付 琳, 陸海峰, 郭曉鐳, 龔 欣

(華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室,上海市煤氣化工程技術研究中心,上海 200237)

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煤粉通氣料倉的優(yōu)化設計

付 琳, 陸海峰, 郭曉鐳, 龔 欣

(華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室,上海市煤氣化工程技術研究中心,上海 200237)

料倉通氣技術具有成本低、噪音小的優(yōu)勢,被廣泛應用在黏附性粉體下料過程中。為確定黏附性煤粉下料過程的最優(yōu)通氣條件,在自行搭建的有機玻璃料倉上進行煤粉的通氣下料實驗。實驗結果表明,通氣可以顯著促進煤粉下料,但通氣高度和通氣氣速對下料過程的影響存在耦合作用。以氣泡運動理論為基礎,結合氣泡與顆粒間的相對運動關系,建立了煤粉通氣下料模型?；趯嶒灁?shù)據(jù)關聯(lián)氣泡尺寸與通氣高度及通氣氣速間的關系,通過模型分別計算了最優(yōu)相對通氣高度H/D=12.25和最優(yōu)通氣氣速Ug=2.4Umf。模型計算值與實驗值的吻合效果良好,當5.56Umf時,下料流率的計算偏差小于±20%。

煤粉料倉; 優(yōu)化; 通氣氣速; 通氣高度; 下料流率

下料過程廣泛地存在于粉體的氣力輸送領域,也是氣流床煤粉加壓技術中的重要單元[1]。其中,通氣是常用的輔助下料方式,尤其適用于含水量較低的粉體。粉體的下料過程涉及氣固相互作用,使粉體的流動表現(xiàn)出高度的復雜性。對于粒徑較小、流動性較差的粉體,顆粒間的黏聚力也成為影響下料的因素[2],增加了理論研究的難度。文獻[2-3]分別從通氣流動方向及顆粒受力角度,建立了適用于無黏性粉體的通氣下料預測模型。Lu等[4]利用上述模型計算黏附性煤粉下料流率時發(fā)現(xiàn)計算結果偏大。Barletta等[5]通過測量團聚體的相關特性,修正了Donsi方程,使之適用于黏附性粉體的通氣下料情況,但模型計算所需的粉體團聚參數(shù)較難獲得。Huang等[6]通過實驗得出適用于煤粉通氣下料的經(jīng)驗方程,但當物料改變時,方程的計算誤差較大。

文獻[7]通過對通氣位置及氣速的合理選擇的研究發(fā)現(xiàn),在一定氣速范圍內(nèi),下料流率隨氣速的增加而增大;當氣速超過一定程度時,下料流率不再提高。對于錐形料倉,較大的氣速還會出現(xiàn)下料停滯,即產(chǎn)生氣壓平衡拱[8]。Huang等[6]指出,通氣高度越低,出現(xiàn)氣壓平衡拱的頻率越高,強度越大。Du等[9]認為提高通氣高度可以增大出料口附近的壓力梯度,增大下料流率,但通氣高度過高容易使通氣位置上方的床層崩塌,造成出料口的堵塞。

通氣下料過程存在最優(yōu)通氣條件,但目前尚缺少相應的方法給出明確的最優(yōu)值。本文基于有機玻璃料倉下料系統(tǒng),研究了通氣高度、氣速對煤粉通氣下料過程的影響;另外基于實驗現(xiàn)象提出以壁面氣泡關聯(lián)通氣速度、通氣高度的優(yōu)化方法;對于本實驗系統(tǒng),模型能夠預測實驗點的變化趨勢,并能確定煤粉的最佳通氣條件。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

圖 1(a)所示為實驗流程,主要包括供氣、下料、接料3個部分。下料前通過氣體質量流量計控制進入有機玻璃料倉的氣速,所用氣體為干燥過的壓縮空氣,待床層狀態(tài)穩(wěn)定后開啟下料閥,使物料落至鋼質接料罐中,下料完成后,向接料罐中通氣充壓至70 kPa,開啟輸送閥,物料再次被輸送到料倉中。

料倉的結構尺寸如圖 1(b)所示,出料口直徑D=40 mm、半錐角θ=15°。P代表壁面上的壓力傳感器,用L代表料倉錐部的線式通氣結構,L1～L5代表由低到高的不同位置。線式通氣由錐部壁面上處于同一高度的6個通氣孔組成。

1—Air compressor;2—Drying machine;3—Gas distributer;4—Gas mass flowmeter;5—Receive vessel;6—Pressure transducer;7—Dust filter; 8—Load cell;9—Fluidization hopper圖 1 實驗流程與料倉結構示意圖Fig.1 Experimental process and structure of the hopper

1.2 實驗物料

以晉城煤為實驗物料,其基本物性參數(shù)如表1所示。圖2展示了晉城煤的粒徑分布情況,主要分布于粒徑小于100 μm的范圍內(nèi)。根據(jù)Geldart等[10]有關顆粒密度和粒徑間的相互關系,將粉體劃分為A、B、C、D 4大類。結合表 1中的煤粉的顆粒物性參數(shù)可知,本文所用晉城煤屬于A類粉體,流化狀態(tài)較為穩(wěn)定,充氣時不容易出現(xiàn)溝流、節(jié)涌等問題。此外,本文還采用HR (Hausner Ratio)指數(shù)來描述粉體的流動狀態(tài)。表1中晉城煤HR指數(shù)為1.67,處于1.4～2.0之間,表明其流動性較差且具有一定黏附性[11]。

圖2 晉城煤粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of Jincheng coal

Pulverizedcoaldv/μmρp/(kg·m-3)ρb/(kg·m-3)w(Totalmoisture)/%HRGeldartgroupJinchengcoal66.361627.5580.61.271.67A

2 結果與分析

實驗通過調(diào)節(jié)通氣氣速Ug及通氣高度H控制通氣條件進行煤粉料倉通氣下料。圖3顯示了當通氣條件改變時晉城煤在通氣料倉內(nèi)下料流率的變化情況。可以看到Ug與H對下料流率Ws的影響具有一定耦合性,單獨提高Ug總體表現(xiàn)出對下料的促進作用,提高H則表現(xiàn)出對下料的抑制作用,兩者共同作用導致在高位低速及高位高速通氣情況下煤粉的流動性質沒有明顯的改善。

整體而言,通過分析Ws隨Ug的變化規(guī)律可將圖3分為3個區(qū)域:在I區(qū)內(nèi)Ug增大,Ws快速增加;II區(qū)內(nèi)Ws趨于平穩(wěn),Ug對下料的影響減弱;在III區(qū)內(nèi),Ug的升高總體表現(xiàn)為對下料的抑制作用。依據(jù)Lu等[12]對不同區(qū)域煤粉下料特性的分析可知,上述分區(qū)反映出通氣后床層分別經(jīng)歷了局部流化、擬整體流化及鼓泡流化3種狀態(tài)。參考流態(tài)化的相關理論,依據(jù)圖3中I、II區(qū)及II、III區(qū)域間的臨界Ug可近似地給出晉城煤的相關特征氣速,即:最小流化速率Umf=0.67 m/s、最小鼓泡氣速Umb=1.40 m/s。需要說明的是,上述特征氣速可有效反映煤粉通氣下料的狀態(tài)特征,但盡管通氣料倉與流化床具有一定的相似之處,然而兩者并不相同,因此該特征氣速并不能代表其在流化床內(nèi)的實際狀態(tài)。

圖 3 不同通氣位置處煤粉的下料曲線Fig.3 Discharge rate of pulverized coal at different aeration locations

3 最優(yōu)值理論分析

3.1 最優(yōu)通氣高度的計算

Brown等[13]、Donsi等[2]認為下料時在出料口上方存在理想拱面,下料流型在拱面處發(fā)生改變:拱面上方為顆粒流區(qū),下方為懸浮流區(qū)。陶順龍等[14]通過實驗證明在通氣下料過程中同樣存在流型轉變的理想拱面。假設該拱面穩(wěn)定于倉內(nèi)某一高度HG,拱上方顆粒向下流動,與懸浮流區(qū)存在相對運動,顆粒流過拱面速率為Us;若假設拱上方顆粒為靜態(tài),則懸浮流區(qū)域在倉內(nèi)相對上升,上升速率為u,該速率與顆粒流過拱面的速率Us大小相同、方向相反。參考氣泡在床層內(nèi)的上升過程,可以得到錐形料倉的下料流率表達式:

(1)

(2)

料倉內(nèi)煤粉重力下料流率為0.89kg/s,代入式(1)得到r=10.30cm,dq約為2.65cm。對于錐角及出口直徑較小料倉,HG近似與r相等。通氣高度H與料倉出口直徑D的比值(H/D)可以表示通氣高度的相對位置[6,21],則理想拱面的相對高度HG/D為2.57。

圖3表明煤粉通氣下料的最優(yōu)通氣位置為L3,對應拱面上方的顆粒流區(qū)。分析式(1)可知Ws增加時,r必然增加,說明相比于重力下料過程,通氣使倉內(nèi)懸浮流區(qū)域擴大,上表面積S增加,從而促進下料。Cannavacciuolo等[17]認為,通氣能引起倉內(nèi)穩(wěn)定結構的崩潰,提升理想拱面高度直至達到新的平衡條件。因此,設想在通氣均勻及顆粒間無作用力的理想條件下,通氣后動態(tài)拱面上升至通氣孔所在高度,通氣的流化作用使顆粒流向懸浮流轉變。

下料時粉體料倉內(nèi)的顆粒速率分布不均勻,靠近中部流速最快,靠近壁面流速最慢[18],與管道中理想流體層流流動的速率分布相似,類比管道中流體層流流動平均速率的計算方法,顆粒流過理想拱面的平均速率Us等于中心速率的1/2[19]。實驗證明過量通氣對下料起阻礙作用。假設這是由于通氣在通氣孔附近壁面上產(chǎn)生氣泡,壓縮下料轉換面區(qū)域導致的。由此可知,在通氣孔所在高度上,靠近壁面處氣泡在靜止的顆粒床層中上升,靠近中部顆粒在靜止的氣體中下落。在料倉的壁面與中部,氣體與顆粒間的相對運動是一致的。可近似認為壁面氣泡的上升速率uw等于中心顆粒的下落速率。圖3給出了理想條件下,通氣后倉內(nèi)粉體的床層狀態(tài):拱面由S上升至S′;通氣產(chǎn)生壁面氣泡,提高顆粒下落速率的同時限制拱面大小。由上述分析,對式(1)的S及Us進行修正,最優(yōu)通氣高度上下料流率的計算方法為:

(3)

圖 4 理想化的煤粉床層最佳下料狀態(tài)Fig.4 Idealized optimal discharging condition of pulverized coal bed

式(3)可表示成與rw有關的形式,在確定rw與通氣條件及Ug的關系式后,可對通氣條件進行定量選擇。首先確定H對Ws影響,表2所示為所選下料的工況,氣速滿足Ug>Umf。表3給出了由表2中的下料流率反推得到的rw,擬合rw與H平均值間的關系得到:

rw=0.157H1.73

表2 典型氣速下不同高度的實際下料流率

表3 典型氣速下不同位置的計算壁面氣泡半徑

圖 5所示為擬合結果,可以看到式(4)對實驗值的擬合效果良好,滿足定量計算要求。聯(lián)立式(3)、(4)得到Ws。

Ws=1 599.8(0.268H+0.02-0.309H1.73)2H0.86

(5)

求導式(4)得到最優(yōu)相對通氣高度H/D=12.25,對應最大下料流率3.07 kg/s。實驗得到的最優(yōu)相對通氣高度H/D=12.15,最大下料流率2.69 kg/s。最優(yōu)相對通氣高度與實驗值的偏差為1.23%。模型預測相對高度與Lu等[12]的建議相對高度(11.40)偏差為6.17%,與Huang等[6]通過實驗確定的最優(yōu)相對高度(10.25)偏差為16.23%,說明模型所提供的通氣高度優(yōu)化方法對黏附性粉體較為適用。

式(5)將Ws與H間離散的實驗點表示成連續(xù)的變化關系,圖6給出了模型預測的總體結果,可以看到模型得到的最優(yōu)相對通氣高度與實驗最優(yōu)值接近。模型曲線與H/D軸交于0、21兩點,分別代表無通氣及氣泡完全封閉下料空間中兩種不能下料的情況。當0

3.2 最優(yōu)通氣氣速的計算

分析相對高度H/D=12.15處(圖3中L3)的通氣下料結果可知,在最優(yōu)通氣高度上,增加Ug可提高Ws,以Ws作為衡量煤粉下料的標準,可判斷其最優(yōu)氣速出現(xiàn)在III區(qū)內(nèi),即Ug>1.40 m/s。利用Darton等[20]方程可確定rw與Ug的關系,方程的適用條件為Ug>Umf。選擇H/D=12.15的系列實驗中氣速Ug>Umf(Umf=0.67 m/s)部分的數(shù)據(jù),結合式(3)計算實際下料過程中的rw。表 4示出了計算結果,擬合其中rw與Ug的關系寫成Darton[20]方程的形式得到:

圖5 rw與H變化關系的擬合結果Fig.5 Fitting results of the relation between rw and H

圖6 最優(yōu)通氣高度計算值與實驗值的比較Fig.6 Comparision between calculated and experimental of optical aerated height

rw=0.025(Ug-Umf)0.55g-0.2

(6)

表4 壁面氣泡尺寸的計算結果

將式(6)代入式(2),結合料倉結構參數(shù)及煤粉物性,最優(yōu)通氣高度上的下料流率可表示為:

(7)

對式(7)中的Ug進行求導可得到方程的極大值點為:Ug=1.58 m/s=2.4Umf,Ws=2.72 kg/s。處于Lu等[21]、Huang等[6]實驗確定的黏附性煤粉下料最優(yōu)氣速分布區(qū)間(2.0Umf

圖7 L3通氣位置處模型預測值與實驗值的比較Fig.7 Comparison between model predictions and experimental values on the locations of L3

3.3 模型的優(yōu)化效果

為客觀體現(xiàn)模型的優(yōu)化作用,將通氣條件的模型優(yōu)化值與實驗最優(yōu)值(文獻[6,21]數(shù)據(jù)、本研究體系)進行比較。由表5可知,模型預測的最佳通氣相對高度(量綱為一的H/D)和最佳氣速(量綱為一的Ug/Umf)與實驗值吻合效果良好,能夠有效預測煤粉料倉下料的通氣條件。此外,將模型預測值和文獻[6,21]的研究結果進行對照同樣發(fā)現(xiàn)具有較好的吻合度,預測的最佳通氣相對高度偏差不超過20%,而最佳氣速也在實驗范圍內(nèi)。由此可見,模型能夠準確預測黏附性煤粉下料時的最優(yōu)通氣條件。

表5 煤粉通氣料倉下料最優(yōu)條件預測

4 結 論

(1) 煤粉的通氣下料實驗結果表明,氣速超過煤粉的最小流化氣速后,下料流率的變化趨于平穩(wěn),并在L3處出現(xiàn)最大下料流率。由下料流率分區(qū)模型分析出煤粉的最小流化速率Umf=0.67 m/s、最小鼓泡速率Umb=1.40 m/s。

(2) 實驗證明煤粉的通氣下料存在最優(yōu)通氣高度,即L3位置(H/D=12.15)。氣速增加有助于提高下料流率,最優(yōu)氣速滿足Ug>Umf,實驗確定煤粉最小流化氣速為Umf=0.67 m/s。

(3) 通過錐口處氣體與顆粒間相對運動建立煤粉重力下料模型,得到下料時的動態(tài)拱相對高度HG/D=2.57。由觀察到的通氣下料截面流型,發(fā)現(xiàn)通氣對顆粒流動的限制作用,引入壁面氣泡概念建立煤粉通氣下料模型,對比實驗結果后發(fā)現(xiàn),對于滿足Ug>Umf,5.56

(4) 通過擬合氣泡尺寸rw與通氣高度H及氣速Ug的關系,得到煤粉料倉最優(yōu)通氣條件:最優(yōu)通氣相對高度H/D=12.25,位于動態(tài)拱上方的顆粒流區(qū)內(nèi),與實驗值偏差為1.23%;最優(yōu)氣速為Ug=2.4Umf=1.58 m/s,處于實驗確定的最優(yōu)氣速區(qū)間(1.56～2.22) m/s。

符號說明：

dq——懸浮流區(qū)的等體積球直徑,m

dv——體積平均粒徑,μm

H——通氣高度,m

HG——懸浮流區(qū)高度,m

r——理想拱面徑向半徑,m

rw——壁面氣泡半徑,m

S——懸浮流區(qū)表面積,m

S′——通氣后懸浮流區(qū)表面積,m2

u——懸浮流區(qū)相對上升速度,m/s

Ub——顆粒最小鼓泡氣速,m/s

Ug——通氣氣速,m/s

Umf——顆粒最小流化氣速,m/s

Us——顆粒流過動態(tài)拱面的平均速度,m/s

uw——壁面氣泡上升速度,m/s

Wcal——下料流率計算值,kg/s

Wexp——下料流率實驗值,kg/s

Ws——下料流率,kg/s

θ——料倉半錐角,(°)

ρb——煤粉的堆積密度,kg/m3

ρp——煤粉的真實密度,kg/m3

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Optimization Design of Pulverized Coal Discharged from an Aerated Hopper

FU Lin, LU Hai-feng, GUO Xiao-lei, GONG Xin

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Gasification Technology,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

The silo aeration technology,which has the advantage of low cost and low noise,has been widely used in discharging adhesive powder.The experiment of aerated discharging of pulverized coal was carried out in the self-built plexiglass hopper for determining the optimal aerated condition during the pulverized coal discharging.The result showed that aeration could promote the discharging remarkably,however,the influence of aerated height and velocity existed coupling effect.On the basis of the theory of bubble motion,the model of pulverized coal discharging was built considering the relative motion between bubbles and particles.The relationship between bubble size and aerated condition was associated based on the experiment.The calculated optimal height wasH/D=12.25 and the optimal velocity wasUg=2.4Umf.There was a good agreement between calculation and experiment.The deviation of calculated discharging rate was less than ±20% while 5.56Umf.

pulverized coal hopper; optimization; aerated velocity; aerated height; discharging rate

1006-3080(2017)03-0297-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.03.001

2016-10-11

國家自然科學基金(21206041);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(222201717004);上海市科委科研計劃項目(15dz1200802)

付 琳(1991-),男,黑龍江雞西人,碩士生,研究方向為煤氣化。E-mail:pof_lin@foxmail.com

陸海峰,E-mail:luhf@ecust.edu.cn

TQ536

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