某電廠生物質(zhì)粉末氣力輸運系統(tǒng)設(shè)計研究

王鋒，張志遠，高健，肖恒，李剛，張勇

（1.國能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262700；2.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264006）

隨著我國近幾十年來氣力輸運裝置的迅速發(fā)展，氣力輸運逐漸成為粉粒狀物料輸運的主要形式。生物質(zhì)粉末通過氣力輸運系統(tǒng)送入爐膛進行直接燃燒，可以提高爐膛燃燒效率及燃燒溫度，與煤摻燒能減小爐膛灰沉積，降低NOX的排放等優(yōu)點。生物質(zhì)粉末相對于煤粉有黏度大、密度小、松軟且易吸濕等不同的物理性質(zhì)，在受到未經(jīng)干燥的空氣進行氣力輸運時，容易貼附在管路壁面導(dǎo)致管路堵塞。結(jié)合生物質(zhì)粉末特有性質(zhì)，本文設(shè)計了適用于某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)，以便較好地解決某電廠生物質(zhì)粉末輸送問題，保證后續(xù)良好的燃燒工況。

1 某電廠生物質(zhì)粉末氣力輸運系統(tǒng)分析

某電廠所涉及的生物質(zhì)粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等問題。為了保證輸送生物質(zhì)粉末的連續(xù)穩(wěn)定性，設(shè)計一種針對某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)。

1.1 基礎(chǔ)信息

生物質(zhì)粉末的物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 物料參數(shù)

該生物質(zhì)粉末氣力輸運系統(tǒng)是由生物質(zhì)儲倉至鍋爐燃燒器的正壓氣力輸送系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。

表2 輸送系統(tǒng)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)參數(shù)計算

生物質(zhì)粉末氣力輸運系統(tǒng)主要參數(shù)為生產(chǎn)率Gs、混合比μ、輸送氣流速度v、輸送風(fēng)量Q、管道直徑D、系統(tǒng)壓降△p總以及風(fēng)機功率P等。

（1）生產(chǎn)率Gs。生產(chǎn)率作為設(shè)備選型的主要因素，由工程需要的年度輸送量進行計算?？紤]整個氣力輸運裝置的供料情況，后續(xù)檢修時可能出現(xiàn)的其他情況等，一般需要為生產(chǎn)率增加一定的設(shè)計裕量 0α，0α一般在1.05～1.20，由工程設(shè)計經(jīng)驗選取 0α為1.1。綜合上述各因素，Gs為6875kg/h。

（2）混合比μ?；旌媳圈淌侵竼挝粫r間內(nèi)所輸送物料質(zhì)量與氣體質(zhì)量之比，用下式表示。

式中，μ為混合比，kg/kg；G0為氣體質(zhì)量流量，kg/h。

混合比增大有利于提高輸送能力，所以混合比越大越經(jīng)濟。但是，當(dāng)混合比增大后，阻力損失也會增大，輸料管道容易產(chǎn)生堵塞。低真空度時，μ一般為0.1～8.0；高真空度時，μ在8～20。根據(jù)本裝置的輸送距離、生物質(zhì)粉末的物料性質(zhì)、管路布置及氣流輸送速度等因素，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，取混合比μ=3。

（3）輸送物料的氣流速度ν。輸送物料的氣流速度太低會使阻力系數(shù)增大，導(dǎo)致摩擦阻力增高。氣流速度過高不但浪費能量，也會使物料粉末對管壁的沖擊、碰撞加劇而引起物料破碎加劇。因此，輸送物料的氣流速度要有一個最有利的經(jīng)濟速度。

由于本次的輸送速度無實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)可作為依據(jù)，所以按以下經(jīng)驗公式進行估算。

式中，ν為氣流速度，m/s；1α為輸送物料的粒度系數(shù)；mρ為物料密度，t/m3；β為特性系數(shù)，β=（2～5）×10-5；L為輸送管當(dāng)量長度。

結(jié)合項目經(jīng)驗，1α取12，β取3×10-5，當(dāng)量長度L為374m，計算出輸送物料的氣流速度為13.16m/s，取25m/s。

（4）輸送風(fēng)量Q。在溫度20℃，常壓狀態(tài)，相對濕度50%工況下，輸送物料所需要的有效風(fēng)量稱為輸送風(fēng)量Q，其計算公式為：

式中，0Q為常壓狀態(tài)下20℃時輸送風(fēng)量，m3/h；0ρ為常壓狀態(tài)下20℃時氣體密度，空氣為1.2kg/m3。

根據(jù)（3）式進行輸送風(fēng)量Q的計算，在常壓、溫度20℃狀態(tài)下輸送風(fēng)量Q為1651m3/h。在實際情況下，輸送系統(tǒng)存在一定的漏風(fēng)，因此，在選擇風(fēng)機時需要增加一定的裕量。增加的裕量一般在10%～20%，即裕量系數(shù) 2α=1.1～1.2。該系統(tǒng)中，風(fēng)機裕量系數(shù) 2α=1.15，風(fēng)機的輸送風(fēng)量為1898.65m3/h。

（5）輸送管道直徑D。按所需要的空氣量計算輸送管道內(nèi)徑，不需要考慮漏損系數(shù)，如下式所示：

式中，D為輸送直徑，m；Q為某壓力、溫度狀態(tài)下的計算氣體體積流量，m3/h。

在該裝置中，管道輸送終端壓力為2kPa，管道輸送終端流量為1619.03m3/h。由上式計算出輸送管道內(nèi)徑D為151.38mm，按小于計算值選標準，管內(nèi)徑取D=143mm。

（6）系統(tǒng)壓降△p總。由于被輸送的物料和空氣在管道中運動時會產(chǎn)生一定的阻力，因此，氣力輸送過程需要一定的能量。目前，多采用經(jīng)驗公式對氣力輸送設(shè)計中的阻力進行計算。

①水平輸料管中的阻力△P平。物料粉末間的相互摩擦、碰撞以及空氣和物料在運輸過程中沿管壁的摩擦造成了水平輸料管中的阻力△P平。

△P平采用以下經(jīng)驗公式進行計算：

式中，平PΔ 為氣體和物料在直管運動的阻力，Pa；沿PΔ 為純氣體沿直管運動的阻力，Pa；K為由實驗確定的阻力系數(shù)，與氣流速度、物料粉末形狀大小、物理性質(zhì)及管徑等有關(guān)。

某電廠生物質(zhì)粉末輸運管道由母管和支管組成。各管道水平段阻力計算結(jié)果，如表3所示。

表3 各管道水平段阻力

該系統(tǒng)各管道的風(fēng)量為2.95～25.27m3/min，風(fēng)速為17.41～30.25m/s。其中，母管水平段最長為225m，導(dǎo)致母管阻力最大為24.01kPa。

②垂直輸料管中的阻力。在垂直輸料管中的阻力，包括空氣和物料的沿程阻力損失和物料懸浮提升阻力，采用公式（6）和公式（7）進行計算：

式中,Δ垂P為物料在垂直輸送管道中阻力，Pa；氣υ為垂直管氣流速度，m/s；Δ升P為物料懸浮提升產(chǎn)生的阻力，Pa；K為阻力系數(shù)；h為垂直管提升高度，m；物υ為垂直管中物料粉末處在穩(wěn)定運動時的速度，近似取

某電廠生物質(zhì)粉末輸運管道只有母管存在垂直段，垂直段長度為30m，母管流量為1367.41m3/h，母管速度為23.66m/s，母管直徑為143mm，物料懸浮提升產(chǎn)生的阻力Δ升P為1.65kPa，垂直段沿程阻力為2.6kPa，經(jīng)過計算，得到母管垂直段阻力為4.28Pa。

③起動時的阻力。在物料由供料處進入輸送系統(tǒng)過程中，物料的速度由0m/s達到穩(wěn)定速度需要消耗一定的氣流流量，因此，物料起動時會產(chǎn)生一定阻力。

壓送式啟動阻力，按下式計算：

式中，Δ起P為物料起動壓力，Pa；0β為起動阻力系數(shù)，β0=（υ物υ氣）2；υ氣為進料口氣流速度，在水平管中υ物=（0.7～0.85）υ氣m/s；ρ氣為進料口氣體密度，kg/m3。

物料起動時的阻力Δ起P=（3×0.64×1.52×20.492）/2/1000=0.614kPa。

④彎頭等管件處的阻力。當(dāng)空氣和物料的粉末流通過彎管時，運動方向發(fā)生變化，因慣性力及離心力作用，彎管處受沖擊、摩擦，物料在管道斷面上會重新分布和運動，引起很大的阻力。這些阻力可用下式計算：

式中，Δ彎P為彎管中的阻力，Pa；彎ξ為彎管阻力系數(shù)（純空氣用）；氣ρ為彎管進口處的空氣密度，kg/m3；氣υ為彎管進口處的氣流速度，m/s；K彎為彎管阻力系數(shù)（兩相流用）。

彎ξ為取0.083，彎管處的平均流速為22m/s，K彎為取2.5，經(jīng)過計算得到彎管阻力為3.3kPa。各管道彎管阻力如表4所示。

表4 各管道彎管阻力

彎管阻力與彎頭數(shù)量呈正相關(guān)，即彎頭數(shù)量越多，彎管阻力越大。支管3-1至3-8的彎頭數(shù)量最多為4，因此，彎管阻力最大為1.02kpa。

⑤總阻力?？傋枇κ侵赶到y(tǒng)的母管和各支管產(chǎn)生的所有阻力，即

（7）風(fēng)機功率P。羅茨風(fēng)機流量為1651×2=3302m3/h，選用功率為63.5kW的羅茨風(fēng)機。

2 結(jié)語

結(jié)合某電廠的生物質(zhì)粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等性質(zhì)，設(shè)計了一種針對某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)。通過對某電廠工程要求的年度輸送量計算出生產(chǎn)率Gs為6875kg/h。根據(jù)設(shè)計手冊，進一步計算出該系統(tǒng)各管道的風(fēng)量為2.95～25.27m3/min，風(fēng)速為17.41～30.25m/s。系統(tǒng)總阻力為65.93kPa。配置一臺63.5kW的羅茨風(fēng)機為該系統(tǒng)提供動力。該系統(tǒng)保證了某電廠的生物質(zhì)粉末連續(xù)穩(wěn)定輸運，確保了后續(xù)鍋爐穩(wěn)定燃燒。