气力输送作为一种物料的输送方式,在我国的矿山开采、物料加工、化工等工业领域中广泛使用[1-3]。粉体在输送过程中,由于粉体颗粒与管壁或周围的物体接触、 摩擦、 碰撞、 粉碎等作用,粉体和周围物体的带电量就会增加。电阻率大的粉体在输送过程中可能产生大量的静电,可能会导致粉体输送过程中发生堵塞,严重甚至有可能发生爆炸[4]。
关于气力输送过程中的粉体静电研究,Yu等[5]在1985年用探针测量了颗粒流经管道时管壁电流的大小,间接证明了管道流中静电的产生。Nifuku等[6]在1989年利用气力传输系统研究了颗粒起电特性与传输条件之间的关系。Bailey等[7-8]通过尼龙、聚缩醛和特氟隆3种不同粒子分别碰撞一定角度的黄铜板,发现金属绝缘体接触时,绝缘体对发生的电荷转移量发挥主要作用。AlAdel等[9]于2002年通过建立连续介质模型,发现该模型能够表征由垂直上升管内的带电引起的颗粒横向分布范围,并同时强调在分析气固流动时应考虑静电效应的重要性。Yao等[10]测量了用于气力输送系统铜管上的感应电流,并且描述了颗粒流成环流态和半环流态的形成过程,同时指出这些流态是由于静电效应在气力输送管道的弯曲处产生的。Watano[11]提出了颗粒带电分析和预测模型,指出气力输送过程中颗粒带电取决于颗粒对管壁的碰撞次数和碰撞速度的法向分量。Schwindt 等[12]用实验的方法测量了气动传输谷物颗粒过程中的静电特性,认为颗粒带电与颗粒运输的初始条件、边界条件等有关。赵文央等[13]、 刘义等[14]针对石化生产过程中聚乙烯等粉体静电引燃风险的分析,提出了一种能够有效评估聚烯烃粉体输送系统的安全可接受程度的方法。Ceresiat等[15]通过模拟气力输送过程颗粒带电过程,发现输送过程中颗粒的弹性模量越小,进料速率越大,气体传输速度越大则颗粒带电量越大。Grosshans等[16]通过大涡模拟对气力输送中粉体带电过程进行数值分析,结果表明,通过降低输送气流速度,增大管道直径和粉体质量流率可以降低粉体的电荷量。高鑫等[17-18]通过自建全尺寸粉体静电试验系统,发现气力输送聚丙烯颗粒时,聚丙烯颗粒带电量随颗粒质量流量降低和气体输送流量增加而增大。曹建新[19]研究发现PVC分子结构中存在的带电荷的“极性分子”是气力输送时PVC粉静电产生的必要条件之一。
综上所述,物料在气力输送中的带电特性与物料特性、管径、风速等有关,但受实验条件限制,目前对于一些电阻率大、粒度较细的聚氯乙烯(PVC)粉体的静电特性仍不清楚,通过测量风速、质量流量、球阀开度等的变化,研究气力输送参数对PVC粉体静电特性的影响,为减少静电问题以及为化工厂等企业提高管道输送安全性提供依据。
1 实验
1.1 原料
实验采用PVC粉体(东莞市旺达塑料制品有限公司)作为实验材料,密度为1.38 g/cm3(堆密度为0.52 g/cm3), 中位粒径d50为147 μm,粒径分布见表1。
表1 聚氯乙烯的粒径分布
Tab.1 Particle size distribution of experimental materials
粒径/μm94112147183227累计粒径分数/%1025507590
实验时环境相对湿度为50%～55%,温度控制为25～30 ℃,大气压强为94.1 kPa。
1.2 设备
实验采取的是负压吸气式输送系统,输送方式为稀相输送,实验设备为自主设计搭建的气力输送平台(见图1),该平台主要由输送系统、 除尘系统、 动力系统和测量系统组成。其中输送系统主要是包括球阀、料斗、不锈钢钢管(钢管直径为50 mm,长度约为6 m,其中含3个弯径比为1的弯头,管道与管道之间以法兰连接)。除尘系统是一台过滤面积21.6 m3的长滤筒卧式除尘器。动力系统是一台风量为7 766～9 500 m3/h的QW0.67型高压离心通风机(佛山市南海九洲惠普风机有限公司)。测量系统包括Air 50型风速仪(瑞典斯威玛有限公司)、 A101型法拉第筒和电位计(青岛睿新杰仪器有限公司和青岛山纺仪器有限公司)和8086型千分称(上海英衡电子秤有限公司)。
图1 粉料气力输送系统
Fig.1 Powder pneumatic conveying system
1.3 方法
系统运行时,打开球阀,在漏斗上方下料,通过引风机形成的负压与管道内部压力的压差形成带动粉尘颗粒运动的动力。风机运行完毕后,在除尘器的下料处测量粉体电量。
实验过程中保证管道与周围环境绝缘,每次试验将PVC粉从相同的高度释放。为了防止电荷通过管道泄露,全程需穿戴防静电护服[20]。
1.4 静电测量
本实验中是基于法拉第筒原理, 测量输送后的PVC粉体荷质比, 法拉第筒的外筒直径为150 mm, 高为100 mm,内筒直径为100 mm,高为80 mm,测量电量为0～2 μC,精度±0.001 μC。测量时用绝缘塑料勺子将PVC粉从除尘器下料处出取出放入法拉第筒中,待电位计的稳定后读取电位计的示数,再将法拉第筒中的粉体取出放入千分称中称其质量,根据公式(1)计算出粉体荷质比qm。
qm=Q/m,
(1)
式中: Q为PVC粉的电量; m为PVC粉的质量。
每组实验重复进行3次,并求取平均值以减小误差。
图2 不同气流速度下PVC荷质比
Fig.2 Charge mass ratio of PVC at different air velocities
2 结果与分析
2.1 气流速度对PVC粉体荷质比的影响
固定下料口处下料质量流量为16.7 g/s,通过改变风机频率来改变风速分别调节风机频率为15、 20、 25、 30、 35 Hz分别对应气流速度为7、 10、 13、 16、 19 m/s。不同气流速度下,PVC粉体的荷质比变化曲线如图2。由图可以看出,气流速度从7 m/s增加到19 m/s时,输送粉体的荷质比从0.36 μC/kg增加到1.21 μC/kg,结合图中曲线走向可知,PVC粉体的荷质比会随气流速度的增大而增大。这是因为气流速度越大,颗粒与管道壁面的碰撞、摩擦就越剧烈,粉体所带的荷质比就会增大。
2.2 下料质量流量对PVC粉体荷质比的影响
控制进口处质量流量为13 m/s,设定下料质量流量分别为8.3、 12.5、 16.7、 20.8、 25.0、 29.1、 33.3 g/s。不同下料质量流量下,PVC粉体的荷质比变化曲线如图3。由图可以看出,物料的下料质量流量从8.3 g/s增加到20.8 g/s时,PVC粉体的荷质比从0.7 μC/kg减小到0.35 μC/kg,当下料质量流量增加到25 g/s后,输送颗粒的荷质比基本维持在0.2 μC/kg。这是由于本组实验过程中,PVC粉体的下料质量流量增大,即颗粒的质量流量增加时,颗粒的质量流量增加会导致各个颗粒与管道壁面碰撞、摩擦次数减少,因此会使颗粒的荷质比减小,当颗粒的质量流量增加到一定程度时,颗粒由碰撞所产生的荷质比就会达到最小值,并且继续增加质量流量荷质比也会基本保持这个值。
图3 不同下料质量流量下PVC荷质比
Fig.3 Charge mass ratio of PVC at different feeding speeds
2.3 单位体积的气体中所含粉体的质量相同时,PVC粉体荷质比的影响
根据单位体积的气体中所含粉体的质量的定义可知, 本文实验中单位体积的气体中所含粉体的质量的大小主要与气流速度和下料质量流量有关。 本组实验中取单位体积的气体中所含粉体的质量浓度654.9 g/m3, 以第2组实验时的前5次下料质量流量8.3、 12.5、 16.7、 20.8、25.0 g/s为基准, 再根据单位体积的气体中所含粉体的质量计算公式计算出每组下料质量流量对应的风速为6.5、 9.7、 13、 16.2、 19.5 m/s, 分别进行试验,结果得出下料质量流量为自变量的图4和气流速度为自变量的图5。从图4、 5中可以看出,物料的下料质量流量从8.3 g/s增加到20.8 g/s,同时气流速度从6.5 m/s质量流量增加到19.5 m/s,输送粉体的荷质比从0.68 μC/kg减小到0.37 μC/kg。由此可见,本组实验中下料质量流量和气流速度同时增大,但PVC粉体荷质比曲线图的走向却与图3的相同,说明单位体积的气体中所含粉体的质量相同时,下料质量流量对PVC粉体荷质比的影响比气流速度要更大。引起这种现象的原因可能是颗粒质量流量增大后,单个颗粒与管道壁面的摩擦次数会减少,并且颗粒与管壁的碰撞次数是决定颗粒荷质比的主要因素,颗粒与管壁碰撞的剧烈程度是次要因素。
图4 气流速度对PVC荷质比影响
Fig.4 Effect of air velocity on charge mass ratio of PVC
图5 下料质量流量对PVC荷质比影响
Fig.5 Effect of feeding speeds on charge mass ratio of PVC
2.4 球阀开度对PVC粉体荷质比的影响
设置下料口处质量流量为8.3g/s, 通过向下旋转球阀旋钮角度来调节球阀开度, 旋钮角度调节为0、 18°、 36°、 54°、 72°分别对应球阀开度为100%、 80%、 60%、 40%、 20%。 不同球阀开度下, PVC粉体的荷质比变化曲线如图6。 如图3所示, 球阀开度从100%减小到20%时, 输送粉体的荷质比从0.59 μC/kg减小到0.23 μC/kg,结合图中曲线走向可知,PVC粉体的荷质比会随球阀开度的减小而减小。这是因为球阀开度越小,进入管道的气流量减少,颗粒速度会减小,这样会导致固体颗粒与管道壁面的碰撞、摩擦剧烈程度会减小,所以PVC粉体的荷质比也会减小。
图6 球阀开度对PVC荷质比影响
Fig.6 Effect of ball valve opening on charge mass ratio of PVC
3 结论
本实验利用自主搭建的一套气力输送平台,研究了气力输送过程中PVC粉体带电影响因素,得出的结论如下。
1)当下料质量流量为16.7 g/s, 气流速度从7 m/s增加到19 m/s时, 输送粉体的荷质比从0.36 μC/kg增加到1.21 μC/kg,说明PVC粉体荷质比会随气流速度的增大而增大。
2)当气流速度为13 m/s, 物料的下料质量流量从8.3 g/s增加到20.8 g/s时, 输送粉体的荷质比从0.7 μC/kg减小到0.35 μC/kg。当下料质量流量增加到25 g/s时, 输送颗粒的荷质比基本维持在0.2 μC/kg, 说明一定范围内, PVC粉体荷质比会随下料质量流量的增大而减小,当输送颗粒的下料质量流量超过这个范围,PVC粉体荷质比就会维持在一个基本稳定在0.2 μC/kg。
3)当单位体积的气体中所含粉体的质量为654.9 g/m3时, 物料的下料质量流量从8.3 g/s增加到20.8 g/s, 同时气流速度从6.5 m/s同步增加到19.5 m/s, 输送粉体的荷质比从0.68 μC/kg减小到0.36 μC/kg,即单位体积的气体中所含粉体的质量一定时,下料质量流量对PVC粉体荷质比的影响比气流速度对其的影响要大。
4)当下料质量流量为8.3 g/s,球阀开度从100%减小到20%时,输送粉体的荷质比从0.59 μC/kg减小到0.23 μC/kg,说明PVC粉体荷质比会随球阀开度的减小而减小。
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