煤粉外水含量对上出料式发送罐供料特性的影响

徐贵玲，卢　平，许　盼，梁　财，陈晓平



煤粉外水含量对上出料式发送罐供料特性的影响

徐贵玲1，卢平1，许盼2，梁财2，陈晓平2

(1南京师范大学能源与机械工程学院,江苏省物质循环与污染控制重点实验室，江苏 南京 210042；2东南大学能源与环境学院,能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

摘要:在上出料式发送罐密相气力输送实验台上，研究了外水含量对煤粉供料质量流率、固气比以及供料稳定性的影响，获得了内蒙古褐煤的极限供料外水含量和最佳供料外水含量，并结合煤粉流动特性分析，探讨了煤粉极限供料外水含量和最佳供料外水含量的判别方法。结果表明:在初始外水含量为3.3%条件下，在上出料式发送罐壁面以及提升管入口处能够观察到明显的静电放电现象；当外水含量增加至10%时，发送罐内会出现煤粉结拱现象；实验所用内蒙古褐煤的极限供料外水含量在8.7%～10%之间，其最佳供料外水含量大约为 4%，在最佳供料外水含量下煤粉供料质量流率和固气比均达到最大值，且供料稳定性最好；当外水含量为供料实验获得的最佳外水含量 4%时，煤粉的流动函数达到最大值，同时黏附力达到最小值，煤粉的流动性也达到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的过程中，煤粉流动性由容易流动区域转为有黏性区域，流动性变差。当外水含量为10%时，煤粉处于有黏性区域，流动困难。与供料实验相比，通过剪切实验获得煤粉的流动函数和黏附力，可以作为工业应用中初步判别煤粉极限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

关键词:气力输送；两相流；上出料式发送罐；煤粉；供料特性；流动；流动特性；外水含量

引 言

气流床煤气化技术是煤炭高效清洁利用的主要发展方向之一。密相气力输送是干煤粉气流床气化工艺普遍采用的气化物料供料与输送方式，具有输送固气比高、输送能耗低等优点[1-2]。发送罐是密相气力输送系统中一种常用的将粉体物料送入输送管道并使其与输送载气充分混合的供料装置，发送罐的供料特性将直接影响气化炉的安全稳定运行及气化工艺指标[3]。除了煤气化领域，发送罐还广泛应用于电力、冶金、化工、医药以及食品加工等领域。根据出料方式的不同，发送罐主要分为两种类型[4]:上出料式和下出料式。描述发送罐供料特性的指标主要有供料质量流率、固气比以及供料稳定性，它们随着发送罐结构参数、操作参数、载气种类和粉体物料性质的改变而存在很大的差异。David[5]研究发现，上出料式发送罐适用于粉状物料（powdered material），而下出料式发送罐则适用于粒状物料（granular material）。程克勤[6]研究认为，上出料式发送罐内粉体物料需要实现有效流化后才能进入输送管道，罐内粉体物料在输送结束时并不能完全排空，发送罐本身的压力损失相对较大；下出料式发送罐可以获得较高的固气比，罐内粉体物料在输送结束时可以全部排空，发送罐本身压力损失较小。Jones等[4]认为，对于粉状物料，上出料式发送罐可以在较为宽广的操作条件下运行且可以获得较高的供料质量流率。上滝具貞[7]研究表明，上出料式发送罐可以获得的固气比难以超过某一极限值，而下出料式发送罐是借助压力和粉体物料自身重力使粉体物料进入输送管道的，固气比较高。董卫宾等[3]研究表明，下出料式发送罐具有较高的供料质量流率和固气比，二者均具有良好的供料稳定性。贺春辉等[8]研究表明，操作参数对上、下出料式发送罐供料特性的影响具有一致性，且上出料式发送罐的供料质量流率和固气比均高于下出料式发送罐。上述研究虽然可以为工业中发送罐出料方式的选择提供一定的理论依据，但是需要指出的是，针对上、下出料式发送罐供料特性差别的研究，不同的研究者所获得的一些结论也有所不同，尚未获得某种为广大研究者所普遍接受的理论来阐明二者的差异性。在实际运行中主要还是根据粉体物料的性质和工艺要求选择合适的发送罐类型，如GSP粉煤加压气化技术和国内的两段式粉煤加压气化技术采用的是上出料式发送罐，Shell粉煤加压气化技术和国内的多喷嘴粉煤加压气化技术采用的是下出料式发送罐[3]。

目前，国内外研究者们在发送罐结构参数（半锥角、供料管管径、发送罐尺寸等）、操作参数（发送罐压力、流化风量、充压风量、补充风量等）、载气种类（主要是CO2和N2）以及粉体物料特性（主要是物料粒径和物料种类）等对供料质量流率和固气比的影响等方面进行了一系列的研究[9]，然而，针对上述因素对发送罐供料稳定性的影响鲜见报道，且研究者们关注的对象多为下出料式发送罐。同时，文献中关于粉体物料水分含量对发送罐供料特性影响的研究相对较少，所涉及的粉体物料主要集中在医药和食品领域，针对煤粉水分含量的影响少有涉及。Abou-Chakra等[10]研究发现，煤粉内水含量较为稳定，影响输送特性的主要是外水，这一观点也得到了许多研究者的认可[11]。张中林等[12]在高压浓相气力输送实验台上进行了褐煤输送实验，结合褐煤粉不同外水含量下的管道输送特性以及煤粉的表观形貌分析，利用小波分析理论进行了管道输送稳定性判别。许盼等[13]通过实验获得了两种不同煤粉高压下连续稳定密相输送外水含量的极限值。Liang等[14-15]采用 Shannon熵对高压上出料式发送罐输送实验系统中输送管道的压力波动进行了输送稳定性分析，分析了煤粉外水含量对输送稳定性的影响规律。由于Shannon熵是衡量信息源在总体上的无序程度的量，他们认为，对于不同流动过程所包含的信息量是有差别的，通过分析不同输送条件下的特征信号脉动时间序列的信息熵，可以建立信息熵与气固两相流流动特性之间的联系，从而进行流动过程稳定性分析。谢锴等[16]认为，瞬时供料质量流率可以作为输送过程稳定性的最佳评价依据。陈汝超等[17]认为，瞬时供料质量流率的波动可以较好地表征料罐的供料稳定性，他们采用瞬时供料质量流率曲线的波动标准差分析了粒煤在补气料仓中的下料稳定性。He等[18]则认为，与标准差相比，标准差系数可以相对准确地描述发送罐供料稳定性，他们采用供料质量流率的标准差系数考察了生物质/煤粉配比对高压上出料式发送罐中生物质/煤粉混合物料供料稳定性的影响规律。目前为止，现有研究的重点仍是煤粉外水含量对管道输送特性的影响，关于煤粉外水含量对上出料式发送罐供料质量流率和固气比影响的研究均不多见，针对煤粉外水含量对上出料式发送罐供料稳定性影响的研究更是鲜见报道。

同时，煤粉的水分含量是影响其流动特性的主要物性参数之一。谢晓旭等[19]利用Jenike剪切测试仪进行了兖州煤、大同煤和混合煤的剪切实验，获得了水分含量对煤粉流动函数和黏附力的影响规律，并指出通常而言，根据水分含量可以大致判定其流动特性。漆海峰等[20-21]分别研究了宝日希勒褐煤内水含量和外水含量对其流动特性的影响，他们发现影响煤粉流动特性的主要也是外水含量。因此，有必要深入探讨不同外水含量煤粉流动特性与其供料特性之间的内在关联，通过不同外水含量煤粉的流动特性参数来判定煤粉供料极限外水含量及最佳供料外水含量，就可以便捷且有效地避免由于煤粉水分含量过高而导致的发送罐内煤粉结拱现象的发生[22]，同时采用水分含量适中的煤粉还可以降低煤粉干燥过程中的能耗，对保证煤粉上出料式发送罐稳定供料具有极其重要的现实意义。

本文以内蒙古褐煤为实验原料，在上出料式发送罐气力输送实验系统上进行不同外水含量煤粉发送罐供料实验，研究外水含量对煤粉上出料式发送罐供料特性的影响，同时采用瞬时供料质量流率的Shannon熵和标准差系数来表征不同外水含量煤粉供料过程的稳定性，分析外水含量（Me）对煤粉供料质量流率（G）、固气比（μ）、瞬时供料流率的Shannon熵（S）和标准差系数（CV）等参数的影响规律，并利用 ShearTrac-Ⅱ剪切仪进行剪切实验，测定不同外水含量煤粉的流动函数（FF）和黏附力（c），探讨煤粉流动特性与其供料特性之间的内在关联，提出煤粉极限供料外水含量与最佳供料外水含量的判别方法，为上出料式发送罐设计、控制和运行提供一定的理论依据。

1　实验系统和实验原料

图1　上出料式发送罐密相气力输送实验系统Fig.1 Schematic diagram of top discharge blow tank pneumatic conveying system

1—nitrogen gas cylinder；2—dehumidifier；3—gas distributor；4—pressurizing gas；5—fluidizing gas；6—supplemental gas；7—loosing gas；8—computer；9—data acquisition unit；10—video camera；11—load cell；12—top discharge blow tank；13—fill-gas equipment；14—bottom discharge receiving tank；15—differential pressure transmitter；16—bag filter

1.1 实验系统

上出料式发送罐密相气力输送实验系统如图 1所示，该系统由上出料式发送罐、输送管道、下出料式接收罐、供气系统、流量与压力测量系统、图像与数据采集系统等组成。上出料式发送罐和下出料式接收罐均由有机玻璃制成，容积均为 0.0169 m3。上出料式发送罐分为上部筒仓段和下部斗仓段。筒仓段内径为200 mm，高度为420 mm；斗仓段半锥角为15°，高度为280 mm，底部直径为50 mm。在实验过程中，下出料式接收罐与大气相连通，始终保持常压。采用高压氮气作为输送载气，经气体分配器分为充压风、流化风、补充风和松动风，气体流量采用玻璃转子流量计进行测量，分别记为Qp、Qf、Qs和Ql。为了尽量减小操作参数对供料特性的影响，在实验时，不加补充风和充压风，保持流化风流量不变，流化风通过布风板进入上出料式发送罐后对罐中的煤粉进行流化，煤粉经垂直提升管进入输送管道, 提升管为φ15 mm×2.5 mm的有机玻璃管，提升管入口与布风板之间距离为50 mm，携带煤粉的载气经过布袋除尘后排入大气。采用称重传感器测量发送罐质量的变化，并通过数据采集系统进行在线纪录。

1.2 实验原料及其流动特性测试方法

实验所用原料为内蒙古褐煤，经碾磨和筛选后平均粒径为249 μm，其粒径分布采用美国Beckman Coulter公司生产的LS200型激光粒度分析仪（粒径测量范围为0.4～2000 µm）测得，如图2所示。外水含量为3.3%，堆积密度为670 kg·m-3，真实密度为1220 kg·m-3。图3为煤粉的扫描电镜照片。由图3可以看出，煤粉颗粒表面粗糙，泥质感较强，有着明显的裂缝和丰富的孔隙结构。煤粉的初始外水含量为磨制过程自然形成，与工业装置中的制粉干燥系统原理一致。参照文献[23]将煤粉分别配制成外水含量（Me）为4%、5.3%、6.9%、7.9%、8.7%和10%的煤样，外水含量按照国家标准《煤中全水分的测定方法》（GB/T211—2007）中外在水分测试方法，采用电热恒温鼓风干燥箱在 40℃下加热干燥至恒重后测得的。利用美国 Geocomp公司生产的ShearTrac-Ⅱ剪切仪进行剪切实验，获得不同外水含量煤粉的流动函数和黏附力。

图2　煤粉的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of pulverized coal

图3　煤粉的扫描电镜照片Fig.3 SEM photograph of pulverized coal

2　实验结果及分析

2.1 外水含量对供料质量流率和固气比的影响

图4所示为煤粉外水含量对供料质量流率的影响。由图4可以看出，随着外水含量的增加，煤粉供料质量流率先增大后减小。这一结果与肖国先[24]和Xu等[22]的研究结果基本一致。Xu等[13, 22]还研究发现，随着外水含量的增加，煤粉颗粒所带的电荷量逐渐减小，输送过程的静电效应是得到抑制的，静电对煤粉输送特性的影响逐渐减弱。结合 Xu 等[13, 22]的研究结果，本文煤粉供料流率变化的原因分析如下:当外水含量为3.3%时，煤粉供料质量流率相对较低，这是由于发送罐内煤粉颗粒与颗粒之间处于干摩擦状态，颗粒与提升管之间以及颗粒与发送罐内壁之间不断发生接触、碰撞和摩擦等过程，颗粒带电量不断增大，静电力也随之不断增大，煤粉容易黏附在提升管壁以及发送罐内壁等处；当外水含量由3.3%增加至4%的过程中，煤粉供料质量流率逐渐增大，并在外水含量为4%时达到最大值。这是由于外水含量的增加使得煤粉颗粒之间的干摩擦状态得到缓解，煤粉颗粒的导电性也随之显著增加，静电作用在一定程度上得到了抑制[25-26]。发送罐中煤粉颗粒之间、煤粉颗粒与壁面间的摩擦系数减小，煤粉在发送罐中能够以整体流的形式下移进入流化区域，进入发送罐中的流化风能够将布风板上部提升管入口附近区域中的煤粉较为均匀地流化，煤粉颗粒间的空隙较大，颗粒运动摩擦力较小，煤粉容易从发送罐中流出，煤粉供料质量流率随之增加；当外水含量超过 4%以后，煤粉颗粒间的黏附力增加，流化风不能均匀地将提升管入口附近区域中的煤粉颗粒流化，可能会导致部分位置处气泡变大，部分位置处开始出现“死区”等现象，流化效果变差。同时，由于发送罐内煤粉颗粒的流动性变差，气体通过煤粉料层的阻力也相应增加，煤粉颗粒在流动的过程中还需要克服颗粒间由于高外水含量导致的黏附力的作用，因此，煤粉颗粒流入提升管过程中的能量损失也相应地增大。当外水含量从4%增加至6.9%时，煤粉的供料质量流率显著减小。当外水含量超过6.9%以后，煤粉供料流率的减小趋势减缓。当外水含量达到8.7%左右时，煤粉颗粒在发送罐内黏结聚团严重，此时煤粉很难被流化，发送罐内布风板上部提升管入口附近区域中煤粉的流化效果恶化，同时煤粉的造粒现象也会使得煤粉粒径增大，导致出料困难，出料连续性下降，在供料过程中易出现结拱等不稳定供料现象，偶尔还会有大团的煤粉聚团剥落、坍塌进入流化区域，进一步干扰发送罐内煤粉的正常流化。当外水含量进一步增加至10%左右时，供料过程无法正常进行。

图4　外水含量对供料质量流率的影响Fig.4 Pulverized coal discharge rate vs external moisture content

同时，在实验过程中还可以观察发现，当Me=3.3%（初始外水含量）时，在发送罐壁面以及提升管入口处存在明显的静电放电现象，同时有机玻璃发送罐以及提升管上均黏附了一层细煤粉，如图5所示；当外水含量增加至4% 时，煤粉黏附在有机玻璃发送罐以及提升管上的现象基本消失，静电放电产生的电火花也很难再观察到；当外水含量增加至10%时，发送罐内发生了明显的煤粉结拱现象[27]，如图6所示，这表明煤粉不能从发送罐中流出，此时外水含量已经超过了可以实现煤粉供料过程的最大外水含量。

图5　煤粉黏附现象Fig.5 Pulverized coal adhesion phenomenon

图6　煤粉结拱现象Fig.6 Pulverized coal arching phenomenon

对于煤粉上出料式发送罐供料过程，应存在极限供料外水含量（该值是判断能否实现供料过程的临界点）和最佳供料外水含量（该值对应的是煤粉供料质量流率的最大值）。综合实验数据和实验观察分析可知，实验所用内蒙古褐煤的极限供料外水含量在8.7%～10%，其最佳供料外水含量大约为4%。贺春辉等[28]在研究昭通褐煤水分含量对其高压密相气力输送特性影响时发现，在其极限输送水分值附近时，粒间水的含量约为 6%，他们所定义的粒间水指的是存在于颗粒外部的水分，其含量应该小于通常意义上的外水的含量。Xu等[22]在高压密相气力输送实验台上获得了两种煤粉高压密相输送外水含量的极限值，对于中等变质煤，其极限外水含量约为6%，年轻煤极限外水含量约为10%。因此，煤的变质程度会直接影响煤粉中水分赋存形态，进而会对其供料特性造成最直接的影响。针对不同煤种的煤粉外水含量对其发送罐供料特性的影响仍需进行进一步的实验研究。

图7所示为煤粉外水含量对固气比的影响。由图7可以看出，随着外水含量的增加，提升管中固气比也呈现出先增大后减小的变化趋势。当外水含量由3.3%增加至4%时，提升管入口附近区域煤粉的流化状态变好，单位质量气体对煤粉颗粒的携带能力增强，固气比逐渐增大，并在外水含量为 4%时达到最大值；随着外水含量的进一步增加，由于煤粉颗粒间的黏附力增加，气体通过煤粉料层的阻力也相应增加，单位质量气体气体对煤粉颗粒的携带能力降低；同时，提升管入口附近区域中的煤粉流化不均匀，在煤粉料层中某些位置会存在“沟流”，进入发送罐内的流化风直接沿着“沟流”直接进入提升管中，并未真正对提升管入口附近区域的煤粉颗粒进行流化，煤粉供料质量流率逐渐减小，同时单位时间进入提升管中的气体流量增大，固气比逐渐减小。许盼等[13]在高压密相气力输送实验台上进行53 μm中等变质煤的煤粉输送实验时，发现输送管路中的固气比也随着煤粉的外水含量变化呈现出与本文类似的规律，在外水含量为1.46%时，煤粉质量流率与输送管路中的固气比同时达到最大值。

图7　外水含量对固气比的影响Fig.7 Solid-gas ratio vs external moisture content

2.2 外水含量对供料稳定性的影响

图 8所示为煤粉外水含量对供料稳定性的影响。由图8可以看出，随着煤粉外水含量的增加，Shannon熵与标准差系数均先减小后增大。Shannon熵和标准差系数越小，稳定性越好[18, 29]，即随着外水含量的增加，煤粉供料稳定性先增加后降低。当煤粉外水含量较低时，由于颗粒间的干摩擦状态造成的静电作用，会导致颗粒之间相互吸引，致使颗粒空间分布改变，煤粉颗粒易黏附在发送罐内壁以及提升管壁面等处，供料稳定性较差。当外水含量由3.3%增加至4%时，煤粉颗粒间的静电作用受到抑制，煤粉的流动性较好，煤粉颗粒在提升管入口附近区域的流化状态较好，供料稳定性较高。当外水含量由4%增加至6.9%时，供料稳定性显著降低，这是由于随着外水含量的增加，煤粉颗粒间的液桥力不断增大，颗粒之间的黏聚能力不断增强，发送罐内提升管入口附近区域煤粉的流化状态变差。当外水含量大于6.9%以后，煤粉颗粒出现团聚现象，形成黏附性更强的二次或者三次粒子。这些颗粒团更加容易黏附在料罐、提升管等处，发送罐内提升管入口附近区域煤粉的流化状态变差，偶尔还会有煤粉聚团后再从料罐内壁剥落坍塌，供料稳定性降低。当外水含量增加至10%左右时，发送罐内出现煤粉结拱现象，导致供料过程完全中断。

?图8　外水含量对供料稳定性的影响Fig.8 Relationship between discharge stability and external moisture content

通过对比图4、图7和图8可以定量得到外水含量对煤粉上出料式发送罐供料特性的影响规律:当外水含量低于最佳供料外水含量4%时，供料质量流率和固气比逐渐增大，供料稳定性较好；当外水含量为4%～6.9%时，供料质量流率和固气比均显著减小，供料稳定性变差；当外水含量为6.9%～8.7%时，供料质量流率和固气比的减小趋势变缓，且供料稳定性进一步下降；当外水含量增加至10%时，发送罐中的煤粉将出现极限不稳定供料的情况。

2.3 外水含量对煤粉流动特性的影响

图9为外水含量对煤粉流动函数的影响。由图9可以看出，随着外水含量的增加，煤粉的流动函数值先增大后减小。这一结果与Fitzpatrick等[30]和Emery等[31]的研究结果基本一致。图 10所示为外水含量对煤粉黏附力的影响。由图10可以看出，随着外水含量的增加，煤粉的黏附力先减小后增大。根据流动函数值（FF）的大小，可以将粉体流动特性分为4类[32]:非常黏不流动（FF<2），有黏性（2≤FF<4），容易流动（4≤ FF<10）和自由流动（FF≥10）。煤粉流动函数值和黏附力随着外水含量的变化趋势均说明，随着外水含量的增加，煤粉的流动性先变好再变差。

图9　外水含量对煤粉流动函数的影响Fig.9 Pulverized coal flow function vs external moisture content

图10　外水含量对煤粉黏附力的影响Fig.10 Pulverized coal cohesion vs external moisture content

图11　水分在煤粉颗粒间的存在方式[33]Fig.11 Different existing forms of water between pulverized coal particles

根据颗粒间水分含量的多少，可以将颗粒间水分的存在状态分为点状连接状态、网状连接状态和毛细管连接状态[33]，如图 11所示。当煤粉的外水含量为3.3%时，此时煤粉外水含量较低时，颗粒之间的摩擦表现为干摩擦，在某一压实水平下颗粒之间的咬合比较紧密，颗粒间的内摩擦力较大，颗粒之间的黏聚能力较强，煤粉的黏附力较大；当外水含量由3.3%增加到4%时，煤粉流动函数增大，黏附力减小，流动性变好，此时煤粉颗粒间的水分主要存在于颗粒之间的接触点上，形成环状的或者透镜状的液相（液膜），起到润滑作用，但液相相互不连接，外水的存在起到一定的润滑作用，缓解了煤粉在干摩擦状态下的剪切，颗粒间的内摩擦力减小。这也是煤粉供料质量流率和固气比在这一外水含量范围内升高的原因之一。当外水含量由 4%增加至6.9%时，煤粉颗粒间水分逐渐增多，颗粒间的液相逐渐互相连接，形成网状结构，中间仍会存在一些气泡，颗粒间水分的存在方式由点状连接向网状连接过渡，水分在煤粉颗粒间产生的液体毛细力促使煤粉颗粒之间相互吸引，颗粒间的黏聚能力逐渐增强，黏附力略有增大，流动函数略有减小，煤粉的流动性有所下降，然而在这一外水含量范围内，煤粉供料流率和固气比是显著降低的，造成这一偏差的原因还有待进一步的研究和探讨。当外水含量超过6.9%以后，煤粉流动函数显著减小，黏附力显著增大，这是由于随着外水含量的进一步增加，煤粉颗粒间的空隙充满液相，水分在煤粉颗粒之间会形成液桥产生颗粒间液桥力，使颗粒有相互吸引的趋势，颗粒之间的黏聚能力显著增大，导致颗粒间不易发生相对移动，开始出现颗粒团聚现象，煤粉的流动性变差[19, 34]。当外水含量由8.7%增加至10%时，煤粉的流动特性从容易流动区域转为有黏性区域，该区域中煤粉流动困难，同时，由于液膜在颗粒表面的分布具有不均匀性，在液膜分布较多的颗粒之间极易团聚，形成二次或者三次粒子，与简单的粉体团聚状态相比，二次粒子团聚更为密实，二次或三次粒子团之间会胶结形成黏聚粉体[28]。煤粉的团聚会使颗粒黏附在料罐、管道等处，严重的会导致供料的中断，不利于供料过程的顺利进行。

2.4 极限供料外水含量与最佳供料外水含量的判别

通过供料实验对煤粉极限供料外水含量和最佳供料外水含量进行判别是最有效和准确的方法。但是，由于实验受到很多条件的限制，且需要消耗大量的人力和物力，在工业应用中则不是一种便捷的方法。因此，有必要探讨一种更简便的极限供料外水含量和最佳供料外水含量的判别方法。Emery 等[31]研究发现，粉体的流动函数与其流动特性和料罐中的下料能力的变化规律是一致的。通过对比本文供料实验和剪切实验的结果可以发现，当外水含量为供料实验获得的最佳外水含量 4%左右时，煤粉的流动函数达到最大值，同时黏附力达到最小值，煤粉的流动特性也达到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的过程中，煤粉流动性发生区域转变，流动性变差。当外水含量为8.7%时，煤粉流动函数刚好处于容易流动区域与有黏性区域的转折点上，当外水含量为10%时，煤粉处于有黏性区域，流动困难，同时黏附力也达到实验范围内的最大值，这也从流动特性方面初步解释了外水含量为 8.7%～10%是此褐煤的极限供料外水含量所在的区间。贺春辉等[28]研究昭通褐煤的极限输送水分时也发现，通过流动函数表征煤粉流动特性时，煤粉流动性区域发生转变时对应的全水含量为29%～30%，此时对应的粒间水含量约为 6%，与输送实验获得的极限水分值吻合较好。煤粉的输送极限外水含量对其供料外水含量的判别具有一定的参考价值，尽管二者的相对关系还需要进一步的深入研究。因此，与供料实验相比，通过剪切实验获得煤粉的流动函数和黏附力，可以作为初步判别煤粉极限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

同时，需要注意的是，在工业应用中，Shell粉煤气化工艺要求入炉煤粉的水分含量小于 2%，而Prenflo和GSP粉煤气化工艺均要求入炉烟煤水分含量小于2%，褐煤水分含量小于10%，K-T煤气化工艺则要求入炉煤粉被干燥到适宜的水分含量（烟煤1%～2%，褐煤8%～10%）。煤粉的水分含量（特别是外在水分）的高低直接关系到运输成本和制粉过程的能耗[35]。对于褐煤而言，由于其煤化程度较低，其煤质结构与烟煤有着很大的差异，褐煤水分含量都很高，在其干燥过程中需要消耗大量的能量，且褐煤干燥后易重新吸收水分。因此，采用含有一定量适宜外水含量的褐煤作为气化原料，一方面可以获得较高的供料质量流率，同时提高供料稳定性，另一方面可降低煤粉干燥系统所需的高温气体的温度和用量，提高煤粉制备系统的操作性和经济性。

3　结 论

（1）在初始外水含量3.3%的条件下，煤粉存在显著的静电效应，供料过程中，在上出料式发送罐壁面以及提升管入口处能够观察到明显的静电放电现象。

（2）在外水含量为3.3%～10%的范围内，随着煤粉外水含量的增加，煤粉供料质量流率和固气比均呈现先快速增加后逐渐降低的趋势；在外水含量为 4%的条件下供料稳定性最佳，随着外水含量的进一步增加供料稳定性逐渐降低，当外水含量增加至10%时，上出料式发送罐中的煤粉将出现极限不稳定供料的情况。

（3）在外水含量为3.3%～10%的范围内，随着煤粉外水含量的增加，煤粉的流动函数呈现先增大后减小的趋势，黏附力呈现先减小后增大的趋势，煤粉的流动性先变好后变差；在外水含量为 4%的条件下，煤粉的流动性也达到最佳。

（4）实验所用煤粉的极限供料外水含量为8.7%～10%，其最佳供料外水含量大约为 4%。与供料实验相比，通过剪切实验获得煤粉的流动函数和黏附力，可以作为工业应用中初步判别煤粉极限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

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2016-01-28收到初稿，2016-04-18收到修改稿。

联系人及第一作者:徐贵玲（1986—），女，博士，讲师。

Received date: 2016-01-28.

中图分类号:TQ 536

文献标志码:A

文章编号:0438—1157（2016）07—2767—10

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20160129

基金项目:国家自然科学基金项目（51506100）；江苏省高校自然科学研究面上项目（15KJB470008）；国家重点基础研究发展计划项目（2010CB227002）。

Corresponding author:XU Guiling, xuguiling@njnu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51506100), the Natural Science Fundamental Research Project of Jiangsu Colleges and Universities (15KJB470008) and the National Basic Research Program of China (2010CB227002).

Influences of external moisture content in pulverized coal on discharge characteristics of top discharge blow tank

XU Guiling1, LU Ping1, XU Pan2, LIANG Cai2, CHEN Xiaoping2
(1Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

Abstract:Experimental investigations on the discharge characteristics of pulverized coal with different external moisture content were carried out in a dense-phase pneumatic conveying facility of top discharge blow tank. The effects of external moisture content on solid discharge rate, solid loading ratio and discharge stability were investigated. The limit and the best values of external moisture content for Neimenggu lignite used in the experiments were obtained. Combined with flowability analysis of the pulverized coal, the discriminate methods of limit and the best external moisture content for discharge process were discussed. The results showed that for pulverized coal with original external moisture content of 3.3%, an obvious electrostatic discharge phenomenon could be observed near the wall of the top discharge blow tank and the riser inlet during the discharge process.When the pulverized coal external moisture content was increased to 10%, arching phenomenon would appear in the top discharge blow tank. The limit external moisture content for Neimenggu lignite was in the range of 8.7%—10%, and its best external moisture content was about 4% corresponding to the maximum solid discharge rate and solid loading ratio, and to the best discharge stability. When the external moisture content was 4%, equal to the best external moisture content obtained by discharge experiments, the flow function reached the maximum value, the cohesion reached the minimum value and the pulverized coal flowability became the best. When the external moisture content was increased from 8.7% to 10%, the pulverized coal flowability turned from the easy flow region to cohesive region and the flowability became worse. When the external moisture content was 10%, the pulverized coal was in the cohesive region which meant difficult to flow. Compared with discharge experiments, the flow function and cohesion obtained by the shear tests could be used as preliminary criterion to judging the limit and best values of external moisture content pulverized coal in industrial applications more conveniently.

Key words:pneumatic conveying; two-phase flow; top discharge blow tank; pulverized coal; discharge characteristics; flow; flowability; external moisture content