流化床錐形閥流量特性實驗研究

肖惠仁，姚禹歌，張 縵，呂俊復(fù)，張 揚，祁傳西，陶世健，胡昌華，王振山

(1.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084; 2.陜西彬長新民塬發(fā)電有限公司，陜西 西安 710018; 3.青島嘉能海諾電力設(shè)備有限公司,山東 青島 266300)

過去的20 a，我國經(jīng)濟水平高速增長，帶動了能源行業(yè)的快速崛起，人們生活質(zhì)量得到很大提升，與此同時環(huán)境污染問題也變得愈發(fā)不可忽視。在嚴峻的環(huán)境壓力下，我國推行了極其嚴格的污染物超低排放標準。煤燃燒發(fā)電由于其污染物排放量大，面臨著嚴峻考驗。相比于其他煤燃燒發(fā)電技術(shù)，循環(huán)流化床(CFB)作為一種可大規(guī)模商業(yè)化推廣的清潔燃燒技術(shù)，擁有著煤種適應(yīng)性強、污染物排放低、負荷調(diào)節(jié)簡單等特點，對于我國的能源清潔高效利用有著重要意義[1-5]。

灰控閥是CFB鍋爐的一個重要部件，主要應(yīng)用于爐膛排渣以及回料器到外置式換熱器的物料分配[6-9]，其運行可靠性及耐用性直接影響到鍋爐的運行情況以及電廠效益。CFB鍋爐的灰控閥有氣動閥和機械閥兩類，目前市面上使用較多的氣動閥有L閥、U閥、V閥、J閥等[10-14]。理論上，氣動閥能更好的控制和調(diào)節(jié)物料流量，但研究發(fā)現(xiàn)各股流化風的作用非線性甚至非單調(diào)，實際調(diào)節(jié)效果不甚理想[15-16]。錐形閥作為使用最廣的一種機械閥，具有實際運行效果好、物料流量控制穩(wěn)定、調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點，在大容量循環(huán)流化床鍋爐得到廣泛應(yīng)用[17-19]。錐形閥可以布置在外置式換熱床與回料器之間，調(diào)節(jié)從回料器進入外置式換熱床的熱灰流量，從而控制外置式換熱床的換熱量，同時也對爐膛內(nèi)部溫度起到調(diào)控作用;錐形閥也常被用于排渣系統(tǒng)，控制排渣流量。

錐形閥的調(diào)節(jié)性能對CFB鍋爐的設(shè)計和運行十分重要。目前，針對錐形閥的相關(guān)研究較少，其設(shè)計、運行多是經(jīng)驗性的，缺乏可靠的理論與研究數(shù)據(jù)。筆者設(shè)計并搭建了冷態(tài)實驗臺，測量不同錐形閥開度、流化風速、初始床料高度以及閥體標稱尺寸條件下的閥流量，分析以上幾個影響因素對錐形閥內(nèi)部流動的影響，探究錐形閥的流量特性，以期為錐形閥的設(shè)計與運行控制提供依據(jù)。

1 孔口流動系統(tǒng)

圖1為一種典型的錐形閥結(jié)構(gòu)示意圖，包括閥體、閥芯和電動驅(qū)動機構(gòu)。閥體為中空結(jié)構(gòu)，上部開有清掃孔通道，防止錐形閥堵塞結(jié)渣等問題出現(xiàn)。在實際工業(yè)應(yīng)用中，通過電動驅(qū)動結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)閥芯的位置，從而調(diào)節(jié)錐形閥內(nèi)部的通流面積，進而達到調(diào)節(jié)錐形閥物料流量的目的。實際實驗使用的錐形閥如圖1(c)所示，僅包括閥體和閥芯部分，而不包括清掃孔和電動驅(qū)動機構(gòu)等對錐形閥流動特性無影響的配件。

顆粒流過錐形閥，本質(zhì)上是顆粒通過孔口的流動。關(guān)于顆粒通過孔口系統(tǒng)的流動，已經(jīng)有很多相關(guān)研究。秦霽光等[20]只考慮重力作用，對顆粒自由下落流過小孔進行了分析，結(jié)合實驗結(jié)果，提出孔口流率Gp為

Gp=0.24g0.5(d0-dp)2.5ρp

(1)

式中，g為重力加速度，g=9.81 m/s2;d0為孔口流通直徑;dp為顆粒平均粒徑;ρp為顆粒密度。

郭天民等[21]分析了豎直下降管中的顆粒孔口流出情況，將顆粒料柱視為連續(xù)介質(zhì)，利用伯努利方程，得到孔口流率為

(2)

式中，Cd為常數(shù)，主要考慮物料由孔口流出時的收縮現(xiàn)象;ε為顆?？紫堵?H為豎直管的高度。

BEVERLOO等[22]與ZHANG[23]分析了孔口兩側(cè)無壓差、順重力情況下顆?？卓诹鲃忧闆r。BEVERLOO等[22]發(fā)現(xiàn)孔口表面自由應(yīng)力對顆粒通過孔口系統(tǒng)會有影響，并對顆粒通過孔口的流動邊界進行了修正，認為在顆粒流過孔口時，孔口最外側(cè)周邊區(qū)域無顆粒流過，且無顆粒流經(jīng)區(qū)域大小與顆粒直徑有關(guān)，因此增加了一個與顆粒形狀相關(guān)的修正系數(shù)K，認為有效流通直徑為d0-Kdp。ZHANG[23]在觀測孔口附近顆粒流動時，發(fā)現(xiàn)孔口附近氣泡的不穩(wěn)定性會對顆粒流率有影響，因此增加了一項與孔口附近顆粒間摩擦力有關(guān)的修正因子τ:

Gp=Cd(1-ε)(d0-Kdp)2.5ρpg0.5τ0.5

(3)

SPINK等[24]發(fā)現(xiàn)細顆粒與粗顆粒在重力作用下的流動規(guī)律明顯不同。對于粗顆粒，顆粒對流體助力影響不敏感，一般不出現(xiàn)下料困難問題，顆粒下料流率隨著顆粒尺寸的增大而緩慢減小;但對于細顆粒，隨著顆粒粒徑減小，下料流率先上升到最大之后再逐步降低。

CREWDSON等[25]認為細顆粒下料時，受到氣固流體動力學作用力，這種間隙流體作用力相當于在顆粒上加了一個容重，并以垂直壓力梯度dp/dr的形式來體現(xiàn)這一作用力，即

(4)

式中，θ為料倉錐角。

由于忽略了顆粒間黏性力，因此式(4)只適用于黏聚性較小的粉體顆粒。式(4)也可用于孔口兩側(cè)有壓差時的情況。

目前，使用最廣泛的孔口流率計算公式為LEUNG公式[26]，可適用于實際工業(yè)過程中大多數(shù)的顆?？卓谙到y(tǒng)流動情況，且計算誤差較小。LEUNG公式視氣固混合物為無黏性流體，由托里拆利定理及力平衡方程導(dǎo)出:

(5)

式中，Gp0為無壓差時的顆?？卓诹髀?Δp0為孔口兩側(cè)壓差。

DAVIDSON等[27]研究了錐形料倉的粉體下料情況，并提出了Hourglass理論，Hourglass理論適用于具有一定黏聚性的粉體:

(6)

式中，Kp為與顆粒性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。

前人關(guān)于顆粒孔口系統(tǒng)的研究基本都是針對顆粒垂直下落及等流通截面面積的情況，但實際情況中，包括錐形閥實際使用時，往往是屬于顆粒傾斜下落流過變截面通道，本文將通過對錐形閥顆粒流動進行研究，簡單探討顆粒傾斜下落通過變截面通道時的流動特性。

在前人提出的經(jīng)驗公式中，易見通流面積對閥流量影響作用較大。當實驗工況和顆粒性質(zhì)給定時，閥流量只與閥的通流面積有關(guān)，而對于錐形閥，閥的通流面積由閥芯位置(閥芯位移)來調(diào)節(jié)和決定。定義閥開度為閥芯相對于閥閉合時移動的位移x，通流面積定義為最小通流截面面積，對應(yīng)的流通長度為d。以閥體標稱尺寸為30 mm的錐形閥為例，計算得到錐形閥位移x同閥通流面積S之間的函數(shù)關(guān)系為

S=(83.54-3d)d

(7)

對S(x)函數(shù)進行線性擬合，得到對應(yīng)的擬合函數(shù)為

S=20.758x

(8)

在x∈(0,25 mm)時，平均誤差為4%，因此在本文考慮和計算的范圍內(nèi)，可以認為S與x之間近似呈線性關(guān)系。

2 實驗系統(tǒng)

實驗所用物料為玻璃微珠，其顆粒球形度為0.85。通過馬爾文粒度分析，得到床料顆粒的顆粒粒度分布如圖2所示，平均粒徑d32為171.2 μm，中位粒徑d50為150.87 μm。

圖2 床料顆粒粒徑分布情況Fig.2 Particle size distribution of bed material

通過實驗測量得到了床料顆粒的真實密度和堆積密度，分別為2.468 8 g/cm3和1.534 5 g/cm3，從而可知床料顆粒的密堆積體積分數(shù)為0.621 6，空隙率為0.378 4，屬于Geldart-B類粒子。

為確定返料器內(nèi)部物料的流態(tài)，需得到臨界流化風速，并將之與返料器內(nèi)部風速進行對比[28]。筆者采用關(guān)聯(lián)式計算與實驗法來得到臨界流化風速umf，計算所用關(guān)聯(lián)式[29]為

(9)

對于實驗所用的平均粒徑為171.2 μm的玻璃微珠，計算得到其臨界流化風速為0.074 m/s。實驗通過下行法得到其臨界流化風速為0.07～0.09 m/s。實際返料器內(nèi)部流化風速為0.2 m/s，大于臨界流化風速，返料器內(nèi)部物料處于流化狀態(tài)，從而可將返料器簡化為一個帶錐形閥出口的流化床進行實驗研究。

如圖3所示，實驗裝置由長方體流化床、帶布風板的風室、錐形閥、風機、給料器和料桶組成。流化床截面積為500 mm×100 mm，高度為1 000 mm。流化床頂部開口出風，流化床底部為風室，風室中布置了兩塊布風板，保證風能被均勻給入到流化床中，流化風的風量調(diào)節(jié)通過安裝在風機上的變頻器來實現(xiàn)。流化床前墻安裝有進料漏斗，通過給料器和進料漏斗來實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)給料。實驗中通過變頻器控制給料機的給料流量，使得給料流量與錐形閥出料流量大致相等，保持流化床內(nèi)部物料量平衡。流化床后墻安裝有錐形閥，錐形閥底部出料，出料口下方放置有料筒，通過測量流化穩(wěn)定后一定時間內(nèi)從錐形閥進入料桶的物料質(zhì)量，計算得到錐形閥的物料流量。流化床開有8排6列共48個測量孔，可通過U型測壓管及光纖來測量流化床內(nèi)部的壓力及顆粒體積分數(shù)。

圖3 錐形閥流量測量實驗臺示意Fig.3 Schematic of experimental bench with cone valve

在搭建的實驗裝置中，錐形閥開度x、流化風速u、初始床料高度h、閥體標稱尺寸D會對閥流量造成影響，通過測量不同工況(x,u,h,D)下錐形閥流量G、床內(nèi)壓力和顆粒體積分數(shù)分布，來對錐形閥的流量特性進行實驗性研究。實驗中所使用錐形閥標稱尺寸為20，25，30，35 mm，初始床料高度分別為0.34，0.40，0.50 m;流化風速調(diào)節(jié)范圍為0.15～0.60 m/s;給料機流量與閥出口流量保持基本相等，以維持實驗中流化床床存量的動態(tài)平衡及錐形閥入口壓力的大致穩(wěn)定。

在實驗前，對給料器進行了標定，獲得了給料器不同頻率下的給料速率，以便能根據(jù)錐形閥物料流出速率的大小調(diào)節(jié)給料器頻率，從而保持流化床內(nèi)部物料量平衡。從圖4所示的標定結(jié)果容易看出給料流量與給料器頻率呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。

圖4 給料器流量隨頻率變化曲線Fig.4 Relationship between the feeding rate and frequency

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 閥流量隨開度x變化關(guān)系

圖5為測量得到的錐形閥流量G隨開度x的變化情況及擬合曲線。在閥開度為x∈(4 mm,15 mm)時，流量隨開度增加呈現(xiàn)出了很好地線性關(guān)系，當x增大到x=xm后，繼續(xù)增大閥開度x，發(fā)現(xiàn)流量G基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時閥流量達到當前工況下的最大值Gm，定義流量最大值Gm為飽和流量，定義Gm對應(yīng)的最小開度xm為滿開度。

圖5 錐形閥流量隨開度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the flow rate and opening

結(jié)合文獻調(diào)研中顆?？卓谙到y(tǒng)的相關(guān)研究，對錐形閥內(nèi)部流動進行分析，發(fā)現(xiàn)閥流量由床內(nèi)物料流動情況和閥內(nèi)流通面積決定，而這2者又可表征為錐形閥進料能力和錐形閥排料能力，2者中的較小值決定了閥的排料能力，也就是閥流量。從式(7)可以看出開度影響錐形閥內(nèi)部通流面積，開度增大時，閥排料能力隨之增加，但錐形閥進料能力并不隨開度變化而變化。因此在增大開度的過程中，會存在滿開度，使得閥排料能力等于閥進料能力，繼續(xù)增大開度，閥通流面積和排料能力增大，但閥進料能力沒有增加，閥流量并不增加。

從對顆粒孔口系統(tǒng)的文獻調(diào)研中可以看到，閥流量與孔口流通面積大致呈線性關(guān)系，從本文給出的閥通流面積S與開度x關(guān)系式(7),(8)中，可以看到S與x之間近似呈線性關(guān)系，這與實驗得到流量與開度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系相吻合。

3.2 閥流量隨流化風速u變化關(guān)系

由圖6可知，隨著流化風速的增加，錐形閥流量大致呈增加的趨勢，但增長較慢。本實驗使用的物料為80目(80～400 μm)粒徑的玻璃微珠，其對應(yīng)的臨界流化風速umf為0.08 m/s，在u=0.2 m/s=2.5umf時，平均閥流量為279 g/s，而u=0.4 m/s=5umf時，平均閥流量為285 g/s，僅增長了約2%，因此認為當流化風速處于大于臨界流化風速的一定范圍內(nèi)，其對閥流量影響較小。此外測量了不同流化風速下的床壓，發(fā)現(xiàn)流化風速改變對床壓幾乎沒有影響。

圖6 閥流量隨流化風速變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the flow rate and fluidized air velocity

3.3 閥流量隨床層高度h變化關(guān)系

由圖7可知，隨著初始床料高度的增加，閥流量有一個小幅度的增加，對于閥體標稱尺寸D=20 mm，流化風速u=0.2 m/s下的工況，h=34 mm對應(yīng)的飽和流量Gm=305.36 g/s，h=40 cm對應(yīng)的Gm=331.3 g/s，h=50 cm對應(yīng)的Gm=354.94 g/s;不同初始床料高度h對應(yīng)的滿開度xm也不同，隨著h的增大，xm有小幅度增大，但增長幅度小于閥流量。初始床料高度對于閥流量的影響主要體現(xiàn)為對床壓的影響。初始床料高度增加，床壓變大，使得閥流量增大。

圖7 閥流量隨初始床料高度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between the flow rate and initial height of bed material

3.4 閥流量隨閥體標稱尺寸D變化關(guān)系

圖8給出了不同閥體標稱尺寸下，錐形閥流量與開度的關(guān)系，可以看出不同標稱尺寸下，閥流量隨開度變化規(guī)律一致。對圖8數(shù)據(jù)進行分析處理，可以得到不同閥體標稱尺寸工況對應(yīng)的飽和流量和飽和開度，如圖9所示，可以看到隨著標稱尺寸增加，閥流量與對應(yīng)的飽和流量、滿開度也隨之增大。閥體標稱尺寸D影響閥入口截面面積和閥內(nèi)流通區(qū)域，進而影響閥進料能力和閥出料能力，這也解釋了圖9中閥體標稱尺寸D增大時，閥流量增大，同時飽和流量也隨之增大。

圖8 不同閥體標稱尺寸下閥流量與開度關(guān)系Fig.8 Relationship between the flow rate and opening under different nominal size of valve

圖9 飽和流量與滿開度隨閥體標稱尺寸變化關(guān)系Fig.9 Relationship between saturation flow,full-opening and the nominal size of valve

根據(jù)孔口系統(tǒng)物料流量隨通流半徑或通流面積之間的關(guān)系，易知閥流量與標稱尺寸之間也應(yīng)呈與孔口系統(tǒng)類似的冪次關(guān)系，同時D=0時，應(yīng)有Gm=0。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到在本文實驗范圍內(nèi)，閥體標稱尺寸D與飽和流量Gm、滿開度xm之間的關(guān)系為

(9)

在顆粒孔口系統(tǒng)流動的文獻調(diào)研中，提到了流量G與尺寸D之間呈2.0～2.5次方關(guān)系，而從本文擬合得到的式(9)，可以看出Gm與D之間呈現(xiàn)2.133 2次方關(guān)系，與前人的相關(guān)研究結(jié)果吻合較好[19-25]。

4 結(jié) 論

(1)隨開度x的增加，閥流量先呈現(xiàn)出一小段弧形上升，之后線性上升到飽和流量點[xm,Gm]，繼續(xù)增大開度，錐形閥流量保持Gm不變。

(2)在流化風速u>2umf的一定風速范圍內(nèi)進行實驗，發(fā)現(xiàn)流化風速u對閥流量影響較小，流化風速從2.5umf增加到5.0umf，流量僅增加2%，同時發(fā)現(xiàn)在不同流化風速下，流化床內(nèi)部壓力分布幾乎不發(fā)生改變。

(3)改變初始床料高度h進行實驗，發(fā)現(xiàn)初始床料高度h對床壓有正向作用，隨著h的增大，飽和流量Gm及對應(yīng)的滿開度xm也有小幅度增加，同時Gm的增加幅度大于xm。

(4)不同閥體標稱尺寸下，錐形閥的流量變化規(guī)律相似，利用前人擬合的顆?？卓谙到y(tǒng)流量經(jīng)驗公式形式來對本文的實驗結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)飽和流量Gm與閥體標稱尺寸s之間大致呈2.1次方關(guān)系，與文獻調(diào)研中前人的相關(guān)研究結(jié)果大致吻合。