溫科平　安浩　楊浩

摘 要：針對煙絲氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)選用的旋風(fēng)落料器在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的落料效率低的問題，結(jié)合旋風(fēng)落料器的工作原理，從進(jìn)口風(fēng)速、來料要求、結(jié)構(gòu)合理性及卸料能力等幾個方面為研究出發(fā)點(diǎn)，通過分析、模擬、計算及試驗觀察，對旋風(fēng)落料器進(jìn)行了問題原因依次確認(rèn)，最終確定了調(diào)整方法，獲得了滿足甚至超出需求的落料效率和超出預(yù)期的使用價值，改善結(jié)果同時表明，在煙絲氣力輸送系統(tǒng)落料環(huán)節(jié)使用一級旋風(fēng)落料器并對旋風(fēng)落料器適當(dāng)改進(jìn)，仍能獲得令人滿意的氣料分離效率，也在一定程度上拓寬了旋風(fēng)分離器的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：葉絲落料器 旋風(fēng)落料器 葉絲風(fēng)送 氣力輸送 落料效率

中圖分類號：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0038-03

旋風(fēng)分離器常用于去除含塵氣相物料中的粉塵顆粒，其結(jié)構(gòu)簡單、工藝性能好、便于維修保養(yǎng)、投資成本低。旋風(fēng)落料器是旋風(fēng)分離器的一種應(yīng)用方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

旋風(fēng)分離器的工作原理為含塵氣流以一定的速度從進(jìn)氣管進(jìn)入筒體內(nèi)做高速螺旋運(yùn)動，氣流中的粉塵顆粒受到離心力作用飛向筒壁，沿內(nèi)壁滑落，最后從底端經(jīng)排灰閥排出；而氣相物料向上旋流并經(jīng)排氣管排出。

筆者所在工廠翻箱機(jī)在使用過程中存在煙絲灑漏情況，灑漏量雖經(jīng)過改進(jìn)后有所減少，但還是存在一定量的灑漏。針對此種情況，我廠之前一直采用在生產(chǎn)過程中由人力打掃裝入周轉(zhuǎn)箱作為垃圾處理，此種方式工作強(qiáng)度較大且現(xiàn)場環(huán)境較差，最重要的是造成了物料的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的增加。由于此種原因，該廠在漏料位置設(shè)置了接料斗，并采用了吸入式風(fēng)力送絲管道對灑漏的煙絲及時進(jìn)行風(fēng)送。風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)必然存在落料器，由于現(xiàn)場空間和安裝條件的限制，并考慮到投入成本和維護(hù)保養(yǎng)的便利性，該廠選用了旋風(fēng)落料器做為落料設(shè)備?？紤]到輸送物料為間斷輸送、流量較小的情況和風(fēng)送速度對煙絲結(jié)構(gòu)影響等因素，選用了XF-300型旋風(fēng)分離器（徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)），筒體直徑300 mm，處理風(fēng)量800 m3/h。但是在實際使用過程中，該廠在除塵間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量煙絲，經(jīng)排查后確定為灑漏煙絲風(fēng)送系統(tǒng)產(chǎn)生，即旋風(fēng)落料器落料效率低，這一結(jié)果使得此套系統(tǒng)的應(yīng)用毫無價值，反而給除塵間設(shè)備帶來一定壓力，并造成了除塵能源的浪費(fèi)。

1 問題分析

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是因其內(nèi)部的兩相流動和分離機(jī)理很是復(fù)雜，暫未能找到完善的物理模型供于參考。為解決此項問題，該廠結(jié)合旋風(fēng)落料器的工作原理，從進(jìn)口風(fēng)速、來料要求、結(jié)構(gòu)合理性及卸料能力等幾個方面為研究出發(fā)點(diǎn)，通過分析、模擬、計算及試驗觀察，對旋風(fēng)落料器進(jìn)行了問題查找。

1.1 進(jìn)口風(fēng)速

考慮到旋風(fēng)落料器對工作進(jìn)口風(fēng)速要求，我們對風(fēng)送管道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行了測量，結(jié)果為23 m/s，與卷包風(fēng)力送絲管道風(fēng)速基本一致，符合煙絲結(jié)構(gòu)變化允許范圍；同時計算得出旋風(fēng)落料器進(jìn)口風(fēng)速為14 m/s，也符合落料器進(jìn)口風(fēng)速范圍要求。由于物料進(jìn)入旋風(fēng)落料器后做的是圓周運(yùn)動，根據(jù)向心力計算公式F=mrw=mv/r可知，在一定的旋轉(zhuǎn)半徑和進(jìn)料量的前提條件下，進(jìn)口風(fēng)速越高，離心力越大，落料器的效率會有提升，但落料器內(nèi)排氣管口的風(fēng)速也會提高，煙絲進(jìn)入除塵管道的可能性有可能提高。在提高落料器進(jìn)口風(fēng)速后，除塵房煙絲量稍有減少，但總量還是很大。另外，由于風(fēng)送管道管徑的固定，風(fēng)速太高的時候，煙絲的造碎程度會增加，所以我們決定不提高風(fēng)速。

1.2 來料要求

考慮到此套系統(tǒng)輸送物料的過程是間斷輸送，且物料吸入量是根據(jù)實際灑漏量在變化的。根據(jù)向心力計算公式，在速度和旋轉(zhuǎn)半徑一定的前提下，質(zhì)量越大，離心力越大，考慮到煙絲個體容易漂浮，我們決定增加瞬時的進(jìn)料量，即將灑漏的煙絲暫存一定體積量后，再進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)。但是，當(dāng)我們在風(fēng)送系統(tǒng)吸入口增加緩存限量機(jī)構(gòu)后，進(jìn)入風(fēng)送管道內(nèi)的煙絲流量雖然在一定時間段內(nèi)處于穩(wěn)定，保證了一定質(zhì)量的煙絲進(jìn)入旋風(fēng)落料器，但是在除塵房仍發(fā)現(xiàn)了大量煙絲。

1.3 結(jié)構(gòu)合理性

為了解旋風(fēng)落料器內(nèi)部風(fēng)速分布情況和各部分結(jié)構(gòu)的合理性，我們對旋風(fēng)落料器內(nèi)部氣流速度分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，各部分氣流分布正常，氣流沿筒壁速度高。在進(jìn)口風(fēng)速不能提高和進(jìn)料穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，我們開始懷疑物料進(jìn)入旋風(fēng)落料器后的運(yùn)動狀態(tài)，即是否作螺旋運(yùn)動、產(chǎn)生離心效果。眾所周知，作圓周運(yùn)動的物體必須具有的力是向心力，只有具有向心力才會作圓周運(yùn)動，而筒體的形狀起到了不斷改變向心力方向的作用。由于旋風(fēng)落料器排氣管中心氣流的作用，物料會跟隨氣流向排氣管口運(yùn)動，如果是這樣的話，那物料必然會進(jìn)入排氣管。但是作圓周運(yùn)動的物體并沒有向中心運(yùn)動，而保持圓周運(yùn)動狀態(tài)，應(yīng)是因為速度方向改變的時候，物料存在慣性，同時產(chǎn)生一個與向心力大小相等、方向相反的慣性力—離心力。物料進(jìn)入旋風(fēng)落料器后處于離心力場內(nèi)，應(yīng)當(dāng)是空氣帶著物料運(yùn)動，氣流的方向在不斷改變。那么，物料作圓周運(yùn)動的向心力應(yīng)由空氣的浮力產(chǎn)生，根據(jù)浮力計算公式F=ρgV，其中ρ為空氣密度，V為物料排開的氣體體積，g為重力加速度，則公式可寫成F=mg，用向心加速度代替重力加速度，則F=mv/r。由此公式分析，如果煙絲排開的氣體體積越小，煙絲受到的離心力越大于空氣向心力，煙絲越不會隨氣流向排氣管中心運(yùn)動，即要求進(jìn)料時煙絲的聚集性要高。而我廠在煙絲風(fēng)送時采用的是圓形截面管道，在接入旋風(fēng)落料器進(jìn)口時采用了俗稱“天圓地方”的異形管接頭，圓截面中心和矩形截面中心同心，煙絲在由圓管進(jìn)入矩形管的過程中由于氣流的局部紊亂產(chǎn)生了發(fā)散現(xiàn)象。按上述推斷，將瞬時進(jìn)入的煙絲視為一個整體，其排出的氣體體積較大，不利于煙絲緊貼筒壁回旋下落。但是，在更換進(jìn)料異形管保證煙絲聚集且貼筒體內(nèi)表面后，除塵房仍出現(xiàn)了煙絲，雖然現(xiàn)場操作人員反應(yīng)總量有所減少，但問題并沒有得到徹底解決。

考慮到聚集的煙絲在旋風(fēng)落料器筒體內(nèi)緊貼筒壁運(yùn)動時，由于筒體半徑較小，聚集的煙絲運(yùn)動時的曲率較大，聚集的煙絲在改變運(yùn)動方向的同時，受到筒體內(nèi)壁的摩擦力和相反于運(yùn)動方向的阻力，聚集的煙絲速度會發(fā)生下降且運(yùn)動軌跡可能會向筒體軸心內(nèi)偏移。如果此時再受到其他作用力，則有可能會改變運(yùn)動方向被氣流夾帶。因此，旋風(fēng)落料器的排氣管必須插入筒體內(nèi)一定深度且排氣管底口距離落料器排料口不宜過盡，以避免氣流短路對聚集煙絲的運(yùn)動造成干擾而幫助煙絲向筒體中心運(yùn)動。根據(jù)此分析，我們檢查了排氣管的插入深度和距離筒壁的距離，發(fā)現(xiàn)深度和筒壁的距離較為合適，但不能確定為最優(yōu)化尺寸。

而插入筒體內(nèi)的排氣管是焊接在筒體上的，排氣管也不方便調(diào)整進(jìn)行試驗，我們又考慮氣流在筒體內(nèi)急速旋流向下時，當(dāng)氣流到達(dá)排風(fēng)管產(chǎn)生的內(nèi)旋渦流最低點(diǎn)時，會隨旋流向上的氣流一起直接從排氣管排出；同時，因為錐體最底部的直徑較小，物料聚集后會向中心移動，已沉降到錐體底端的物料受到離心力作用強(qiáng)烈擠壓錐體內(nèi)表面但可能不發(fā)生下落，從而被向上急速螺旋運(yùn)動的氣流重新卷起進(jìn)入排氣管。因此，我們在錐體下方和排灰閥之間增加了一段圓形直管，用于避免物料的相互擠壓，并增加旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，延長下落時間，但是除塵房出現(xiàn)煙絲的總量并沒有大量減少。

1.4 卸料能力

考慮旋風(fēng)分離器多用于分離粉塵顆粒，在煙絲落料上的應(yīng)用并不廣泛，在選定此設(shè)備時我們并沒有期望得到較高的分離效率，只預(yù)期80%落料效率即可滿足需求。由于進(jìn)料端灑漏量的不固定和除塵房內(nèi)的煙絲是和其他雜物混合在一起的情況，在生產(chǎn)過程中無法通過數(shù)據(jù)來評定煙絲損耗的具體量。在經(jīng)過上述調(diào)整后，我們決定對落料效率進(jìn)行試驗測定：選取2臺落料器為試驗設(shè)備，取樣點(diǎn)為旋風(fēng)落料器排灰閥下方，對比投料量和下落量，試驗數(shù)據(jù)記錄如下表1內(nèi)所示。

試驗結(jié)果顯示，在投料量少的情況下，反而落料效率高，此結(jié)果竟與計算公式相矛盾。但是在試驗過程中，由于取樣人員不知道投料端物料是否全部進(jìn)入管道以確定取樣結(jié)束時間，在詢問后發(fā)現(xiàn)，煙絲早已全部進(jìn)入管道，但物料仍在下落，且出現(xiàn)不連續(xù)和流量大幅度波動的情況。因此在實驗后續(xù)環(huán)節(jié)中記錄了部分試驗時間，記錄結(jié)果如下。

（1）1號旋風(fēng)落料器吸入口投入1 kg物料，煙絲在6 s內(nèi)離開吸入口，但在90 s后才長時間沒有物料下落，煙絲下落狀況為開始時較多、接著較少、然后下落量持續(xù)增加。

（2）1號旋風(fēng)落料器投入1.6 kg物料，煙絲在10 s內(nèi)離開吸入口，但在200 s后才長時間沒有物料下落，煙絲下落狀況也為開始時較多、接著較少、然后下落量持續(xù)增加。

（3）2號旋風(fēng)落料器投入0.6 kg物料，煙絲在3 s內(nèi)離開吸入口，但在20 s后才長時間沒有物料下落，煙絲下落狀況同上。

（4）2號旋風(fēng)落料器投入1.4 kg物料，煙絲在8s內(nèi)離開吸入口，但在156 s后才長時間沒有物料下落，煙絲下落狀況同上。

綜合上述試驗結(jié)果，我們判斷煙絲已經(jīng)被輸送到落料器，投料量較少時落料效率高，我們得出煙絲已經(jīng)在落料器內(nèi)發(fā)生了下落過程的結(jié)論。為驗證上述分析，我們在增加的直管上開設(shè)了一處透明觀察窗。經(jīng)過投料試驗觀察，我們觀察到投料量大的時候煙絲也形成了回旋下落進(jìn)入到直管內(nèi)，但排灰閥卻沒有物料下落，而是煙絲在直管內(nèi)發(fā)生了堆積。由上判斷，我們得出排灰閥卸料能力不足的結(jié)論。

為驗證卸料能力，我們按投料試驗中最大重量1.6 kg、煙絲密度為0.122 kg/L計算物料輸送到旋風(fēng)落料器、但堆積后造成排灰閥排料能力喪失的情況下，旋風(fēng)落料器錐筒內(nèi)存放煙絲高度。按錐體體積計算公式V=1/3×（πr）×h得出落料器內(nèi)堆積煙絲的體積應(yīng)為：

V=1/3×3.14×（0.075+h*tan7）×（h+0.6）-1/3×3.14×0.075×0.6，即

V=1.047×（h+0.6）×（0.075+0.12h） -0.0035

計算得出煙絲在筒內(nèi)堆積高度h=410 mm，煙絲處于堆積狀態(tài)下距旋風(fēng)落料器內(nèi)排風(fēng)管下口還有310 mm，當(dāng)煙絲處于游離狀態(tài)時距排風(fēng)管下口更近，除塵風(fēng)可以將煙絲帶入除塵房。同時，煙絲的堆積也縮短了筒體長度，減少了物料的回旋次數(shù)，不利于物料下落，并為下次風(fēng)送形成了風(fēng)送通道，即除塵房出現(xiàn)大量煙絲的原因。

2 改進(jìn)過程

經(jīng)觀察，排灰閥的結(jié)構(gòu)更適用于顆粒粉塵，而對有一定長度且會相互纏繞的煙絲適用性很低。我們決定改用大容量隔板式氣鎖，并在氣鎖上方增加一段矩形管用于改變內(nèi)旋渦流，阻礙煙絲向上運(yùn)動，具體實施方案如圖3所示。

圖3中，1為旋風(fēng)落料器，2為增距直管，3為變徑方管，4為落料氣鎖，5為卸料器。

經(jīng)過改造，根據(jù)上述試驗過程中在煙絲投料量較大的時候、物料下落量較少的情況，我們進(jìn)行了效果驗證實驗，向風(fēng)力送絲管道吸入口內(nèi)一次性投入10 kg煙絲，重復(fù)3次，計算出平均落料效率約97.2%，遠(yuǎn)超出了使用預(yù)期，而減少的部分可能為物料中含有的粉塵。至此，旋風(fēng)落料器的問題得到了一定意義上的最終解決。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過對旋風(fēng)落料器結(jié)構(gòu)的一系列調(diào)整后，灑漏煙絲氣力輸送系統(tǒng)目前工作穩(wěn)定，系統(tǒng)的使用價值也大幅度上升，生產(chǎn)成本得到最大限度的節(jié)約。

（2）另外，實踐證明，只要認(rèn)真分析物料特性并對旋風(fēng)落料器作出適當(dāng)調(diào)整，旋風(fēng)落料器應(yīng)用在煙絲氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)仍能取得令人滿意的效果，也在一定程度上拓寬了旋風(fēng)分離器的應(yīng)用領(lǐng)域.

參考文獻(xiàn)

[1] 梁朝林.旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究[J].煉油設(shè)計，2002，32（9）：8-11.

[2] 黃興華，王道連，王如竹，等.旋風(fēng)分離器中氣相流動特性及顆粒分離效率的數(shù)值研究[J].動力工程，2004，24（3）：436-441.

[3]小川明[日本].氣體中顆粒的分離[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.