活性焦在溜管內(nèi)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

(1. 國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司清潔高效燃煤發(fā)電與污染物控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031；2. 國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，江蘇南京210031)

隨著環(huán)保要求的逐漸提高，炭基催化法多污染物協(xié)同脫除技術(shù)由于能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中的SOx、NOx、粉塵、重金屬以及二噁英等污染物的脫除，且在煙氣處理過程中不消耗水，也無廢水排出等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的認(rèn)可和應(yīng)用[1-3]。同時(shí)，由于該技術(shù)能夠?qū)煔庵忻摮腟Ox進(jìn)行資源化回收，能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

炭基催化法多污染物協(xié)同脫除裝置在保證煙氣凈化效率外，最重要的任務(wù)是要通過降低物料系統(tǒng)設(shè)備故障率和運(yùn)行成本來實(shí)現(xiàn)裝置的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?；钚越故亲钪饕奶炕呋瘎┲?。孟春強(qiáng)等[7]通過對(duì)活性焦損耗機(jī)理的研究，提出通過降低移動(dòng)速度、優(yōu)化儲(chǔ)存?zhèn)}結(jié)構(gòu)、在漏斗和溝槽增加防磨裝置等措施來降低活性焦的機(jī)械損耗。柴曉琴等[8]針對(duì)炭基催化劑流動(dòng)不暢可能導(dǎo)致的著火問題，提出使用氮?dú)庾鳛榘脖怏w和運(yùn)載氣體的情形下的防著火體系構(gòu)建方式。連娥桂等[9]也對(duì)活性焦在穩(wěn)定輸送、 平穩(wěn)下料方面進(jìn)行了研究。 這些研究對(duì)于如何提高物料輸送設(shè)備穩(wěn)定性，有效減少催化劑在輸送過程中的磨損損耗，促進(jìn)炭基催化法煙氣凈化裝置的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。但上述研究在提出物料輸送相關(guān)問題的同時(shí)，很難以量化的方式提出問題的解決方案。這一方面是因?yàn)槲锪陷斔拖到y(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)用情況多變，另一方面是相關(guān)物料流動(dòng)數(shù)據(jù)還比較缺乏。

在其他研究中，陳淑花等[10]以染色玻璃球和沙子為原料，采用示蹤法對(duì)顆粒慢速斜槽流進(jìn)行了研究，認(rèn)為顆粒流動(dòng)特性與壁面狀況密切相關(guān)。劉學(xué)武等[11]通過粉粒體慢速斜槽流的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道了斜槽傾角、流率和壁面狀況對(duì)流動(dòng)的影響狀況。但上述研究選取的粉粒體粒徑均在1 mm左右，且未考慮粉粒體自身形成的粉塵對(duì)流動(dòng)的影響，與工程實(shí)際應(yīng)用條件相差甚遠(yuǎn)。另外，由于研究所用的粉粒體料倉(cāng)容量、斜槽尺寸均較小，粉粒體流動(dòng)過程受裝置壁面擾動(dòng)的影響較大，降低了結(jié)果的可信度。為了克服以上研究的不足，更好地了解炭基催化劑的流動(dòng)特性，為物料輸送系統(tǒng)尤其是溜管的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供技術(shù)支持，我們利用一種在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用的活性焦(AC)，實(shí)驗(yàn)研究其在不同的溜管傾角和流動(dòng)表面情況下的流動(dòng)情況，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，討論活性焦溜管在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 溜管斷面形狀的確定

溜管截面主要分為矩形和圓形兩種。矩形溜管由于底部受力均勻，在物料輸送時(shí)可以有效減緩底部磨損，在固體物料輸送方面有著非常廣泛的應(yīng)用。目前已有許多關(guān)于矩形溜管在活性焦輸送和選煤方面的應(yīng)用報(bào)道[7,12-14]，因此，本文中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)選取了方形溜管作為研究對(duì)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用的活性焦新鮮原料的堆積密度為(0.62±0.06)t/m3，羅加指數(shù)大于0.97，耐壓強(qiáng)度為300 N，其粒徑分布如表1所示。為了使得出的數(shù)據(jù)更接近工程實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)選用的活性焦已在物料循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行了一段時(shí)間，顆粒形狀不同于新鮮原料，其粒徑分布如表2所示，實(shí)驗(yàn)流動(dòng)裝置如圖1所示。

料斗上部為圓柱體，下部為圓錐體，圓錐體底部設(shè)置插板門，料斗的總?cè)莘e為1.53 m3；溜管由碳鋼板制作，上部進(jìn)料口通過鉸鏈固定在料斗底部，下部出料口通過繩索懸吊固定，溜管長(zhǎng)度為2 m，溜管截面為邊長(zhǎng)0.184 m的正方形。溜管的傾角θ通過收放繩索來調(diào)整，料斗的裝料量Qx通過測(cè)量水平料面與料斗上邊緣的距離計(jì)算得出。

表1 新鮮活性焦的粒徑分布

表2 實(shí)驗(yàn)樣品粒徑分布

圖1 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Flow experiment device

實(shí)驗(yàn)通過在溜管底部設(shè)置擋板來改變流動(dòng)表面，擋板規(guī)格為30 mm×3 mm×184 mm(高×厚×長(zhǎng))，以70 mm間距，等距離垂直布置在溜管整個(gè)底部。

2 結(jié)果及分析

活性焦在不同溜管傾角下流量及溜管出料口處的平均流速可分別通過公式(1)、(2)計(jì)算得出：

(1)

(2)

溜管充滿系數(shù)通過公式(3)計(jì)算得出：

(3)

其中，M為溜管充滿系數(shù)，184為溜管內(nèi)邊長(zhǎng)，mm。

圖2為未設(shè)擋板時(shí)活性焦流量和流速與溜管傾角的關(guān)系?；钚越沟钠鹗剂鲃?dòng)傾角θ0為18.9 °，隨著θx的增大，Qx顯著增加，Vx和管內(nèi)物料充滿系數(shù)也隨之增加。但在θx增加至70 °時(shí)，Vx變小。

圖2 活性焦流量和流速與溜管傾角的關(guān)系(未設(shè)擋板)Fig.2 Relationship between activated coke flow rate and inclination of chute (without baffle)

未設(shè)擋板時(shí)，活性焦流動(dòng)斷面高度和溜管充滿系數(shù)與溜管傾角的關(guān)系如圖3所示。從圖可以看出，當(dāng)θx超過50°時(shí)，Hx和M快速增大，充分說明了活性焦流的內(nèi)部流場(chǎng)開始紊亂，活性焦顆粒之間無法繼續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定的位置關(guān)系，顆粒之間的相互碰撞加劇，從而促進(jìn)了活性焦在溜管內(nèi)的橫向擴(kuò)散。由于Vx是根據(jù)Qx和過流斷面面積比值來確定的，Vx的降低也能夠說明活性焦在溜管內(nèi)的分布變得稀疏，其流動(dòng)狀態(tài)更類似于流體的湍流狀態(tài)。

圖3 活性焦流動(dòng)斷面高度和溜管充滿系數(shù)與溜管傾角的關(guān)系(未設(shè)擋板)Fig.3 Relationship between the flow cross section of the activated coke and the inclination of the chute (without baffle)

圖4為設(shè)擋板時(shí)活性焦流量和流速與溜管傾角的關(guān)系。由圖可以看出，在溜管底部設(shè)置擋板后，活性焦的起始流動(dòng)傾角θ0明顯增加，達(dá)到了29.5 °。

圖4 活性焦流量和流速與溜管傾角的關(guān)系(設(shè)擋板)Fig.4 Relationship between activated coke flow rate and inclination of chute (with baffle)

由于在碳鋼板上設(shè)置擋板后，活性焦開始流動(dòng)時(shí)，將首先在溜管底部鋪滿一層活性焦層，之后的流動(dòng)過程將在活性焦層上表面進(jìn)行(即“料磨料”流動(dòng))，導(dǎo)致其流動(dòng)阻力明顯增加。設(shè)擋板后，活性焦流動(dòng)斷面高度和溜管充滿系數(shù)與溜管傾角的關(guān)系如圖5所示。由圖可以看出，當(dāng)θx大于40°時(shí)，Hx出現(xiàn)波動(dòng)，增加速率變小且趨于穩(wěn)定。

圖5 活性焦流動(dòng)斷面高度和溜管充滿系數(shù)與溜管傾角的關(guān)系(設(shè)擋板)Fig.5 Relationship between flow cross section of activated coke and inclination of chute (with baffle)

對(duì)比圖2和圖4可以看出，相同流量下，“料磨料”的流動(dòng)方式顯著降低了活性焦在溜管中的流動(dòng)速度，相比于未設(shè)置擋板的流動(dòng)方式，流速可減小至70%左右。隨著θx的增加，2種溜管底面條件下的活性焦流量基本呈線性增加。只有在“料磨料”流動(dòng)情況下，且在29.5°～40°傾角區(qū)間內(nèi)，Vx、Qx和傾角的關(guān)系才接近于拋物線。這可能是由于溜管傾角較小時(shí)，活性焦分布較為緊密，摩擦阻力的持續(xù)作用對(duì)物料流動(dòng)的影響較為明顯，當(dāng)溜管傾角進(jìn)一步增大時(shí)，顆粒分布變得稀疏，摩擦力的影響減弱所致。

結(jié)合圖3、圖5的數(shù)據(jù)，2種情況下的管道充滿系數(shù)最高值均在40%左右，這表明在溜管傾角不超過70 °時(shí)，活性焦的流動(dòng)空間只占據(jù)溜管通道截面的40%左右。

設(shè)置擋板后和未設(shè)置前過流斷面上單位面積活性焦流量的比率如圖6所示。由圖可以看出，圖6顯示設(shè)置擋板后，活性焦過流斷面上單位面積活性焦流量和未設(shè)置擋板時(shí)的比率?？梢钥闯?，設(shè)置擋板后活性焦流中的顆粒分布變得稀疏，且隨著溜管傾角的增加，這種情況變得更加嚴(yán)重。這說明，“料磨料”作用在有效減小活性焦流速的同時(shí)，也使得顆粒間的相互碰撞變得更加頻繁和激烈，物料流動(dòng)狀態(tài)變得更加復(fù)雜，這在一定程度上加速了活性焦的破碎和磨損。

圖6 擋板設(shè)置后與設(shè)置前的過流斷面上單位面積活性焦流量比Fig.6 Ratio of activated coke flow per unit area on flow cross section after and before baffle is set

3 應(yīng)用討論

在工程實(shí)際中，炭基催化法多污染物協(xié)同脫除裝置的溜管主要分3類：1)料倉(cāng)內(nèi)緩沖和布料溜管；2)料倉(cāng)和設(shè)備之間的連接溜管；3)解析塔旁路溜管。在大型裝置中，尤其是溜管1)和3)落差較大。

3.1 溜管內(nèi)邊的設(shè)計(jì)

溜管流動(dòng)底面設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是要在保證流量的情況下減小活性焦流速，使活性焦能夠低速平穩(wěn)地流動(dòng)到下游的設(shè)備中，從而降低設(shè)備磨損，減少物料因落料沖擊而產(chǎn)生的破碎。對(duì)于連接設(shè)備用的溜管以及塔體底部的收縮段，其主要功能是輸送物料，此處的物料落差一般較大，在進(jìn)行溜管設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮物料下落過程中的碰撞、磨損以及物料對(duì)設(shè)備的沖擊磨損問題。除了選用更耐磨的材質(zhì)來提高溜管底面的耐磨性外，還應(yīng)通過在底面設(shè)置擋板、鋪設(shè)孔板等方式形成一層基本靜止的顆粒層，這一方面有利于防止設(shè)備壁面受到活性焦流動(dòng)層的沖刷而失效，一方面能夠通過“料磨料”來減小活性焦的流動(dòng)速度，進(jìn)而防止活性焦因落料沖擊而破碎。由于煙氣凈化裝置在運(yùn)行過程中，物料輸送系統(tǒng)內(nèi)部的溫度相較于室溫都比較高，活性焦在系統(tǒng)內(nèi)局部區(qū)域停留形成流動(dòng)死區(qū)后，容易發(fā)生緩慢氧化導(dǎo)致局部熱量聚集，提高其著火風(fēng)險(xiǎn)[8,15]。另外，由于吸濕能力較強(qiáng)，加之環(huán)境溫度較高，活性焦粉末還容易發(fā)生結(jié)塊，若塊狀物進(jìn)入下游設(shè)備，容易引發(fā)設(shè)備運(yùn)行故障，因此，在溜管設(shè)計(jì)時(shí)必須避免其在輸送過程中發(fā)生局部大量堆積的現(xiàn)象。

喬青山[16]、李俊峰[17]等提出通過設(shè)置緩沖箱(斗)來減少物料磨碎和對(duì)設(shè)備的沖擊的措施不能用于活性焦溜管的設(shè)計(jì)。溜管底部擋板的高度也不宜太高，否則不但降低了物料在管內(nèi)的流動(dòng)性，也容易導(dǎo)致?lián)醢宓撞慷逊e的粉末結(jié)塊。擋板之間的距離以能夠剛好在溜管底部形成一層薄的料層為宜。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的2種溜管條件來看，活性焦在溜管中的流量隨著溜管傾角的增加基本呈線性增加。雖然“料磨料”的流動(dòng)方式使活性焦流量隨流動(dòng)速度的降低而明顯降低，但可通過適當(dāng)調(diào)整溜管口徑來滿足工程應(yīng)用的流量要求。

對(duì)于布料用溜管或溜槽，物料落差一般較小，物料的順暢流動(dòng)有利于實(shí)現(xiàn)物料在塔內(nèi)不同位置的準(zhǔn)確落料，因此，溜槽或溜管的底面宜采用光滑的平面，但應(yīng)合理選擇底面傾角，傾角不宜大于50°，這既能降低物料的出口速度，也有利于活性焦顆粒之間以較小的相對(duì)速度流動(dòng)，減少顆粒的相互磨損。

3.2 溜管傾角的確定

對(duì)于一個(gè)特定的溜管，傾角的選擇必須既能保證物料在管內(nèi)加速穩(wěn)定地流動(dòng)，又能滿足速度和流量的要求，使物料受到的摩擦、沖擊損耗最小，物料對(duì)受料設(shè)備的沖擊最小，所以，實(shí)際上在滿足流動(dòng)的前提下，溜管的傾角越小越好。活性焦流動(dòng)的極限傾角θmin是由活性焦與溜管底面之間的摩擦特性所決定的，可由公式(4)確定[14]：

θmin=arc tanμE+5°，

(4)

式中μE的為等效摩擦系數(shù)，5 °表示實(shí)際應(yīng)用中將物料能流動(dòng)的極限角加上5 °，以保證物料能夠順利流動(dòng)。根據(jù)本文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在設(shè)置擋板后，溜管傾角在40°以下時(shí)，活性焦的流動(dòng)受料層阻力的影響比較大，此角度范圍內(nèi)顆粒間的相互磨損會(huì)比較嚴(yán)重。另外，由于活性焦流動(dòng)易受到濕度、顆粒分布等因素的影響，因此，在此傾角范圍內(nèi)還有可能發(fā)生流動(dòng)停滯的情況。結(jié)合公式(4)，底部帶擋板的活性焦溜管的最小使用傾角在45 °左右為宜。

3.3 其他流動(dòng)優(yōu)化措施

炭基催化法煙氣凈化裝置的補(bǔ)料倉(cāng)一般都比較高，可達(dá)15 m以上，解析塔旁路的溜管更高，物料落差更大，可以對(duì)溜管采用“Z”字形或者弧形布置來調(diào)整傾角[18-19]。對(duì)于垂直落差大而水平位移較小的流動(dòng)情況，還可以采用螺旋布置的溜管來降低活性焦的落料速度?；钚越乖诹锕苤械牧髁恐饕苤惫芏稳肟谔幙刂?，對(duì)于較長(zhǎng)距離的活性焦輸送，中間段溜管充滿度較低，因此，在考慮經(jīng)濟(jì)性和布置條件時(shí)，可以適當(dāng)降低溜管截面高度。

4 結(jié)論

通過活性焦在溜管內(nèi)的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，探究了活性焦的流動(dòng)特性，得出如下結(jié)論：

1)相同流量下，在溜管底部增加擋板，能夠?qū)⒘锕艹隹诘幕钚越沽魉俳档椭翢o擋板時(shí)的70%左右，且溜管傾角越小，速度降低越明顯。2)采用在溜管底部設(shè)置擋板的方式進(jìn)行活性焦輸送，可能導(dǎo)致活性焦磨損增加，因此在降低設(shè)備磨損的同時(shí)，還應(yīng)綜合考慮活性焦碰撞磨損產(chǎn)生的損耗。3)在保證流量的情況下，應(yīng)盡量減小溜管傾角，底部設(shè)置擋板的溜管的最小傾角在45 °左右。