粉煤灰干式充填气力输送实验研究

2014-04-18李晓鹏张东峰

采矿与岩层控制工程学报 2014年3期

李晓鹏，张东峰

(太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)

1 气力输送技术研究现状

气力输送技术以其效率高、成本低、操作简便等优点得到了各国青睐。食品、制药、塑料、化工、水泥、陶瓷及金属等工业部门已普遍采用这一方法来输送不同颗粒的物料。当前，除了某些黏附性很强的物料外，生产中物料的倒仓、运输、供料及计量等工序需输送粉状物料时，普遍使用气力输送技术进行输送。而经过多年持续改进，使用该方法的系统性和可靠性都为业界所一致推崇［1－2］。

但是，就目前理论研究还处于起步阶段［3］的复杂的二相流动气力输送而言，由于没有成熟的理论指导，导致各相关方面，特别是煤矿的应用实例较少。针对不同应用背景下的气力输送方法，最可靠的还是从实验中探讨得出。

2 气力输送实验方案

2.1 粉煤灰性质

实验选择粉煤灰作为输送物料。粉煤灰是燃煤电厂生产过程中排出的固体废料，是煤炭经过燃烧后形成的细灰。表1为实验用粉煤灰测试数据。

表1 实验用粉煤灰测试数据

2.2 实验系统

实验采用的是正压浓相仓式泵气力输送系统［4］。该系统具有结构简单坚固、密封性能好、输送能力强、输送距离长等优点。系统主要由气源动力系统 (1－6)、进料－混合－加速系统 (7－17，20)、管道输送系统 (19，21－24)、气固分离系统(18)、测量监控系统 (7，9，11，14，19，23)及控制系统等组成。图1为气力输送实验系统图。

本实验采用以下设备:FHOG－150A型单螺杆空气压缩机 (容积流量为20m3/min，排气压力为0.75MPa)1台;储气罐 (容积为10m3，工作压力为0.8MPa，负责向进气阀组、料仓气化装置和库顶收尘器供气)1个;配置为DN100(φ114m× 300m)、DN125(φ140mm ×400m)、DN150 (φ168mm×300m)逐级变径，输送总长度为1000m的输送管道1条;气源压力变送器21台，发送单元压力变送器1台，管道压力变送器1台;料位计2台;称重仪 (重力传感器)1台;温度传感器1台;气体流量计1台;固体流量计2台以及电容层析成像测试系统(ECT)2套。

图1 气力输送实验系统

2.3 实验描述

通过对系统在不同输送状态下的相关参数的观测及对相关数据的分析和处理，发现这些参数中的普遍规律，确定输送过程中的最优参数及最佳系统配置。实验主要参数为输送距离、进气量和输送压力。实验选择的参量分别对应200m，400m，600m的输送距离，进气孔为恒定的 45mm，压力为100kPa，120kPa，140kPa，160kPa，180kPa，200kPa的条件下分别进行，并记录数据。另外，实验使用ECT系统对实验过程进行实时监测，以验证实验结果。

3 实验数据分析

3.1 开泵压力对系统出力的影响

实验中系统出力是指在一定的输送距离下，气力输送系统能够输送多少粉煤灰，用m表示，单位为t/h。将每组实验中3次实验的出库灰量的平均值作为每次运行工况的固体质量，根据每次实验运行的时间，计算出每小时运行次数，其与累计流量的乘积即为本工况下的系统出力。

图2所示为进气量为45mm孔即系统位于高速区时，在不同输送距离情况下，开泵压力与系统出力的变化曲线。由图2可知，输送长度为200m时，出力最大，最大可达到14.66t/h;随着开泵压力的增大，系统出力在一定范围内波动，但基本保持不变。输送长度为400m时，出力处于中间水平，波动较小，输送稳定。输送长度为600m时，出力最小，随着开泵压力的增大，系统出力呈逐渐减小的趋势。

图2 开泵压力与系统出力的关系

3.2 开泵压力对料气比的影响

实验中系统的料气比是指在一定的输送距离下，系统输送的固体的质量流量与消耗的气体的质量流量之比，用μ表示，单位为kg/kg。料气比反映了系统输送的能力和效率。

图3所示为进气量为45mm孔即系统位于高速区时，在不同输送距离情况下，开泵压力与料气比的变化曲线。由图3可知，输送长度为200m时，料气比最大，最大值可达21.42kg/kg，随着开泵压力的增大，系统料气比呈波浪式增加的趋势。输送长度为400m时，随着开泵压力的增大，料气比有增大的现象并在出现了峰值后减小，与系统出力图变化趋势相似，仍是输出稳定，其料气比大于输送长度为600m时的料气比。输送长度为600m时，料气比最小，随着开泵压力的增大，料气比有增大的趋势并出现了峰值后减小的趋势。这是由于在400m时，在各种耦合条件下，稀相达到了稳定。也可推断出在200m时为不稳定的稀相，600m为向浓相的过度阶段，数据有跳跃现象。

综合图2，图3可知，开泵压力对出力、料气比的影响不大。

3.3 压降的变化规律

图4为通过调节进气管道的长度 (分为3种情况)，在不同的开泵压力下管道压降的变化曲线。由图4可知，在相同的输送长度下，系统压降值随着开泵压力值的增大而增大 (个别情况下会出现误差)且在140kPa的开泵压力下压降值最小;而在相同的开泵压力值下，减小输送长度使得管道压降降低，增大输送长度使得系统压降增高。这与理论系统的管道压降是一致的。

图3 开泵压力与料气比的关系

图4 开泵压力与压降的关系

因此，通过减少输送距离可以减小输送过程中的系统压降，提高工作效率。

3.4 气体表观速度对单位压降的影响

图5为输送距离200m时，不同的开泵压力Pr下单位压降与气体表观速度的关系。

图5 单位压降与气体表观速度的关系

由图5可以分析出气力输送中相态，即可确定经济流速线。图5中只有在开泵压力为120kPa时出现了拐点，即经济速度点;在其他的开泵压力下都是上升的平滑曲线，都处于稀相，没有经济速度点。

对于不同距离下的气力输送系统，气固两相流的流动差异变化较大，各自的流动规律均不能在所有的情况下通用，需要独立分析和研究。

因此可以确认:在输送距离为200m的情况下，系统的料气比、出力较大，并且系统的压力损失较小，是理想的输送长度。

3.5 电容层析成像系统 (ECT)监测分析

3.5.1 电容层析成像系统

采用电容层析成像系统在气力输送系统内部流态复杂多变，常规的测量方法只能对流速、密度和压力进行测量。利用电容层析成像技术对实验全程进行实时监测，可更多地了解气固两相流中各相分布的具体情况，特别是管道内部流态的实时变化及测量［5］。实验共布置ECT系统2套，分别位于距离发送器约150m处的DN100管道上部和约350m处的DN125管道上部。该系统一方面可以实时观察和监控DN100和DN125管道内的气固两相流流动状态，并通过图像分析系统的运行分析相关特征和规律;另一方面可对管道内的固相含率β(固相含率，是指在管道截面内固相所占的比率，是衡量输送效率的一个重要指标)进行测量，并分析相关运行规律。图6为ECT系统的基本结构，主要包括电容阵列传感器、数据采集系统和图像重建系统3个部分［6］。

图6 ECT系统结构

固相含率测量原理［7－11］为像素值在像素中对应为等效介电常数，因此，固相含率可由简单的平均重建图像像素值获得，瞬时横截面平均固体浓度βs(t)为

式中，gi代表瞬时时刻t下第i平均像素下的灰度值;N代表像素号。

3.5.2 ECT系统监测结果分析

3.5.2.1 固相含率分析

根据固相含率的定义可知:空隙率=1－固相含率，即空隙率的变化规律与固相含率的变化规律恰恰相反。

图7为DN100 ECT传感器截面1和截面2的固相含率随时间的变化曲线。由图7可知，2个截面的固相含率变化趋势基本相同，仅在局部数值上有一定差异。这是由于两截面相距仅160mm的缘故。曲线整体变化较为平稳，趋势为由0到最大值，然后保持相对稳定，说明此时物料正由管道的始端向末端输送。输送开始后，气固两相流由发送器到达传感器截面1需要约11s。此时，含率值快速增大并逐渐上升。在输送过程中曲线以波状变化为主，呈脉动状。在输送过程中固相含率值多在0.05～0.15范围内波动，偶尔出现峰值，其最大值接近0.3，波状流的振幅不大;同时可以看到，固相含率的峰值较为一致，而且上下相差不大，这说明输送过程稳定。