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(煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司；煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

粉體稀相氣力輸送技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域中。對(duì)粉體氣力輸送裝置的一般要求為能夠連續(xù)的輸送粉料。在一些特殊的生產(chǎn)工藝中，粉體氣力輸送裝置除了需要滿足一般要求外，還需要保證其在單位時(shí)間輸送的粉料量盡可能的相同，即輸送粉體流量的穩(wěn)定。要提高稀相氣力輸送過(guò)程中粉體流量的穩(wěn)定性，除了對(duì)氣力輸送設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)外，更需要建立一套有效、可靠、簡(jiǎn)便的稀相氣力輸送粉體流量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，為評(píng)價(jià)技術(shù)改造效果和用戶選用供料設(shè)備提供指導(dǎo)。

目前評(píng)價(jià)氣力輸送粉體流量穩(wěn)定性的方法主要有2大類：1)直接稱重法。計(jì)量集料容器內(nèi)實(shí)時(shí)質(zhì)量變化，得到實(shí)時(shí)的粉體輸送量。本方法中由于需要稱量集料容器質(zhì)量，因此計(jì)量設(shè)備量程大，精度低，無(wú)法保證測(cè)量的精確性。2)間接測(cè)量法。利用層析成像、超聲波等技術(shù)，測(cè)量輸送管道內(nèi)粉體實(shí)時(shí)流量。該方法所需要儀器設(shè)備的價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，可靠性較差，并不適用于所有的氣力輸送設(shè)備和惡劣的工作環(huán)境。

管道壓差信號(hào)是氣、固兩相流動(dòng)的重要參數(shù)，包含豐富的信息，是流動(dòng)性、 輸送狀態(tài)、 管道幾何結(jié)構(gòu)等特性的綜合體現(xiàn)。 國(guó)內(nèi)一批研究者利用彎管、文丘里管等部件壓差測(cè)量粉體流量[1-6]，并取得一些成果。雖然通過(guò)節(jié)流部件壓差計(jì)量粉體流量的精度不高，但其原理完全可以被利用于粉體流量穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)中。

要利用管道壓差信號(hào)評(píng)價(jià)稀相氣力輸送粉體流量的穩(wěn)定性，選擇適合的管道形式是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。為了選擇更適合評(píng)價(jià)粉體流量穩(wěn)定性的管道形式，本文中在常壓氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)水平彎管和文丘里管的壓差特性、流動(dòng)型態(tài)和壓差信號(hào)波動(dòng)特性等進(jìn)行研究，并根據(jù)2種管道氣固流動(dòng)特性選擇適合的管道形式。

1 實(shí)驗(yàn)

常壓稀相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)按照真實(shí)的煤粉工業(yè)鍋爐煤粉儲(chǔ)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test bench

儲(chǔ)煤倉(cāng)中煤粉經(jīng)過(guò)鎖氣閥，在混合器中與輸送風(fēng)充分混合后，進(jìn)入內(nèi)徑為100 mm的水平輸送管道，最終進(jìn)入帶有稱重裝置的收煤倉(cāng)。

水平管道總長(zhǎng)為20 m，包括直管、 文丘里管、 90 °彎管，沿程布置壓差測(cè)點(diǎn)和電容層析成像(ECT)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

輸送風(fēng)量和給煤量由變頻器控制。輸送風(fēng)量由V錐氣體流量計(jì)測(cè)量，精度為0.5%。彎管和文丘里管的壓差由瑞士Keller公司PD-23型壓差傳感器測(cè)量，精度為0.3%。收煤倉(cāng)的實(shí)時(shí)質(zhì)量由德國(guó)瑞馳稱重傳感器測(cè)量，其精度為0.3%。為了觀測(cè)管道內(nèi)部煤粉流動(dòng)狀態(tài)，在水平輸送管道的彎管和文丘里管上布置電容層析成像(ECT)測(cè)點(diǎn)。

本研究中選用煤粉為實(shí)際生產(chǎn)中使用的神府煙煤煤粉，平均粒徑為76 μm，真密度為1 350 kg/m3，堆積密度為725 kg/m3，含水率為5%。

圖2 水平管路測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points

2 結(jié)果與討論

2.2 2種管道的壓差特性

不同操作條件下，彎管與文丘里管壓差如圖3—4所示。從圖中可以看出，在煤粉流量給定條件下，彎管壓差隨輸送風(fēng)速增加首先大幅增大，隨后增加趨勢(shì)逐漸減小，其變化規(guī)律與文獻(xiàn)[7]一致，而文丘里管壓差隨輸送風(fēng)增加呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

圖3 彎管壓差特性Fig.3 Pressure difference of syphon

圖4 文丘里管壓差特性Fig.4 Pressure difference of Venturi

氣、固兩相流動(dòng)時(shí)，水平彎管壓差經(jīng)典計(jì)算公式[8]可表示為

(1)

式中：ζ為純氣體時(shí)彎管局部阻力系數(shù)，與彎管的尺寸和材質(zhì)有關(guān)；m為固氣質(zhì)量比；Ug為表觀氣速，m·s-1。K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Gs為粉體質(zhì)量流率，kg·s-1；ρg為氣體密度，kg·m-3；A為管道截面積，m2。

氣、固兩相流動(dòng)時(shí)，文丘里管經(jīng)典壓差計(jì)算公式[9]表示為

(2)

式中：β為節(jié)流比；θ1為收縮角，(°)；θ2為擴(kuò)張角，(°)；L為喉口段長(zhǎng)度，mm；Gp為粉體質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1；Gs為粉體質(zhì)量流率，kg·s-1；A為粉體流通面積，m2；Ug為表觀氣速，m·s-1；a、b、c、d、e、f為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

由式(1)、(2)可知，氣、固兩相流動(dòng)時(shí)，水平彎管壓差為表觀氣速的二次函數(shù)、為粉體質(zhì)量流率的一次函數(shù)。對(duì)于幾何尺寸給定的文丘里管道，其壓差為表觀氣速和粉體質(zhì)量流率的一次函數(shù)，因此水平彎管壓差隨風(fēng)速增加呈現(xiàn)非線性升高趨勢(shì)，而文丘里管壓差隨輸送風(fēng)增加呈現(xiàn)近似線性升高關(guān)系。

由于彎管壓差為表觀氣速的二次函數(shù)、為粉體質(zhì)量流率的一次函數(shù)，因此彎管壓差對(duì)氣速變化產(chǎn)生的反應(yīng)更加敏感。風(fēng)速的微小變化就可能引起彎管壓差的劇烈波動(dòng)，覆蓋粉體實(shí)時(shí)流量變化引起的壓差波動(dòng)。

文丘里管壓差是風(fēng)速和粉體質(zhì)量流率的線性函數(shù)，對(duì)于常規(guī)氣力輸送設(shè)備來(lái)講，氣體瞬時(shí)流率要比粉體瞬時(shí)流率穩(wěn)定得多，可以近似認(rèn)為文丘里管壓差變化是由粉體流量瞬時(shí)變化產(chǎn)生的，則文丘里管道壓差變化幅度與粉體流量變化幅度呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此利用文丘里管壓差波動(dòng)來(lái)反應(yīng)管道內(nèi)煤粉流動(dòng)的穩(wěn)定性更加適合。

2.2 2種管道流動(dòng)型態(tài)

ECT技術(shù)可以有效地觀測(cè)管道內(nèi)的氣固流動(dòng)狀態(tài)[10-11]，根據(jù)ECT圖像隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以清楚地區(qū)分管道內(nèi)流型。實(shí)驗(yàn)中采用八電極ECT對(duì)彎管和文丘里管道內(nèi)流型進(jìn)行觀測(cè)。

在本文中所包含的稀相氣力輸送操作條件范圍內(nèi)，氣固流動(dòng)可出現(xiàn)懸浮流、分層流、沙丘流Ⅰ、沙丘流Ⅱ(快速移動(dòng)的沙丘流)4種流型。根據(jù)水平管道截面的ECT實(shí)時(shí)圖像，可以得到不同時(shí)刻管道截面粉體(管底部)沉積情況，由管道內(nèi)粉體沉積層的變化情況，可以判斷出氣固流動(dòng)型態(tài)，如圖5所示。

圖5 不同流動(dòng)型態(tài)示意及對(duì)應(yīng)的ECT成像特征Fig.5 ECT images corresponding to different flow patterns

圖6為水平彎管和文丘里管在不同操作下氣固流動(dòng)所處的流動(dòng)型態(tài)。由圖可見(jiàn)，隨表觀氣速的降低或煤粉流率的增大，水平彎管內(nèi)依次出現(xiàn)懸浮流、分層流及沙丘流。氣、固流型除了與固氣質(zhì)量比有關(guān)外，還與具體的操作條件有關(guān)。相同固氣比、不同操作條件下，氣、固流型也可能不同。

a 彎管內(nèi)氣固流型

b 文丘里管內(nèi)氣固流型圖6 不同操作條件下管道氣固流型Fig.6 Flow patterns characteristics under different operating conditions

對(duì)于彎管，當(dāng)固氣質(zhì)量比小于0.8時(shí)，氣固流型為懸浮流。當(dāng)固氣質(zhì)量比在0.8～1.3之間，氣固流型以分層流為主。當(dāng)固氣質(zhì)量比大于1.3時(shí)，氣固流型以沙丘流為主。與文獻(xiàn)[12-13]相比較可知，相較于直管，水平彎管在更小的固氣質(zhì)量比下就出現(xiàn)分層流和沙丘流，原因是氣固兩相流經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，由于離心作用，煤粉與彎管外側(cè)管壁撞擊、摩擦，導(dǎo)致煤粉顆粒的速度損失[14-15]，因此氣固兩相流流經(jīng)彎管比流經(jīng)直管時(shí)，更容易產(chǎn)生沉積，出現(xiàn)分層流和沙丘流。

對(duì)于文丘里管道，當(dāng)固氣質(zhì)量比小于1.7時(shí)，氣固流型為懸浮流。固氣質(zhì)量比大于1.7時(shí)，氣固流型為層狀流。在本實(shí)驗(yàn)中所涉及的操作條件下，并未出現(xiàn)沙丘流。這是由于氣流經(jīng)過(guò)文丘里管收縮段時(shí)，氣體速度大幅增加，在文丘里管出口后部形成低壓區(qū)，對(duì)粉體顆粒產(chǎn)生“抽吸”作用[16]，同時(shí)氣速的增加也提高了氣流攜帶粉體的能力，因此在文丘里管道內(nèi)部及附近不易出現(xiàn)粉體的沉積。

在局部管道內(nèi)，若氣固流型為沙丘流，其氣體實(shí)際流動(dòng)面積受到沙丘狀粉體起伏的影響，氣體實(shí)際流速不斷變化，因此相對(duì)于懸浮流和層狀流，沙丘流型態(tài)下管道的壓差信號(hào)波動(dòng)更加劇烈。氣體實(shí)際流速的變化和“沙丘”的起伏，導(dǎo)致粉體流量變化也比懸浮流和分層流型態(tài)下粉體流量變化更加劇烈。文丘里管即使在固氣質(zhì)量比較高的操作條件下，其內(nèi)部氣固流動(dòng)依然保持懸浮流和層狀流的型態(tài)，因此壓差信號(hào)更加穩(wěn)定，其壓差信號(hào)更加適合反映粉體流動(dòng)的穩(wěn)定性。

2.3 管道壓差信號(hào)波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

為了比較彎管與文丘里管壓差波動(dòng)程度，在同一工況下，對(duì)2種管道壓差信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。圖7為輸送風(fēng)流速16 m·s-1，給粉量0.24 kg·s-1下，彎管和文丘里管壓差信號(hào)的概率密度函數(shù)分布特征。

圖7 彎管與文丘里管道壓差信號(hào)的概率密度分布Fig.7 Probability density distribution of pressure drop signals in syphon and Venturi

從圖中可以看出，彎管壓差信號(hào)概率密度分布在1～3 kPa，其壓力信號(hào)分散程度大，且呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)。文丘里管壓差信號(hào)概率密度分布在1.8～2.7 kPa，且呈現(xiàn)單峰狀態(tài)。在輸送風(fēng)流速16 m·s-1，給粉量0.24 kg·s-1條件下，彎管內(nèi)氣、固流型為沙丘流，文丘里管內(nèi)氣、固流型為懸浮流。根據(jù)文獻(xiàn)[17]論述，隨著兩相流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜性和擾動(dòng)程度增大，壓力信號(hào)概率密度越分散，呈多峰狀態(tài)狀，可以看到在相同操作條件下，由于2種管道氣固流型特性的差異，文丘里管道內(nèi)氣固流動(dòng)狀態(tài)受流型的擾動(dòng)程度更小，因此流動(dòng)更穩(wěn)定。

利用文丘里管壓差信號(hào)評(píng)價(jià)粉體流動(dòng)穩(wěn)定性，可以避免沙丘流導(dǎo)致的氣固流動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)壓差信號(hào)的干擾。

3 利用文丘里管壓差信號(hào)評(píng)價(jià)煤粉流量穩(wěn)定性的應(yīng)用

根據(jù)彎管和文丘里管壓差特性、流型特性和壓差信號(hào)波動(dòng)特性的考察結(jié)果，本文中選擇利用文丘里管壓差信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)煤粉流量的穩(wěn)定性。

利用小波空域相關(guān)性去噪法[18-19]，對(duì)不同操作條件下文丘里壓差原始信號(hào)進(jìn)行降噪，得到有效壓差信號(hào)，構(gòu)造具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的粉體流量穩(wěn)定性指標(biāo)。

粉體流量均勻性指數(shù)J[20]，

(3)

粉體流量離散性指數(shù)L，

(4)

式中：n為有效數(shù)壓差信號(hào)中包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；Pi為第i個(gè)數(shù)據(jù)值；Pa為有效信號(hào)中所有數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望值；Pmax為有效信號(hào)包含數(shù)據(jù)中的極大值；Pmin為有效信號(hào)包含數(shù)據(jù)中的極小值。

均勻性指數(shù)J越小，說(shuō)明一段時(shí)間內(nèi)粉體瞬時(shí)流量越均勻。粉體流量離散性指數(shù)L越小，說(shuō)明一段時(shí)間內(nèi)粉體瞬時(shí)流量變化分為越小，分布越集中。

利用收煤倉(cāng)增重信號(hào)可以直接反應(yīng)煤體流量的穩(wěn)定性。 圖 8—9 為時(shí)均給煤量 0.24 kg·s-1，不同風(fēng)速條件下，利用文丘里管道壓差有效信號(hào)計(jì)算得到的煤粉流量穩(wěn)定性指標(biāo)與粉倉(cāng)增重信號(hào)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比。

圖8 粉體流量均勻性指數(shù)、粉倉(cāng)增重信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律Fig.8 Variation of flow uniformity index and weight gain signal with wind speed

圖9 粉體流量離散性指數(shù)、粉倉(cāng)增重信號(hào)極差系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律Fig.9 Variation of flow uniformity index and weight gain signal with wind speed

收煤倉(cāng)增重信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)反映煤粉瞬時(shí)流量的均勻程度，收煤倉(cāng)增重信號(hào)的極差系數(shù)反映煤粉瞬時(shí)流量的變動(dòng)范圍。收煤倉(cāng)增重信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)和極差系數(shù)越小，說(shuō)明煤粉流量波動(dòng)越小、穩(wěn)定越強(qiáng)。由圖8—9可以看出，煤粉流量均勻性指數(shù)與收煤倉(cāng)增重信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)隨氣速的增加均逐漸減小，煤粉流量離散性指數(shù)與收煤倉(cāng)增重信號(hào)極差系數(shù)隨氣速的增加也逐漸減小，即時(shí)均給煤量給定的條件下，輸送風(fēng)速越大粉體流量越穩(wěn)定，這與前文分析相一致。同時(shí)也可以看到，根據(jù)文丘里壓差信號(hào)計(jì)算得到的煤粉流量穩(wěn)定性指數(shù)可以很好地評(píng)價(jià)煤粉流量穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)水平彎管和文丘里管壓差隨著風(fēng)速和給煤量的增加而增大。煤粉流量給定條件下，彎管壓差隨輸送風(fēng)速增加首先大幅升高，隨后增加趨勢(shì)逐漸減小，而文丘里管壓差隨輸送風(fēng)增加呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

2)由于離心作用，彎管中煤粉顆粒與外側(cè)壁面碰撞、摩擦，導(dǎo)致速度損失，因此更加容易出現(xiàn)煤粉沉積。而流體通過(guò)文丘里管，會(huì)在出口后部形成低壓區(qū)，對(duì)煤粉顆粒產(chǎn)生“抽吸”作用，同時(shí)局部氣速增加也提高了氣流攜帶粉體的能力，在文丘里管道內(nèi)部及附近不易出現(xiàn)煤粉的沉積，因此隨固氣質(zhì)量比增加，在彎管中更早出現(xiàn)分層流和沙丘流。

3)在相同操作條件下，彎管壓差信號(hào)的概率密度函數(shù)呈現(xiàn)分散、多峰的分布型態(tài)，文丘里管壓差信號(hào)呈現(xiàn)集中、單峰的分布形態(tài)。

4)通過(guò)比較2種管道的壓差特性、流型特性和壓差信號(hào)波動(dòng)特性，選擇文丘里管壓差信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)稀相氣力輸送粉體流量穩(wěn)定性。構(gòu)造具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的粉體流量穩(wěn)定性指標(biāo)，可以有效地比較不同操作條件下粉體流量的穩(wěn)定程度。