不同载气供料对工业级竖直上升管粉煤气力输送的影响

潘响明，郭晓镭，陆海峰，刘剀，付琳，李鹏，龚欣（华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海市煤气化工程技术研究中心，上海 200237）



不同载气供料对工业级竖直上升管粉煤气力输送的影响

潘响明，郭晓镭，陆海峰，刘剀，付琳，李鹏，龚欣
（华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海市煤气化工程技术研究中心，上海 200237）

摘要：采用Air和CO2作为供料和输送载气，以工业级竖直上升管（内径50 mm）粉煤输送系统为实验平台，开展了粉煤密相气力输送实验研究。实验中选用Air→Air、Air→CO2、CO2→Air和CO2→CO2作为典型工况，进行了输送特性参数的对比分析。研究结果表明，供料载气与输送载气组合方式的变化，会引起发料罐中粉煤流化状态的改变，进而导致粉煤输送流型和稳定性方面的差异。借助电容层析成像系统(ECT)获得了竖直管的ECT信号和流型图像，并采用标准差和功率谱函数对ECT信号进行分析。分析结果表明，Air→Air工况为稳定的环状流；Air→CO2输送过程稳定性最差，输送由无定态流型转为栓塞流；CO2→Air和CO2→CO2输送过程均为气栓流，但CO2→CO2工况形成的气栓较长，其ECT信号的功率谱峰值较大。

关键词：载气切换；稳定性；CO2；气力输送；ECT

2015-07-08收到初稿，2015-09-28收到修改稿。

联系人：龚欣。第一作者：潘响明（1989—)，男，硕士研究生。

Received date: 2015-07-08.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21206041).

引　言

密相气力输送是气流床粉煤加压气化工艺的核心技术之一[1]。实际工艺中，根据不同的应用需求，既可采用N2也可采用CO2作为载气将粉煤送入气化炉[2-3]。如合成氨工艺，N2是较为理想的输送载气；而对于甲醇合成以及其他羰基合成等多联产技术，采用CO2作为输送粉煤的载气，可以有效减少合成气中的惰性气体组成，提高(H2+CO)含量。同时，载气中少量CO2可作为气化剂参与气化反应，有利于降低煤耗。

一些学者对不同载气的粉体输送和流化特性进行了相关的研究。Geldart等[4]在高压条件下采用N2、H2和CO2作为粉煤的输送载气，研究了载气密度与固相压降的关系。贺春辉等[5]以CO2和N2作为输送载气研究了操作参数和载气差异对粉煤输送的影响。Cong等[6]在管径20 mm输送装置上比较了CO2和Air载气输送粉煤的差异，结果表明采用CO2输送粉煤时，气栓出现的概率较高且能耗大。上述研究均表明，载气种类对粉煤的输送特性存在较大的影响。陆海峰等[7]指出，供料载气与流化下料载气不同时，在料罐内存在一个载气切换的过程，这与粉煤下料过程的稳定性有着密切的关系。这一载气切换现象可追溯到Reichhold等[8]和Kai等[9]对粉体的流化研究：采用CO2切换N2时床层出现失流现象(defluidization)，而反向切换这两种气体时，并未出现上述失流现象，说明载气切换的方向对床层的流化状态有重要影响。在采用不同载气对粉煤进行供料和输送时，不可避免地会存在载气切换的过程，以CO2作为输送载气的粉煤气化工艺为例，其前期往往先以N2作为输送载气，当系统产生的CO2量具备循环使用条件后，再将输送载气由N2切换为CO2。因此，研究这种载气切换的密相气力输送过程对工业操作具有一定的参考价值[10]。本文在充分肯定以往研究成果的基础上，进一步关注了输送之前的供料过程，而这方面的相关研究还尚未见报道。

本文在50 mm循环输送系统上，分别以CO2和Air作为供料载气或输送载气，从管道输送特性参数——表观气速、颗粒速度、固相流率和固气比等，发料罐操作参数——发料罐压力等方面，就料仓载气切换对粉煤密相气力输送特性的影响展开了研究。借助电容层析成像（ECT）系统，分析了不同工况下竖直上升管中的流型特征；对ECT采集到的相对浓度信号进行了标准差和功率谱分析，展示了不同载气供料及切换对低压粉煤密相气力输送流型及稳定性的影响。

1　实验装置与物料

粉煤气力输送实验在密闭的循环输送系统中进行，装置与流程如图1所示。输送管道直径为50 mm，管道总长约23 m。实验研究的竖直上升管长5 m，管道上安装有压力传感器、固体质量流量计和ECT系统，上述仪器距弯管2 m以上，此时粉煤在竖直上升管中的流动已充分发展，可忽略弯管的影响。

图1　输送系统Fig.1　Schematic diagram of pneumatic conveying system1—air compressor; 2—CO2cryogenic insulation cylinder; 3—dust filter; 4—feeder vessel; 5—gas distributer; 6—receiver vessel; 7—ball valve; 8—air flowmeter; 9—ECT system; 10—solid mass flowmeter; 11—pressure transducer; 12—differencial pressure transducer; 13—load cell

实验所用Air为经过冷干机后的压缩Air，经气体分配器5A[P=(0.65±0.03) MPa，t=(20±2)℃]进入系统；CO2由杜瓦罐系统提供，水浴加热后的CO2经过气体分配器5B[P=(0.65±0.03)MPa，t=(20±2)℃]进入系统。为了比较二者的输送结果，建立了相应的计量和换算方法，将Q1、Q2、Q3和Q4这4路气体流量都统一为101325 Pa、20℃状态下的体积流量。以Air供料CO2输送工况为例，对整个操作过程进行描述。实验前粉煤存储在接料罐中，切断气体分配器5A、5B之间的球阀7，打开供料气Q4用Air对接料罐进行充分流化、充压和供料。当粉煤供料结束后，继续用供料气以一定的气量对发料罐粉煤进行充分流化，其目的是避免因供料后料仓中煤粉的堆积状态不同对后续输送过程产生影响。然后切断Air进气阀，快速排尽气体分配器5A中的Air，打开气体分配器5A、5B间联通阀，接通CO2进气。根据实验需要，控制CO2的流量，从分配器5A分3路(Q1、Q2和Q3)分别进入发料罐的顶部、锥部和出口处，当达到需要的输送压力时，打开输送阀门，发料罐内的粉煤沿着管道流动，进入装有称重传感器的接料罐中。粉煤因重力作用沉积在接料罐中，供下一次输送使用，气体通过除尘器排放到室外。实验安排为交叉实验，即先做Air供料Air输送，接着进行Air供料CO2输送、CO2供料CO2输送以及CO2供料Air输送工况，可保证上一组实验采用的输送载气与下一组的供料载气一致，确保供料前期接料罐中不存在载气切换的情况。

实验操作中所使用到的压力传感器、称重传感器和固体质量流量计等仪器的型号和精度见文献[11]。ECT系统[12]被用来观测竖直上升管流型，其采样频率为150帧/秒，在测量之前，对ECT传感器进行空管(只有气体)和满管（自然堆积的粉煤充满管道）标定。空管标定下煤粉相对浓度为0，满管标定下煤粉相对浓度为1。

输送所用粉煤为羊场湾粉煤，其基本物性参数如表1所示。

表1　粉煤物性参数Table 1　Properties of pulverized coal

2　结果与讨论

2.1输送特性

对于特定的粉煤输送系统，输送工况由加压气(Q1)、流化气(Q2)和调节气(Q3)决定。由于粉煤密相气力输送是一个非常复杂的过程，其影响因素众多，实验过程中对每组工况均进行了3～4组的重复实验，其重复性实验误差在8.32%以内。表2给出了4组输送工况在三路进气量相近时，管道内各相关参数的对比情况。其中Air→Air、Air→CO2、CO2→Air和CO2→CO2分别代表Air供料Air输送、Air供料CO2输送、CO2供料Air输送以及CO2供料CO2输送工况。

由表2可以看出，供料气相同时，采用CO2输送的工况，其表观气速Ug明显大于Air输送的工况，说明在三路供气相近的情况下，CO2进入管道的气量大于Air的气量。Cong等[6]的研究表明，CO2在粉煤中的渗透性大于Air，在相同的输送气量下，CO2比Air更容易从发料罐中渗透到管路中。而对比输送载气相同的工况，采用CO2供料的工况，其表观气速略小于Air供料的工况，这与气体逃逸粉体床层的能力及气体吸附能力有关。粉煤返回发料罐后，床层内仍然存留一部分的供料气，CO2是强吸附性气体[13]，与粉煤颗粒吸附作用较强，逃逸过程较困难，因此相比Air供料具有较小的表观气速。另外，颗粒速度Vs采用固体质量流量计测得，体现的是粉煤颗粒在管道中被输送载气加速的程度，这与管道内气固两相的分布情况有关，后面将结合ECT流型图像进行分析。4组输送工况的质量流率Ws与固气比μ的大小关系一致：Air→Air>CO2→Air> Air→CO2>CO2→CO2。可以发现粉煤输送的质量流率Ws和固气比μ与输送载气中Air的相对含量呈正相关，Air的相对含量越高，其质量流率Ws与固气比μ的值也越大。这是由于Air载气携带粉煤的能力大于CO2载气携带粉煤的能力[6]。

表2　输送过程的流动参数Table 2　Flow parameters in pneumatic conveying

陆海峰等[7]在研究载气切换对料仓下料的影响时发现，采用不同载气供料会影响料罐内粉煤的堆积状态，从而影响到粉煤在料罐中的流动情况。这种由载气切换引起的粉煤流动状态的差异，将从源头上影响到粉煤在管道中的流动形态。下面对代表4组工况的发料罐料仓特性参数Pt进行讨论。

输送载气作为粉煤输送的动力来源[14]，一部分气量用于置换被输送走的粉煤，以维持发料罐罐压，一部分进入管道输送粉煤。当输送总气量一定时，可用发料罐罐压Pt来衡量进入管道的气量，从而间接地反映发料罐内粉煤床层的流化状态。

对比具有相同供料和输送载气的工况(Air→Air/CO2→CO2)(图2)，Air作为载气时罐压较高，说明用于维持发料罐压力的气量较大，而进入管路中的气量相对较小，同时也验证了表2中Air→Air工况表观气速较小。可用CO2和Air穿过粉煤床层的透气性系数进行解释。采用Air和CO2为气体介质，借助FT-4粉体流变仪对实验物料进行了透气性测试[15]，实验结果如图3所示。透气性系数k可由达西定律获得

式中，Q为气体流量；A为床层面积；ΔP为床层压降；L为床层高度；μg为气体黏度，Air取值为1.76×10-5Pa·s，CO2取值为1.46×10-5Pa·s。等式两边同时除以截面积A得到

图2　发料罐罐压的比较Fig.2　Comparison of Pt

图3　粉煤床层的透气性Fig.3　Permeability of pulverized coal

式中，q为气体表观气速，测试过程设定为固定值0.5 mm·s-1。

由图3可知，粉煤的CO2透气性大于Air的透气性，且随着床层正应力的减小，二者的差距更加明显。在相同的输送气量下，CO2从发料罐粉煤层中渗透到输送管道的气量大于Air的渗透气量，于是CO2维持发料罐压力的能力较低，对应于CO2→CO2工况的罐压较低，同时由于进入管道的气量大于Air的气量， CO2→CO2的表观气速大于Air→Air。

对于存在载气切换的输送工况(Air→CO2/ CO2→Air)，Air→CO2罐压最低，而CO2→Air对应的罐压最高。可用Kai等[16]提出的“非等分子扩散”理论来解释这一现象，非等分子扩散过程如图4所示。气体扩散速率与气体相对分子质量的平方根呈反比，因此气体相对分子质量越低，其扩散速率越高。

图4　非等分子扩散示意Fig.4　Diagram of non-molecular diffusion

图5　ECT信号与竖直管压力信号Fig.5　Signal of ECT and pressure in vertical pipe

CO2→Air工况，在发料罐内的情况类似于Air切换CO2，乳化相以切换前的气体CO2为主，气泡相以切换后的气体Air为主。存在Air切换CO2时，气泡相中的Air向乳化相扩散的速率大于乳化相中CO2向气泡的扩散速率，使得乳化相中气体成分增加，床层发生均匀膨胀，产生一定的稀疏作用，即发料罐中粉煤的存气量增加，同时进入管道中的气量相对较小，故对应罐压较大，而表观气速较小。同样Air→CO2工况，类似于CO2切换Air，气泡相中的CO2向乳化相扩散的速率小于乳化相中Air向气泡的扩散速率，乳化相快速脱气，发料罐内煤层出现载气切换失流效应，形成稳定气道，床层气体从气道短路流出床层，直接进入输送管道，导致罐压无法维持较高水平，管道表观气速随之增大。

另外，发料罐压力为粉煤气力输送提供能量[14]，决定了管道中粉煤的动能大小，表2中展现的颗粒速度大小关系可用图2的罐压情况得到很好的解释。

2.2竖直上升管输送信号与功率谱分析

2.2.1输送信号管道中气体与颗粒间的相互作用构成了不同流动形态，而这些流动形态的变化可通过管道的ECT信号[17]和压力信号[18]的波动情况得到很好的反映。图5(a)～(d)为4组工况的ECT信号和管道的压力信号与时间的关系。通过对ECT浓度信号进行标准差[19]数学分析处理，可定量地比较4组工况的稳定性差异，如图6所示。

对比无载气切换的输送工况，如图5(a)和图5(d)所示，Air→Air时，对应的ECT信号和竖直上升管压力表现得最平稳，从图6中也可看出其标准差最小，说明输送过程流型单一且稳定。而CO2→CO2时，其管线ECT信号与压力信号出现大的脉冲，Cong等[6]的研究显示，压力信号的大脉冲与粉煤浓度信号出现的波谷相对应，此时管道中呈现的是气栓。粉煤在管道中流动时，通气状态的粉煤所受正应力接近零，CO2较Air更易穿透细粉煤颗粒之间的空隙，如图3所示，故在相同的气量下，CO2载气输送粉煤时在管线中更容易形成气栓，给管道中的气流场施加了强扰动，压力信号出现大的脉冲，ECT归一化浓度信号出现波谷脉冲。故CO2载气输送粉煤波动程度明显大于Air作为载气时的波动程度，如图6所示。熊焱军等[20]分析粉煤输送堵塞临界状态时，也发现CO2作为输送载气的压力信号波动明显大于Air输送的工况。

图5(b)为Air→CO2，输送的前部分极易发生堵塞现象，管道粉煤浓度信号和压力信号波动剧烈，结合图6显示的ECT浓度信号的标准偏差最大，说明管道中粉煤流动极不稳定，而这种不稳定的输送源于发料罐中粉煤床层不良的流动状态[7]。Kai等[16]认为不同密度的气体切换时造成床层流化扰动的原因是气体从乳化相到气泡相时扩散速度的差异造成的。此时发料罐内床层处于失流状态，下料极不稳定[10]，导致了输送过程的不稳定。

而图5(c)对应的CO2→Air工况输送信号的波动情况与CO2→CO2工况相似，均存在一定时间间隔的大脉冲，主要的差别体现在CO2→Air时，ECT信号和管道压力信号波动的幅度较小且波动较随机，而CO2→CO2工况的ECT信号和管道压力信号波动的间隔较均匀，频率高。二者的ECT浓度信号的标准偏差几乎相同，均较大，如图6所示。研究发现粉体具有足够的透气性，就可能以密相栓流的形式输送[21]。对于CO2→Air工况，由于“非等分子扩散”作用，输送时发料罐粉煤床层较疏松且存有大量的CO2，当粉煤进入输送管道后，乳化相进一步膨胀，粉煤具有足够的透气性，在管道中容易形成气栓。故在输送过程中竖直上升管ECT信号和压力信号出现了大脉冲的现象，与CO2→CO2的情况相似。

图6　ECT信号的Std值Fig.6　Std of ECT signals

在粉煤密相气力输送过程中，载气与多孔性粉煤之间的相互作用是粉煤流动形态变化的重要因素。图5和图6的结果显示，在相同的输送气量下，

改变供料载气与输送载气的组合，粉煤在管道中的流动情况存在明显的差异，而这种差异性可从管道的ECT信号和压力信号中得到很好的体现。

2.2.2功率谱分析ECT信号的特征类似于压力信号的特征[22]，后面将只对ECT信号进一步分析，而压力信号的特征以下将不再讨论。对ECT归一化浓度信号进行了功率谱密度函数[11]分析，比较结果如图7所示。由于Air→Air工况管道内流动稳定，流型单一，显示的波峰不明显。其他工况的功率谱图像均呈现多峰的特点，反映了管道内流动形态的送前期粉煤在竖直管道内流动极不稳定，管道中柱塞和气栓交错出现，流型之间的转变毫无规律，丛不稳定，输送时管道内存在多尺度的脉动。各工况的功率谱密度函数最大值的大小关系为：CO2→CO2>Air→CO2>CO2→Air>Air→Air。CO2→CO2的峰值最大，说明其ECT信号波动幅度较大，主要是由于CO2输送粉煤时，其透气性大，管道中较多的气栓，引起粉煤浓度的较大波动。Air→CO2的峰值也明显大于Air→Air和CO2→Air，结合ECT信号可知，管道内粉煤流动不稳定，这与发料罐中存在CO2切换Air过程，床层失流导致粉煤流化不良，输送过程发料罐下料不稳定有关。

图7　ECT信号的功率谱密度Fig.7　Power spectral density(PSD) of ECT signals

图8　ECT获得的两维视图Fig. 8　Two-dimension view obtained from ECT

2.3ECT图像分析

图8给出了4组工况整个输送过程中ECT系统获得的二维视图，图像颜色的深浅代表着管道内粉煤浓度的高低。Air→Air时，粉煤在竖直上升管中的分布以环状流[11](annular flow)为主，管壁浓度较高，而管中心颗粒浓度相对较低。Air→CO2时，输星亮[23]认为，这种现象的出现是由发料罐中粉煤流化状态不良引起的。在输送中后期，管道内的流型为栓塞流[11]( slug flow)。CO2→Air工况与CO2→CO2工况，其竖直上升管内粉煤流动形态相似，都12 s具有代表性的流动形态图，进行局部放大，每2 s提取一张管道截面的ECT图像，如图9所示。

Air→Air时，管道内呈现稳定的环状流，大部为气栓流[11](plug flow)，不过CO2→Air时，气栓持续的时间较短，ECT图像显示的颜色较浅，说明管道内粉煤的浓度较低。丛星亮[23]在研究竖直上升管流型时发现，管道中出现气栓流时，流动不稳定，而环状流为稳定流型，这与图7显示的规律一致。

图9　ECT获得的拟3D图像Fig.9　Quasi 3-dimensional views obtained from ECT

为了更直观地展示4组输送工况管道截面的浓度分布情况，从4组工况的ECT二维视图中截取了分输送载气从管中心流过。Air→CO2时，管道中心的浓度较高，在管壁处出现浓度较低的区域，说明输送载气取道管壁，这主要是由于采用Air→CO2时，发料罐内粉煤流化不充分，乳化相被压实，空隙率较低，大分子的CO2很难扩散到乳化相中，在出料口，大部分CO2气体直接流向阻力较小的管壁处，在管道中的流型以栓塞流为主。CO2→Air工况与CO2→CO2工况均出现了气栓，紧接气栓的是一段栓塞流，二者的差异体现在CO2→CO2时，出现的气栓段几近空管，而后面形成的栓塞段浓度明显高于CO2→Air工况。

从图9显示的拟3D图像可以看出，4组工况管道截面浓度的大小关系为：Air→CO2>CO2→CO2>Air→Air>CO2→Air，该大小关系与表2中的颗粒速度关系相反。管道截面浓度越低，输送载气流通的面积越大，气固两相接触得越充分，粉煤颗粒被加速的程度越大，对应的颗粒速度就越大。

3　结　论

本文将粉煤的供料与输送过程作为一个整体操作单元进行研究，并重点关注了不同载气切换条件下，粉煤料仓受料（或即供料）过程对输送特性的影响，借助电容层析成像（ECT）系统观测了4组典型工况的流型情况，结论如下。

（1）无载气切换的工况(Air→Air/CO2→CO2)，CO2在粉煤中的透气性大于Air在粉煤中的透气性，导致二者输送特性的差异；然而存在载气切换的工况(Air→CO2/CO2→Air)，粉煤床层中的“非等分子扩散”效应起主导作用，该作用引起发料罐中粉煤流化状态的差异，进而影响粉煤输送的流型和稳定性。

（2）ECT信号与压力信号都能很好地反映粉煤在输送管道中的流动情况。Air→Air时输送信号最平稳；而Air→CO2时在发料罐内粉煤床层失流，发料罐下料不畅导致输送信号波动剧烈，稳定性最差；CO2→Air和CO2→CO2输送信号相似，均出现间歇性脉冲，然而CO2在粉煤中的透气性大于Air在粉煤中的透气性，CO2→CO2时形成的气栓较长，其ECT信号的功率谱峰值较大。

（3）ECT图像显示，Air→Air时竖直管流型为稳定的环状流；Air→CO2时输送前期流型不稳定，输送中后期呈现栓塞流；CO2→Air与CO2→CO2输送过程都为气栓流，然而CO2→CO2时，出现的气栓段几近空管，随后的栓塞段浓度明显高于CO2→Air。

符号说明

Cs——ECT图像的截面平均相对颗粒浓度

Pl——竖直上升管压力（表压），kPa

Pt——发料罐压力（表压），kPa

Q1，Q2，Q3，Q4，QT——分别为加压气、流化气、调节气、

供料气和总输送气体积流量（20℃，

101.35 kPa），m3·h-1

Ug——表观气速，m·s-1

Vs——颗粒速度，m·s-1

Ws——质量流率，kg·h-1

μ——固气比，kg·m-3

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Effect of feeding gas on pneumatic conveying of pulverized coal in industrial-scale vertical pipe

PAN Xiangming，GUO Xiaolei，LU Haifeng，LIU Kai，FU Lin，LI Peng，GONG Xin
(Shanghai Research Center of Gasification Technology，Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Abstract:The dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal was investigated in an industrial-scale vertical pipe (50 mm I.D.). Air and CO2was used as feeding gas or carrying gas，which consequently forms four typical cases，namely Air→Air，Air→CO2，CO2→Air and CO2→CO2. Comparison was conducted between the above cases to analyze the conveying characteristics of pulverized coal experienced different courses. The results showed that the compound modes of feeding gas and carrying gas could affect the fluidized state of pulverized coal in the feeder vessel and result in the differences of stability and flow patterns of conveying process. Electrical capacitance tomography (ECT) was employed to monitor the flow patterns，while the solid concentration signals obtained from ECT were analyzed on the basis of standard deviation (SD) function and power spectral density (PSD) function. It was concluded that the flow pattern of pulverized coal in the case of Air→Air was a stable annular flow，and the stability of the case of Air→CO2was the worst in which the flow pattern changed from a stable flow to slug flow. Both cases of CO2→Air and CO2→CO2performed plug flow. In comparison，in the case of CO2→CO2, the bigger plug and higher peak value of PSD were obtained.

Key words:gas switching; stability; CO2; pneumatic conveying; ECT

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151094

中图分类号：TQ 022.3

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）04—1169—10

基金项目：国家自然科学基金项目（21206041）。

Corresponding author:Prof. GONG Xin,gongxin@ecust.edu.cn