高压超浓相气力输送流型及稳定性试验研究

鹿 鹏，韩 东，蒲文灏，陈晓平，赵长遂

（1.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京210016；2.东南大学 能源与环境学院，南京210096）

符号说明：

vg——表观气速，m／s

t——时间，s

ΔpH——水平管压降，kPa

ΔpHB——水平弯管压降，kPa

ΔpV——垂直管压降，kPa

ΔpVB——垂直弯管压降，kPa

Qs——补充风风量，m3／h

m——接收罐中煤粉质量，kg

p1——发料罐压力，MPa

qm——固相质量流量，kg／s

μ——固气比，kg／m3

气力输送在能源、化工、冶金、医药和食品加工等领域的应用非常广泛，但主要以稀相输送为主.在稀相输送中，颗粒被高速气体携带，颗粒之间及颗粒与管壁之间的碰撞和摩擦非常剧烈，设备磨损严重，输送效率低.浓相气力输送由于能耗低、固气比大、系统尾部气固分离量小和颗粒对管道磨损轻而越来越受到关注，尤其是煤粉高压超浓相气力输送，已经成为气流床加压气化的关键技术［1］.

针对粉体浓相输送的研究已取得了很多有价值的成果［2-10］，但大多数研究局限于低压浓相输送领域.对于高压超浓相输送，近年来获得了一些关于煤粉质量流量、固气比和压降等输送特性参数的规律［11-14］.然而，有关高压超浓相气力输送的流型和稳定性这一核心问题的研究鲜有报道.

两相流的流型影响系统的流动特性和运行可靠性，同时两相流参数的准确测量依赖于对流型的了解.因此，流型检测在气固两相流系统中具有重要的工程意义.目前，国内外流型识别的方法主要有直接法和间接法2种.间接法通过对能反映两相流动波动特性的信号进行统计分析（如功率谱分析和小波分析）来确定流型，或根据重建的管截面图像获得有关管截面内离散相局部分布的实时信息并判断管内流动状况和检测参数的大小（如层析成像技术）.间接法的缺点在于准确度尚有待提高，管内流型的真实状况还需要直接法的验证.

气固两相流动中物料的流动状态随着输送气流速度的变化而变化.高速时，物料呈悬浮流动状态，且在管路中均匀分布；随着气速的降低，物料开始聚集于管底，形成分层流；进一步降低气速，物料将依次呈现集团脉动流、沙丘流和不稳定的料栓流动［3］.沈颐身等［4］建立了输送管径为25 mm 的气力输送装置并研究了浓相气力输送的相图、流动形态及其变化规律.龚欣等［5］在内径分别为15 mm、20 mm和32mm 的管道中进行输送试验，考察操作参数对煤粉质量流量、固气比和表观速度等特征参数的影响，获得了低压下特征参数随试验条件变化的规律，给出了试验系统中各参数间相互关系的经验方程，并得到了低压条件下浓相输送的流型.

然而，上述对流型进行直接观测的研究主要集中在低压气力输送领域.气流床加压气化技术要求煤粉在高压条件下进行输送，其输送速度较低，固相浓度很高，流动形态复杂，目前尚无成熟理论依据可以参照.此外，两相流的流型与系统运行的稳定性和可靠性息息相关，因此高压条件下流型和稳定性的试验研究显得尤为重要.笔者在输送压力可达到4 MPa和固气比可达到700kg／m3的气力输送试验台上进行了流型和稳定性的试验研究.

1 试验装置

高压超浓相气力输送试验台系统如图1所示.输送气体由并联工作的高压氮气瓶提供，经过缓冲罐后分为充压风、流化风和补充风3路.通过阀门切换，选择其中一只流化罐为发料罐（上出料方式），另一只罐为接收罐（作为接收罐时不引入流化风和充压风）.发料罐中的物料在流化风作用下处于局部流化状态，在输送差压作用下进入输送管道，在发料罐出口引入补充风来增强输送能力并保持适当的固气比，充压风用于维持发料罐的压力.接收罐压力由排气管道上的电动调节阀根据设定值自动控制.系统工作压力可达到4 MPa，料罐体积为0.648 m3，输送管直径为16mm 输送管长度为3mm，输送距离为53.4m.发料罐内物料的实时质量由高精度箔式电子秤称量；压力传感器为瑞士Keller公司生产的PD-23高频响型；差压变送器为重庆横河川仪有限公司生产的智能式压力变送器，型号为EJA430A；充压风、流化风和补充风流量采用开封仪表厂提供的AM-1521Q 型金属管转子流量计测量.试验物料的物理性质见表1，煤粉的粒度分布见图2.高速摄影仪的型号为FASTCAM-NET-MAX3，背景光源为2×1kW的高强度新闻灯，灯管与可视段保持平行，预先将高速摄影仪设置为125帧／s，可视段示意图见图3，其核心部件石英玻璃管可耐高压6 MPa，在试验工况范围内管路压力一般不超过4 MPa.

图1 高压超浓相气力输送试验台系统Fig.1 Schematic diagram of the high-pressure densephase pneumatic conveying test system

表1 物料的物理性质Tab.1 Physical properties of the materials tested

图2 煤粉粒度分布Fig.2 Particle size distribution of pulverized coal

图3 耐压可视段示意图Fig.3 Photo of the visualized pressure-resistant section

2 试验结果与分析

2.1 输送煤粉时流型及稳定性分析

在气力输送系统设计中，压降和表观气速间的关系非常重要.Zenz首先提出Zenz相图，表达了压降与以固体质量流量或固体装入量为参数的表观气速之间的关系.在实际应用中，Zenz相图可以很方便地结合输送特征来确定最佳操作点.在Zenz相图中，表观气速的曲线上有一特征点被称为转捩速度，小于此速度时输送颗粒将开始与气相分离并沿着管道底部滑动或滚动，即出现分层流动.图4给出了低压气力输送的典型流型及其在Zenz相图中的大概位置［15］.在压降最小值附近，通常会出现分层流或者较浓相的悬浮流动；在压降最小值的右边，通常可观测到较稀相的悬浮流动，输送气流中的颗粒会与管壁发生较高频率的碰撞；在压降最小值的左侧附近，可以观测到丛状流；进一步减小表观气速，流动将进入不稳定区；当表观气速很小时，将出现沙丘状甚至柱塞状的流型.值得说明的是，在某一特定的气力输送系统中，由于系统限制、物料性质和操作条件等因素的影响，并不是上述所有的流型都可以被观测到.

图4 低压气力输送的流型及其在Zenz相图中的位置Fig.4 Typical flow regimes of low-pressure pneumatic conveying and corresponding positions in Zenz phase diagram

图5 不同表观气速下300μm 煤粉的流型Fig.5 Flow regime of 300μm pulverized coal under different superficial gas velocities

借助于可视化测量系统，在高压超浓相气力输送试验台上获得了大粒径（300μm）内蒙烟煤水平管输送的3种流型照片，各流型下的质量流量和固气比如图5所示，其中观测段长度L为0.16m，管壁原是透明玻璃管，用阴影代替透明玻璃管以方便辨识，流动方向为从右至左.当表观气速较大（9.2 m／s）时，固相浓度在管道截面上的分布比较均匀，气固两相流在管内各个时刻均呈现为较稀相的悬浮流（见图5（a））；当表观气速降为6.1m／s时，固相浓度有所增大，并且出现了沉积层，层上有较高速的气体流过，沉积层沿管底向前滑移，此时输送物料已无法充满输送管道截面（见图5（b））；当表观气速降为3.8m／s时，大部分煤粉颗粒因失去悬浮能力而在管底沉积，在局部区域堆积形成沙丘，管内呈现沙丘状流动，沙丘流动速度为1.7m／s左右（见图5（c））；当表观气速小于2.5m／s时，管内流动很不稳定，经常发生堵管.在试验中未观测到柱塞流流型. 当300μm 煤粉达到低速的沙丘流动状态时，输送系统的稳定性下降，输送管路开始剧烈振动，其中弯管段最为明显，出现了较大幅度的摆动，振动的主要能量来自高浓度的沙丘状气固两相流对管路弯头的撞击.输送系统稳定性的下降也可以从各管段压降随时间的变化情况来加以验证，如图6所示.当表观气速降为3.8m／s、流动达到沙丘流动状态时，各管段压降波动明显增大，其中垂直弯管压降波动幅度最大.另外，图5中输送物料的平均粒径为300 μm，当输送平均粒径分别为115μm 和52μm 的中小粒径煤粉时，流型未出现图5的效果，主要有两方面的原因：一方面较小粒径的煤粉颗粒在高压输送气流中的跟随性能较好，不易在管底发生沉积；另一方面较小粒径的煤粉受到范德华力和静电力的作用更加明显［16］，煤粉微粒附着于管壁，难以观测到管内的真实流型.有关中小粒径的流型尚需深入研究，这间接说明了粒径对高压超浓相气固两相流流型的影响很大，Tsuji对低压条件下气力输送流型的研究也得出了类似的结论［17］.

图6 输送煤粉时各管段压降的波动情况Fig.6 Fluctuation of pressure drop in each pipe section when conveying pulverized coal

2.2 输送石英砂时流型及稳定性分析

在进行300μm 内蒙烟煤的输送时，虽然观测到3种不同的流型状态，但是不同流型间的区分度并不高.为获得更清晰、更高区分度的流型和进一步研究物料性质对高压超浓相气固两相流流型的影响，选取密度为2 650kg／m3、平均粒径为400μm的石英砂进行对比试验，获得了不同表观气速下石英砂的流型，如图7所示，其中流动方向为从右至左.当表观气速较大（9.4m／s）时，物料颗粒成层状沉积在管底，这时气流和一部分物料在管路上部空间通过，沉积层的表面部分物料在气流作用下会向前滑移，呈现分层流动现象（见图7（a））；当表观气速减小为5.6m／s时，大部分物料会失去悬浮能力，物料不仅沉积在管底，甚至局部区域会因物料堆积而形成沙丘，气流通过沙丘上部的狭窄通道时速度增大，瞬间又将沙丘吹走，从而呈现沙丘流动现象，沙丘流动速度为1.6m／s左右（见图7（b））；当表观气速减小为1.7m／s时，物料在管中形成短的料栓，料栓前后气流的压力差推动物料前进.通常料栓之间有一层较薄的沉积层.当料栓前进时，其前端将沉积层的物料铲起，随料栓一起前移，同时尾端物料与料栓不断分离溃散，形成新的沉积层.从表面来看，整个料栓在移动，实际上物料只是一段一段呈间歇状前移，表现为柱塞流，柱塞流速度为0.9m／s左右（见图7（c））.

图7 不同表观气速下石英砂的流型Fig.7 Flow regime of quartz sand under different superficial gas velocities

与煤粉相比，石英砂输送时各流型更加清晰，不同流型间的区分度较好，更有利于流型的观测.在试验台调节范围内，粒径和密度较大的石英砂更容易达到低速的沙丘和柱塞等复杂流动状态，说明物料性质对高压超浓相气固两相流流型的影响十分显著.随着表观气速的减小，与煤粉相比，石英砂质量流量的减小比较明显，这主要是因为石英砂的密度接近煤粉密度的2倍，需要较高的气速来保持正常输送.

同理，当石英砂输送达到沙丘流动状态后，输送管路尤其是弯管部分出现了更加剧烈的振动和摆动，表明高压超浓相气固两相流在沙丘流或柱塞流状态下的输送为不稳定输送.各管段压降随时间的变化（见图8）反映了表观气速和流动形态与输送稳定性之间的关系.首先，当石英砂处于沙丘流或柱塞流状态进行输送时，各管段的压降波动十分剧烈且变化幅度很大，比300μm 煤粉在沙丘流状态下的输送更加不稳定，此时很难确定各管段压降的平均值；其次，各管段压降的峰谷值交替出现，进一步表明沙丘流或柱塞流状态均属于间歇流动状态，同时由于各差压变送器在管路中的位置不同，各管段压降并不是在同一时刻达到峰谷值.由图8（b）和图8（c）可以看出，柱塞流是一种比沙丘流更不稳定的低速复杂流动状态.

2.3 补充风风量对300μm 煤粉输送稳定性的影响

在高压超浓相气力输送试验中，通常采取减小补充风风量的方法来减小表观气速，从而获得较大的管路固气比.在输送较小粒径（＜120μm）煤粉时，一般采取关闭补充风阀门的方法使输送固气比达到最大限值，通常不会发生堵管情况.然而在输送大粒径内蒙烟煤（300μm）时，出现了堵管现象.

在试验中，发料罐的压力为3.6MPa，总压差为0.8 MPa，在t＝36s时将补充风风量调为0（见图9），图10给出了接收罐煤粉质量的变化.由图10可知，在t＝36s关闭补充风阀门后，接收罐煤粉的质量不再增大，说明煤粉不再进行输送，已出现堵管现象.同时，发料罐压力开始升高，说明发料罐不再出料，如图11所示.在t＝36s后，各管段的压降值迅速降至0附近（见图12），说明管内不再有煤粉流动.在t＝109s打开补充风阀门后，煤粉继续输送，堵管现象消失，接收罐煤粉质量增大，发料罐压力逐渐降低，各压差恢复至正常输送状态下的压差值.

图8 输送石英砂时各管段压降的波动情况Fig.8 Fluctuation of pressure drop in each pipe section when conveying quartz sand

图10 接收罐煤粉质量的变化Fig.10 Mass variation of pulverized coal in receiving hopper

图11 发料罐压力的变化Fig.11 Pressure change in feed hopper

图12 各管段压降的变化Fig.12 Fluctuation of pressure drop in each pipe section

上述堵管现象在较小粒径煤粉的输送过程中并未发现，这是因为相对于较小粒径的煤粉，大粒径煤粉颗粒的流动性能较差，在输送气流中的跟随性较差，易在管底沉积，形成较不稳定的分层流或沙丘流等复杂流动形态，容易堵管，因此在关闭补充风阀门后，输送风量较小，表观气速很小（＜2.5m／s），从而发生了堵管现象.

3 结 论

（1）在试验台范围内，随着表观气速的减小，输送300μm 煤粉时获得了悬浮流、分层流和沙丘流流型.输送400μm 石英砂时获得了分层流、沙丘流和柱塞流流型，不同流型间的区分度明显较高，且更容易达到低速的沙丘流和柱塞流等复杂流动状态.

（2）随着表观气速的减小，输送系统的稳定性下降.

（3）沙丘流或柱塞流状态均属于间歇流动状态，且柱塞流状态是一种比沙丘流状态更不稳定的低速复杂流动状态.

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