溫科平　安浩　楊浩

摘 要：針對(duì)煙絲氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)選用的旋風(fēng)落料器在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的落料效率低的問(wèn)題，結(jié)合旋風(fēng)落料器的工作原理，從進(jìn)口風(fēng)速、來(lái)料要求、結(jié)構(gòu)合理性及卸料能力等幾個(gè)方面為研究出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析、模擬、計(jì)算及試驗(yàn)觀察，對(duì)旋風(fēng)落料器進(jìn)行了問(wèn)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(jià)值，改善結(jié)果同時(shí)表明，在煙絲氣力輸送系統(tǒng)落料環(huán)節(jié)使用一級(jí)旋風(fēng)落料器并對(duì)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(lèi)號(hào)：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jiǎn)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(dòng)，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(guò)程中存在煙絲灑漏情況，灑漏量雖經(jīng)過(guò)改進(jìn)后有所減少，但還是存在一定量的灑漏。針對(duì)此種情況，我廠之前一直采用在生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)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(duì)灑漏的煙絲及時(shí)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(chǎng)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(duì)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(shí)際使用過(guò)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(wú)價(jià)值，反而給除塵間設(shè)備帶來(lái)一定壓力，并造成了除塵能源的浪費(fèi)。

1 問(wèn)題分析

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是因其內(nèi)部的兩相流動(dòng)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(xiàng)問(wèn)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(lái)料要求、結(jié)構(gòu)合理性及卸料能力等幾個(gè)方面為研究出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析、模擬、計(jì)算及試驗(yàn)觀察，對(duì)旋風(fēng)落料器進(jìn)行了問(wèn)題查找。

1.1 進(jìn)口風(fēng)速

考慮到旋風(fēng)落料器對(duì)工作進(jìn)口風(fēng)速要求，我們對(duì)風(fēng)送管道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)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(shí)計(jì)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(dòng)，根據(jù)向心力計(jì)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(huì)有提升，但落料器內(nèi)排氣管口的風(fēng)速也會(huì)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(shí)候，煙絲的造碎程度會(huì)增加，所以我們決定不提高風(fēng)速。

1.2 來(lái)料要求

考慮到此套系統(tǒng)輸送物料的過(guò)程是間斷輸送，且物料吸入量是根據(jù)實(shí)際灑漏量在變化的。根據(jù)向心力計(jì)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(gè)體容易漂浮，我們決定增加瞬時(shí)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?cè)陲L(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(shí)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(duì)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(kāi)始懷疑物料進(jìn)入旋風(fēng)落料器后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即是否作螺旋運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生離心效果。眾所周知，作圓周運(yùn)動(dòng)的物體必須具有的力是向心力，只有具有向心力才會(huì)作圓周運(yùn)動(dòng)，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(huì)跟隨氣流向排氣管口運(yùn)動(dòng)，如果是這樣的話，那物料必然會(huì)進(jìn)入排氣管。但是作圓周運(yùn)動(dòng)的物體并沒(méi)有向中心運(yùn)動(dòng)，而保持圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)是因?yàn)樗俣确较蚋淖兊臅r(shí)候，物料存在慣性，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(chǎng)內(nèi)，應(yīng)當(dāng)是空氣帶著物料運(yùn)動(dòng)，氣流的方向在不斷改變。那么，物料作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力應(yīng)由空氣的浮力產(chǎn)生，根據(jù)浮力計(jì)算公式F=ρgV，其中ρ為空氣密度，V為物料排開(kāi)的氣體體積，g為重力加速度，則公式可寫(xiě)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(kāi)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(huì)隨氣流向排氣管中心運(yùn)動(dòng)，即要求進(jìn)料時(shí)煙絲的聚集性要高。而我廠在煙絲風(fēng)送時(shí)采用的是圓形截面管道，在接入旋風(fēng)落料器進(jìn)口時(shí)采用了俗稱(chēng)“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(guò)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(shí)進(jìn)入的煙絲視為一個(gè)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(chǎng)操作人員反應(yīng)總量有所減少，但問(wèn)題并沒(méi)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(dòng)時(shí)，由于筒體半徑較小，聚集的煙絲運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲率較大，聚集的煙絲在改變運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)，受到筒體內(nèi)壁的摩擦力和相反于運(yùn)動(dòng)方向的阻力，聚集的煙絲速度會(huì)發(fā)生下降且運(yùn)動(dòng)軌跡可能會(huì)向筒體軸心內(nèi)偏移。如果此時(shí)再受到其他作用力，則有可能會(huì)改變運(yùn)動(dòng)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(guò)盡，以避免氣流短路對(duì)聚集煙絲的運(yùn)動(dòng)造成干擾而幫助煙絲向筒體中心運(yùn)動(dòng)。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(yàn)，我們又考慮氣流在筒體內(nèi)急速旋流向下時(shí)，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(shí)，會(huì)隨旋流向上的氣流一起直接從排氣管排出；同時(shí)，因?yàn)殄F體最底部的直徑較小，物料聚集后會(huì)向中心移動(dòng)，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(dòng)的氣流重新卷起進(jìn)入排氣管。因此，我們?cè)阱F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(zhǎng)下落時(shí)間，但是除塵房出現(xiàn)煙絲的總量并沒(méi)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(shí)我們并沒(méi)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?jī)?nèi)的煙絲是和其他雜物混合在一起的情況，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)定煙絲損耗的具體量。在經(jīng)過(guò)上述調(diào)整后，我們決定對(duì)落料效率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定：選取2臺(tái)落料器為試驗(yàn)設(shè)備，取樣點(diǎn)為旋風(fēng)落料器排灰閥下方，對(duì)比投料量和下落量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表1內(nèi)所示。

試驗(yàn)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(jì)算公式相矛盾。但是在試驗(yàn)過(guò)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(shí)間，在詢(xún)問(wèn)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(dòng)的情況。因此在實(shí)驗(yàn)后續(xù)環(huán)節(jié)中記錄了部分試驗(yàn)時(shí)間，記錄結(jié)果如下。

（1）1號(hào)旋風(fēng)落料器吸入口投入1 kg物料，煙絲在6 s內(nèi)離開(kāi)吸入口，但在90 s后才長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有物料下落，煙絲下落狀況為開(kāi)始時(shí)較多、接著較少、然后下落量持續(xù)增加。

（2）1號(hào)旋風(fēng)落料器投入1.6 kg物料，煙絲在10 s內(nèi)離開(kāi)吸入口，但在200 s后才長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有物料下落，煙絲下落狀況也為開(kāi)始時(shí)較多、接著較少、然后下落量持續(xù)增加。

（3）2號(hào)旋風(fēng)落料器投入0.6 kg物料，煙絲在3 s內(nèi)離開(kāi)吸入口，但在20 s后才長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有物料下落，煙絲下落狀況同上。

（4）2號(hào)旋風(fēng)落料器投入1.4 kg物料，煙絲在8s內(nèi)離開(kāi)吸入口，但在156 s后才長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有物料下落，煙絲下落狀況同上。

綜合上述試驗(yàn)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(shí)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(guò)程的結(jié)論。為驗(yàn)證上述分析，我們?cè)谠黾拥闹惫苌祥_(kāi)設(shè)了一處透明觀察窗。經(jīng)過(guò)投料試驗(yàn)觀察，我們觀察到投料量大的時(shí)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(méi)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(yàn)證卸料能力，我們按投料試驗(yàn)中最大重量1.6 kg、煙絲密度為0.122 kg/L計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)，煙絲的堆積也縮短了筒體長(zhǎng)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(guò)程

經(jīng)觀察，排灰閥的結(jié)構(gòu)更適用于顆粒粉塵，而對(duì)有一定長(zhǎng)度且會(huì)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(dòng)，具體實(shí)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(guò)改造，根據(jù)上述試驗(yàn)過(guò)程中在煙絲投料量較大的時(shí)候、物料下落量較少的情況，我們進(jìn)行了效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(wèn)題得到了一定意義上的最終解決。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)對(duì)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(jià)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(shí)踐證明，只要認(rèn)真分析物料特性并對(duì)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.

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