工业级管道中粉煤浓相流动特性

第58卷第11期化工学报2007年11月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)November 2007研究论文工业级管道中粉煤浓相流动特性肖为国,郭晓镭,代正华,龚欣,郭云舟,郑利娇(华东理工大学煤气化教育部重点实验室,上海200237)摘要:分别以干燥空气和粉煤为输送载气和介质,在39mm工业级水平不锈锯管内进行了浓相气固两相流动特性实验研究。高速摄像仪拍摄到的粉煤流型表明,浓相输送条件下存在分层流。在流化气和调节气协同作用下,工业级管道中的粉煤浓相输送规律与此两路气流流量密切相关,并获得了39mm管径下的粉煤气力输送相图。与管径较小的20mm水平不锈钢管输送结果的比较表明:较大管径条件下,输送压力对粉煤流率的影响更为显著,输送的经济气速相对较高;相同输送通鲋情况下,较大管径的输送单位管长压障低,且输送通量变化引起的单位管长压降变化也较为平缓关键词:粉煤;浓相;工业级管径;气力输送中图分类号:TQ536文献标识码:A文章编号: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引言程的核心技术之一口。国际上商业化的气流床粉煤加压气化技术如 Shell气化技术{2)、 Siemens气化粉煤浓相气力输送技术是粉煤加压气化工艺过技术等均采用较大管径、浓相输送方式将粉煤送01-09收到初槁,2007-04-16收到修改稿Received date: 2007--01-09联系人:龚欣。第一作者:肖为国(1980—),男,碩士研Corresponding author: Prof. GONG Xin. E-mail: gongxin@究生ecust. edu. cn基金项目:国家重点基础研究发展计划项目 Program of China(2004CB217702) and the National Natural(2004CB217702);国家自然科学基金项目(20576038)Science Foundation of China (20576038)2760化学报第58卷入气化炉,其输送管内径约为40~50mm,固气比高达300~500kg·m-3。但是在气固两相流研究领域,针对上述工业规模级的管径、高浓度粉煤送方面的研究却鲜见报道。 Rautiainen等0在192mm管径内进行了低压下稀相输送研究;周建刚等在40mm输送管径内获得了聚苯乙烯和聚710氯乙烯的输送相图;沈湘林等在3.0MPa下,实现了高固气比的粉煤稳定输送,其输送管径为10mm; Geldart等在高压条件下,研究了小管径(6.25、9.19、12.5mm)中不同载气输送煤粉图1粉煤输送实验装置的规律与压降方程。高浓度气固两相流流动规律与Fig 1 Schematic diagram of pulverized输送介质和输送管径等因素密切相关,本实验室coal pneumatic conveying前期研究发现,随着管径的增大,其输送特性表现I-air compressor: 2-gas buffer: 3-drierp出明显差异。本文以粉煤在39mm管径内的高+fitter, 5-gas distributor: 6-dust remover浓度流动为对象,通过不同操作条件下的输送规律7-pressure cell: 8-weight celly 9--gas meter10--visible section: 11-high speed camera以及输送相图的研究,并以本实验室20mm管径的12--feeder vessel: 13--receiver vessel粉煤浓相气力输送相关数据为对照,获得了工业规模级管道内粉煤浓相气固两相流的流动特性和规律。玻璃管可以观察到管道中的粉煤流型,结果表明,1实验物性及输送装置浓相输送时其流动形态以分层流为主。该流型的外观表象为:管内下层的粉煤浓度要远远高于上层的1.1实验介质浓度,下层粉煤以密集沉积状态流动,上层粉煤以实验采用冷冻干燥除油后的压缩空气为载气,稀相悬浮态流动,虽然上、下层的分界面比较清输送介质粉煤的相关物性如表1所示。晰,但由于管内湍流程度较大,该分界面处于剧烈囊1实验用粉煤物性而快速变化之中。同时还可以观察到沿轴向运动的Table 1 Properties of pulverized coal粉煤存在明显的不规则的径向脉动;在多数时间Mean size Particle density Bulk density Angle of里,粉煤在气流作用下对管壁的冲刷呈现秒级的周/kg·m-1期性波动60.675362图2是固气比为53、136kg·kg条件下,通过高速摄像拍摄到的管内分层流照片。管内悬浮1,2实验装置及测量相以外区域为粉煤沉积相。通过对拍摄影像的连续实验流程如图1所示,粉煤在气流的作用下在播放,可较为清楚地观察到粉煤的二维真实流动状两个料罐与管线中循环输送,通过直接安装在管道态,在上层悬浮相中,被悬浮的粉煤量较少,同时上的压力传感器记录沿线压力;采用金属浮子流量些粉煤可能主要是由于静电作用而附着在管壁计记录各股气量大小;采用称重传感器计算粉煤流上。其余部分为粉煤沉积相,沉积相内因粉煤率;从给料罐顶部和底部引人的气流分别称之为加浓度高,已完全不透光,只可见相界面的粉煤呈波压气(Q)、流化气(Q2),从粉煤输送管道中引浪状的轴向运动。入的气流为调节气(Q3)。研究表明,对于该输送图2(a)为管内气流速度较大、固相浓度较系统,上述3路气体在粉煤输送过程中的作用各低时分界面较为清晰的状况。由图可见其分界面并异,在其协同作用下,能达到不同的输送效果。不平整,有沙丘一样小煤团在管底煤层表面流动2实验结果与讨论类似于 Klinzing等|所描述的密相移动流( densemoving strand),上层空间有稀相粉煤呈漂移状流21粉煤流动形态的观察动,与其给出的示意图非常相似。图2(b)、(c)2.1.1不同固气比状态下的流动形态通过石英分别为气流速度较小、固相浓度较高时,同一输送第11期为国等:工业级管道中粉煤浓相流动特性使其从静止状态开始流动的表观气速是截然不同的。只有足够多的颗粒从气相获得足够的动能,管内沉积的粉煤才有可能充分流动(a)a=53kg·kg,U,=9.1m·s2.2两种管径输送特性比较系统压力以及输送气量是最基本的操作参数,输送流率则是操作条件下的气固两相流动的结果之图3、图4给出了仅在流化气作用下粉煤在20、39mm两种管径中的输送规律,通过对比揭(b)=136kg·kg.U:=35m:s示较大管径的输送特性。图2高速摄像仪拍摄的粉煤在水平石英玻璃管内的流动图像Fig2 Photographs of pulverized coal flowiin tube with diameter of 39 mm过程的不同时刻的粉煤流动形态。可见,管内分界Qm3·h面高度有明显的起伏变化,多数情况下0.2D<图3输送系统压力与管径以及流化气量关系d<0.5D,有时局部会出现粉煤几乎充满管道的Fig 3 Transport pressure as function of fluidizing状态。gas volume flow rate and tube diameter2.1.2不稳定流动现象在流化气量偏小时可以观察到管底粉煤个别时刻处于静止或极低速滑动状态,滑动的粉煤之间有丝丝裂缝,粉煤流率减小,tube diameter/mm.粉煤的流动并不连续,甚至可能出现短时间内中断,该现象发生时管内压力波动剧烈,可视段的压降平均值减小。产生这种不稳定流动是因为流化气太小无法充分流化料仓锥部内的粉煤,出现了架桥、鼠洞、停顿等现象,致使粉煤下料不顺畅,从a的ee日-叫而影响粉煤在管道中的流动状态。因此料仓结构和0020040060.080.100.12补气方案的合理设计,以及输送时各路气流的合理组织,是保证管内粉煤低速、高浓度稳定流动的必图4粉煤流率与系统压力及管径关系要条件。Fig. 4 Solid mass flow rate as function of2.1.3粉煤在管内的沉积与启动实验发现,在transport pressure and tube diarneter分层流状态下输送粉煤,一旦输送完毕,管底会沉2.2.1流化气量与系统压力研究表明,在积0.1D~0.3D厚度的粉煤层,这是高浓度、低20、25、32mm管径中,实验条件下的输送气量表观气速下粉煤输送系统中需要注意的现象。因为与系统压力呈线性关系。而图3所示为在39mm一旦再想使这层静止的粉煤得以流动,必须加大吹管径系统中,二者呈指数关系,即在较低的输送气扫气量,否则极易岀现由于气速较低造成粉煤缓量下系统压力随流化气增大的幅度较缓,而在较高慢、一段段地被迫向前推进,最终因缺乏动力而堵的输送气量条件下,流化气量增大引起的系统压力塞管道, Francisco等1定义该速度为启动速度的升高幅度相对较大,根据实验数据得到以下经验( pickup velocity)。因此,粉煤的输送表观气速与方程·2762·化学第58卷p=0.01465e-0.0117,R2=0.99(1)2.2.2系统压力与粉煤流率输送流率与管径关=1860kg"m·s系也极为密切,图4表明,管径增大,输送流率会d=2330 kg.m.s=2790kg·m大幅度提高,且输送流率与输送压力的关系在大、小管径之间表现出较大的差异,即管径越大,系统压力对输送流率的影响程度越大。在本实验条件下,二者的关系为幂函数形式M,=-226.33+234.4p80M,R2=0.97(2)2.3调节气对流动特征参数的影响在靠近料仓底部出口处引入气流是一种有效的图639mm与20mm管径下粉煤单位管长粉体流率调节手段11.图5给出了调节气与流化压降和表观气速的关系气协同作用下固气比和表观气速的关系。当不加调Fig6 Pressure drop per unit length us superficial节气时,随着表观气速的增大,固气比单调下降。 as velocity in tubes of diameter o20 mm and39m但是适当加入调节气后,随着表观气速的增大,固气比先会逐渐增加,达到峰值后又缓慢降低。随着为进一步说明工业规模级管径内的高浓度气固调节气量的增大,能实现的固气比的最高值逐步减混合物流动阻力特性,图6引入在本实验系统上得小,所对应的表观气速值增大。这是因为随着流化到的20mm管径粉煤水平输送相图进行比较。其气量的增大,粉煤流率也随之增大,但是粉煤流率中,a3p和a2分别为39mm和20mm输送管径的增大的幅度要大于流化气和调节气总量增大的幅经济气速线,在实验的粉煤输送通量范围内,输送度,故表现为固气比快速上升,此时流化气与调节固气比主要集中在180~500kg·kg1之间气起到了流化粉煤,促进下料的协同作用。但是随如图6所示,两种管径下的相图差异主要表现着气量的增大,输送流率的增加幅度下降,进而降在以下几方面:低了固气比9。可见,在调节气与流化气共同作(1)在相同的输送通量下,尽管39mm管径用下,固气比不仅和气量有关,而且还受流化气和的输送流率比20mm管径有大幅度提高,但是其调节气相互关系的影响。单位管长压降明显减小,表明管径是影响压降的重要因素;Qym3·h(2)相同输送通量下,在表观气速大于经济气速时,39mm管径条件下随表观气速增加引起的10单位管长压降升高的幅度远不如20mm管径条件下显著;则(3)39mm管径条件下输送通量变化引起的单位管长压降变化较20mm管径下平缓;(4)随着管径增大,输送的经济气速线右移,从4~6m·s1增大到6~8m·s-1,可见大管径下更易实现低于经济气速下的浓相输送;图5固气比与表观气速及调节气量关系(5)在相同的输送通量下,较小管径能够实现Fig5 Solid/ gas mass flow ratio as function的最低输送气速小于较大管径能够实现的最低输送气速2.4水平管输送相图zenz相图表达了以固体质量流率为参数的单3结论位管长压降与表观气速的关系,并以此预测管内的本文在内径39mm的不锈钢管中研究了粉煤流动形态,得到了许多研究者的关注14图6的浓相气力输送规律,并与内径20mm的不锈钢给出了实验测得的39mm管径的水平输送相图。管输送结果进行了比较,结论如下第11期肖为国等:工业级管道中粉煤浓相流动特性2763·(1)39mm管径条件下,在流化气和调节气Sarkomaa. An experimental study of vertical pneumatic的协同作用下,固气比先随表观气速增大而增大conveying. Powder Technology, 1999, 104: 139-150[5] Zhou Jiangang(周建刚), Shen Yishen(沈身),Ma达到峰值后逐步减小,该峰值随调节气量的增大而Anxiang(马恩祥). Technology of Powder High Density减小。Pneumatic Conveying and Control and Distribution(粉体高(2)通过拟合实验数据,以经验方程的形式给浓度气力输送、控制与分配技术). beijing: Metallurgical出了在39mm管径中输送气量、输送压力和粉煤Industry Press, 1996流率之间的关系。[6] Shen Xianglin(沈湘林), Xiong Yuanquan(熊源泉)Experimental study on dense-phase pneumatic conveying of(3)获得了工业规模级水平管道中(39mm)pulverized coal at high pressures. Proceedings of the cSEE浓相气力输送相图,并与20mm水平管输送相图(中国电机工程学报),2005,25(24):103-107进行了比较。在输送通量相同的情况下,较大管径7 Geldart D, Ling SJ. Dense phase conveying of fine coal at的单位管长压降比小管径显著减小,单位管长压降high total pressure. Poweder Technology, 1990. 6243252随流动特征参数变化更加平缓,而输送经济气速(8] Cheng keyin(程克勤). A review of dense phase at low变大。velocity pneumatic conveying. Design of Sulphur andPhosphorous and Powder engineering《硫磷设计与粉体工符号说明程),2001(2):22-26[9] Gong Xin(龚欣), Guo xiaolei(郭晓镭), Dai zhenghua(代D—输送管内径,mm正华), Feng Jinhua(封金花), Chen Jinfeng(陈金锋)d—输送管内悬浮层的高度,mmZheng Yuehui(郑跃解), Chen Feng(陈锤), Xiong LangM,—粉煤质量流量,kg·s(熊浪), Yu Zunhong(于遵宏). High solids loadingA—输送压力(表压),MPapneumatic conveying of pulverized coal. Journal of chemical△p—水平管单位管长压降,kPa·m-1Industry and Engineering(Chia)(化工学报),2006,57Q加压气体积流量(标准状态下),m3·h3):640644Q2—流化气体积流量(标准状态下),m2·h[10] Donald D K. Electrostatic contributionQ—调节气体积流量(标准状态下),m2·hadhesion, Journal of Applied Physics, 1969, 40(7)R—相关系数[ll] Shrikant v Dhodopkar, George EU—表观气速,msfluctuations in pneumatic conveying——固气比,kg·kg1—粉煤输送通量,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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