高壓超濃相氣力輸送流型及穩(wěn)定性試驗研究

鹿 鵬，韓 東，蒲文灝，陳曉平，趙長遂

（1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京210016；2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096）

符號說明：

vg——表觀氣速，m／s

t——時間，s

ΔpH——水平管壓降，kPa

ΔpHB——水平彎管壓降，kPa

ΔpV——垂直管壓降，kPa

ΔpVB——垂直彎管壓降，kPa

Qs——補充風(fēng)風(fēng)量，m3／h

m——接收罐中煤粉質(zhì)量，kg

p1——發(fā)料罐壓力，MPa

qm——固相質(zhì)量流量，kg／s

μ——固氣比，kg／m3

氣力輸送在能源、化工、冶金、醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但主要以稀相輸送為主.在稀相輸送中，顆粒被高速氣體攜帶，顆粒之間及顆粒與管壁之間的碰撞和摩擦非常劇烈，設(shè)備磨損嚴重，輸送效率低.濃相氣力輸送由于能耗低、固氣比大、系統(tǒng)尾部氣固分離量小和顆粒對管道磨損輕而越來越受到關(guān)注，尤其是煤粉高壓超濃相氣力輸送，已經(jīng)成為氣流床加壓氣化的關(guān)鍵技術(shù)［1］.

針對粉體濃相輸送的研究已取得了很多有價值的成果［2-10］，但大多數(shù)研究局限于低壓濃相輸送領(lǐng)域.對于高壓超濃相輸送，近年來獲得了一些關(guān)于煤粉質(zhì)量流量、固氣比和壓降等輸送特性參數(shù)的規(guī)律［11-14］.然而，有關(guān)高壓超濃相氣力輸送的流型和穩(wěn)定性這一核心問題的研究鮮有報道.

兩相流的流型影響系統(tǒng)的流動特性和運行可靠性，同時兩相流參數(shù)的準(zhǔn)確測量依賴于對流型的了解.因此，流型檢測在氣固兩相流系統(tǒng)中具有重要的工程意義.目前，國內(nèi)外流型識別的方法主要有直接法和間接法2種.間接法通過對能反映兩相流動波動特性的信號進行統(tǒng)計分析（如功率譜分析和小波分析）來確定流型，或根據(jù)重建的管截面圖像獲得有關(guān)管截面內(nèi)離散相局部分布的實時信息并判斷管內(nèi)流動狀況和檢測參數(shù)的大小（如層析成像技術(shù)）.間接法的缺點在于準(zhǔn)確度尚有待提高，管內(nèi)流型的真實狀況還需要直接法的驗證.

氣固兩相流動中物料的流動狀態(tài)隨著輸送氣流速度的變化而變化.高速時，物料呈懸浮流動狀態(tài)，且在管路中均勻分布；隨著氣速的降低，物料開始聚集于管底，形成分層流；進一步降低氣速，物料將依次呈現(xiàn)集團脈動流、沙丘流和不穩(wěn)定的料栓流動［3］.沈頤身等［4］建立了輸送管徑為25 mm 的氣力輸送裝置并研究了濃相氣力輸送的相圖、流動形態(tài)及其變化規(guī)律.龔欣等［5］在內(nèi)徑分別為15 mm、20 mm和32mm 的管道中進行輸送試驗，考察操作參數(shù)對煤粉質(zhì)量流量、固氣比和表觀速度等特征參數(shù)的影響，獲得了低壓下特征參數(shù)隨試驗條件變化的規(guī)律，給出了試驗系統(tǒng)中各參數(shù)間相互關(guān)系的經(jīng)驗方程，并得到了低壓條件下濃相輸送的流型.

然而，上述對流型進行直接觀測的研究主要集中在低壓氣力輸送領(lǐng)域.氣流床加壓氣化技術(shù)要求煤粉在高壓條件下進行輸送，其輸送速度較低，固相濃度很高，流動形態(tài)復(fù)雜，目前尚無成熟理論依據(jù)可以參照.此外，兩相流的流型與系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性息息相關(guān)，因此高壓條件下流型和穩(wěn)定性的試驗研究顯得尤為重要.筆者在輸送壓力可達到4 MPa和固氣比可達到700kg／m3的氣力輸送試驗臺上進行了流型和穩(wěn)定性的試驗研究.

1 試驗裝置

高壓超濃相氣力輸送試驗臺系統(tǒng)如圖1所示.輸送氣體由并聯(lián)工作的高壓氮氣瓶提供，經(jīng)過緩沖罐后分為充壓風(fēng)、流化風(fēng)和補充風(fēng)3路.通過閥門切換，選擇其中一只流化罐為發(fā)料罐（上出料方式），另一只罐為接收罐（作為接收罐時不引入流化風(fēng)和充壓風(fēng)）.發(fā)料罐中的物料在流化風(fēng)作用下處于局部流化狀態(tài)，在輸送差壓作用下進入輸送管道，在發(fā)料罐出口引入補充風(fēng)來增強輸送能力并保持適當(dāng)?shù)墓虤獗?，充壓風(fēng)用于維持發(fā)料罐的壓力.接收罐壓力由排氣管道上的電動調(diào)節(jié)閥根據(jù)設(shè)定值自動控制.系統(tǒng)工作壓力可達到4 MPa，料罐體積為0.648 m3，輸送管直徑為16mm 輸送管長度為3mm，輸送距離為53.4m.發(fā)料罐內(nèi)物料的實時質(zhì)量由高精度箔式電子秤稱量；壓力傳感器為瑞士Keller公司生產(chǎn)的PD-23高頻響型；差壓變送器為重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)的智能式壓力變送器，型號為EJA430A；充壓風(fēng)、流化風(fēng)和補充風(fēng)流量采用開封儀表廠提供的AM-1521Q 型金屬管轉(zhuǎn)子流量計測量.試驗物料的物理性質(zhì)見表1，煤粉的粒度分布見圖2.高速攝影儀的型號為FASTCAM-NET-MAX3，背景光源為2×1kW的高強度新聞燈，燈管與可視段保持平行，預(yù)先將高速攝影儀設(shè)置為125幀／s，可視段示意圖見圖3，其核心部件石英玻璃管可耐高壓6 MPa，在試驗工況范圍內(nèi)管路壓力一般不超過4 MPa.

圖1 高壓超濃相氣力輸送試驗臺系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the high-pressure densephase pneumatic conveying test system

表1 物料的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of the materials tested

圖2 煤粉粒度分布Fig.2 Particle size distribution of pulverized coal

圖3 耐壓可視段示意圖Fig.3 Photo of the visualized pressure-resistant section

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輸送煤粉時流型及穩(wěn)定性分析

在氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計中，壓降和表觀氣速間的關(guān)系非常重要.Zenz首先提出Zenz相圖，表達了壓降與以固體質(zhì)量流量或固體裝入量為參數(shù)的表觀氣速之間的關(guān)系.在實際應(yīng)用中，Zenz相圖可以很方便地結(jié)合輸送特征來確定最佳操作點.在Zenz相圖中，表觀氣速的曲線上有一特征點被稱為轉(zhuǎn)捩速度，小于此速度時輸送顆粒將開始與氣相分離并沿著管道底部滑動或滾動，即出現(xiàn)分層流動.圖4給出了低壓氣力輸送的典型流型及其在Zenz相圖中的大概位置［15］.在壓降最小值附近，通常會出現(xiàn)分層流或者較濃相的懸浮流動；在壓降最小值的右邊，通常可觀測到較稀相的懸浮流動，輸送氣流中的顆粒會與管壁發(fā)生較高頻率的碰撞；在壓降最小值的左側(cè)附近，可以觀測到叢狀流；進一步減小表觀氣速，流動將進入不穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)表觀氣速很小時，將出現(xiàn)沙丘狀甚至柱塞狀的流型.值得說明的是，在某一特定的氣力輸送系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)限制、物料性質(zhì)和操作條件等因素的影響，并不是上述所有的流型都可以被觀測到.

圖4 低壓氣力輸送的流型及其在Zenz相圖中的位置Fig.4 Typical flow regimes of low-pressure pneumatic conveying and corresponding positions in Zenz phase diagram

圖5 不同表觀氣速下300μm 煤粉的流型Fig.5 Flow regime of 300μm pulverized coal under different superficial gas velocities

借助于可視化測量系統(tǒng)，在高壓超濃相氣力輸送試驗臺上獲得了大粒徑（300μm）內(nèi)蒙煙煤水平管輸送的3種流型照片，各流型下的質(zhì)量流量和固氣比如圖5所示，其中觀測段長度L為0.16m，管壁原是透明玻璃管，用陰影代替透明玻璃管以方便辨識，流動方向為從右至左.當(dāng)表觀氣速較大（9.2 m／s）時，固相濃度在管道截面上的分布比較均勻，氣固兩相流在管內(nèi)各個時刻均呈現(xiàn)為較稀相的懸浮流（見圖5（a））；當(dāng)表觀氣速降為6.1m／s時，固相濃度有所增大，并且出現(xiàn)了沉積層，層上有較高速的氣體流過，沉積層沿管底向前滑移，此時輸送物料已無法充滿輸送管道截面（見圖5（b））；當(dāng)表觀氣速降為3.8m／s時，大部分煤粉顆粒因失去懸浮能力而在管底沉積，在局部區(qū)域堆積形成沙丘，管內(nèi)呈現(xiàn)沙丘狀流動，沙丘流動速度為1.7m／s左右（見圖5（c））；當(dāng)表觀氣速小于2.5m／s時，管內(nèi)流動很不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生堵管.在試驗中未觀測到柱塞流流型. 當(dāng)300μm 煤粉達到低速的沙丘流動狀態(tài)時，輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，輸送管路開始劇烈振動，其中彎管段最為明顯，出現(xiàn)了較大幅度的擺動，振動的主要能量來自高濃度的沙丘狀氣固兩相流對管路彎頭的撞擊.輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降也可以從各管段壓降隨時間的變化情況來加以驗證，如圖6所示.當(dāng)表觀氣速降為3.8m／s、流動達到沙丘流動狀態(tài)時，各管段壓降波動明顯增大，其中垂直彎管壓降波動幅度最大.另外，圖5中輸送物料的平均粒徑為300 μm，當(dāng)輸送平均粒徑分別為115μm 和52μm 的中小粒徑煤粉時，流型未出現(xiàn)圖5的效果，主要有兩方面的原因：一方面較小粒徑的煤粉顆粒在高壓輸送氣流中的跟隨性能較好，不易在管底發(fā)生沉積；另一方面較小粒徑的煤粉受到范德華力和靜電力的作用更加明顯［16］，煤粉微粒附著于管壁，難以觀測到管內(nèi)的真實流型.有關(guān)中小粒徑的流型尚需深入研究，這間接說明了粒徑對高壓超濃相氣固兩相流流型的影響很大，Tsuji對低壓條件下氣力輸送流型的研究也得出了類似的結(jié)論［17］.

圖6 輸送煤粉時各管段壓降的波動情況Fig.6 Fluctuation of pressure drop in each pipe section when conveying pulverized coal

2.2 輸送石英砂時流型及穩(wěn)定性分析

在進行300μm 內(nèi)蒙煙煤的輸送時，雖然觀測到3種不同的流型狀態(tài)，但是不同流型間的區(qū)分度并不高.為獲得更清晰、更高區(qū)分度的流型和進一步研究物料性質(zhì)對高壓超濃相氣固兩相流流型的影響，選取密度為2 650kg／m3、平均粒徑為400μm的石英砂進行對比試驗，獲得了不同表觀氣速下石英砂的流型，如圖7所示，其中流動方向為從右至左.當(dāng)表觀氣速較大（9.4m／s）時，物料顆粒成層狀沉積在管底，這時氣流和一部分物料在管路上部空間通過，沉積層的表面部分物料在氣流作用下會向前滑移，呈現(xiàn)分層流動現(xiàn)象（見圖7（a））；當(dāng)表觀氣速減小為5.6m／s時，大部分物料會失去懸浮能力，物料不僅沉積在管底，甚至局部區(qū)域會因物料堆積而形成沙丘，氣流通過沙丘上部的狹窄通道時速度增大，瞬間又將沙丘吹走，從而呈現(xiàn)沙丘流動現(xiàn)象，沙丘流動速度為1.6m／s左右（見圖7（b））；當(dāng)表觀氣速減小為1.7m／s時，物料在管中形成短的料栓，料栓前后氣流的壓力差推動物料前進.通常料栓之間有一層較薄的沉積層.當(dāng)料栓前進時，其前端將沉積層的物料鏟起，隨料栓一起前移，同時尾端物料與料栓不斷分離潰散，形成新的沉積層.從表面來看，整個料栓在移動，實際上物料只是一段一段呈間歇狀前移，表現(xiàn)為柱塞流，柱塞流速度為0.9m／s左右（見圖7（c））.

圖7 不同表觀氣速下石英砂的流型Fig.7 Flow regime of quartz sand under different superficial gas velocities

與煤粉相比，石英砂輸送時各流型更加清晰，不同流型間的區(qū)分度較好，更有利于流型的觀測.在試驗臺調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，粒徑和密度較大的石英砂更容易達到低速的沙丘和柱塞等復(fù)雜流動狀態(tài)，說明物料性質(zhì)對高壓超濃相氣固兩相流流型的影響十分顯著.隨著表觀氣速的減小，與煤粉相比，石英砂質(zhì)量流量的減小比較明顯，這主要是因為石英砂的密度接近煤粉密度的2倍，需要較高的氣速來保持正常輸送.

同理，當(dāng)石英砂輸送達到沙丘流動狀態(tài)后，輸送管路尤其是彎管部分出現(xiàn)了更加劇烈的振動和擺動，表明高壓超濃相氣固兩相流在沙丘流或柱塞流狀態(tài)下的輸送為不穩(wěn)定輸送.各管段壓降隨時間的變化（見圖8）反映了表觀氣速和流動形態(tài)與輸送穩(wěn)定性之間的關(guān)系.首先，當(dāng)石英砂處于沙丘流或柱塞流狀態(tài)進行輸送時，各管段的壓降波動十分劇烈且變化幅度很大，比300μm 煤粉在沙丘流狀態(tài)下的輸送更加不穩(wěn)定，此時很難確定各管段壓降的平均值；其次，各管段壓降的峰谷值交替出現(xiàn)，進一步表明沙丘流或柱塞流狀態(tài)均屬于間歇流動狀態(tài)，同時由于各差壓變送器在管路中的位置不同，各管段壓降并不是在同一時刻達到峰谷值.由圖8（b）和圖8（c）可以看出，柱塞流是一種比沙丘流更不穩(wěn)定的低速復(fù)雜流動狀態(tài).

2.3 補充風(fēng)風(fēng)量對300μm 煤粉輸送穩(wěn)定性的影響

在高壓超濃相氣力輸送試驗中，通常采取減小補充風(fēng)風(fēng)量的方法來減小表觀氣速，從而獲得較大的管路固氣比.在輸送較小粒徑（＜120μm）煤粉時，一般采取關(guān)閉補充風(fēng)閥門的方法使輸送固氣比達到最大限值，通常不會發(fā)生堵管情況.然而在輸送大粒徑內(nèi)蒙煙煤（300μm）時，出現(xiàn)了堵管現(xiàn)象.

在試驗中，發(fā)料罐的壓力為3.6MPa，總壓差為0.8 MPa，在t＝36s時將補充風(fēng)風(fēng)量調(diào)為0（見圖9），圖10給出了接收罐煤粉質(zhì)量的變化.由圖10可知，在t＝36s關(guān)閉補充風(fēng)閥門后，接收罐煤粉的質(zhì)量不再增大，說明煤粉不再進行輸送，已出現(xiàn)堵管現(xiàn)象.同時，發(fā)料罐壓力開始升高，說明發(fā)料罐不再出料，如圖11所示.在t＝36s后，各管段的壓降值迅速降至0附近（見圖12），說明管內(nèi)不再有煤粉流動.在t＝109s打開補充風(fēng)閥門后，煤粉繼續(xù)輸送，堵管現(xiàn)象消失，接收罐煤粉質(zhì)量增大，發(fā)料罐壓力逐漸降低，各壓差恢復(fù)至正常輸送狀態(tài)下的壓差值.

圖8 輸送石英砂時各管段壓降的波動情況Fig.8 Fluctuation of pressure drop in each pipe section when conveying quartz sand

圖10 接收罐煤粉質(zhì)量的變化Fig.10 Mass variation of pulverized coal in receiving hopper

圖11 發(fā)料罐壓力的變化Fig.11 Pressure change in feed hopper

圖12 各管段壓降的變化Fig.12 Fluctuation of pressure drop in each pipe section

上述堵管現(xiàn)象在較小粒徑煤粉的輸送過程中并未發(fā)現(xiàn)，這是因為相對于較小粒徑的煤粉，大粒徑煤粉顆粒的流動性能較差，在輸送氣流中的跟隨性較差，易在管底沉積，形成較不穩(wěn)定的分層流或沙丘流等復(fù)雜流動形態(tài)，容易堵管，因此在關(guān)閉補充風(fēng)閥門后，輸送風(fēng)量較小，表觀氣速很小（＜2.5m／s），從而發(fā)生了堵管現(xiàn)象.

3 結(jié) 論

（1）在試驗臺范圍內(nèi)，隨著表觀氣速的減小，輸送300μm 煤粉時獲得了懸浮流、分層流和沙丘流流型.輸送400μm 石英砂時獲得了分層流、沙丘流和柱塞流流型，不同流型間的區(qū)分度明顯較高，且更容易達到低速的沙丘流和柱塞流等復(fù)雜流動狀態(tài).

（2）隨著表觀氣速的減小，輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降.

（3）沙丘流或柱塞流狀態(tài)均屬于間歇流動狀態(tài)，且柱塞流狀態(tài)是一種比沙丘流狀態(tài)更不穩(wěn)定的低速復(fù)雜流動狀態(tài).

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