粉煤灰干式充填氣力輸送實驗研究

李曉鵬，張東峰

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024)

1 氣力輸送技術研究現(xiàn)狀

氣力輸送技術以其效率高、成本低、操作簡便等優(yōu)點得到了各國青睞。食品、制藥、塑料、化工、水泥、陶瓷及金屬等工業(yè)部門已普遍采用這一方法來輸送不同顆粒的物料。當前，除了某些黏附性很強的物料外，生產(chǎn)中物料的倒倉、運輸、供料及計量等工序需輸送粉狀物料時，普遍使用氣力輸送技術進行輸送。而經(jīng)過多年持續(xù)改進，使用該方法的系統(tǒng)性和可靠性都為業(yè)界所一致推崇［1－2］。

但是，就目前理論研究還處于起步階段［3］的復雜的二相流動氣力輸送而言，由于沒有成熟的理論指導，導致各相關方面，特別是煤礦的應用實例較少。針對不同應用背景下的氣力輸送方法，最可靠的還是從實驗中探討得出。

2 氣力輸送實驗方案

2.1 粉煤灰性質

實驗選擇粉煤灰作為輸送物料。粉煤灰是燃煤電廠生產(chǎn)過程中排出的固體廢料，是煤炭經(jīng)過燃燒后形成的細灰。表1為實驗用粉煤灰測試數(shù)據(jù)。

表1 實驗用粉煤灰測試數(shù)據(jù)

2.2 實驗系統(tǒng)

實驗采用的是正壓濃相倉式泵氣力輸送系統(tǒng)［4］。該系統(tǒng)具有結構簡單堅固、密封性能好、輸送能力強、輸送距離長等優(yōu)點。系統(tǒng)主要由氣源動力系統(tǒng) (1－6)、進料－混合－加速系統(tǒng) (7－17，20)、管道輸送系統(tǒng) (19，21－24)、氣固分離系統(tǒng)(18)、測量監(jiān)控系統(tǒng) (7，9，11，14，19，23)及控制系統(tǒng)等組成。圖1為氣力輸送實驗系統(tǒng)圖。

本實驗采用以下設備:FHOG－150A型單螺桿空氣壓縮機 (容積流量為20m3/min，排氣壓力為0.75MPa)1臺;儲氣罐 (容積為10m3，工作壓力為0.8MPa，負責向進氣閥組、料倉氣化裝置和庫頂收塵器供氣)1個;配置為DN100(φ114m× 300m)、DN125(φ140mm ×400m)、DN150 (φ168mm×300m)逐級變徑，輸送總長度為1000m的輸送管道1條;氣源壓力變送器21臺，發(fā)送單元壓力變送器1臺，管道壓力變送器1臺;料位計2臺;稱重儀 (重力傳感器)1臺;溫度傳感器1臺;氣體流量計1臺;固體流量計2臺以及電容層析成像測試系統(tǒng)(ECT)2套。

圖1 氣力輸送實驗系統(tǒng)

2.3 實驗描述

通過對系統(tǒng)在不同輸送狀態(tài)下的相關參數(shù)的觀測及對相關數(shù)據(jù)的分析和處理，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)中的普遍規(guī)律，確定輸送過程中的最優(yōu)參數(shù)及最佳系統(tǒng)配置。實驗主要參數(shù)為輸送距離、進氣量和輸送壓力。實驗選擇的參量分別對應200m，400m，600m的輸送距離，進氣孔為恒定的 45mm，壓力為100kPa，120kPa，140kPa，160kPa，180kPa，200kPa的條件下分別進行，并記錄數(shù)據(jù)。另外，實驗使用ECT系統(tǒng)對實驗過程進行實時監(jiān)測，以驗證實驗結果。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 開泵壓力對系統(tǒng)出力的影響

實驗中系統(tǒng)出力是指在一定的輸送距離下，氣力輸送系統(tǒng)能夠輸送多少粉煤灰，用m表示，單位為t/h。將每組實驗中3次實驗的出庫灰量的平均值作為每次運行工況的固體質量，根據(jù)每次實驗運行的時間，計算出每小時運行次數(shù)，其與累計流量的乘積即為本工況下的系統(tǒng)出力。

圖2所示為進氣量為45mm孔即系統(tǒng)位于高速區(qū)時，在不同輸送距離情況下，開泵壓力與系統(tǒng)出力的變化曲線。由圖2可知，輸送長度為200m時，出力最大，最大可達到14.66t/h;隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)出力在一定范圍內波動，但基本保持不變。輸送長度為400m時，出力處于中間水平，波動較小，輸送穩(wěn)定。輸送長度為600m時，出力最小，隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)出力呈逐漸減小的趨勢。

圖2 開泵壓力與系統(tǒng)出力的關系

3.2 開泵壓力對料氣比的影響

實驗中系統(tǒng)的料氣比是指在一定的輸送距離下，系統(tǒng)輸送的固體的質量流量與消耗的氣體的質量流量之比，用μ表示，單位為kg/kg。料氣比反映了系統(tǒng)輸送的能力和效率。

圖3所示為進氣量為45mm孔即系統(tǒng)位于高速區(qū)時，在不同輸送距離情況下，開泵壓力與料氣比的變化曲線。由圖3可知，輸送長度為200m時，料氣比最大，最大值可達21.42kg/kg，隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)料氣比呈波浪式增加的趨勢。輸送長度為400m時，隨著開泵壓力的增大，料氣比有增大的現(xiàn)象并在出現(xiàn)了峰值后減小，與系統(tǒng)出力圖變化趨勢相似，仍是輸出穩(wěn)定，其料氣比大于輸送長度為600m時的料氣比。輸送長度為600m時，料氣比最小，隨著開泵壓力的增大，料氣比有增大的趨勢并出現(xiàn)了峰值后減小的趨勢。這是由于在400m時，在各種耦合條件下，稀相達到了穩(wěn)定。也可推斷出在200m時為不穩(wěn)定的稀相，600m為向濃相的過度階段，數(shù)據(jù)有跳躍現(xiàn)象。

綜合圖2，圖3可知，開泵壓力對出力、料氣比的影響不大。

3.3 壓降的變化規(guī)律

圖4為通過調節(jié)進氣管道的長度 (分為3種情況)，在不同的開泵壓力下管道壓降的變化曲線。由圖4可知，在相同的輸送長度下，系統(tǒng)壓降值隨著開泵壓力值的增大而增大 (個別情況下會出現(xiàn)誤差)且在140kPa的開泵壓力下壓降值最小;而在相同的開泵壓力值下，減小輸送長度使得管道壓降降低，增大輸送長度使得系統(tǒng)壓降增高。這與理論系統(tǒng)的管道壓降是一致的。

圖3 開泵壓力與料氣比的關系

圖4 開泵壓力與壓降的關系

因此，通過減少輸送距離可以減小輸送過程中的系統(tǒng)壓降，提高工作效率。

3.4 氣體表觀速度對單位壓降的影響

圖5為輸送距離200m時，不同的開泵壓力Pr下單位壓降與氣體表觀速度的關系。

圖5 單位壓降與氣體表觀速度的關系

由圖5可以分析出氣力輸送中相態(tài)，即可確定經(jīng)濟流速線。圖5中只有在開泵壓力為120kPa時出現(xiàn)了拐點，即經(jīng)濟速度點;在其他的開泵壓力下都是上升的平滑曲線，都處于稀相，沒有經(jīng)濟速度點。

對于不同距離下的氣力輸送系統(tǒng)，氣固兩相流的流動差異變化較大，各自的流動規(guī)律均不能在所有的情況下通用，需要獨立分析和研究。

因此可以確認:在輸送距離為200m的情況下，系統(tǒng)的料氣比、出力較大，并且系統(tǒng)的壓力損失較小，是理想的輸送長度。

3.5 電容層析成像系統(tǒng) (ECT)監(jiān)測分析

3.5.1 電容層析成像系統(tǒng)

采用電容層析成像系統(tǒng)在氣力輸送系統(tǒng)內部流態(tài)復雜多變，常規(guī)的測量方法只能對流速、密度和壓力進行測量。利用電容層析成像技術對實驗全程進行實時監(jiān)測，可更多地了解氣固兩相流中各相分布的具體情況，特別是管道內部流態(tài)的實時變化及測量［5］。實驗共布置ECT系統(tǒng)2套，分別位于距離發(fā)送器約150m處的DN100管道上部和約350m處的DN125管道上部。該系統(tǒng)一方面可以實時觀察和監(jiān)控DN100和DN125管道內的氣固兩相流流動狀態(tài)，并通過圖像分析系統(tǒng)的運行分析相關特征和規(guī)律;另一方面可對管道內的固相含率β(固相含率，是指在管道截面內固相所占的比率，是衡量輸送效率的一個重要指標)進行測量，并分析相關運行規(guī)律。圖6為ECT系統(tǒng)的基本結構，主要包括電容陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)3個部分［6］。

圖6 ECT系統(tǒng)結構

固相含率測量原理［7－11］為像素值在像素中對應為等效介電常數(shù)，因此，固相含率可由簡單的平均重建圖像像素值獲得，瞬時橫截面平均固體濃度βs(t)為

式中，gi代表瞬時時刻t下第i平均像素下的灰度值;N代表像素號。

3.5.2 ECT系統(tǒng)監(jiān)測結果分析

3.5.2.1 固相含率分析

根據(jù)固相含率的定義可知:空隙率=1－固相含率，即空隙率的變化規(guī)律與固相含率的變化規(guī)律恰恰相反。

圖7為DN100 ECT傳感器截面1和截面2的固相含率隨時間的變化曲線。由圖7可知，2個截面的固相含率變化趨勢基本相同，僅在局部數(shù)值上有一定差異。這是由于兩截面相距僅160mm的緣故。曲線整體變化較為平穩(wěn)，趨勢為由0到最大值，然后保持相對穩(wěn)定，說明此時物料正由管道的始端向末端輸送。輸送開始后，氣固兩相流由發(fā)送器到達傳感器截面1需要約11s。此時，含率值快速增大并逐漸上升。在輸送過程中曲線以波狀變化為主，呈脈動狀。在輸送過程中固相含率值多在0.05～0.15范圍內波動，偶爾出現(xiàn)峰值，其最大值接近0.3，波狀流的振幅不大;同時可以看到，固相含率的峰值較為一致，而且上下相差不大，這說明輸送過程穩(wěn)定。

圖7 固相含率與時間的關系

3.5.2.2 實時圖像分析

圖8為縱截面上氣固兩相流隨時間變化的規(guī)律。圖9為橫截面上氣固兩相流的實時濃度分布圖像。

圖8 縱截面上氣固兩相流隨時間變化

圖9 橫截面上氣固兩相流實時濃度

圖9中有每隔25ms截取的一個橫截面圖像，總時間跨度達350ms。兩圖分別從橫、縱截面角度形象地展示了氣固兩相流以波狀流運行狀況。從圖上可看出:固相處于管底，為氣力輸送中的管底流(又稱線條流)，是屬于稀相運輸，這與實驗得出的結論相同。

4 結論

(1)氣力輸送的輸送效率與輸送距離、進氣量、輸送壓力有關。

(2)輸送距離影響料氣比、系統(tǒng)出力、壓力損失。通過改變參量，可得知:200m是最佳的輸送距離，屬于稀相輸送，但效率并非最高。

(3)通過ECT系統(tǒng)對實驗過程的實測監(jiān)測，可測得固相含率為0.05～0.15，最大值接近0.3，波流狀的振幅不大，說明輸送過程穩(wěn)定，并為稀相運輸，與實驗得出的結論相同。

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