旋轉閥設計與應用技術研究

宋宇宸，岳 巍，高 宇，馬建華

(中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012)

氣力輸送是利用氣流的能量，在密閉管道內沿氣流方向通過氣固兩相流輸送固體散料，是流態化技術的一種具體應用[1]。氣力輸送裝置的結構簡單，操作方便，可作水平的、垂直的或傾斜方向的輸送，在輸送過程中還可同時進行物料的混合、粉碎、分級、干燥、冷卻、除塵等物理操作或某些化學反應[2]。氣力輸送的主要特點是輸送量大，輸送距離長，輸送速度較高，輸送管道布置靈活，可由數點集中送往一處或由一處分散輸送數點[3]。

旋轉閥是一種通過轉子旋轉使閥從開位逐漸變化至關位的機械裝置[4]，具有切斷嚴密、物料流通能力強、低泄漏、抗氣蝕、運轉平穩和物料輸送量可調的特點，常用于氣力輸送系統中的供料和卸料環節。

1 旋轉閥結構和工作原理

旋轉閥是一種定量輸送設備，如圖1所示，旋轉閥主要由1.入口法蘭、2.出口法蘭、3.閥體、4.轉子、5.變頻電機和齒輪減速器和6.排氣口組成。其中，閥體由殼體和側蓋板組成，轉子上一般安裝6～12個均布的葉片。

圖1 旋轉閥結構圖

旋轉閥工作時，轉子上的葉片旋轉，物料不斷從閥上端的入口進入葉片與閥體組成的空腔，并隨著葉片轉動被輸送到閥下端的出口。旋轉閥通過重力流對物料進行計量和輸送，通過電機變頻調節轉子的轉速來改變物料的輸送量。

2 旋轉閥設計要點

2.1 輸送量計算方法

輸送量是旋轉閥最重要的設計參數，理論計算公式如下[5]：

Q=60nVβρ

式中：

Q——輸送量，t/h；

n——轉子轉速，r/min；

V——旋轉閥容積，m3/r；

ρ——物料堆積密度，t/m3；

β——物料填充系數。

由公式可得，旋轉閥的輸送量與轉子轉速、旋轉閥容積和物料填充系數成正比。實際應用中，物料的物性、系統壓差和排氣效果等因素會對輸送量產生較大影響，旋轉閥實際輸送量的確定需要通過實驗修正。

2.2 閥體結構設計

首先，應避免旋轉閥剪切物料。通過合理選擇旋轉閥容積和物料填充系數，可以保證旋轉閥工作時葉片與閥體組成的空腔始終處于未充滿狀態，從而避免物料堆積到易剪切區域，并有效減少物料進入轉子葉片與閥體的徑向間隙。

其次，閥體的進出口段的截面也應合理設計。旋轉閥將上游物料輸送到下游的過程中，同時會將下游的部分氣體攜帶到上游，閥體的進出口段的截面過大會使過多氣體通過旋轉閥攜帶到上游，并會形成上升氣流影響下料。通常，將閥體的進口段的截面設計為直通式，閥體的出口段的截面設計為漸縮式，符合物料流動特性并減少氣體上竄。旋轉閥有時在停機后會面臨滿料啟動工況，為了防止剪切物料和物料架橋，可在閥體的進口段上設置棱形凸起結構以保證下料的流暢性。

2.3 轉子設計

旋轉閥在工作時，物料通常溫度較高，閥體和葉片都會經過溫升過程，如果轉子葉片與閥體的間隙設計過小，可能造成閥體與轉子葉片間的摩擦，摩擦會破壞設備并造成物料中摻雜金屬碎屑。旋轉閥下游的輸送氣體是通過轉子葉片與閥體間的徑向間隙和軸向間隙來密封的，如果轉子葉片與閥體的間隙設計過大，旋轉閥在工作時會出現漏氣現象，影響氣力輸送系統正常工作[6]，一般將閥體與轉子葉片的間隙設計為0.4～0.6mm。

轉子上的葉片，為了保證剛度，一般需有一定厚度，葉片頂端截面面積較大，易磨損物料或卡料?？蓪⑷~片頂端做倒角處理，減小葉片頂端截面面積以減小摩擦。當需要輸送粘性物料時，可在葉片頂部和兩端加裝刮刀，在輸送物料的同時刮下粘于殼體內壁的物料層，可有效減小旋轉閥扭矩和操作時的噪音。當需要輸送研磨性物料時，為了防止物料磨損殼體，如圖2所示，可在轉子兩側設置加厚側板，物料直接進入葉片與側板形成的腔體，避免與殼體間的摩擦。

圖2 側板型轉子

2.4 軸密封設計

旋轉閥的軸始終處于旋轉狀態，對軸密封要求較高，需有效防止粉塵進入磨損密封件進而磨損轉子。如圖3所示，旋轉閥一般采用氣封式軸密封，在軸密封進氣口引入比旋轉閥操作壓力稍高的密封氮氣，氮氣進入A腔和B腔形成氣環，有效阻止閥體內物料粉塵進入軸密封[7]。當輸送粉料時，還可選用迷宮密封型式的氣封式軸密封，在形成氣封的同時只有極少量氮氣溢出[8]。

圖3 軸密封結構

3 旋轉閥應用與工藝改進

旋轉閥常應用于固體散料的氣力輸送系統，適用于粉料和粒料輸送[9]。氣力輸送工藝流程見圖4，旋轉閥安裝在料倉的下方，料倉和旋轉閥之間設置手動插板閥和氣動插板閥，物料通過重力流進入旋轉閥，由旋轉閥定量排入氣力輸送管線輸送到下游裝置，旋轉閥和氣力輸送管線之間設置氣動插板閥。插板閥可以將旋轉閥與上下游切斷，控制氣力輸送系統的排料過程的開啟和關斷，并方便旋轉閥的維修和更換。旋轉閥采用低壓氮氣進行軸密封，氮氣流量通過電磁閥控制。由于旋轉閥在輸送物料的同時也會將下游的氣體攜帶到上游，所以旋轉閥上需設置排氣口，旋轉閥內的氣體經排氣口排出后進入過濾器去除粉塵后排大氣[10]。

圖4 氣力輸送工藝流程

氣力輸送系統中一般有多套料倉，會配置同樣數量的旋轉閥。對于旋轉閥排氣的處理，一般每臺旋轉閥配置一臺過濾器，或者多臺旋轉閥共用一臺大過濾器，兩種形式都需專門采購過濾器，并為過濾器預留布置空間和設計結構框架，而且過濾器內壓力與料倉內壓力有較大差異，會有較多氣體通過旋轉閥進入過濾器并影響旋轉閥排料。因此，可對氣力輸送工藝流程做一定改進。由于料倉頂部必須配置過濾器，如圖5所示，可以將旋轉閥排出的氣體引到料倉頂部，氣體排入料倉后通過料倉本身的過濾器去除粉塵，旋轉閥上部和料倉內的壓力相近，整體系統壓力平衡優化，旋轉閥排料通暢。通過流程改進，可以省去旋轉閥專用的過濾器，系統結構簡化，占地減小，系統性能和經濟性均有提升。

圖5 改進后的氣力輸送工藝流程

4 總結

旋轉閥是固體散料氣力輸送系統中的常用設備，通過分析旋轉閥的結構、工作原理和理論計算方法，可以研究總結出旋轉閥閥體、轉子和軸密封等主要部件的設計要點，保證旋轉閥的使用性能，使旋轉閥在處理不同物性物料時可采用有針對性的特殊設計。此外，通過改進氣力輸送工藝流程，可以省去旋轉閥配套的專用過濾器，簡化系統結構并優化系統性能，減小設備占地，有效降低系統總體投資，為旋轉閥和氣力輸送系統的設計和應用提供了借鑒和參考。