李朝弟，周 磊，周樹光，肖鵬飛

(長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

全自動制樣系統(tǒng)是目前煤炭機(jī)械化采制樣領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的制樣設(shè)備，具有自動化水平高、可實(shí)現(xiàn)無人值守、制樣效率高、輸出煤樣代表性好以及工作環(huán)境清潔等特點(diǎn)。

根據(jù)煤炭機(jī)械化采樣及煤樣的制備等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[1，2]，通過采樣機(jī)采得的煤樣進(jìn)入全自動制樣系統(tǒng)進(jìn)行制樣后，經(jīng)過破碎、縮分、干燥和制粉等環(huán)節(jié)，最終制樣出1份6 mm全水分煤樣1.25 kg、1份3 mm存查樣700 g、1份0.2 mm一般分析試樣100 g和1份0.2 mm存查樣100 g，其總質(zhì)量占到進(jìn)料總煤樣的2%～10%，而其余約90%的棄料煤樣均需從全自動制樣系統(tǒng)中輸送而出，并排放至其他指定位置進(jìn)行收集[3]。因此，如何實(shí)現(xiàn)棄料煤樣的簡單、快捷高效輸送，此為全自動制樣系統(tǒng)中需迫切解決的問題。

傳統(tǒng)的全自動制樣系統(tǒng)棄料煤樣輸送方式大多采用皮帶機(jī)、螺旋輸送機(jī)或斗提機(jī)等方式，不僅對設(shè)備空間和場地布局要求高，占地面積大且輸送效率低，輸送過程中普遍存在漏煤、撒煤、跑灰冒粉和揚(yáng)塵等問題，對設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境造成較大的污染，人工清理更是強(qiáng)度大、綜合成本高。目前，真空氣力輸送技術(shù)在電力、化工、醫(yī)藥、建材和糧食等領(lǐng)域的散裝物料輸送中得到了極大應(yīng)用。相較于其他輸送方式，真空氣力輸送具有結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活、占地空間小、輸送效率高、系統(tǒng)封閉和污染性小等優(yōu)勢[4-6]。以下探討真空氣力輸送技術(shù)在煤炭全自動制樣系統(tǒng)棄料煤樣輸送中的應(yīng)用，設(shè)計開發(fā)了1種棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備，并通過試驗以驗證該系統(tǒng)的性能及其可行性。

1 真空氣力輸送系統(tǒng)的原理與設(shè)計

1.1 真空氣力輸送系統(tǒng)的原理組成

真空氣力輸送也叫負(fù)壓真空氣力輸送，屬于吸送式氣力輸送技術(shù)，運(yùn)用真空泵(風(fēng)機(jī))運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)壓空氣作為輸送介質(zhì)，在管道中形成一定的真空度并產(chǎn)生吸氣作用，利用一定流速的負(fù)壓運(yùn)動空氣，將物料從一個地點(diǎn)通過管道輸送到另外有一定距離目的地的一種懸浮式氣力輸送系統(tǒng)。

真空氣力輸送系統(tǒng)主要包括給料裝置、輸送管道、物料分離裝置、過濾裝置、卸料器和真空泵，其工作流程如圖1所示。根據(jù)用途要求不同，某些裝置結(jié)構(gòu)形式及其組成可能會有差別，如實(shí)際應(yīng)用中許多系統(tǒng)會結(jié)合分離裝置和過濾裝置以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但不管如何應(yīng)用設(shè)計，真空氣力輸送系統(tǒng)都應(yīng)由圖1中的幾個主要部分組成[7,8]。

圖1 真空氣力輸送系統(tǒng)的組成與流程

1.2 真空氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

(1)混合比?；旌媳纫卜Q為輸送比，指在單位時間內(nèi)通過管道截面的物料質(zhì)量與相同時間內(nèi)通過該管道的空氣流量質(zhì)量之比，用m表示。真空氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備混合比的大小主要取決于輸送管道特性、物料本身的物理特性以及真空泵的性能參數(shù)等因素。m值越大，越有利于提高系統(tǒng)設(shè)備的輸送能力。但m值過大，會造成管道壓力損失加劇，易發(fā)生管道的物料堵塞現(xiàn)象；相反，m值過小，則要求系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大，設(shè)備整體尺寸也會相應(yīng)增大。

文中的棄料煤樣輸送屬于低真空負(fù)壓系統(tǒng)，混合比取值一般在2～8的范圍內(nèi)。在實(shí)際計算中，混合比需要參考各種實(shí)際案例和試驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選取，通常需反復(fù)計算并不斷調(diào)整才能最終確定。

(2)懸浮速度。在氣力輸送管道系統(tǒng)中，物料顆粒輸送起來達(dá)到自由懸浮狀態(tài)時所需要的最小空氣流速度，稱為懸浮速度，用v0表示。懸浮速度反應(yīng)了被輸送物料的固有物理特性，其值與物料的粒度、密度用及表面形狀、輸送管道內(nèi)徑和空氣相對密度有直接的關(guān)系，實(shí)際計算中一般通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行測定。

(3)輸送速度。輸送速度即輸送氣流速度，當(dāng)被輸送物料的輸送氣流速度大于物料在管道中的懸浮速度時，物料就會跟隨氣流一起運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)物料沿管道的氣力輸送。在實(shí)際計算中，一般通過參考物料的懸浮速度以及試驗數(shù)據(jù)來確定。在垂直管道輸送中，輸送速度只要大于物料的懸浮速度即可，而對于水平管道，物料更容易在管道內(nèi)發(fā)生沉降出現(xiàn)堵塞，所以一般要求水平管道比垂直管道有更高的輸送速度。為保證物料在管道內(nèi)輸送時能長期正常輸送，則需要合理的輸送速度比懸浮速度高若干倍。而對于水分濕度較大的黏性顆粒物料，很易在管道彎頭和給料裝置附近沉淀黏結(jié)從而出現(xiàn)難以預(yù)料的管道堵塞現(xiàn)象，此時需要更大的輸送速度。

通過分析各種散狀物料的主要物理特性[9]，平均粒度為5 mm～7 mm統(tǒng)煤的懸浮速度參考值為6 m/s～10.2 m/s，輸送速度參考值為18 m/s～40 m/s。

(4)壓力損失。物料隨負(fù)壓氣流在輸送管道中運(yùn)動時，必須克服管道及其它因素造成的阻力，從而產(chǎn)生壓力損失。在選擇真空氣力輸送系統(tǒng)管道和風(fēng)機(jī)型號時，系統(tǒng)的壓力損失是計算風(fēng)機(jī)容量和功率的最直接數(shù)據(jù)。真空氣力輸送管道總壓力損失主要包括以下幾個方面:物料加速壓力損失；氣流和輸送物料在管道中產(chǎn)生的摩擦壓力損失；純氣流摩擦壓損；提升物料的水平管和垂直管的壓力損失；管道彎頭的局部壓力損失；輸送系統(tǒng)各部件壓力損失，包括旋轉(zhuǎn)給料器、卸料器、真空上料機(jī)除塵濾芯、分離器、消音器和進(jìn)出口風(fēng)管等各種元器件的壓力損失。

1.3 真空氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計計算

真空氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計計算是根據(jù)已知的輸送要求和技術(shù)參數(shù)(如物料的物理特性、輸送效率、管道結(jié)構(gòu)形式及其它輸送條件)進(jìn)行相關(guān)的氣力輸送系統(tǒng)布置、管道直徑和輸送速度、輸送壓損等參數(shù)的選擇和計算，其步驟流程如圖2所示。

以下根據(jù)系統(tǒng)的計算和所需的風(fēng)壓、風(fēng)量來選定所需要的風(fēng)機(jī)。在實(shí)際設(shè)計中，通常已備有現(xiàn)成的氣源機(jī)械，此時可根據(jù)給定型號風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量按下述流程進(jìn)行系統(tǒng)驗算。

圖2 真空氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計計算流程圖

以全自動制樣系統(tǒng)的棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計要求為例進(jìn)行設(shè)計計算[10-12]，該系統(tǒng)要求的輸送基本參數(shù)見表1。

表1 棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表

(1)選定混合比m。通過查閱相關(guān)資料，對比實(shí)驗及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，棄料煤樣輸送的混合比取m=4。

(2)計算空氣流量Qac。所需空氣流量即風(fēng)量，可由下式計算而得:

(1)

式中，g為重力加速度，g=9.81 m/s2；G為計算生產(chǎn)率，t/h；m為混合比；γa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣重度,γa=ρa(bǔ)g=11.77 N/m3。

在確定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qin時，應(yīng)加上輸送管道系統(tǒng)的漏氣量，通常占系統(tǒng)總風(fēng)量的10%～20%。在該系統(tǒng)中，取管道漏氣系數(shù)C=0.2，則：

Qin=Qac(1+C)= 6.0 m3/min

(2)

(3)計算輸送管道內(nèi)管徑D。對于該系統(tǒng)輸送的棄料煤樣，取輸送速度va=20 m/s，則由下式計算而得:

(3)

式中，Qac為計算風(fēng)量,m3/min；va為輸送速度，m/s；n為1個吸送系統(tǒng)同時工作的輸料管數(shù)目，對于單吸管系統(tǒng)，則n=1。

按標(biāo)準(zhǔn)選取管徑最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，所以初步選取標(biāo)準(zhǔn)管直徑為D=76.2 mm。

(4)計算系統(tǒng)壓力損失Δp。由加速壓力損失、氣固兩相流的摩擦壓力損失、提升物料的壓力損失等綜合計算系統(tǒng)的總壓力損失。

①加速壓力損失Δpma。棄料煤樣從旋轉(zhuǎn)給料裝置出來后由零初速度加速到穩(wěn)定輸送速度的壓力損失計算可由下式計算而得:

(4)

②氣固兩相流的摩擦壓力損失Δpmf。即氣流和輸送物料在管道中產(chǎn)生的摩擦壓力損失見下式:

(5)

式中，k為管道沿程阻力的附加系數(shù);λa為純氣流摩擦阻力系數(shù)；L為管道長度，m。

在工程設(shè)計時按經(jīng)驗公式計算λa:

(6)

則λa=0.028。

其中，a=1+mk,被稱為壓損比。

對于水平管道:

(7)

對于垂直管道:

(8)

在此系統(tǒng)中，求得Δpmf=10 882 Pa。

③提升物料的壓力損失Δpst:

(9)

式中 ，fG為重力阻力系數(shù)。

對于水平管道：

(10)

對于垂直管道:

fG=1

(11)

在此系統(tǒng)中，求得Δpst=1 588 Pa。

④旋轉(zhuǎn)給料裝置的局部壓損Δpjg：

(12)

式中，ξg為給料器局部阻力系數(shù)，ξg=1.7。

⑤彎管的局部壓損Δpjh：

(13)

式中，ξb為輸送氣流的彎管的阻力系數(shù)，ξg=0.17；kb為物料通過彎管時的阻力系數(shù)，kb=2.2。

⑥卸料器和除塵濾芯的壓損Δpjx：

(14)

式中，ξx為卸料器或濾芯除塵器的阻力系數(shù)；vx為卸料器或濾芯進(jìn)口風(fēng)速，vx=va。

在此系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)卸料器壓損(取ξx=5.7)，Δpjx1=1 368 Pa，除塵器濾芯壓損為1 200 Pa～2 500 Pa，選Δpjx2=2 000 Pa，即:

Δpjx=Δpjx1+Δpjx2=3 368 Pa

⑦純氣流的摩擦壓損Δpaf:

(15)

⑧其他部件如消音器、進(jìn)出風(fēng)管口的壓損Δpq:

Δpq=1 000 Pa

由以上可知，系統(tǒng)的總壓力損失Δp:

Δp=Δpma+Δpmf+Δpst+Δpjg+Δpjh+

Δpjx+Δpaf+Δpq=25 119 Pa

(4)氣源機(jī)械所需功率P。P的計算見式(16)。

(16)

式中，Qin為氣源機(jī)械所需風(fēng)量,m3/min；pB為氣源機(jī)械真空度，根據(jù)吸送系統(tǒng)的總壓損，再考慮增加10%～20%的裕量，即pB=(1.10～1.20)Δp；ηB為氣源機(jī)械的流體效率，根據(jù)選用的風(fēng)機(jī)類型而定，查得ηB=70%～90%，該設(shè)計中取80%；ηg為機(jī)械傳動效率，根據(jù)傳動裝置形式而定，查得ηg=95%。

根據(jù)上述計算，結(jié)合煤炭本身的物料輸送特性，考慮到輸送的煤樣棄料水分較高，容易在管道內(nèi)壁堵煤和黏煤，故將風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)量在計算數(shù)據(jù)上進(jìn)一步增大，以減小管道內(nèi)堵煤的風(fēng)險。在該系統(tǒng)中，選用的是瑞貝克真空泵風(fēng)機(jī)，型號為2BHB910-H37，其參數(shù)為:最高真空-34 kpa，最大流量1 050 m3/h(即17.5 m3/min)，功率為18.5 kW。由參數(shù)值可知，該型號風(fēng)機(jī)的壓力和流量均滿足上述的理論計算值。

2 棄料煤樣輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

以上述真空氣力輸送的設(shè)計計算實(shí)例，開發(fā)設(shè)計了1種基于真空氣力輸送技術(shù)的棄料煤樣輸送系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。該系統(tǒng)包括真空上料機(jī)、管道彎頭、輸送管道、旋轉(zhuǎn)卸料閥、電氣控制單元、皮帶機(jī)、接料桶、稱重平臺、氣路控制單元、真空泵和安裝架。

圖3 棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖

其工作原理如下:該系統(tǒng)的輸送管道3通過加長管道連接到全自動制樣系統(tǒng)煤樣棄料的旋轉(zhuǎn)給料裝置上，系統(tǒng)運(yùn)行時，真空泵(風(fēng)機(jī))10啟動，泵的進(jìn)風(fēng)口連接到真空上料機(jī)1的進(jìn)風(fēng)口到上料機(jī)的腔體內(nèi)，同時，上料機(jī)的腔體通過進(jìn)料管口連接管道彎頭2和輸送管道3，此時，輸送管道內(nèi)就會產(chǎn)生真空負(fù)壓，而棄料煤樣由旋轉(zhuǎn)卸料裝置向輸送管道內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)給料，進(jìn)入管道后被真空負(fù)壓吸入并沿著管道方向輸送到上料機(jī)的腔體內(nèi)進(jìn)行沉降，通過旋轉(zhuǎn)卸料閥4將真空上料機(jī)腔體內(nèi)收集的煤樣卸入到輸送皮帶6中，并由稱重平臺進(jìn)行稱重記錄。稱重完后，棄料煤樣有2個輸出方向，若要對棄料煤樣進(jìn)行暫時回收，則輸送皮帶向接料桶側(cè)進(jìn)行運(yùn)行，將棄樣輸送到接料桶7內(nèi)；若不需回收，則輸送皮帶反向運(yùn)轉(zhuǎn)，將棄樣輸送到對接的下一級棄料皮帶或指定地點(diǎn)，進(jìn)一步將棄料輸送出去。電氣控制單元5和氣控單元9分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PLC程序控制和氣路控制。

該棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)備實(shí)物如圖4所示。

圖4 棄料煤樣真空氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物圖

3 試驗驗證

該系統(tǒng)試驗具體參數(shù)詳見表2。

表2 棄樣輸送系統(tǒng)試驗參數(shù)

參數(shù)指標(biāo)參數(shù)值試驗煤種云南宣威煤煤樣粒度/mm6 試驗溫度/℃25輸送水平距離/m50輸送垂直距離/m5

試驗時，分別稱取10組不同質(zhì)量的煤樣倒入旋轉(zhuǎn)給料器的料斗中，系統(tǒng)啟動，同時旋轉(zhuǎn)給料器旋轉(zhuǎn)給料，通過輸送管道將煤樣收集到真空上料機(jī)中，并卸入到輸送皮帶機(jī)上進(jìn)行稱重記錄。試驗中應(yīng)嚴(yán)密觀察管道的流通狀況，防止堵煤現(xiàn)象發(fā)生。試驗煤樣質(zhì)量數(shù)據(jù)具體見表3。

由表3可知，該全自動棄樣輸送系統(tǒng)輸送煤樣平均損失率為0.22%，即系統(tǒng)回收率為99.78%；而收集效率為1.53 t/h。從數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)收集效率完全滿足設(shè)計計算生產(chǎn)率1.44 t/h的要求，且試驗過程中輸送管道不存在黏煤現(xiàn)象，同時試驗過程中未出現(xiàn)管道及彎頭等堵煤問題。

目前，該棄樣輸送系統(tǒng)已應(yīng)用在寧夏計質(zhì)檢驗所和東方希望重慶水泥有限公司的智能全自動制樣系統(tǒng)工程項目上，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表3 棄樣輸送系統(tǒng)試驗輸送質(zhì)量數(shù)據(jù)

序號進(jìn)料/kg出料/kg時間/s損失率/%收集效率/(t·h-1)12019.995460.021.5622019.905480.471.4932020.000470.001.5342019.925460.371.5656059.6951390.511.5566059.8501400.251.5476059.8901420.181.52810099.7952320.201.55910099.9902380.011.511010099.8452340.161.54平均值5655.891310.221.53

4 結(jié) 論

基于真空氣力輸送技術(shù)的棄料煤樣輸送系統(tǒng)，通過采用真空氣力輸送和稱重技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全自動制樣系統(tǒng)中棄料煤樣的輸送、收集和稱重。在理論設(shè)計計算的基礎(chǔ)上，開發(fā)了該系統(tǒng)設(shè)備，通過試驗數(shù)據(jù)驗證真空氣力輸送技術(shù)在全自動制樣系統(tǒng)中的可行性，并得到如下結(jié)論:

(1) 該全自動棄樣輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了6 mm煤樣的高效收集，系統(tǒng)回收率99.78%；收集效率1.53 t/h，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，不存在堵煤黏煤的現(xiàn)象。

(2) 真空氣力輸送技術(shù)解決了全自動制樣系統(tǒng)傳統(tǒng)棄料輸送皮帶、螺旋輸送機(jī)和提升機(jī)占地空間大、易漏煤撒煤、輸送效率低的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用和維修方便快捷。

(3) 由于真空氣力輸送系統(tǒng)為全密閉式管道輸送，故其對輸送設(shè)備所處的環(huán)境不會造成任何污染，并在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)方面具有其它輸送技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

(4) 在棄料煤樣輸送方面，基于棄樣對含水率損失、粒度損失上等無特別的要求，真空氣力輸送技術(shù)與全自動制樣系統(tǒng)的對接可實(shí)現(xiàn)真正的全自動無人值守，能大幅度降低人工勞動強(qiáng)度，進(jìn)而提高煤炭采制樣的生產(chǎn)效率。