从零开始认识气力输送技术

在现代工厂中，有一种看不见的“搬运工"正日夜不停地工作——它就是气力输送系统。想象一下，粉末或颗粒状物料像坐上了“空气快递车"，在密闭管道中快速、高效地抵达目的地，整个过程几乎无人值守，这就是气力输送技术。粉末或颗粒状物料被统称为散状物料，所以气力输送的专业解释是借助具有一定能量的气体在管道内输送散状物料的技术。

1、气力输送的基本原理

气力输送的基本原理并不复杂：利用气体作为载体，通过管道输送物料。就像通过吸管喝水一样，气力输送通过创造气压差，使物料随着气流在管道中运动。也就是说，气力输送的动力源于管道内的沿程气压差。当输送气速足够高时，物料颗粒会在升力和曳力的作用下悬浮，并且随着气流方向运动。根据气流速度和物料浓度的不同，气力输送呈现出不同的流动状态（流型），主要分为稀相输送和密相输送两大类。稀相与密相的边界可以根据固气比（在同一时间内所输送散状物料质量与气体质量之比，又称混合比）进行划分。固气比大于15kg/kg的气力输送过程可认定为密相输送，否则为稀相输送。

随着输送气速的降低，水平管中可能出现的流型如图1所示。当输送气速较高时，物料悬浮在气流中，被气流裹挟着输送。此时的流型被称为悬浮流，特征表现为高空隙率与相对较均匀的浓度场，颗粒运动受流体湍流主导，碰撞效应较弱。随着输送气速的降低，气固动量传递效率下降，颗粒沉降倾向增强，管道底部形成静止或移动的颗粒沉积层。颗粒群以分层流进行输送，特点是空隙率显著降低，管道底部的颗粒浓度相比上部高得多。随着输送气速的进一步降低，沉积层局部区域形成非对称的沙丘状料栓。颗粒群以沙丘流进行输送，特点是存在明显高于沉积层的沙丘状结构并伴随脉动输送。如果继续降低输送气速，沙丘状料栓演变为横贯管道的柱状料栓，流型演变为段塞流。料栓头部因气流加速产生颗粒卷吸效应，尾部则因速度衰减发生颗粒沉积，形成料栓长度动态平衡。在此阶段，输送气速越低料栓长度就越长，直至发生段塞流向柱塞流的转变。当输送气速降低至临界堵塞气速，料栓头部卷吸速率持续高于尾部沉积速率，引起料栓长度快速增加，最终导致管道堵塞。

图1 水平管中不同输送气速下的流型

当然，并非所有粉粒体物料都会出现上述流型，原因是气力输送流型除了与输送气速相关外，还与物料的物性参数（粒径及分布、密度、透气性、存气能力等）以及管道参数等存在密切联系。

2、气力输送的主要类型

气力输送根据工作原理主要可分为负压式、正压式和混合式三种基本类型。负压式输送也被称为真空输送，就像家用吸尘器一样，物料被吸入管道并输送至目的地。负压式输送如图2所示，一般将真空泵安装在系统的末端，由真空泵引起的负压将空气与物料吸入管道，输送至分离器进行分离，空气由上部排出送入除尘器净化，而物料则由分离器底部卸出。负压输送具有操作简单、成本低、物料泄漏风险低、适用于集中输送等优点。缺点是输送距离相对较短，固气比相对较低，难以实现密相输送。

图2 负压式输送

正压式输送如图3所示，在输送系统的前端借助压缩机或鼓风机产生压缩空气，进而形成管道起点与终点间的压差，压差推动物料输送至分离器进行分离。正压输送系统的优点是输送距离较长，维护简单，适用于分散输送。缺点是具有物料泄漏风险、成本相对较高。

图3 正压式输送

混合式输送结合了负压式和正压式的优点，部分管道处于负压状态，部分处于正压状态。这种系统适合复杂的工艺要求，可以满足特殊行业的输送需求。

3、气力输送系统的组成部分

气力输送系统通常包括以下组成部分：气源（正压输送为鼓风机或压缩机，负压输送为真空泵），作为气力输送的动力源；给料装置（带压发料罐或旋转阀），用于控制物料进入输送管道的速率；输送管道（水平管、竖直管以及弯管），作为气固流动的通道；接料与分离装置（接料罐、除尘器）；控制系统（PLC、DCS），用于实现气力输送系统的自动化控制与故障监测，确保系统稳定高效运行。

4、为何选择气力输送？

与其他机械输送方式（螺旋输送机、皮带输送机、斗式输送机等）相比，气力输送具有以下显著优势，这也是它在各个行业得到广泛应用的原因：

①密闭环保：物料在全密闭的管道中输送，正常运行时无粉尘外泄，从根本上改善了工作环境，满足了现代工业对环保的严格要求。

②布局灵活：输送管道可以根据厂房结构灵活布置，可水平、垂直或倾斜安装，输送距离长（可超过1000m），能够适应各种复杂地形和工艺布局。

③自动化程度高：气力输送系统易于实现自动化控制，大大降低了人工成本和劳动强度。

此外，气力输送还具有占地面积小、在输送过程中可同时进行多种工艺操作（如混合、干燥、冷却等）以及维护成本低等优势。

5、气力输送的应用场景

气力输送技术应用广泛，几乎覆盖了所有涉及粉粒体物料处理的行业。在气化行业，粉粒体气化原料（煤粉、生物质等）普遍通过气力输送运输至气化炉；在电力行业，气力输送广泛用于输送煤粉和粉煤灰；在食品行业，面粉、糖、奶粉等食品原料的输送都依赖气力输送系统；化工行业则用它来输送树脂、PVC粉等化工原料。建材行业中，水泥、石灰粉的输送大量采用气力输送技术；在制药行业，药粉的输送对卫生条件要求高，气力输送的密闭特性正好满足这一需求。在粮油行业，重要的吸附剂（白土、凹凸棒土）及助滤剂（硅藻土）等凭借出色的流化密相输送能力，均可实现高固气比、高浓度的密相输送。近年来，气力输送甚至在锂离子电池材料、高分子材料等新兴高科技领域得到了广泛应用，展现了其强大的适应性和先进性。未来气力输送的市场需求将进一步持续扩大。

6、面临的挑战与未来发展趋势

尽管气力输送有诸多优势，但也面临一些挑战，如能耗相对较高、对黏性强的物料输送困难等。

未来，气力输送技术正朝着多个方向发展：

①智能化，通过传感器和先进控制算法实现系统自优化，不断提高自动化运行水平。

②低能耗，基于粉粒体的物性和输送环境，针对性地改进输送方式，提高低磨损、低耗气量、高固气比、高输送量的密相输送水平。

③标准化，制定统一标准促进行业规范发展。例如2024年，我国启动了《输送机械 气力输送系统通用要求》国家标准的制定工作，这将为气力输送行业的健康发展提供重要支撑。

随着工业技术不断发展，气力输送系统的智能化程度将越来越高。未来的系统将融合大数据和物联网技术，实现自我控制、自我诊断分析，最终实现全的无人化运行。管道布局可能会像搭积木一样灵活，核心部件如供料装置、输送管道和控制系统将实现模块化设计，根据不同的物料特性和输送需求自由组合。