化的同时体积及温度也将随之变化,这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大的影响。气体输送机械根据产生的进、出口压强差和压强比(压缩比)进行如下分类:离心风机出口压强≤1.47×104Pa,压缩比1~1.15。鼓风机出口压强(1.47~29.4)×104Pa,压缩比<4。压缩机出口压强≥2.94×104Pa,压缩比>(4)真空泵用于减压,出口压力为1大气压,压缩比由真空度决定。风机的作用是为系统提供动力。真空吸送系统常用高压离心风机或水环真空泵,压送系统则需用罗茨鼓风机或空压机。

玉米粉气力输送系统设计计算

设某个玉米粉生产线的一条气流干燥线淀粉产量(即输送量)是16.67t/h,一天的淀粉产量(即输送量)是400t,分别使用罗茨风机正压吹送、离心风机负压吸送和正压吹送三种方法,计算输送风管、引风机、旋风分离器等的参数。

⑴ 罗茨风机正压吹送是密相输送,主要设计好输送风量、固气比、风压、输送管道直径。输送量为16.67t/h,风速为35m/s,物料密度为0.43%。
各计算如下:
① 风管截面积:F = Q/(3600υ) = 16.67/(3600×35) = 0.0001323m2。




③ 风量:Q1 = F1×L = F1×vt = πd²vt/4 = 3.14×0.198×0.198×35×3600/4 = 3878m³/h。
④ 经查罗茨风机样本选用型号为SSR-250HB,Q = 67Nm3/min,P = 63.7KPa,电机功率110kW,转速1500rpm。

⑵ 离心风机负压吸送是稀相输送,主要是设计好输送风量、固气比、风压、输送管道直径、卸料旋风分离器。输送量为16.67t/h,风速为35m/s,物料密度为0.1%。
① 风管截面积:F = Q/(3600υ) = 16.67/(3600×35) = 0.0001323m2。


③ 风量:Q1 = F1×L = F1×vt = πd²vt/4 = 3.14×0.411×0.411×35×3600/4 = 16708m³/h。
④ 查风机样本选用风机型号为6-23-9C,风量为Q = 19350,全压H = 6880Pa,电机功率90kW,转速2250rpm。
⑤ 查阅资料显示,旋风分离器单位时间通风量为8200~9100m³/m2•h,取旋风分离器单位时间通风量为8500m³/m2•h。
⑥ 则旋风分离器截面积为F2 = Q/8500 = 19350/8500 = 2.276m2。




⑶ 离心风机正压吹送是稀相输送,主要是设计好输送风量、固气比、风压、输送管道直径、卸料旋风分离器。输送量为16.67t/h,风速为35m/s,物料密度为0.1%。
计算与⑵离心风机负压吸送相同。

玉米粉气力输送系统布置和安装

通常玉米粉气流干燥的旋风分离器布置和安装在三楼或四楼,玉米粉输送风管就布置和安装在玉米粉干燥的旋风分离器下面(在二楼或三楼)。
⑴ 罗茨风机正压吹送:罗茨风机可以布置和安装在输送风管头附近或较远一点的位置,受料的喉管安装位置很主要,脉冲除尘器安装在淀粉贮罐上面。
⑵ 离心风机负压吸送:负压吸送风机和旋风卸料器是布置和安装在淀粉贮罐上方,输送风管头要安装过滤网。
⑶ 离心风机正压吹送:正压吹送风机布置和安装在输送风管上,进口和出口都连接落料的输送风管,输送风管头要安装过滤网。
使用罗茨风机正压吹送系统工艺技术图见图1,使用离心风机负压吸送系统工艺技术图见图2,使用离心风机正压吹送系统工艺技术图见图3。

图1   使用罗茨风机正压吹送系统工艺技术图

图2   使用离心风机负压吸送系统工艺技术图

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