粉煤在流化料倉中的下料特性

第58卷第9期化工學(xué)VoL 58 No 92007年9月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)研究論文粉煤在流化料倉中的下料特性鄭利嬌,郭曉鐳,代正華,郭云舟,肖為國,黃萬(wàn)杰,龔欣(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海200237)摘要:在自行設計的有機玻璃流化料倉系統上對粉煤下料過(guò)程及其特性進(jìn)行了實(shí)驗研究。研究發(fā)現,在筒倉段與料斗段連接處上方存在一個(gè)臨界面。在臨界面以上的筒倉段,粉煤以柱塞流形式下料,在臨界面以下,粉煤以不定向螺旋運動(dòng)下料。研究結果表明,料斗下部的流化氣對下料穩定性和下料流率有重要影響,存在最佳流化氣位置區間和最佳流化氣表觀(guān)氣速范圍,當流化氣補氣位置太低,在補氣位置附近易形成氣壓平衡拱。研究還表明,增加料倉壓力能提高粉煤下料流率,改善下料穩定性,減弱流化氣補氣位置及氣速對下料的影響,阻止氣壓平衡拱生成關(guān)鍵詞:流化料倉;下料流率;料倉壓力;下料穩定性;下料特性中圖分類(lèi)號:TQ022.3文獻標識碼:A文章編號:0438-1157(2007)09-2375-07Flow characteristics of pulverized coal from aeration siloZHENG Lijiao, GUO Xiaolei, DAI Zhenghua, GUO YanzhouXIAO Weiguo, HUANG Wanjie, GONG Xin(Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China Universityof Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The flow characteristics of pulverized coal from a glass aeration silo was investigated. Thereexisted a critical surface above the joint of bin and hopper during discharging. Plug flow was discoveredabove the critical surface in the experimental research, while pulverized coal flowed spirally under thecritical surface randomly. The results showed that aeration gas had a great effect on mass flow rate andflow stability There existed an appropriate location of aeration gas supply and superficial velocity Gaspressure balance arching would form easile aeration gas supply was too low Flow rate could beincreased and flow stability could be improved by increasing silo pressure. Also increasing silo pressurecould decrease the effect of the location of aeration gas supply and superficial velocity on flow rate andstability and could prevent the formation of gas pressure balance arching.Key words: aeration silo; flow rate: silo pressure; flow stability: flow characteristics它是采用流化盤(pán)等輔助方式在料倉底部對物料進(jìn)行引言流化輸送的一種方法,在燃煤電廠(chǎng)除灰等輸送系統目前粉體氣力輸送方式可以分為稀相和濃相輸上廣泛使用,但它存在流化盤(pán)、閥門(mén)易磨損,輸送送兩大類(lèi)。濃相輸送中普遍使用的是正壓倉式泵,不穩定等問(wèn)題,并且輸送固氣比低12,鑒于流化2006-10-12收到初稿,2006-12-18收到修改稿Received date: 2006-10-12.聯(lián)系人:龔欣。第一作者:鄭利嬌(1982-),女,碩士研Corresponding author: Prof, GONG Xin. E-mail: gongxin@菖金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目Foundation item: supported by the National Basic Research2004CB217702);國家自然科學(xué)基金項目(20576038),Program of China (2004CB217702): the National Natural ScieneFoundation of China (20576038)·2376·化工學(xué)報第58卷倉泵的優(yōu)缺點(diǎn),人們提出流化料倉輸送系統,氣體的關(guān)系,結合對各種操作條件下料倉中粉煤流動(dòng)狀從料倉壁面補氣,對出料口附近物料進(jìn)行松動(dòng),減態(tài)、下料穩定性的觀(guān)察和分析,揭示了粉煤流化料少或消除顆粒間和顆粒與壁啣間的摩擦力,使它像倉下料的流動(dòng)特性和規律。流體一樣向下流動(dòng)下料。20世紀30年代,粉體料倉設計問(wèn)越就引起廠(chǎng)1實(shí)驗裝置及方法人們的重視。粉體料倉設計主要包括兩方面的設1.1實(shí)驗裝置計:結構強度設計和功能設計。結構強度設計主要實(shí)驗裝置流程圖見(jiàn)圖1。實(shí)驗裝置的主要組成是保證倉壁不致在各種載荷作用下開(kāi)裂。功能設計有:流化料倉、接料罐、布袋除塵器、空氣壓縮主要集中在各種粉體物料的物理和力學(xué)特性、料倉機、空氣干燥機、氣體流量計、稱(chēng)重傳感器、壓力下料時(shí)倉內物料的流動(dòng)狀態(tài)、下料流率及倉壁材料傳感器、閥門(mén)、煤氣表特性和料倉機構等對下料的影響。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的研究,在這兩方面都取得了許多有價(jià)值的實(shí)驗及理論成果10。但實(shí)際生產(chǎn)操作中料倉鼠洞流、下料不穩定、堵塞、噴流等現象仍然沒(méi)有得到有效解決。為了使粉體物料在料倉里能穩定下料,氣體流化方法是一種有效方法,它一方面能避免機械方法(例如振動(dòng))帶來(lái)的噪聲、磨損等操作問(wèn)題,另一方面它使下料流率能得到調節控制。它是對出料口附近粉體進(jìn)行松動(dòng),最終粉體在自身重力作用下向下流動(dòng)下料。流化料倉研究始于Jonk,他實(shí)驗發(fā)現流化氣對粉體料倉下料有很大的促進(jìn)作用; Ouwerkerk等1對料斗錐部?jì)商幯a氣位置進(jìn)行實(shí)驗比較,提圖1實(shí)驗流程出補氣位置越高,下料流率越大;Du等1發(fā)現料Fig 1 Schematic diagram of experiment system倉壓力越高,下料流率越大;馬恩祥等在高爐1-air compressors 2-eir drier: 3-gas distributors噴煤系統采用對料斗錐部流化補氣材料進(jìn)行研究,他們發(fā)現采用金屬粉末冶金材料作為補氣材料具7-dust-remover &-weighing cell+9-aeration bunker: 10-valve有流化效果好、強度高、耐磨性好等特點(diǎn)。但流化料倉補氣位置及其不同組合條件下氣速對下料實(shí)驗輸送載氣為經(jīng)過(guò)壓縮機加壓和干燥機干燥的影響,以及流化料倉內物料的流動(dòng)特性卻研究的空氣,可從氣體分配器引出多股氣流供實(shí)驗的不得很少。同需求。首先,以稀相輸送方式,把接料罐中的粉粉體物料既有固體物料的特性又具有液體物料煤自下而上返送到有機玻璃料倉內,以備料倉下料的一些性質(zhì),粉體料倉下料不像液體儲罐下料那么實(shí)驗之用。料倉下料實(shí)驗開(kāi)始前,先調整好相應氣簡(jiǎn)單,物料特性對其影響非常復雜但十分重要,不路的流量、料倉操作壓力,然后開(kāi)啟料倉底部閥同的物料下料規律不能互相套用,對于工業(yè)應用特門(mén),下料過(guò)程隨即開(kāi)始,粉煤在輸送載氣的作用下定的物料,都需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗研究。粉煤作為一種重從流化料倉底部出口下料,進(jìn)入到接料罐內。在下要的工業(yè)燃料,其料倉下料的應用十分廣泛,但對料過(guò)程中,通過(guò)計算機采集系統在線(xiàn)記錄相應的過(guò)其下料過(guò)程機理與規律的研究報道卻甚少,加之煤程參數,同時(shí)透過(guò)透明的有機玻璃料倉,觀(guān)察、記種的多樣性更增加了研究難度。本文以北宿煙煤為錄其下料狀態(tài)和各種流動(dòng)現象。下料和返料過(guò)程中物料介質(zhì),設計了一套帶短距離輸送管的有機玻璃攜帶粉煤的載氣經(jīng)過(guò)布袋除塵器過(guò)濾后排人大氣料倉下料系統。料斗段有3個(gè)流化補氣位置,在不整個(gè)實(shí)驗裝置為循環(huán)封閉系統,無(wú)粉塵污染。同補氣位置下進(jìn)行粉煤下料實(shí)驗研究,考察流化氣流化料倉的結構示意圖見(jiàn)圖2。流化料倉的主補氣位置、流化氣表觀(guān)氣速、料倉壓力與下料流率要特點(diǎn)如下:(1)料倉為有機玻璃料倉,便于觀(guān)察第9期鄭利嬌等:粉煤在流化料倉中的下料特性2377料倉內粉煤的流動(dòng)狀態(tài);(2)流化料倉分為上部筒在臨界面上方的筒倉段,粉煤以平穩的柱塞流倉段和下部料斗段,筒倉內徑為560mm,料斗半向下流動(dòng),基本上不會(huì )發(fā)生中心凹陷或局部塌陷等錐角為15°,出口直徑為40mm;(3)下部料斗段現象。煤層上方很平靜,基本保持下料初始狀態(tài),有3個(gè)位置補氣,分別稱(chēng)A、B、C流化氣,可以偶爾會(huì )有幾個(gè)小孔向外冒氣,如圖3形成不同的組合進(jìn)行補氣;(4)流化料倉上部設置充壓管,用以料倉充壓和維持下料過(guò)程的壓力,出口下方有一小段內徑為40mm輸送管道,使得下料更加接近L業(yè)應用hopper圖3簡(jiǎn)倉段粉煤流動(dòng)狀態(tài)Fig 3 Discharge of pulverized coal from bin圖2流化料倉在臨界面下方,料倉里粉煤會(huì )發(fā)生螺旋向下流Fig. 2動(dòng)現象,料斗里粉煤除了具有徑向速度外,還有切1.2實(shí)驗物料向速度,旋轉的方向是隨機變化的,如圖4,在t固體物料為粉煤,其物性見(jiàn)表1,載氣由空氣時(shí)刻粉煤都朝M點(diǎn)流動(dòng),經(jīng)過(guò)幾秒后,粉煤可能壓縮機提供,壓縮空氣處于室溫,實(shí)驗中流化補氣朝N點(diǎn)處流動(dòng)。當煤粉朝M點(diǎn)或N點(diǎn)流動(dòng)時(shí),就量范圍為0~9m3·h-1會(huì )發(fā)現該點(diǎn)處的粉煤料位相對最低,粉煤下得最快。阪口秀等曾看到料倉內物料呈左右交互式表1實(shí)驗粉煤物性流動(dòng),這種流動(dòng)現象與本實(shí)驗的流動(dòng)狀態(tài)很相似Table 1 Physical properties of experimental pulverized coal研究還發(fā)現安裝改流體的料倉里會(huì )出現切向運動(dòng),Bulk Particle Angle of Moisture Internal并且下料穩定性會(huì )從不穩定變得穩定。由于細粉煤density densitycontent容易黏附在壁面上,煤層滑動(dòng)過(guò)后都會(huì )在料倉壁面/m/kg·m3/kg·m./()/%anke/()上留下煤層旋轉過(guò)后的軌跡,見(jiàn)圖465565140044.53.035.6然而,當煤層下降到一定的料位時(shí),或者流化氣速足夠大,流化氣體會(huì )向上穿透煤層,夾帶著(zhù)大13實(shí)驗方法量粉煤騰涌冒氣,之后一直像噴泉一樣冒氣,如圖采用氣體質(zhì)量流量計控制、計量各氣路氣量,5,甚至整個(gè)床層就像液體一樣晃蕩流動(dòng)。流化氣壓力傳感器測定流化料倉和接料罐的壓力,稱(chēng)重傳補氣位置越高,氣量越大,越容易出現騰涌現象。感器稱(chēng)量接料罐粉煤下料累計量,各數據均通過(guò)計在騰涌劇烈的工況下,煤粉螺旋下料現象就會(huì )算機實(shí)時(shí)顯示采集。用目測或攝像機拍攝下料過(guò)程消失中料倉中粉煤流動(dòng)狀態(tài)同時(shí)經(jīng)過(guò)細致觀(guān)察并進(jìn)行拍攝發(fā)現,當流化補2實(shí)驗結果及討論氣位置很低,補氣范圍窄(例如僅C流化氣補氣下料),氣量足夠大時(shí),就容易在料倉補氣位置附2,1料倉里粉煤流動(dòng)狀態(tài)近形成氣壓平衡拱。目前為止對氣壓平衡拱的實(shí)驗在料倉里對不同的流化補氣位置進(jìn)行組合實(shí)研究報道很少1)。形成氣壓平衡拱后,在從料倉驗,觀(guān)察料倉里粉煤的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗觀(guān)察發(fā)現,出口到拱之間的空間幾乎是空的,只有少量粉煤不在筒倉段和料斗段連接處上方存在一個(gè)臨界面,臨連續地從上部料層中落下。實(shí)驗發(fā)現氣壓平衡拱界面上、下部位出現兩種截然不同的流動(dòng)狀態(tài)般在補氣口的下方初步生成,這時(shí)的拱是一個(gè)動(dòng)態(tài)2378化第58卷圖5騰涌冒氣狀態(tài)∴∵F,,圖6氣壓平衡拱Fig 6 Gas balanced arching圖4煤層旋轉運動(dòng)圖7氣壓平衡拱存在時(shí)稱(chēng)重累計曲線(xiàn)Fig 4 Volution flow of coal bedFig 7 Weighing curve when arching exists拱,它是隨時(shí)塌陷、瞬即生成這樣一個(gè)交替過(guò)程,的拱,下料就非常困難,這可能是因為氣壓平衡拱見(jiàn)圖6,由此產(chǎn)生的下料流率變化從稱(chēng)重累計曲線(xiàn)的存在促使了粉煤顆粒之間形成架橋,轉化成黏性也可以反映出來(lái),如圖7。有時(shí)拱的位置會(huì )慢慢上拱,使得拱不能自我塌陷。實(shí)驗發(fā)現,氣壓平衡拱移,而后由于拱的跨度的增加,拱應力平衡破壞,的產(chǎn)生與補氣位置、補氣氣量有關(guān),補氣位置越使得拱塌陷。但有時(shí)隨著(zhù)拱的加固,形成一個(gè)穩定低,氣量越大,越容易產(chǎn)生。因為氣量越大,局部第9期鄭利嬌等:粉煤在流化料倉中的下料特性2379·壓力越高,補氣位置越低,拱的跨度越小,拱越容易形成。 Takeshita等16曾在出料口下方的輸送管s ABC道進(jìn)行補氣下料實(shí)驗,發(fā)現隨著(zhù)補氣量增大,下料流率逐漸減少,并最終停止下料,這種現象的原因可能是產(chǎn)生了氣壓平衡拱。一般情況下,破氣壓平4000衡拱的方法有采用降低流化氣量或把料倉出口設計成一個(gè)不對稱(chēng)出口。在本實(shí)驗發(fā)現提高料倉壓力是一個(gè)更有效的方法,它在有效破拱的同時(shí)極大地提高下料流率J×10/ms2.2流化氣對料倉下料流率的影響圖8常壓料倉里不同補氣位置下W與v的關(guān)系關(guān)閉料倉出口球閥,料倉不下料時(shí),補入料倉Fig 8 Relation of w and V at different的流化氣會(huì )穿透煤層形成向上的氣流。打開(kāi)出口球aeration position in silo with no pressure閥,下料開(kāi)始時(shí),向上流動(dòng)的流化氣有一小部分穿倉里一般只有料斗錐部即出料口附近局部粉煤被有透煤層,大部分氣體被逆向流動(dòng)的粉煤改變方向,效流化,而其他部位粉煤基本保持原狀,輸送過(guò)程隨同粉煤流出料倉。流化氣的作用是使料倉出口上中管道粉煤固氣比非常高,在350~600kg·m2方小范圍內的粉煤處于流化松動(dòng)狀態(tài),減少粉煤顆范圍內。流化氣速達到一定程度,使得出料口附近粒之間及粉煤與料倉壁面之間的摩擦力,增加粉煤的粉煤處于一個(gè)最佳流化狀態(tài)時(shí),料倉的下料流率的流動(dòng)性。流化氣能改善下料穩定性,提高下料流達到最大率。實(shí)驗表明,下料流率提高的程度與流化氣位置23流化料倉下料穩定性及流化氣體在料倉里的表觀(guān)氣速V有關(guān)。V=觀(guān)察與測量顯示,當以ABC、AB、BC補氣Q/s,其中Q為流化氣體氣量,S為筒倉段橫截方式10.0068m,s或V<0.008m·s煤在常壓料倉里的下料流率隨著(zhù)ⅴ增加而增加時(shí),下料過(guò)程變得不夠穩定,成為一個(gè)變流率過(guò)達到一個(gè)最大值后,隨著(zhù)V進(jìn)一步增加,下料流程,如圖9(b)。流化氣位置對下料穩定性的影響率降低。當V很小時(shí),V微小的增加都能極大提表現為如果其位置不合適,會(huì )出現下料停頓等現高下料流率。當V比較大時(shí),不同補氣位置下的象,如圖9(c)。結合圖8可以看出,補氣位置組下料流率都有降低,降低的程度與流化氣補氣位置合對下料的影響是非常大的,補氣的范圍越大、越有關(guān)。除了ABC位置補氣方式,在其他3個(gè)補氣均勻,下料越穩定,下料流率越大。也就是說(shuō)料斗方式下,當V大于0.0068m下料流率都急錐部位置的粉煤流化質(zhì)量越好,下料效果越好。盡劇下降,特別是僅在C補氣位置補氣,V≥0.0035管高氣體表觀(guān)氣速可以使得更多范圍內的粉煤處于m·s-時(shí),下料速度從約7000kg·b降到200流化狀態(tài),并且得到高質(zhì)量的流化效果,但由于下kg·h以下。在這個(gè)條件下,前面所描述的氣壓料過(guò)程中,粉煤的整體流動(dòng)方向向下,與部分向上平衡拱就開(kāi)始產(chǎn)生流動(dòng)的氣流呈逆向流動(dòng),若向上流動(dòng)這股氣體速度從圖8還可以看出,4個(gè)補氣位置組合優(yōu)劣的太高,會(huì )使得整個(gè)床層處于流化態(tài),那就會(huì )出現節順序為ABC>BC>AB>C,在相同的流化氣速涌、溝流、帶出,甚至鼓泡床,反而對下料起阻礙下,下料流率最大的為ABC補氣方式,最小的為作用,導致下料不穩定,流率降低。C補氣方式。當料倉內流化表觀(guān)氣速ⅴ為0.0028粉煤料倉下料穩定性好壞和下料速度快慢是同下料流率大于8000kg·h-步的。下料的穩定性直接影響下料流率大小,穩定并且在相同的流化氣速下達到最大下料流率。這可性不好,下料流率會(huì )降低能是因為流化料倉里粉煤的流化與石油催化裂化及24料倉壓力的作用循環(huán)流化床燃燒鍋爐等流化效果有所不同。流化料圖10為料倉AB位置補氣時(shí),保持同一個(gè)流2380學(xué)第58卷1400012000g15060000406080100120P/kPa圖10W與p的關(guān)系Fig 10 Relationship between W and p800ABC400012016020240280320360(b)圖11加壓料倉里不同補氣位置下W與V的關(guān)系Fig 11 Relationship between W and V at different思能提高下料流率。同時(shí)料倉壓力越高,粉煤越容易壓實(shí),容易造成結拱或在管道里堵塞。另外從圖11也可以看出當流化氣速V大于0.0068m3h-1,下料流率略有降低,這與常壓料倉里下料結050100150200250300果一致3結論圖9稱(chēng)重累計曲線(xiàn)Fig9 Curves of mass increment(1)粉煤在流化料倉中的流動(dòng)狀態(tài)與流化氣表觀(guān)氣速有關(guān)。在筒倉段和料斗段連接處上方存在化氣表觀(guān)氣速V,粉煤下料流率W與料倉壓力p個(gè)臨界面,臨界面上、下部位出現兩種截然不同的的關(guān)系。圖11為料倉壓力為13kPa,不同流化氣流動(dòng)狀態(tài)。在臨界面上方呈柱塞型向下流動(dòng),在臨位置補氣時(shí),下料流率W隨著(zhù)V的變化關(guān)系。界面下方分兩種情況,當流化氣量較小時(shí),粉煤呈由圖10可見(jiàn),隨著(zhù)料倉壓力增加,粉煤下料螺旋向下流動(dòng);當流化氣量較大時(shí),料倉內易形成流率大幅度增加,這與之前許多科研者的實(shí)驗結果鼓泡流化床,煤粉像液體一樣晃動(dòng)著(zhù)向下流動(dòng)。相一致,17。從圖11可以看出,當V大于0.0028(2)常壓料倉里粉煤下料流率受流化氣表觀(guān)氣m·s時(shí),加壓料倉里下料流率隨表觀(guān)氣速變化速和流化氣位置雙重影響。最佳流化位置為ABC不大,這說(shuō)明當有一定料倉壓力時(shí),流化氣表觀(guān)氣組合同時(shí)補氣。速V對粉煤下料流率影響很小,可以預見(jiàn)隨著(zhù)料(3)當流化氣補氣位置太低時(shí)容易導致氣壓平倉壓力的增加,其作用會(huì )更小。但是流化氣卻是不衡拱的形成,料倉設計時(shí)要注意這點(diǎn)?？扇∠?在流化氣速小于0.0028m·s-時(shí),下(4)無(wú)論對下料流率還是下料穩定性來(lái)說(shuō),料料流率會(huì )小很多。即使維持很高的料倉壓力,也不倉壓力都是一個(gè)積極作用。它能極大提高下料流第9期鄭利嬌等:粉煤在流化料倉中的下料特性2381·率,同時(shí)改善下料穩定性,減弱流化氣補氣位置及Massimo. On the role and the origin of the gas pressure流化氣表觀(guān)氣速對下料的影響力。料倉壓力是一種gradient in tI阻止氣壓平衡拱產(chǎn)生的有效方法。Chemical engineering Science, 2003, 58, 5269-5278[10] Rathbone T, Nedderman R M, Davidson J F. AerationReferencesdeaeration, and flooding of fine particles, ChemicalEngineering Science, 1989, 42(4): 725-736[1] Huang Biao. Gas Conveying(氣力輸送). Shanghai:[1 Ouwerkerk C Edischarge of fine dilating powders. Powder Technology[2] Cheng Keqin(程克勤), Chen Hongxun(陳宏勛).Gas1992.72:241-253Conveying Apparatus(氣力輸送裝置). Bejing;[121DusW, Liu T c. A rate model for the discharge ofMechanical Industry Press,pulverized coal from a pressuried aeated-tank. Powder[3] Li Zhiyi(李志義), Wang Shulan(王淑蘭),Din丁信偉). The distribution of pressure in the[13] Zhou Jiangan(周建剛), Shen Yishen(擾顧身),MaChemical Powder Engineering design(化工粉體T程設niAng(馬崽祥). Technology of Powder High Density計),199,3:1120Pneumatic Conveying and Control and Distribution(粉體高[4] Donsi G, Ferrari G. 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