不同載氣供料對工業(yè)級豎直上升管粉煤氣力輸送的影響

潘響明，郭曉鐳，陸海峰，劉剴，付琳，李鵬，龔欣（華東理工大學(xué)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(shù)研究中心，上海 200237）

?

不同載氣供料對工業(yè)級豎直上升管粉煤氣力輸送的影響

潘響明，郭曉鐳，陸海峰，劉剴，付琳，李鵬，龔欣
（華東理工大學(xué)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(shù)研究中心，上海 200237）

摘要：采用Air和CO2作為供料和輸送載氣，以工業(yè)級豎直上升管（內(nèi)徑50 mm）粉煤輸送系統(tǒng)為實驗平臺，開展了粉煤密相氣力輸送實驗研究。實驗中選用Air→Air、Air→CO2、CO2→Air和CO2→CO2作為典型工況，進(jìn)行了輸送特性參數(shù)的對比分析。研究結(jié)果表明，供料載氣與輸送載氣組合方式的變化，會引起發(fā)料罐中粉煤流化狀態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致粉煤輸送流型和穩(wěn)定性方面的差異。借助電容層析成像系統(tǒng)(ECT)獲得了豎直管的ECT信號和流型圖像，并采用標(biāo)準(zhǔn)差和功率譜函數(shù)對ECT信號進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，Air→Air工況為穩(wěn)定的環(huán)狀流；Air→CO2輸送過程穩(wěn)定性最差，輸送由無定態(tài)流型轉(zhuǎn)為栓塞流；CO2→Air和CO2→CO2輸送過程均為氣栓流，但CO2→CO2工況形成的氣栓較長，其ECT信號的功率譜峰值較大。

關(guān)鍵詞：載氣切換；穩(wěn)定性；CO2；氣力輸送；ECT

2015-07-08收到初稿，2015-09-28收到修改稿。

聯(lián)系人：龔欣。第一作者：潘響明（1989—)，男，碩士研究生。

Received date: 2015-07-08.

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

引　言

密相氣力輸送是氣流床粉煤加壓氣化工藝的核心技術(shù)之一[1]。實際工藝中，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，既可采用N2也可采用CO2作為載氣將粉煤送入氣化爐[2-3]。如合成氨工藝，N2是較為理想的輸送載氣；而對于甲醇合成以及其他羰基合成等多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，采用CO2作為輸送粉煤的載氣，可以有效減少合成氣中的惰性氣體組成，提高(H2+CO)含量。同時，載氣中少量CO2可作為氣化劑參與氣化反應(yīng)，有利于降低煤耗。

一些學(xué)者對不同載氣的粉體輸送和流化特性進(jìn)行了相關(guān)的研究。Geldart等[4]在高壓條件下采用N2、H2和CO2作為粉煤的輸送載氣，研究了載氣密度與固相壓降的關(guān)系。賀春輝等[5]以CO2和N2作為輸送載氣研究了操作參數(shù)和載氣差異對粉煤輸送的影響。Cong等[6]在管徑20 mm輸送裝置上比較了CO2和Air載氣輸送粉煤的差異，結(jié)果表明采用CO2輸送粉煤時，氣栓出現(xiàn)的概率較高且能耗大。上述研究均表明，載氣種類對粉煤的輸送特性存在較大的影響。陸海峰等[7]指出，供料載氣與流化下料載氣不同時，在料罐內(nèi)存在一個載氣切換的過程，這與粉煤下料過程的穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。這一載氣切換現(xiàn)象可追溯到Reichhold等[8]和Kai等[9]對粉體的流化研究：采用CO2切換N2時床層出現(xiàn)失流現(xiàn)象(defluidization)，而反向切換這兩種氣體時，并未出現(xiàn)上述失流現(xiàn)象，說明載氣切換的方向?qū)Υ矊拥牧骰癄顟B(tài)有重要影響。在采用不同載氣對粉煤進(jìn)行供料和輸送時，不可避免地會存在載氣切換的過程，以CO2作為輸送載氣的粉煤氣化工藝為例，其前期往往先以N2作為輸送載氣，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2量具備循環(huán)使用條件后，再將輸送載氣由N2切換為CO2。因此，研究這種載氣切換的密相氣力輸送過程對工業(yè)操作具有一定的參考價值[10]。本文在充分肯定以往研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步關(guān)注了輸送之前的供料過程，而這方面的相關(guān)研究還尚未見報道。

本文在50 mm循環(huán)輸送系統(tǒng)上，分別以CO2和Air作為供料載氣或輸送載氣，從管道輸送特性參數(shù)——表觀氣速、顆粒速度、固相流率和固氣比等，發(fā)料罐操作參數(shù)——發(fā)料罐壓力等方面，就料倉載氣切換對粉煤密相氣力輸送特性的影響展開了研究。借助電容層析成像（ECT）系統(tǒng)，分析了不同工況下豎直上升管中的流型特征；對ECT采集到的相對濃度信號進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)差和功率譜分析，展示了不同載氣供料及切換對低壓粉煤密相氣力輸送流型及穩(wěn)定性的影響。

1　實驗裝置與物料

粉煤氣力輸送實驗在密閉的循環(huán)輸送系統(tǒng)中進(jìn)行，裝置與流程如圖1所示。輸送管道直徑為50 mm，管道總長約23 m。實驗研究的豎直上升管長5 m，管道上安裝有壓力傳感器、固體質(zhì)量流量計和ECT系統(tǒng)，上述儀器距彎管2 m以上，此時粉煤在豎直上升管中的流動已充分發(fā)展，可忽略彎管的影響。

圖1　輸送系統(tǒng)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

實驗所用Air為經(jīng)過冷干機(jī)后的壓縮Air，經(jīng)氣體分配器5A[P=(0.65±0.03) MPa，t=(20±2)℃]進(jìn)入系統(tǒng)；CO2由杜瓦罐系統(tǒng)提供，水浴加熱后的CO2經(jīng)過氣體分配器5B[P=(0.65±0.03)MPa，t=(20±2)℃]進(jìn)入系統(tǒng)。為了比較二者的輸送結(jié)果，建立了相應(yīng)的計量和換算方法，將Q1、Q2、Q3和Q4這4路氣體流量都統(tǒng)一為101325 Pa、20℃狀態(tài)下的體積流量。以Air供料CO2輸送工況為例，對整個操作過程進(jìn)行描述。實驗前粉煤存儲在接料罐中，切斷氣體分配器5A、5B之間的球閥7，打開供料氣Q4用Air對接料罐進(jìn)行充分流化、充壓和供料。當(dāng)粉煤供料結(jié)束后，繼續(xù)用供料氣以一定的氣量對發(fā)料罐粉煤進(jìn)行充分流化，其目的是避免因供料后料倉中煤粉的堆積狀態(tài)不同對后續(xù)輸送過程產(chǎn)生影響。然后切斷Air進(jìn)氣閥，快速排盡氣體分配器5A中的Air，打開氣體分配器5A、5B間聯(lián)通閥，接通CO2進(jìn)氣。根據(jù)實驗需要，控制CO2的流量，從分配器5A分3路(Q1、Q2和Q3)分別進(jìn)入發(fā)料罐的頂部、錐部和出口處，當(dāng)達(dá)到需要的輸送壓力時，打開輸送閥門，發(fā)料罐內(nèi)的粉煤沿著管道流動，進(jìn)入裝有稱重傳感器的接料罐中。粉煤因重力作用沉積在接料罐中，供下一次輸送使用，氣體通過除塵器排放到室外。實驗安排為交叉實驗，即先做Air供料Air輸送，接著進(jìn)行Air供料CO2輸送、CO2供料CO2輸送以及CO2供料Air輸送工況，可保證上一組實驗采用的輸送載氣與下一組的供料載氣一致，確保供料前期接料罐中不存在載氣切換的情況。

實驗操作中所使用到的壓力傳感器、稱重傳感器和固體質(zhì)量流量計等儀器的型號和精度見文獻(xiàn)[11]。ECT系統(tǒng)[12]被用來觀測豎直上升管流型，其采樣頻率為150幀/秒，在測量之前，對ECT傳感器進(jìn)行空管(只有氣體)和滿管（自然堆積的粉煤充滿管道）標(biāo)定。空管標(biāo)定下煤粉相對濃度為0，滿管標(biāo)定下煤粉相對濃度為1。

輸送所用粉煤為羊場灣粉煤，其基本物性參數(shù)如表1所示。

表1　粉煤物性參數(shù)Table 1　Properties of pulverized coal

2　結(jié)果與討論

2.1輸送特性

對于特定的粉煤輸送系統(tǒng)，輸送工況由加壓氣(Q1)、流化氣(Q2)和調(diào)節(jié)氣(Q3)決定。由于粉煤密相氣力輸送是一個非常復(fù)雜的過程，其影響因素眾多，實驗過程中對每組工況均進(jìn)行了3～4組的重復(fù)實驗，其重復(fù)性實驗誤差在8.32%以內(nèi)。表2給出了4組輸送工況在三路進(jìn)氣量相近時，管道內(nèi)各相關(guān)參數(shù)的對比情況。其中Air→Air、Air→CO2、CO2→Air和CO2→CO2分別代表Air供料Air輸送、Air供料CO2輸送、CO2供料Air輸送以及CO2供料CO2輸送工況。

由表2可以看出，供料氣相同時，采用CO2輸送的工況，其表觀氣速Ug明顯大于Air輸送的工況，說明在三路供氣相近的情況下，CO2進(jìn)入管道的氣量大于Air的氣量。Cong等[6]的研究表明，CO2在粉煤中的滲透性大于Air，在相同的輸送氣量下，CO2比Air更容易從發(fā)料罐中滲透到管路中。而對比輸送載氣相同的工況，采用CO2供料的工況，其表觀氣速略小于Air供料的工況，這與氣體逃逸粉體床層的能力及氣體吸附能力有關(guān)。粉煤返回發(fā)料罐后，床層內(nèi)仍然存留一部分的供料氣，CO2是強(qiáng)吸附性氣體[13]，與粉煤顆粒吸附作用較強(qiáng)，逃逸過程較困難，因此相比Air供料具有較小的表觀氣速。另外，顆粒速度Vs采用固體質(zhì)量流量計測得，體現(xiàn)的是粉煤顆粒在管道中被輸送載氣加速的程度，這與管道內(nèi)氣固兩相的分布情況有關(guān)，后面將結(jié)合ECT流型圖像進(jìn)行分析。4組輸送工況的質(zhì)量流率Ws與固氣比μ的大小關(guān)系一致：Air→Air>CO2→Air> Air→CO2>CO2→CO2?？梢园l(fā)現(xiàn)粉煤輸送的質(zhì)量流率Ws和固氣比μ與輸送載氣中Air的相對含量呈正相關(guān)，Air的相對含量越高，其質(zhì)量流率Ws與固氣比μ的值也越大。這是由于Air載氣攜帶粉煤的能力大于CO2載氣攜帶粉煤的能力[6]。

表2　輸送過程的流動參數(shù)Table 2　Flow parameters in pneumatic conveying

陸海峰等[7]在研究載氣切換對料倉下料的影響時發(fā)現(xiàn)，采用不同載氣供料會影響料罐內(nèi)粉煤的堆積狀態(tài)，從而影響到粉煤在料罐中的流動情況。這種由載氣切換引起的粉煤流動狀態(tài)的差異，將從源頭上影響到粉煤在管道中的流動形態(tài)。下面對代表4組工況的發(fā)料罐料倉特性參數(shù)Pt進(jìn)行討論。

輸送載氣作為粉煤輸送的動力來源[14]，一部分氣量用于置換被輸送走的粉煤，以維持發(fā)料罐罐壓，一部分進(jìn)入管道輸送粉煤。當(dāng)輸送總氣量一定時，可用發(fā)料罐罐壓Pt來衡量進(jìn)入管道的氣量，從而間接地反映發(fā)料罐內(nèi)粉煤床層的流化狀態(tài)。

對比具有相同供料和輸送載氣的工況(Air→Air/CO2→CO2)(圖2)，Air作為載氣時罐壓較高，說明用于維持發(fā)料罐壓力的氣量較大，而進(jìn)入管路中的氣量相對較小，同時也驗證了表2中Air→Air工況表觀氣速較小?？捎肅O2和Air穿過粉煤床層的透氣性系數(shù)進(jìn)行解釋。采用Air和CO2為氣體介質(zhì)，借助FT-4粉體流變儀對實驗物料進(jìn)行了透氣性測試[15]，實驗結(jié)果如圖3所示。透氣性系數(shù)k可由達(dá)西定律獲得

式中，Q為氣體流量；A為床層面積；ΔP為床層壓降；L為床層高度；μg為氣體黏度，Air取值為1.76×10-5Pa·s，CO2取值為1.46×10-5Pa·s。等式兩邊同時除以截面積A得到

圖2　發(fā)料罐罐壓的比較Fig.2　Comparison of Pt

圖3　粉煤床層的透氣性Fig.3　Permeability of pulverized coal

式中，q為氣體表觀氣速，測試過程設(shè)定為固定值0.5 mm·s-1。

由圖3可知，粉煤的CO2透氣性大于Air的透氣性，且隨著床層正應(yīng)力的減小，二者的差距更加明顯。在相同的輸送氣量下，CO2從發(fā)料罐粉煤層中滲透到輸送管道的氣量大于Air的滲透氣量，于是CO2維持發(fā)料罐壓力的能力較低，對應(yīng)于CO2→CO2工況的罐壓較低，同時由于進(jìn)入管道的氣量大于Air的氣量， CO2→CO2的表觀氣速大于Air→Air。

對于存在載氣切換的輸送工況(Air→CO2/ CO2→Air)，Air→CO2罐壓最低，而CO2→Air對應(yīng)的罐壓最高。可用Kai等[16]提出的“非等分子擴(kuò)散”理論來解釋這一現(xiàn)象，非等分子擴(kuò)散過程如圖4所示。氣體擴(kuò)散速率與氣體相對分子質(zhì)量的平方根呈反比，因此氣體相對分子質(zhì)量越低，其擴(kuò)散速率越高。

圖4　非等分子擴(kuò)散示意Fig.4　Diagram of non-molecular diffusion

圖5　ECT信號與豎直管壓力信號Fig.5　Signal of ECT and pressure in vertical pipe

CO2→Air工況，在發(fā)料罐內(nèi)的情況類似于Air切換CO2，乳化相以切換前的氣體CO2為主，氣泡相以切換后的氣體Air為主。存在Air切換CO2時，氣泡相中的Air向乳化相擴(kuò)散的速率大于乳化相中CO2向氣泡的擴(kuò)散速率，使得乳化相中氣體成分增加，床層發(fā)生均勻膨脹，產(chǎn)生一定的稀疏作用，即發(fā)料罐中粉煤的存氣量增加，同時進(jìn)入管道中的氣量相對較小，故對應(yīng)罐壓較大，而表觀氣速較小。同樣Air→CO2工況，類似于CO2切換Air，氣泡相中的CO2向乳化相擴(kuò)散的速率小于乳化相中Air向氣泡的擴(kuò)散速率，乳化相快速脫氣，發(fā)料罐內(nèi)煤層出現(xiàn)載氣切換失流效應(yīng)，形成穩(wěn)定氣道，床層氣體從氣道短路流出床層，直接進(jìn)入輸送管道，導(dǎo)致罐壓無法維持較高水平，管道表觀氣速隨之增大。

另外，發(fā)料罐壓力為粉煤氣力輸送提供能量[14]，決定了管道中粉煤的動能大小，表2中展現(xiàn)的顆粒速度大小關(guān)系可用圖2的罐壓情況得到很好的解釋。

2.2豎直上升管輸送信號與功率譜分析

2.2.1輸送信號管道中氣體與顆粒間的相互作用構(gòu)成了不同流動形態(tài)，而這些流動形態(tài)的變化可通過管道的ECT信號[17]和壓力信號[18]的波動情況得到很好的反映。圖5(a)～(d)為4組工況的ECT信號和管道的壓力信號與時間的關(guān)系。通過對ECT濃度信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差[19]數(shù)學(xué)分析處理，可定量地比較4組工況的穩(wěn)定性差異，如圖6所示。

對比無載氣切換的輸送工況，如圖5(a)和圖5(d)所示，Air→Air時，對應(yīng)的ECT信號和豎直上升管壓力表現(xiàn)得最平穩(wěn)，從圖6中也可看出其標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明輸送過程流型單一且穩(wěn)定。而CO2→CO2時，其管線ECT信號與壓力信號出現(xiàn)大的脈沖，Cong等[6]的研究顯示，壓力信號的大脈沖與粉煤濃度信號出現(xiàn)的波谷相對應(yīng)，此時管道中呈現(xiàn)的是氣栓。粉煤在管道中流動時，通氣狀態(tài)的粉煤所受正應(yīng)力接近零，CO2較Air更易穿透細(xì)粉煤顆粒之間的空隙，如圖3所示，故在相同的氣量下，CO2載氣輸送粉煤時在管線中更容易形成氣栓，給管道中的氣流場施加了強(qiáng)擾動，壓力信號出現(xiàn)大的脈沖，ECT歸一化濃度信號出現(xiàn)波谷脈沖。故CO2載氣輸送粉煤波動程度明顯大于Air作為載氣時的波動程度，如圖6所示。熊焱軍等[20]分析粉煤輸送堵塞臨界狀態(tài)時，也發(fā)現(xiàn)CO2作為輸送載氣的壓力信號波動明顯大于Air輸送的工況。

圖5(b)為Air→CO2，輸送的前部分極易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，管道粉煤濃度信號和壓力信號波動劇烈，結(jié)合圖6顯示的ECT濃度信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，說明管道中粉煤流動極不穩(wěn)定，而這種不穩(wěn)定的輸送源于發(fā)料罐中粉煤床層不良的流動狀態(tài)[7]。Kai等[16]認(rèn)為不同密度的氣體切換時造成床層流化擾動的原因是氣體從乳化相到氣泡相時擴(kuò)散速度的差異造成的。此時發(fā)料罐內(nèi)床層處于失流狀態(tài)，下料極不穩(wěn)定[10]，導(dǎo)致了輸送過程的不穩(wěn)定。

而圖5(c)對應(yīng)的CO2→Air工況輸送信號的波動情況與CO2→CO2工況相似，均存在一定時間間隔的大脈沖，主要的差別體現(xiàn)在CO2→Air時，ECT信號和管道壓力信號波動的幅度較小且波動較隨機(jī)，而CO2→CO2工況的ECT信號和管道壓力信號波動的間隔較均勻，頻率高。二者的ECT濃度信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎相同，均較大，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)粉體具有足夠的透氣性，就可能以密相栓流的形式輸送[21]。對于CO2→Air工況，由于“非等分子擴(kuò)散”作用，輸送時發(fā)料罐粉煤床層較疏松且存有大量的CO2，當(dāng)粉煤進(jìn)入輸送管道后，乳化相進(jìn)一步膨脹，粉煤具有足夠的透氣性，在管道中容易形成氣栓。故在輸送過程中豎直上升管ECT信號和壓力信號出現(xiàn)了大脈沖的現(xiàn)象，與CO2→CO2的情況相似。

圖6　ECT信號的Std值Fig.6　Std of ECT signals

在粉煤密相氣力輸送過程中，載氣與多孔性粉煤之間的相互作用是粉煤流動形態(tài)變化的重要因素。圖5和圖6的結(jié)果顯示，在相同的輸送氣量下，

改變供料載氣與輸送載氣的組合，粉煤在管道中的流動情況存在明顯的差異，而這種差異性可從管道的ECT信號和壓力信號中得到很好的體現(xiàn)。

2.2.2功率譜分析ECT信號的特征類似于壓力信號的特征[22]，后面將只對ECT信號進(jìn)一步分析，而壓力信號的特征以下將不再討論。對ECT歸一化濃度信號進(jìn)行了功率譜密度函數(shù)[11]分析，比較結(jié)果如圖7所示。由于Air→Air工況管道內(nèi)流動穩(wěn)定，流型單一，顯示的波峰不明顯。其他工況的功率譜圖像均呈現(xiàn)多峰的特點，反映了管道內(nèi)流動形態(tài)的送前期粉煤在豎直管道內(nèi)流動極不穩(wěn)定，管道中柱塞和氣栓交錯出現(xiàn)，流型之間的轉(zhuǎn)變毫無規(guī)律，叢不穩(wěn)定，輸送時管道內(nèi)存在多尺度的脈動。各工況的功率譜密度函數(shù)最大值的大小關(guān)系為：CO2→CO2>Air→CO2>CO2→Air>Air→Air。CO2→CO2的峰值最大，說明其ECT信號波動幅度較大，主要是由于CO2輸送粉煤時，其透氣性大，管道中較多的氣栓，引起粉煤濃度的較大波動。Air→CO2的峰值也明顯大于Air→Air和CO2→Air，結(jié)合ECT信號可知，管道內(nèi)粉煤流動不穩(wěn)定，這與發(fā)料罐中存在CO2切換Air過程，床層失流導(dǎo)致粉煤流化不良，輸送過程發(fā)料罐下料不穩(wěn)定有關(guān)。

圖7　ECT信號的功率譜密度Fig.7　Power spectral density(PSD) of ECT signals

圖8　ECT獲得的兩維視圖Fig. 8　Two-dimension view obtained from ECT

2.3ECT圖像分析

圖8給出了4組工況整個輸送過程中ECT系統(tǒng)獲得的二維視圖，圖像顏色的深淺代表著管道內(nèi)粉煤濃度的高低。Air→Air時，粉煤在豎直上升管中的分布以環(huán)狀流[11](annular flow)為主，管壁濃度較高，而管中心顆粒濃度相對較低。Air→CO2時，輸星亮[23]認(rèn)為，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由發(fā)料罐中粉煤流化狀態(tài)不良引起的。在輸送中后期，管道內(nèi)的流型為栓塞流[11]( slug flow)。CO2→Air工況與CO2→CO2工況，其豎直上升管內(nèi)粉煤流動形態(tài)相似，都12 s具有代表性的流動形態(tài)圖，進(jìn)行局部放大，每2 s提取一張管道截面的ECT圖像，如圖9所示。

Air→Air時，管道內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)狀流，大部為氣栓流[11](plug flow)，不過CO2→Air時，氣栓持續(xù)的時間較短，ECT圖像顯示的顏色較淺，說明管道內(nèi)粉煤的濃度較低。叢星亮[23]在研究豎直上升管流型時發(fā)現(xiàn)，管道中出現(xiàn)氣栓流時，流動不穩(wěn)定，而環(huán)狀流為穩(wěn)定流型，這與圖7顯示的規(guī)律一致。

圖9　ECT獲得的擬3D圖像Fig.9　Quasi 3-dimensional views obtained from ECT

為了更直觀地展示4組輸送工況管道截面的濃度分布情況，從4組工況的ECT二維視圖中截取了分輸送載氣從管中心流過。Air→CO2時，管道中心的濃度較高，在管壁處出現(xiàn)濃度較低的區(qū)域，說明輸送載氣取道管壁，這主要是由于采用Air→CO2時，發(fā)料罐內(nèi)粉煤流化不充分，乳化相被壓實，空隙率較低，大分子的CO2很難擴(kuò)散到乳化相中，在出料口，大部分CO2氣體直接流向阻力較小的管壁處，在管道中的流型以栓塞流為主。CO2→Air工況與CO2→CO2工況均出現(xiàn)了氣栓，緊接氣栓的是一段栓塞流，二者的差異體現(xiàn)在CO2→CO2時，出現(xiàn)的氣栓段幾近空管，而后面形成的栓塞段濃度明顯高于CO2→Air工況。

從圖9顯示的擬3D圖像可以看出，4組工況管道截面濃度的大小關(guān)系為：Air→CO2>CO2→CO2>Air→Air>CO2→Air，該大小關(guān)系與表2中的顆粒速度關(guān)系相反。管道截面濃度越低，輸送載氣流通的面積越大，氣固兩相接觸得越充分，粉煤顆粒被加速的程度越大，對應(yīng)的顆粒速度就越大。

3　結(jié)　論

本文將粉煤的供料與輸送過程作為一個整體操作單元進(jìn)行研究，并重點關(guān)注了不同載氣切換條件下，粉煤料倉受料（或即供料）過程對輸送特性的影響，借助電容層析成像（ECT）系統(tǒng)觀測了4組典型工況的流型情況，結(jié)論如下。

（1）無載氣切換的工況(Air→Air/CO2→CO2)，CO2在粉煤中的透氣性大于Air在粉煤中的透氣性，導(dǎo)致二者輸送特性的差異；然而存在載氣切換的工況(Air→CO2/CO2→Air)，粉煤床層中的“非等分子擴(kuò)散”效應(yīng)起主導(dǎo)作用，該作用引起發(fā)料罐中粉煤流化狀態(tài)的差異，進(jìn)而影響粉煤輸送的流型和穩(wěn)定性。

（2）ECT信號與壓力信號都能很好地反映粉煤在輸送管道中的流動情況。Air→Air時輸送信號最平穩(wěn)；而Air→CO2時在發(fā)料罐內(nèi)粉煤床層失流，發(fā)料罐下料不暢導(dǎo)致輸送信號波動劇烈，穩(wěn)定性最差；CO2→Air和CO2→CO2輸送信號相似，均出現(xiàn)間歇性脈沖，然而CO2在粉煤中的透氣性大于Air在粉煤中的透氣性，CO2→CO2時形成的氣栓較長，其ECT信號的功率譜峰值較大。

（3）ECT圖像顯示，Air→Air時豎直管流型為穩(wěn)定的環(huán)狀流；Air→CO2時輸送前期流型不穩(wěn)定，輸送中后期呈現(xiàn)栓塞流；CO2→Air與CO2→CO2輸送過程都為氣栓流，然而CO2→CO2時，出現(xiàn)的氣栓段幾近空管，隨后的栓塞段濃度明顯高于CO2→Air。

符號說明

Cs——ECT圖像的截面平均相對顆粒濃度

Pl——豎直上升管壓力（表壓），kPa

Pt——發(fā)料罐壓力（表壓），kPa

Q1，Q2，Q3，Q4，QT——分別為加壓氣、流化氣、調(diào)節(jié)氣、

供料氣和總輸送氣體積流量（20℃，

101.35 kPa），m3·h-1

Ug——表觀氣速，m·s-1

Vs——顆粒速度，m·s-1

Ws——質(zhì)量流率，kg·h-1

μ——固氣比，kg·m-3

References

[1] 肖為國，郭曉鐳，代正華，等. 工業(yè)級管道中粉煤濃相流動特性[J]. 化工學(xué)報，2007，58(11): 2759-2763. XIAO W G，GUO X L，DAI Z H，et al. Dense phase flow properties of pulverized coal in industrial scale tube [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，2007，58(11): 2759-2763.

[2] GUO X L，LU W X，DAI Z H，et al. Experimental investigation into a pilot-scale entrained-flow gasification of pulverized coal using CO2as carrier gas [J]. Energy and Fuels，2012，26(2): 1063-1069.

[3] 夏支文，井云環(huán). CO2作為密相輸送載氣在GSP氣化技術(shù)中的應(yīng)用 [J]. 潔凈煤技術(shù)，2012，18(5): 49-51. DOI: 10.13226/j.issn.1006-6772. 2012.05.009. XIA Z W，JING Y H. Application of CO2as dense-phase pneumatic conveying carrier gas in GSP gasification process [J]. Clean Coal Technology，2012，18(5): 49-51. DOI: 10.13226/j.issn. 1006-6772. 2012.05.009..

[4] GELDART D，LING S J. Dense phase conveying of fine coal at high total pressures [J]. Powder Technology，1990，62(3): 243-252.

[5] 賀春輝，沈湘林，胥宇鵬，等. CO2/N2作輸送載氣對煤粉高壓密相氣力輸送特性的影響 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32(29): 38-44. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.29.004. HE C H，SHEN X L，XU Y P，et al. Influences of CO2/N2as carrier gas on dense phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure [J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(29): 38-44. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.29.004.

[6] CONG X L，GUO X L，GONG X，et al. Investigations of pulverized coal pneumatic conveying using CO2and air [J]. Powder Technology，2012，219(3): 135-142. DOI: 10.1016/j.powtec.2011.12.029.

[7] 陸海峰，郭曉鐳，陶順龍，等. 不同載氣供料對煤粉料倉下料的影響 [J]. 化工學(xué)報，2014，65(9): 3383-3388. DOI: 10.3969/j.issn. 0438-1157.2014.09.010. LU H F，GUO X L，TAO S L，et al. Effect of feeding gas on hopper discharge of pulverized coal [J]. CIESC Journal，2014，65(9): 3383-3388. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.09.010.

[8] REICHHOLD A，KRONBERGER B，F(xiàn)RIEDL G. Temporary defluidization in fine powder fluidized beds caused by changing the fluidizing gas [J]. Chemical Engineering Science，2006，61(8): 2428-2436.

[9] KAI T，TASHIRO Y，HIRANO Y，et al. Visualization of defluidization phenomena caused by gas switching in a two-dimensional fluidized bed [J]. Powder Technology，2013，237(3): 153-159.

[10] LU H F，GUO X L，TAO S L，et al. A further study on effect of gas type on pulverized coal discharge [J]. Powder Technology，2015，281: 193-199.

[11] CONG X L，GUO X L，LU H F，et al.Flow patterns of pulverizedcoal pneumatic conveying and time-series analysis of pressure fluctuations [J]. Chemical Engineering Science，2013，101(14): 303-314.

[12] YANG D Y，ZHOU B，XU C L，et al. Application of electrical capacitance tomography in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal under high pressure [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28(11): 1987-1993.

[13] XIE H Y，GELDART D. Fluidization of FCC powders in the bubble-free regime: effect of types of gases and temperature [J]. Powder Technology，1995，82(3): 269-277.

[14] 劉彬，賀春輝，顏金培，等. CO2作輸送介質(zhì)的煤粉高壓密相輸送實驗研究 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(11):21-26. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2010.11.003. LIU B，HE C H，YAN J P，et al. Experimental study on dense phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure using carbon dioxide as carrier [J]. Proceedings of the CSEE，2010，30(11): 21-26. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2010.11.003.

[15] FU X W，HUCK D，MAKEIN L，et al. Effect of particle shape and size on flow properties of lactose powders [J]. Particuology，2012，10(2): 203-208.

[16] KAI T，TAKAHASHI T. Formation of particle agglomerates after switching fluidizing gases [J]. American Institute of Chemical Engineers，1997，43(2): 357-362.

[17] WANG Q，YANG C Y，WANG H X，et al. Online monitoring of gas-solid two-phase flow using projected CG method in ECT image reconstruction [J]. Particuology，2013，11(2): 204-215.

[18] OMMEN J R V，SASIC S，SCHAAF J V D，et al. Time-series analysis of pressure fluctuations in gas-solid fluidized beds—a review [J]. Int. J. Multiphase Flow，2011，37(5): 403-428. DOI: 10.1016/j. ijmultiphaseflow.2010.12.007.

[19] CONG X L，GUO X L，LU H F，et al. Flow pattern characteristics in vertical dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal using electrical capacitance tomography [J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2012，51(46): 15268-15275. DOI: 10.1021/ie3011897.

[20] 熊焱軍，郭曉鐳，龔欣，等. 水平管煤粉密相氣力輸送堵塞臨界狀態(tài) [J]. 化工學(xué)報，2009，60(6):1421-1426. XIONG Y J，GUO X L，GONG X，et al. Blockage critical state of pulverized coal dense-phase pneumatic conveying in horizontal pipe [J]. CIESC Journal，2009，60(6): 1421-1426.

[21] 程克勤. 粉粒狀物料性能與其氣力輸送特性 [J]. 硫磷設(shè)計與粉體工程，2004，(6):13-25. DOI: 10.3969/j.issn.1009-1904.2004.06.004. CHENG K Q. Performance of powder and granular material and their pneumatic conveying characteristics [J]. Sulphur Phosphorus and Bulk Materials Handling Related Engineering，2004，(6): 13-25. DOI: 10.3969/j.issn.1009-1904.2004.06.004.

[22] CONG X L，GUO X L，GONG X，et al. Experimental research of flow patterns and pressure signals in horizontal dense phase pneumatic conveying of pulverized coal [J]. Powder Technology，2011，208(3): 600-609. DOI: 10.1016/j.powtec.2010.12.027.

[23] 叢星亮. 粉煤密相氣力輸送的流型與管線內(nèi)壓力信號關(guān)系的研究[D]. 上海: 華東理工大學(xué)，2013. CONG X L. Study on relationship between flow patterns and pipeline pressure signals in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal[D]. Shanghai: East China University of Science and Technology，2013.

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

PAN Xiangming，GUO Xiaolei，LU Haifeng，LIU Kai，F(xiàn)U 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

中圖分類號：TQ 022.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1169—10

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（21206041）。

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