粉煤在流化料仓中的下料特性

第58卷第9期化工学VoL 58 No 92007年9月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)研究论文粉煤在流化料仓中的下料特性郑利娇,郭晓镭,代正华,郭云舟,肖为国,黄万杰,龚欣(华东理工大学煤气化教育部重点实验室,上海200237)摘要:在自行设计的有机玻璃流化料仓系统上对粉煤下料过程及其特性进行了实验研究。研究发现,在筒仓段与料斗段连接处上方存在一个临界面。在临界面以上的筒仓段,粉煤以柱塞流形式下料,在临界面以下,粉煤以不定向螺旋运动下料。研究结果表明,料斗下部的流化气对下料稳定性和下料流率有重要影响,存在最佳流化气位置区间和最佳流化气表观气速范围,当流化气补气位置太低,在补气位置附近易形成气压平衡拱。研究还表明,增加料仓压力能提高粉煤下料流率,改善下料稳定性,减弱流化气补气位置及气速对下料的影响,阻止气压平衡拱生成关键词:流化料仓;下料流率;料仓压力;下料稳定性;下料特性中图分类号:TQ022.3文獻标识码:A文章编号: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它是采用流化盘等辅助方式在料仓底部对物料进行引言流化输送的一种方法,在燃煤电厂除灰等输送系统目前粉体气力输送方式可以分为稀相和浓相输上广泛使用,但它存在流化盘、阀门易磨损,输送送两大类。浓相输送中普遍使用的是正压仓式泵,不稳定等问题,并且输送固气比低12,鉴于流化2006-10-12收到初稿,2006-12-18收到修改稿Received date: 2006-10-12.联系人:龚欣。第一作者:郑利娇(1982-),女,硕士研Corresponding author: Prof, GONG Xin. E-mail: gongxin@菖金项目:国家重点基础研究发展计划项目Foundation item: supported by the National Basic Research2004CB217702);国家自然科学基金项目(20576038),Program of China (2004CB217702): the National Natural ScieneFoundation of China (20576038)·2376·化工学报第58卷仓泵的优缺点,人们提出流化料仓输送系统,气体的关系,结合对各种操作条件下料仓中粉煤流动状从料仓壁面补气,对出料口附近物料进行松动,减态、下料稳定性的观察和分析,揭示了粉煤流化料少或消除颗粒间和颗粒与壁啣间的摩擦力,使它像仓下料的流动特性和规律。流体一样向下流动下料。20世纪30年代,粉体料仓设计问越就引起厂1实验装置及方法人们的重视。粉体料仓设计主要包括两方面的设1.1实验装置计:结构强度设计和功能设计。结构强度设计主要实验装置流程图见图1。实验装置的主要组成是保证仓壁不致在各种载荷作用下开裂。功能设计有:流化料仓、接料罐、布袋除尘器、空气压缩主要集中在各种粉体物料的物理和力学特性、料仓机、空气干燥机、气体流量计、称重传感器、压力下料时仓内物料的流动状态、下料流率及仓壁材料传感器、阀门、煤气表特性和料仓机构等对下料的影响。经过长期的研究,在这两方面都取得了许多有价值的实验及理论成果10。但实际生产操作中料仓鼠洞流、下料不稳定、堵塞、喷流等现象仍然没有得到有效解决。为了使粉体物料在料仓里能稳定下料,气体流化方法是一种有效方法,它一方面能避免机械方法(例如振动)带来的噪声、磨损等操作问题,另一方面它使下料流率能得到调节控制。它是对出料口附近粉体进行松动,最终粉体在自身重力作用下向下流动下料。流化料仓研究始于Jonk,他实验发现流化气对粉体料仓下料有很大的促进作用; Ouwerkerk等1对料斗锥部两处补气位置进行实验比较,提图1实验流程出补气位置越高,下料流率越大;Du等1发现料Fig 1 Schematic diagram of experiment system仓压力越高,下料流率越大;马恩祥等在高炉1-air compressors 2-eir drier: 3-gas distributors喷煤系统采用对料斗锥部流化补气材料进行研究,他们发现采用金属粉末冶金材料作为补气材料具7-dust-remover &-weighing cell+9-aeration bunker: 10-valve有流化效果好、强度高、耐磨性好等特点。但流化料仓补气位置及其不同组合条件下气速对下料实验输送载气为经过压缩机加压和干燥机干燥的影响,以及流化料仓内物料的流动特性却研究的空气,可从气体分配器引出多股气流供实验的不得很少。同需求。首先,以稀相输送方式,把接料罐中的粉粉体物料既有固体物料的特性又具有液体物料煤自下而上返送到有机玻璃料仓内,以备料仓下料的一些性质,粉体料仓下料不像液体储罐下料那么实验之用。料仓下料实验开始前,先调整好相应气简单,物料特性对其影响非常复杂但十分重要,不路的流量、料仓操作压力,然后开启料仓底部阀同的物料下料规律不能互相套用,对于工业应用特门,下料过程随即开始,粉煤在输送载气的作用下定的物料,都需要经过实验研究。粉煤作为一种重从流化料仓底部出口下料,进入到接料罐内。在下要的工业燃料,其料仓下料的应用十分广泛,但对料过程中,通过计算机采集系统在线记录相应的过其下料过程机理与规律的研究报道却甚少,加之煤程参数,同时透过透明的有机玻璃料仓,观察、记种的多样性更增加了研究难度。本文以北宿烟煤为录其下料状态和各种流动现象。下料和返料过程中物料介质,设计了一套带短距离输送管的有机玻璃携带粉煤的载气经过布袋除尘器过滤后排人大气料仓下料系统。料斗段有3个流化补气位置,在不整个实验装置为循环封闭系统,无粉尘污染。同补气位置下进行粉煤下料实验研究,考察流化气流化料仓的结构示意图见图2。流化料仓的主补气位置、流化气表观气速、料仓压力与下料流率要特点如下:(1)料仓为有机玻璃料仓,便于观察第9期郑利娇等:粉煤在流化料仓中的下料特性2377料仓内粉煤的流动状态;(2)流化料仓分为上部筒在临界面上方的筒仓段,粉煤以平稳的柱塞流仓段和下部料斗段,筒仓内径为560mm,料斗半向下流动,基本上不会发生中心凹陷或局部塌陷等锥角为15°,出口直径为40mm;(3)下部料斗段现象。煤层上方很平静,基本保持下料初始状态,有3个位置补气,分别称A、B、C流化气,可以偶尔会有几个小孔向外冒气,如图3形成不同的组合进行补气;(4)流化料仓上部设置充压管,用以料仓充压和维持下料过程的压力,出口下方有一小段内径为40mm输送管道,使得下料更加接近L业应用hopper图3簡仓段粉煤流动状态Fig 3 Discharge of pulverized coal from bin图2流化料仓在临界面下方,料仓里粉煤会发生螺旋向下流Fig. 2动现象,料斗里粉煤除了具有径向速度外,还有切1.2实验物料向速度,旋转的方向是随机变化的,如图4,在t固体物料为粉煤,其物性见表1,载气由空气时刻粉煤都朝M点流动,经过几秒后,粉煤可能压缩机提供,压缩空气处于室温,实验中流化补气朝N点处流动。当煤粉朝M点或N点流动时,就量范围为0~9m3·h-1会发现该点处的粉煤料位相对最低,粉煤下得最快。阪口秀等曾看到料仓内物料呈左右交互式表1实验粉煤物性流动,这种流动现象与本实验的流动状态很相似Table 1 Physical properties of experimental pulverized coal研究还发现安装改流体的料仓里会出现切向运动,Bulk Particle Angle of Moisture Internal并且下料稳定性会从不稳定变得稳定。由于细粉煤density densitycontent容易黏附在壁面上,煤层滑动过后都会在料仓壁面/m/kg·m3/kg·m./()/%anke/()上留下煤层旋转过后的轨迹,见图465565140044.53.035.6然而,当煤层下降到一定的料位时,或者流化气速足够大,流化气体会向上穿透煤层,夹带着大13实验方法量粉煤腾涌冒气,之后一直像喷泉一样冒气,如图采用气体质量流量计控制、计量各气路气量,5,甚至整个床层就像液体一样晃荡流动。流化气压力传感器测定流化料仓和接料罐的压力,称重传补气位置越高,气量越大,越容易出现腾涌现象。感器称量接料罐粉煤下料累计量,各数据均通过计在腾涌剧烈的工况下,煤粉螺旋下料现象就会算机实时显示采集。用目测或摄像机拍摄下料过程消失中料仓中粉煤流动状态同时经过细致观察并进行拍摄发现,当流化补2实验结果及讨论气位置很低,补气范围窄(例如仅C流化气补气下料),气量足够大时,就容易在料仓补气位置附2,1料仓里粉煤流动状态近形成气压平衡拱。目前为止对气压平衡拱的实验在料仓里对不同的流化补气位置进行组合实研究报道很少1)。形成气压平衡拱后,在从料仓验,观察料仓里粉煤的流动状态。实验观察发现,出口到拱之间的空间几乎是空的,只有少量粉煤不在筒仓段和料斗段连接处上方存在一个临界面,临连续地从上部料层中落下。实验发现气压平衡拱界面上、下部位出现两种截然不同的流动状态般在补气口的下方初步生成,这时的拱是一个动态2378化第58卷图5腾涌冒气状态∴∵F,,图6气压平衡拱Fig 6 Gas balanced arching图4煤层旋转运动图7气压平衡拱存在时称重累计曲线Fig 4 Volution flow of coal bedFig 7 Weighing curve when arching exists拱,它是随时塌陷、瞬即生成这样一个交替过程,的拱,下料就非常困难,这可能是因为气压平衡拱见图6,由此产生的下料流率变化从称重累计曲线的存在促使了粉煤颗粒之间形成架桥,转化成黏性也可以反映出来,如图7。有时拱的位置会慢慢上拱,使得拱不能自我塌陷。实验发现,气压平衡拱移,而后由于拱的跨度的增加,拱应力平衡破坏,的产生与补气位置、补气气量有关,补气位置越使得拱塌陷。但有时随着拱的加固,形成一个稳定低,气量越大,越容易产生。因为气量越大,局部第9期郑利娇等:粉煤在流化料仓中的下料特性2379·压力越高,补气位置越低,拱的跨度越小,拱越容易形成。 Takeshita等16曾在出料口下方的输送管s ABC道进行补气下料实验,发现随着补气量增大,下料流率逐渐减少,并最终停止下料,这种现象的原因可能是产生了气压平衡拱。一般情况下,破气压平4000衡拱的方法有采用降低流化气量或把料仓出口设计成一个不对称出口。在本实验发现提高料仓压力是一个更有效的方法,它在有效破拱的同时极大地提高下料流率J×10/ms2.2流化气对料仓下料流率的影响图8常压料仓里不同补气位置下W与v的关系关闭料仓出口球阀,料仓不下料时,补入料仓Fig 8 Relation of w and V at different的流化气会穿透煤层形成向上的气流。打开出口球aeration position in silo with no pressure阀,下料开始时,向上流动的流化气有一小部分穿仓里一般只有料斗锥部即出料口附近局部粉煤被有透煤层,大部分气体被逆向流动的粉煤改变方向,效流化,而其他部位粉煤基本保持原状,输送过程随同粉煤流出料仓。流化气的作用是使料仓出口上中管道粉煤固气比非常高,在350~600kg·m2方小范围内的粉煤处于流化松动状态,减少粉煤颗范围内。流化气速达到一定程度,使得出料口附近粒之间及粉煤与料仓壁面之间的摩擦力,增加粉煤的粉煤处于一个最佳流化状态时,料仓的下料流率的流动性。流化气能改善下料稳定性,提高下料流达到最大率。实验表明,下料流率提高的程度与流化气位置23流化料仓下料稳定性及流化气体在料仓里的表观气速V有关。V=观察与测量显示,当以ABC、AB、BC补气Q/s,其中Q为流化气体气量,S为筒仓段横截方式10.0068m,s或V<0.008m·s煤在常压料仓里的下料流率随着ⅴ增加而增加时,下料过程变得不够稳定,成为一个变流率过达到一个最大值后,随着V进一步增加,下料流程,如图9(b)。流化气位置对下料稳定性的影响率降低。当V很小时,V微小的增加都能极大提表现为如果其位置不合适,会出现下料停顿等现高下料流率。当V比较大时,不同补气位置下的象,如图9(c)。结合图8可以看出,补气位置组下料流率都有降低,降低的程度与流化气补气位置合对下料的影响是非常大的,补气的范围越大、越有关。除了ABC位置补气方式,在其他3个补气均匀,下料越稳定,下料流率越大。也就是说料斗方式下,当V大于0.0068m下料流率都急锥部位置的粉煤流化质量越好,下料效果越好。尽剧下降,特别是仅在C补气位置补气,V≥0.0035管高气体表观气速可以使得更多范围内的粉煤处于m·s-时,下料速度从约7000kg·b降到200流化状态,并且得到高质量的流化效果,但由于下kg·h以下。在这个条件下,前面所描述的气压料过程中,粉煤的整体流动方向向下,与部分向上平衡拱就开始产生流动的气流呈逆向流动,若向上流动这股气体速度从图8还可以看出,4个补气位置组合优劣的太高,会使得整个床层处于流化态,那就会出现节顺序为ABC>BC>AB>C,在相同的流化气速涌、沟流、带出,甚至鼓泡床,反而对下料起阻碍下,下料流率最大的为ABC补气方式,最小的为作用,导致下料不稳定,流率降低。C补气方式。当料仓内流化表观气速ⅴ为0.0028粉煤料仓下料稳定性好坏和下料速度快慢是同下料流率大于8000kg·h-步的。下料的稳定性直接影响下料流率大小,稳定并且在相同的流化气速下达到最大下料流率。这可性不好,下料流率会降低能是因为流化料仓里粉煤的流化与石油催化裂化及24料仓压力的作用循环流化床燃烧锅炉等流化效果有所不同。流化料图10为料仓AB位置补气时,保持同一个流2380学第58卷1400012000g15060000406080100120P/kPa图10W与p的关系Fig 10 Relationship between W and p800ABC400012016020240280320360(b)图11加压料仓里不同补气位置下W与V的关系Fig 11 Relationship between W and V at different思能提高下料流率。同时料仓压力越高,粉煤越容易压实,容易造成结拱或在管道里堵塞。另外从图11也可以看出当流化气速V大于0.0068m3h-1,下料流率略有降低,这与常压料仓里下料结050100150200250300果一致3结论图9称重累计曲线Fig9 Curves of mass increment(1)粉煤在流化料仓中的流动状态与流化气表观气速有关。在筒仓段和料斗段连接处上方存在化气表观气速V,粉煤下料流率W与料仓压力p个临界面,临界面上、下部位出现两种截然不同的的关系。图11为料仓压力为13kPa,不同流化气流动状态。在临界面上方呈柱塞型向下流动,在临位置补气时,下料流率W随着V的变化关系。界面下方分两种情况,当流化气量较小时,粉煤呈由图10可见,随着料仓压力增加,粉煤下料螺旋向下流动;当流化气量较大时,料仓内易形成流率大幅度增加,这与之前许多科研者的实验结果鼓泡流化床,煤粉像液体一样晃动着向下流动。相一致,17。从图11可以看出,当V大于0.0028(2)常压料仓里粉煤下料流率受流化气表观气m·s时,加压料仓里下料流率随表观气速变化速和流化气位置双重影响。最佳流化位置为ABC不大,这说明当有一定料仓压力时,流化气表观气组合同时补气。速V对粉煤下料流率影响很小,可以预见随着料(3)当流化气补气位置太低时容易导致气压平仓压力的增加,其作用会更小。但是流化气却是不衡拱的形成,料仓设计时要注意这点。可取消的,在流化气速小于0.0028m·s-时,下(4)无论对下料流率还是下料稳定性来说,料料流率会小很多。即使维持很高的料仓压力,也不仓压力都是一个积极作用。它能极大提高下料流第9期郑利娇等:粉煤在流化料仓中的下料特性2381·率,同时改善下料稳定性,减弱流化气补气位置及Massimo. On the role and the origin of the gas pressure流化气表观气速对下料的影响力。料仓压力是一种gradient in tI阻止气压平衡拱产生的有效方法。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(气力输送). Shanghai:[1 Ouwerkerk C Edischarge of fine dilating powders. Powder Technology[2] Cheng Keqin(程克勤), Chen Hongxun(陈宏勋).Gas1992.72:241-253Conveying Apparatus(气力输送装置). 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(李志义), Wang Shulan(王淑兰),Din丁信伟). The distribution of pressure in the[13] Zhou Jiangan(周建刚), Shen Yishen(扰顾身),MaChemical Powder Engineering design(化工粉体T程设niAng(马崽祥). Technology of Powder High Density计),199,3:1120Pneumatic Conveying and Control and Distribution(粉体高[4] Donsi G, Ferrari G. 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