高壓密相石油焦和無煙煤的混合輸送特性

胡駕緯，沈騮，梁財(cái)，陳曉平，徐貴玲，趙長遂(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京，210096)

高壓密相石油焦和無煙煤的混合輸送特性

胡駕緯，沈騮，梁財(cái)，陳曉平，徐貴玲，趙長遂
(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京，210096)

在自主搭建輸送壓力可達(dá)4.0 MPa的高壓密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺上分別進(jìn)行石油焦和無煙煤的輸送實(shí)驗(yàn)及不同質(zhì)量配比的石油焦和無煙煤混合輸送實(shí)驗(yàn)，揭示在不同的總輸送差壓下粉體物性及操作參數(shù)對流動特性和輸送穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在相同的輸送條件下，相同粒徑的石油焦的輸送量遠(yuǎn)小于無煙煤的輸送量，且石油焦的輸送穩(wěn)定性比無煙煤的輸送穩(wěn)定性差；保持相同的輸送條件，混合物料的輸送量和輸送穩(wěn)定性均優(yōu)于石油焦的輸送量和輸送穩(wěn)定性，但比無煙煤的差；隨著混合物中無煙煤質(zhì)量比例的提高，氣力輸送的輸送量增大，但輸送穩(wěn)定性未得到顯著提高。

氣力輸送；石油焦；輸送特性；混合輸送

石油焦是原油經(jīng)蒸餾將輕質(zhì)油分離后，重質(zhì)油再經(jīng)熱裂的過程轉(zhuǎn)化而成的產(chǎn)品。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，原油需求總量的持續(xù)增加以及環(huán)境問題對汽油品質(zhì)的要求，高硫石油焦產(chǎn)量將不斷增加。為了充分利用高含碳量的石油焦，同時(shí)避免石油焦直接燃燒產(chǎn)生有害氣體，采用氣流床氣化技術(shù)使石油焦的清潔利用成為可能。石油焦氣化技術(shù)主要分為石油焦單獨(dú)氣化和石油焦催化氣化2種，為克服石油焦氣化活性低的缺點(diǎn)一般采用原煤作為催化劑同石油焦共同氣化的技術(shù)[1-6]。高壓密相氣力輸送作為干煤粉氣流床大規(guī)模氣化過程加壓入爐的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研究已經(jīng)取得了顯著成果，獲得了不同的物料種類、粒徑分布以及物料含水率等因素對輸送特性的影響規(guī)律[7-11]。然而，這些研究大多針對單一粉體物料的輸送，關(guān)于石油焦及石油焦和原煤的混合物料輸送的研究較少[12-14]。本文作者在東南大學(xué)自主搭建壓力可達(dá)4.0 MPa的高壓密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了石油焦和無煙煤的輸送實(shí)驗(yàn)并比較兩者的輸送特性，發(fā)現(xiàn)兩者的差異性較大。研究了不同質(zhì)量配比的石油焦和無煙煤混合輸送的輸送特性，對于石油焦氣化技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為料罐、壓力及風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輸送管道、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。料罐包括2個(gè)容積均為0.6 m3上出料式料罐和下出料式料罐，在實(shí)驗(yàn)過程中2個(gè)料罐互為發(fā)送罐和接收罐，可通過閥門的開閉進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)載氣為氮?dú)?，由表壓高達(dá)12 MPa的高壓氮?dú)馄刻峁獨(dú)馄恐械牡獨(dú)獬淙刖彌_罐中，緩沖罐壓力可高達(dá)4.6 MPa。從緩沖罐引出3路風(fēng)，分別為流化風(fēng)、沖壓風(fēng)和補(bǔ)充風(fēng)。流化風(fēng)從底部進(jìn)入發(fā)送罐中，使發(fā)送罐中管道入口附近的物料局部流態(tài)化；充壓風(fēng)從頂部進(jìn)入發(fā)送罐，維持發(fā)送罐的壓力；補(bǔ)充風(fēng)在發(fā)送罐出口進(jìn)入管道中，以調(diào)節(jié)固氣比和輸送穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的輸送管道總長為32 m，管道內(nèi)徑為10 mm。壓力、差壓和質(zhì)量的測量由傳感器完成并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器、差壓傳感器和稱重傳感器的測量精度分別為0.050%，0.075%和0.100%，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為50 Hz。

圖1　氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)圖Fig.1　Schematic diagram of pneumatic conveying system

2　實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)物料為安徽淮北無煙煤和江蘇金陵石油焦，每種物料均有粗、細(xì)2種，單種物料的粉體物性如表1所示。從表1可以看出：石油焦和無煙煤的密度相差較大，且同種物料的1號和2號粒徑相差也較大；無煙煤2號和石油焦2號的平均粒徑相近，可作為相同粒徑的物料進(jìn)行比較。圖2所示為這2種物料的表面微觀形貌的掃描電鏡圖(SEM)。由圖2可以看出：無煙煤顆粒表面組織致密，石質(zhì)感較強(qiáng)，沒有明顯的孔隙，而石油焦顆粒呈堅(jiān)硬的片狀顆粒，在片狀石油焦顆粒表面有形狀不規(guī)則的小顆粒附著。4種物料的全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近且均小于3%，全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對輸送特性的影響可以忽略不計(jì)。

表1　單種物料物性Table 1　Physical properties of different materials

表2　混合物料成分Table 2　Contents of blending materials

為研究無煙煤和石油焦的混合輸送特性，本實(shí)驗(yàn)配制3種混合物料，分別為物料A、物料B和物料C。3種混合物料的成分及混合比例如表2所示。其中，物料A是由2種粗物料(無煙煤1號和石油焦1號)按質(zhì)量比1:1配制，物料B和C是由2種細(xì)物料(無煙煤2號和石油焦2號)分別按質(zhì)量比1:1和1:3配制。

圖2　相同粒徑不同物料的SEMFig.2　SEM of anthracite and petroleum coke with similar particle size

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1單種物料輸送特性

輸送質(zhì)量流量Gs和輸送總差壓Δp是氣力輸送過程中的重要參數(shù)，Gs表示單位時(shí)間內(nèi)的管道輸送物料的質(zhì)量，Δp表示發(fā)送罐和接收罐間的壓力差。圖3所示為幾種單一物料的質(zhì)量流量隨輸送總差壓的變化規(guī)律。由圖3可知：隨著輸送總差壓Δp的增大，同種物料的質(zhì)量流量Gs逐漸增大。在氣力輸送過程中，輸送總差壓即為整個(gè)輸送過程的動力源，總差壓提供了物料和載氣的兩相流克服阻力的基本動力。在輸送過程中載氣的動能和勢能轉(zhuǎn)化為物料的動能并克服流動的阻力，總差壓越大，單位時(shí)間內(nèi)物料獲得的能量越大，故質(zhì)量流量越大。在總壓降相同的條件下，輸送量由小到大順序?yàn)椋菏徒?號，石油焦2號，無煙煤1號，無煙煤2號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于同種物料，粗物料的輸送量總是小于細(xì)物料的輸送量。這是由于粗物料在各個(gè)管段的壓降均比細(xì)物料的大[9,15]，導(dǎo)致粗物料輸送過程中的阻力大于細(xì)物料的輸送量，使得粗物料的輸送量較小。對于粒徑相同的物料，無煙煤的輸送量要大于石油焦的輸送量，主要有2方面的原因：首先，無煙煤的密度要大于石油焦的密度，即在相近的體積流量下無煙煤的質(zhì)量流量必定大于石油焦的質(zhì)量流量；同時(shí)，2種物料的流動性差異較大，這主要是由2種物料的表面特性差異導(dǎo)致的，表面相對粗糙的石油焦要比無煙煤的黏附性大，在輸送過程中，會在輸送管壁上形成1層外殼(如圖4所示)，導(dǎo)致石油焦的流動阻力更大，輸送量較小。

圖3　不同單種物料輸送量比較Fig.3　Comparison of various materials on mass flow rate

圖4　輸送過程中在管壁上形成的石油焦層Fig.4　Petroleum coke adhered on conveying pipe wall

不同物料的輸送量差異較大，輸送過程中的穩(wěn)定性不同。表征氣力輸送工程中輸送穩(wěn)定性的方法很多，本文用質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(coefficient of variation, KCV[16-17])進(jìn)行穩(wěn)定性分析，KCV越小表示輸送過程的穩(wěn)定性越好。KCV可以根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

其中：Ks為質(zhì)量流量信號標(biāo)準(zhǔn)差；Gm為質(zhì)量流量平均值。

相同粒徑不同種類物料的KCV與總輸送差壓的關(guān)系如圖5所示。從圖5可知：隨著輸送差壓的增大，同種物料的KCV不斷減小，即穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。這是由于輸送差壓越大，物料所具有動能與勢能越大，其輸送過程的穩(wěn)定性也越強(qiáng)。在相同的輸送差壓下，石油焦的穩(wěn)定性比相同粒徑的無煙煤的穩(wěn)定性差，這主要是由2種物料的流動性差異引起的，石油焦在管內(nèi)的流動性較差，導(dǎo)致石油焦在管內(nèi)輸送時(shí)的壓力信號波動較大，使得流動不穩(wěn)定。另外，由于石油焦的表面附著有片狀物且結(jié)構(gòu)不夠致密，在輸送過程中有小顆粒、片狀物從石油焦表面脫落，附著在管壁上，形成含有石油焦的黏附層(見圖4)。輸送過程中形成的黏附層會增大兩相流流動阻力并引起粉體層滑移過程中粉體層遷移，導(dǎo)致輸送過程的不穩(wěn)定。

圖5　不同物料穩(wěn)定性對比Fig.5　Comparison of different various materials on coefficient of variation(KCV)

3.2單種物料與混合物料的輸送特性

圖6所示為石油焦1號、混合物料A和無煙煤1 號3種物料的輸送量對比。從圖6可以看出：混合物料的輸送量隨差壓增大而逐漸增大，這與同種物料輸送量的變化規(guī)律相同。在按1:1的質(zhì)量比摻入無煙煤1號后，石油焦1號的輸送量顯著增大，這是由于表面特性相對光滑的無煙煤的加入，改善了石油焦的流動特性，管壁黏附現(xiàn)象明顯減輕。純石油焦物料輸送過程中5~6個(gè)工況后管壁形成較厚的黏附層較為嚴(yán)重，輸送過程極不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)堵管現(xiàn)象[17]；相比石油焦，混合物料輸送過程中管壁黏結(jié)現(xiàn)象較輕，管壁黏附層形成較慢，因此混合物料的輸送量和輸送穩(wěn)定性得到顯著提升。在相同的輸送差壓下，混合物料的輸送量大于石油焦1號的輸送量但小于無煙煤1號的輸送量。圖7所示為單種物料與混合輸送的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)對比。從圖7可以看出：按質(zhì)量比1:1混合后的物料A的輸送穩(wěn)定性也介于石油焦1號和無煙煤1號的輸送穩(wěn)定性之間。石油焦添加無煙煤后，輸送管壁上的黏附現(xiàn)象減弱，輸送阻力降低，輸送量顯著增大，輸送穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)。

圖6　單種物料與混合輸送的輸送量對比(粗顆粒)Fig.6　Comparison of petroleum coke,anthracite and blending on mass flow rate(coarse particles)

圖7　單種物料與混合輸送的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)對比(粗顆粒)Fig.7　Comparison of petroleum coke,anthracite and blending on KCV(coarse particles)

3.3不同比例的混合物料輸送特性

與無煙煤混合后，石油焦的輸送量及輸送過程的穩(wěn)定性得到改善，但是物料A中石油焦與無煙煤的質(zhì)量比為1:1，質(zhì)量比恒定，無法判斷加入無煙煤對石油焦輸送特性的影響。為了更好地研究混合物料的輸送特性與混合物料中兩者比例之間的關(guān)系，使用2種不同質(zhì)量配比的物料B和C同較細(xì)顆粒的無煙煤2號及石油焦2號進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

圖8所示為按不同質(zhì)量比混合時(shí)細(xì)顆粒物料的輸送量比較。從圖8可以看出：石油焦2號中摻入少量無煙煤2號(質(zhì)量比為3:1)時(shí)，其質(zhì)量流量與單種物料石油焦2號的質(zhì)量流量相差不大，而當(dāng)石油焦2號與無煙煤2號按質(zhì)量比1:1混合組成物料C時(shí)，輸送量得到明顯提升。主要原因是石油焦的流動性較差，單種石油焦物料在管內(nèi)輸送時(shí)與管壁間的壓損較大，而加入無煙煤后流動性得到改善，混合物料的流動性較單種物料更好，但在無煙煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)效果不明顯。

圖9所示為4種物料的穩(wěn)定性比較。從圖9可以看出：隨著總壓降的增大，4種物料的輸送過程均趨于穩(wěn)定，但摻入無煙煤2號后石油焦2號的輸送穩(wěn)定性并未得到顯著改善，其輸送過程的質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(KCV)仍較大，與石油焦2號的KCV相近，但大于無煙煤2號的KCV，表明輸送穩(wěn)定性與石油焦2號與無煙煤2號的質(zhì)量比沒有明顯的關(guān)系。這一現(xiàn)象可能是混合物料中2種物料的混合不均勻?qū)е碌摹?/p>

圖8　不同質(zhì)量比的物料混合輸送量對比(細(xì)顆粒)Fig.8　Comparison of blendings with different quality ratios on mass flow rate(fine particles)

圖9　不同質(zhì)量比的物料混合標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(KCV)對比(細(xì)顆粒)Fig.9　Comparison of blendings with different quality ratios on KCV(fine particles)

4　結(jié)論

1)在相同輸送條件下，同粒徑的石油焦輸送量比無煙煤輸送量小，且石油焦的輸送穩(wěn)定性比無煙煤差的輸送穩(wěn)定性。

2)在石油焦中加入無煙煤后，在相同的輸送總差壓下，石油焦的輸送量得到提高，且隨著混合物中無煙煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，石油焦的輸送量增大。

3)在相同輸送條件下，混合物料輸送過程的穩(wěn)定性相比較于石油焦并未得到顯著改善，混合物料的輸送過程穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步研究。

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(編輯羅金花)

Dense-phase pneumatic conveying characteristics of blendings with petroleum coke and anthracite

HU Jiawei,SHEN Liu,LIANG Cai,CHEN Xiaoping,XU Guiling,ZHAO Changsui
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control Ministry of Education, School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Dense-phase pneumatic conveying experiments of the petroleum coke,anthracite and these two kinds of powder blending were carried out at pneumatic conveying system with pressure up to 4.0 MPa.The effects of powder properties and operation parameter on flow characteristics and conveying stability were analyzed and compared.The results show that the petroleum coke has smaller mass flow rate and worse conveying stability than the anthracite with the similar particle size and conveying condition.The conveying characteristics of blendings of the petroleum coke and anthracite improve gradually compared with the petroleum coke.With the increase of mass proportion of the anthracite in the blendings,the mass flow rate increases correspondingly,while the conveying stability almost remains unchanged.

pneumatic conveying;petroleum coke;conveying characteristics;blendings conveying

梁財(cái)，副教授，博士生導(dǎo)師，從事高壓、濃相氣力輸送、潔凈煤燃燒等研究；E-mail:liangc@seu.edu.cn

TQ536

A

1672-7207(2016)07-2501-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.043

2015-07-31；

2015-09-31

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB227002)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50906011)(Project (2010CB227002)supported by the National Basic Research Development Program(973 Program)of China;Project(50906011)supported by the National Natural Science Foundation of China)