第58卷第11期化工學(xué)報(bào)2007年11月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)November 2007研究論文工業(yè)級管道中粉煤濃相流動(dòng)特性肖為國,郭曉鐳,代正華,龔欣,郭云舟,鄭利嬌(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237)摘要:分別以干燥空氣和粉煤為輸送載氣和介質(zhì),在39mm工業(yè)級水平不銹鋸管內(nèi)進(jìn)行了濃相氣固兩相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究。高速攝像儀拍攝到的粉煤流型表明,濃相輸送條件下存在分層流。在流化氣和調(diào)節(jié)氣協(xié)同作用下,工業(yè)級管道中的粉煤濃相輸送規(guī)律與此兩路氣流流量密切相關(guān),并獲得了39mm管徑下的粉煤氣力輸送相圖。與管徑較小的20mm水平不銹鋼管輸送結(jié)果的比較表明:較大管徑條件下,輸送壓力對粉煤流率的影響更為顯著,輸送的經(jīng)濟(jì)氣速相對較高;相同輸送通鮒情況下,較大管徑的輸送單位管長壓障低,且輸送通量變化引起的單位管長壓降變化也較為平緩關(guān)鍵詞:粉煤;濃相;工業(yè)級管徑;氣力輸送中圖分類號:TQ536文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:0438-157(2007)11-2759-05Dense phase flow properties of pulverized coal in industrial scale tubeXLAO Weiguo, GUO Xiaolei, DAl Zhenghua, GONG Xin, GUo Y unzhou, ZHENG Lijiao(Key Laboratory of Coal Gasi fication of Ministry of education, East China University of Scienceand Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: Taking pulverized coal and dry air as the experimental materials, the flow properties of high-concentration gas-solids two-phase flow in an industrial scale horizontal stainless steel tube (I D. 39 mmwere studied. The main flow pattern was identified as stratified flow observed through a quartz glasstube. The test results indicated that the conveying characteristics were dependent on the relationship of thefluidizing gas and adjustment gas. Based on the comparison of test results of two conveying tubes(39 mmand 20 mm in diameter), some empirical expressions relating the larger tube 's operating parametersincluding system pressure, gas volume flow rate and solid mass flow rate, were presented. Comparisons ofthe two conveying tubes phase-diagrams showed the mass flow rate of pulverized coal in the larger tubewas affected by the system pressure more strongly than that in the smaller one; the larger tube had ahigher superficial gas velocity at the pressure drop minimum point and a lower pressure drop if the solidsmass flux rate was constant: and the change of pressure drop was less remarkably triggered by the changof solids mass flux rateKey words: pulverized coal; dense phase; industrial scale pipe diameter; pneumatic conveying引言程的核心技術(shù)之一口。國際上商業(yè)化的氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)如 Shell氣化技術(shù){2)、 Siemens氣化粉煤濃相氣力輸送技術(shù)是粉煤加壓氣化工藝過技術(shù)等均采用較大管徑、濃相輸送方式將粉煤送01-09收到初槁,2007-04-16收到修改稿Received date: 2007--01-09聯(lián)系人:龔欣。第一作者:肖為國(1980—),男,碩士研Corresponding author: Prof. GONG Xin. E-mail: gongxin@究生ecust. edu. cn基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 Program of China(2004CB217702) and the National Natural(2004CB217702);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20576038)Science Foundation of China (20576038)2760化學(xué)報(bào)第58卷入氣化爐,其輸送管內(nèi)徑約為40~50mm,固氣比高達(dá)300~500kg·m-3。但是在氣固兩相流研究領(lǐng)域,針對上述工業(yè)規(guī)模級的管徑、高濃度粉煤送方面的研究卻鮮見報(bào)道。 Rautiainen等0在192mm管徑內(nèi)進(jìn)行了低壓下稀相輸送研究;周建剛等在40mm輸送管徑內(nèi)獲得了聚苯乙烯和聚710氯乙烯的輸送相圖;沈湘林等在3.0MPa下,實(shí)現(xiàn)了高固氣比的粉煤穩(wěn)定輸送,其輸送管徑為10mm; Geldart等在高壓條件下,研究了小管徑(6.25、9.19、12.5mm)中不同載氣輸送煤粉圖1粉煤輸送實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)律與壓降方程。高濃度氣固兩相流流動(dòng)規(guī)律與Fig 1 Schematic diagram of pulverized輸送介質(zhì)和輸送管徑等因素密切相關(guān),本實(shí)驗(yàn)室coal pneumatic conveying前期研究發(fā)現(xiàn),隨著管徑的增大,其輸送特性表現(xiàn)I-air compressor: 2-gas buffer: 3-drierp出明顯差異。本文以粉煤在39mm管徑內(nèi)的高+fitter, 5-gas distributor: 6-dust remover濃度流動(dòng)為對象,通過不同操作條件下的輸送規(guī)律7-pressure cell: 8-weight celly 9--gas meter10--visible section: 11-high speed camera以及輸送相圖的研究,并以本實(shí)驗(yàn)室20mm管徑的12--feeder vessel: 13--receiver vessel粉煤濃相氣力輸送相關(guān)數(shù)據(jù)為對照,獲得了工業(yè)規(guī)模級管道內(nèi)粉煤濃相氣固兩相流的流動(dòng)特性和規(guī)律。玻璃管可以觀察到管道中的粉煤流型,結(jié)果表明,1實(shí)驗(yàn)物性及輸送裝置濃相輸送時(shí)其流動(dòng)形態(tài)以分層流為主。該流型的外觀表象為:管內(nèi)下層的粉煤濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上層的1.1實(shí)驗(yàn)介質(zhì)濃度,下層粉煤以密集沉積狀態(tài)流動(dòng),上層粉煤以實(shí)驗(yàn)采用冷凍干燥除油后的壓縮空氣為載氣,稀相懸浮態(tài)流動(dòng),雖然上、下層的分界面比較清輸送介質(zhì)粉煤的相關(guān)物性如表1所示。晰,但由于管內(nèi)湍流程度較大,該分界面處于劇烈囊1實(shí)驗(yàn)用粉煤物性而快速變化之中。同時(shí)還可以觀察到沿軸向運(yùn)動(dòng)的Table 1 Properties of pulverized coal粉煤存在明顯的不規(guī)則的徑向脈動(dòng);在多數(shù)時(shí)間Mean size Particle density Bulk density Angle of里,粉煤在氣流作用下對管壁的沖刷呈現(xiàn)秒級的周/kg·m-1期性波動(dòng)60.675362圖2是固氣比為53、136kg·kg條件下,通過高速攝像拍攝到的管內(nèi)分層流照片。管內(nèi)懸浮1,2實(shí)驗(yàn)裝置及測量相以外區(qū)域?yàn)榉勖撼练e相。通過對拍攝影像的連續(xù)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示,粉煤在氣流的作用下在播放,可較為清楚地觀察到粉煤的二維真實(shí)流動(dòng)狀兩個(gè)料罐與管線中循環(huán)輸送,通過直接安裝在管道態(tài),在上層懸浮相中,被懸浮的粉煤量較少,同時(shí)上的壓力傳感器記錄沿線壓力;采用金屬浮子流量些粉煤可能主要是由于靜電作用而附著在管壁計(jì)記錄各股氣量大小;采用稱重傳感器計(jì)算粉煤流上。其余部分為粉煤沉積相,沉積相內(nèi)因粉煤率;從給料罐頂部和底部引人的氣流分別稱之為加濃度高,已完全不透光,只可見相界面的粉煤呈波壓氣(Q)、流化氣(Q2),從粉煤輸送管道中引浪狀的軸向運(yùn)動(dòng)。入的氣流為調(diào)節(jié)氣(Q3)。研究表明,對于該輸送圖2(a)為管內(nèi)氣流速度較大、固相濃度較系統(tǒng),上述3路氣體在粉煤輸送過程中的作用各低時(shí)分界面較為清晰的狀況。由圖可見其分界面并異,在其協(xié)同作用下,能達(dá)到不同的輸送效果。不平整,有沙丘一樣小煤團(tuán)在管底煤層表面流動(dòng)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論類似于 Klinzing等|所描述的密相移動(dòng)流( densemoving strand),上層空間有稀相粉煤呈漂移狀流21粉煤流動(dòng)形態(tài)的觀察動(dòng),與其給出的示意圖非常相似。圖2(b)、(c)2.1.1不同固氣比狀態(tài)下的流動(dòng)形態(tài)通過石英分別為氣流速度較小、固相濃度較高時(shí),同一輸送第11期為國等:工業(yè)級管道中粉煤濃相流動(dòng)特性使其從靜止?fàn)顟B(tài)開始流動(dòng)的表觀氣速是截然不同的。只有足夠多的顆粒從氣相獲得足夠的動(dòng)能,管內(nèi)沉積的粉煤才有可能充分流動(dòng)(a)a=53kg·kg,U,=9.1m·s2.2兩種管徑輸送特性比較系統(tǒng)壓力以及輸送氣量是最基本的操作參數(shù),輸送流率則是操作條件下的氣固兩相流動(dòng)的結(jié)果之圖3、圖4給出了僅在流化氣作用下粉煤在20、39mm兩種管徑中的輸送規(guī)律,通過對比揭(b)=136kg·kg.U:=35m:s示較大管徑的輸送特性。圖2高速攝像儀拍攝的粉煤在水平石英玻璃管內(nèi)的流動(dòng)圖像Fig2 Photographs of pulverized coal flowiin tube with diameter of 39 mm過程的不同時(shí)刻的粉煤流動(dòng)形態(tài)?？梢?管內(nèi)分界Qm3·h面高度有明顯的起伏變化,多數(shù)情況下0.2D<圖3輸送系統(tǒng)壓力與管徑以及流化氣量關(guān)系d<0.5D,有時(shí)局部會(huì)出現(xiàn)粉煤幾乎充滿管道的Fig 3 Transport pressure as function of fluidizing狀態(tài)。gas volume flow rate and tube diameter2.1.2不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象在流化氣量偏小時(shí)可以觀察到管底粉煤個(gè)別時(shí)刻處于靜止或極低速滑動(dòng)狀態(tài),滑動(dòng)的粉煤之間有絲絲裂縫,粉煤流率減小,tube diameter/mm.粉煤的流動(dòng)并不連續(xù),甚至可能出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)中斷,該現(xiàn)象發(fā)生時(shí)管內(nèi)壓力波動(dòng)劇烈,可視段的壓降平均值減小。產(chǎn)生這種不穩(wěn)定流動(dòng)是因?yàn)榱骰瘹馓o法充分流化料倉錐部內(nèi)的粉煤,出現(xiàn)了架橋、鼠洞、停頓等現(xiàn)象,致使粉煤下料不順暢,從a的ee日-叫而影響粉煤在管道中的流動(dòng)狀態(tài)。因此料倉結(jié)構(gòu)和0020040060.080.100.12補(bǔ)氣方案的合理設(shè)計(jì),以及輸送時(shí)各路氣流的合理組織,是保證管內(nèi)粉煤低速、高濃度穩(wěn)定流動(dòng)的必圖4粉煤流率與系統(tǒng)壓力及管徑關(guān)系要條件。Fig. 4 Solid mass flow rate as function of2.1.3粉煤在管內(nèi)的沉積與啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在transport pressure and tube diarneter分層流狀態(tài)下輸送粉煤,一旦輸送完畢,管底會(huì)沉2.2.1流化氣量與系統(tǒng)壓力研究表明,在積0.1D~0.3D厚度的粉煤層,這是高濃度、低20、25、32mm管徑中,實(shí)驗(yàn)條件下的輸送氣量表觀氣速下粉煤輸送系統(tǒng)中需要注意的現(xiàn)象。因?yàn)榕c系統(tǒng)壓力呈線性關(guān)系。而圖3所示為在39mm一旦再想使這層靜止的粉煤得以流動(dòng),必須加大吹管徑系統(tǒng)中,二者呈指數(shù)關(guān)系,即在較低的輸送氣掃氣量,否則極易岀現(xiàn)由于氣速較低造成粉煤緩量下系統(tǒng)壓力隨流化氣增大的幅度較緩,而在較高慢、一段段地被迫向前推進(jìn),最終因缺乏動(dòng)力而堵的輸送氣量條件下,流化氣量增大引起的系統(tǒng)壓力塞管道, Francisco等1定義該速度為啟動(dòng)速度的升高幅度相對較大,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下經(jīng)驗(yàn)( pickup velocity)。因此,粉煤的輸送表觀氣速與方程·2762·化學(xué)第58卷p=0.01465e-0.0117,R2=0.99(1)2.2.2系統(tǒng)壓力與粉煤流率輸送流率與管徑關(guān)=1860kg"m·s系也極為密切,圖4表明,管徑增大,輸送流率會(huì)d=2330 kg.m.s=2790kg·m大幅度提高,且輸送流率與輸送壓力的關(guān)系在大、小管徑之間表現(xiàn)出較大的差異,即管徑越大,系統(tǒng)壓力對輸送流率的影響程度越大。在本實(shí)驗(yàn)條件下,二者的關(guān)系為冪函數(shù)形式M,=-226.33+234.4p80M,R2=0.97(2)2.3調(diào)節(jié)氣對流動(dòng)特征參數(shù)的影響在靠近料倉底部出口處引入氣流是一種有效的圖639mm與20mm管徑下粉煤單位管長粉體流率調(diào)節(jié)手段11.圖5給出了調(diào)節(jié)氣與流化壓降和表觀氣速的關(guān)系氣協(xié)同作用下固氣比和表觀氣速的關(guān)系。當(dāng)不加調(diào)Fig6 Pressure drop per unit length us superficial節(jié)氣時(shí),隨著表觀氣速的增大,固氣比單調(diào)下降。 as velocity in tubes of diameter o20 mm and39m但是適當(dāng)加入調(diào)節(jié)氣后,隨著表觀氣速的增大,固氣比先會(huì)逐漸增加,達(dá)到峰值后又緩慢降低。隨著為進(jìn)一步說明工業(yè)規(guī)模級管徑內(nèi)的高濃度氣固調(diào)節(jié)氣量的增大,能實(shí)現(xiàn)的固氣比的最高值逐步減混合物流動(dòng)阻力特性,圖6引入在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上得小,所對應(yīng)的表觀氣速值增大。這是因?yàn)殡S著流化到的20mm管徑粉煤水平輸送相圖進(jìn)行比較。其氣量的增大,粉煤流率也隨之增大,但是粉煤流率中,a3p和a2分別為39mm和20mm輸送管徑的增大的幅度要大于流化氣和調(diào)節(jié)氣總量增大的幅經(jīng)濟(jì)氣速線,在實(shí)驗(yàn)的粉煤輸送通量范圍內(nèi),輸送度,故表現(xiàn)為固氣比快速上升,此時(shí)流化氣與調(diào)節(jié)固氣比主要集中在180~500kg·kg1之間氣起到了流化粉煤,促進(jìn)下料的協(xié)同作用。但是隨如圖6所示,兩種管徑下的相圖差異主要表現(xiàn)著氣量的增大,輸送流率的增加幅度下降,進(jìn)而降在以下幾方面:低了固氣比9?？梢?在調(diào)節(jié)氣與流化氣共同作(1)在相同的輸送通量下,盡管39mm管徑用下,固氣比不僅和氣量有關(guān),而且還受流化氣和的輸送流率比20mm管徑有大幅度提高,但是其調(diào)節(jié)氣相互關(guān)系的影響。單位管長壓降明顯減小,表明管徑是影響壓降的重要因素;Qym3·h(2)相同輸送通量下,在表觀氣速大于經(jīng)濟(jì)氣速時(shí),39mm管徑條件下隨表觀氣速增加引起的10單位管長壓降升高的幅度遠(yuǎn)不如20mm管徑條件下顯著;則(3)39mm管徑條件下輸送通量變化引起的單位管長壓降變化較20mm管徑下平緩;(4)隨著管徑增大,輸送的經(jīng)濟(jì)氣速線右移,從4~6m·s1增大到6~8m·s-1,可見大管徑下更易實(shí)現(xiàn)低于經(jīng)濟(jì)氣速下的濃相輸送;圖5固氣比與表觀氣速及調(diào)節(jié)氣量關(guān)系(5)在相同的輸送通量下,較小管徑能夠?qū)崿F(xiàn)Fig5 Solid/ gas mass flow ratio as function的最低輸送氣速小于較大管徑能夠?qū)崿F(xiàn)的最低輸送氣速2.4水平管輸送相圖zenz相圖表達(dá)了以固體質(zhì)量流率為參數(shù)的單3結(jié)論位管長壓降與表觀氣速的關(guān)系,并以此預(yù)測管內(nèi)的本文在內(nèi)徑39mm的不銹鋼管中研究了粉煤流動(dòng)形態(tài),得到了許多研究者的關(guān)注14圖6的濃相氣力輸送規(guī)律,并與內(nèi)徑20mm的不銹鋼給出了實(shí)驗(yàn)測得的39mm管徑的水平輸送相圖。管輸送結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)論如下第11期肖為國等:工業(yè)級管道中粉煤濃相流動(dòng)特性2763·(1)39mm管徑條件下,在流化氣和調(diào)節(jié)氣Sarkomaa. An experimental study of vertical pneumatic的協(xié)同作用下,固氣比先隨表觀氣速增大而增大conveying. Powder Technology, 1999, 104: 139-150[5] Zhou Jiangang(周建剛), Shen Yishen(沈身),Ma達(dá)到峰值后逐步減小,該峰值隨調(diào)節(jié)氣量的增大而Anxiang(馬恩祥). Technology of Powder High Density減小。Pneumatic Conveying and Control and Distribution(粉體高(2)通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以經(jīng)驗(yàn)方程的形式給濃度氣力輸送、控制與分配技術(shù)). beijing: Metallurgical出了在39mm管徑中輸送氣量、輸送壓力和粉煤Industry Press, 1996流率之間的關(guān)系。[6] Shen Xianglin(沈湘林), Xiong Yuanquan(熊源泉)Experimental study on dense-phase pneumatic conveying of(3)獲得了工業(yè)規(guī)模級水平管道中(39mm)pulverized coal at high pressures. Proceedings of the cSEE濃相氣力輸送相圖,并與20mm水平管輸送相圖(中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)),2005,25(24):103-107進(jìn)行了比較。在輸送通量相同的情況下,較大管徑7 Geldart D, Ling SJ. Dense phase conveying of fine coal at的單位管長壓降比小管徑顯著減小,單位管長壓降high total pressure. Poweder Technology, 1990. 6243252隨流動(dòng)特征參數(shù)變化更加平緩,而輸送經(jīng)濟(jì)氣速(8] Cheng keyin(程克勤). A review of dense phase at low變大。velocity pneumatic conveying. Design of Sulphur andPhosphorous and Powder engineering《硫磷設(shè)計(jì)與粉體工符號說明程),2001(2):22-26[9] Gong Xin(龔欣), Guo xiaolei(郭曉鐳), Dai zhenghua(代D—輸送管內(nèi)徑,mm正華), Feng Jinhua(封金花), Chen Jinfeng(陳金鋒)d—輸送管內(nèi)懸浮層的高度,mmZheng Yuehui(鄭躍解), Chen Feng(陳錘), Xiong LangM,—粉煤質(zhì)量流量,kg·s(熊浪), Yu Zunhong(于遵宏). High solids loadingA—輸送壓力(表壓),MPapneumatic conveying of pulverized coal. Journal of chemical△p—水平管單位管長壓降,kPa·m-1Industry and Engineering(Chia)(化工學(xué)報(bào)),2006,57Q加壓氣體積流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下),m3·h3):640644Q2—流化氣體積流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下),m2·h[10] Donald D K. Electrostatic contributionQ—調(diào)節(jié)氣體積流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下),m2·hadhesion, Journal of Applied Physics, 1969, 40(7)R—相關(guān)系數(shù)[ll] Shrikant v Dhodopkar, George EU—表觀氣速,msfluctuations in pneumatic conveying——固氣比,kg·kg1—粉煤輸送通量,kg·m2·s-1[12] Francisco J Cabrejos, George E Klinzing. Pickup andReferencespneumatic transport. Powder Technology, 1994, 79173-186[1] Molerus O. 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