生物質(zhì)粉末化氣力輸送及燃燒實(shí)驗(yàn)研究

黃衛(wèi)疆

（廣西桂物能源工程設(shè)計(jì)有限公司，廣西南寧 530022）

0 引言

在我國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)良好，對(duì)應(yīng)的生物質(zhì)資源數(shù)量極為豐富，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)農(nóng)林廢棄物每年產(chǎn)生量超過(guò)7 億t，能夠充當(dāng)能源的數(shù)量有3.6 億t，能夠有效緩解我國(guó)能源短缺及環(huán)境污染壓力。從傳統(tǒng)生物質(zhì)利用角度來(lái)說(shuō)，存在污染嚴(yán)重、效率不足等問(wèn)題，在生物質(zhì)氣化技術(shù)幫助下，該類問(wèn)題能夠得到充分解決。對(duì)于生物質(zhì)粉末運(yùn)輸，常見(jiàn)運(yùn)輸形式有螺旋給料方式以及活塞式給料方式，但在運(yùn)輸時(shí)，容易出現(xiàn)粉末壓實(shí)堆積堵塞管道等情況，為此，需要提升生物質(zhì)粉末氣力輸送技術(shù)的重視度。

1 固體粉末氣力輸送

氣力輸送過(guò)程中，主要是以氣流充當(dāng)載體，通過(guò)管道完成粉末、粒裝等固體物料運(yùn)輸操作。由于輸送管兩端存在壓力差，能夠?yàn)楣艿纼?nèi)部空氣流動(dòng)提供充分條件，使得物料顆粒獲得充足的移動(dòng)能量。氣力輸送系統(tǒng)建設(shè)上，主要涉及的結(jié)構(gòu)內(nèi)容有氣源、供料裝置、輸送管道等等。相關(guān)人員通過(guò)對(duì)上述部件的正確選擇，能夠讓主體結(jié)構(gòu)更具靈活性特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，很多企業(yè)均引入了氣力輸送技術(shù)，完成對(duì)不同顆粒物料的運(yùn)輸，為其他工序開(kāi)展創(chuàng)造有利條件。

1.1 氣固兩相流的基本性質(zhì)

兩相流也被人們稱之為多相流動(dòng)，各相之中具有較大的濃度變化范圍。相比于單相流，兩相流特點(diǎn)如下：①兩相之中的顆粒狀態(tài)以分散為主，粒徑大小存在明顯差異，而且呈現(xiàn)出不同的運(yùn)行規(guī)律；②由于固體顆粒與氣體介質(zhì)具有不同的運(yùn)動(dòng)慣性，顆粒相與氣相之間的運(yùn)動(dòng)速度存在較大差異，該運(yùn)動(dòng)速度也被稱之為相對(duì)速度；③固體顆粒在傳輸方面，顆粒與管壁之間會(huì)出現(xiàn)碰撞與摩擦情況，導(dǎo)致兩相運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯變化，增加靜電效應(yīng)出現(xiàn)的可能性；④當(dāng)出現(xiàn)紊流問(wèn)題時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)以及氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)出現(xiàn)相互干擾的情況；⑤流場(chǎng)內(nèi)部存在明顯的壓力和速度梯度，再加上顆粒形狀不規(guī)則，容易導(dǎo)致其出現(xiàn)顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間的碰撞，內(nèi)部作用力提升明顯[1]。

1.2 氣力輸送系統(tǒng)的分類

通過(guò)管道來(lái)輸送物料，由于其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，當(dāng)氣流速度、物料數(shù)量等出現(xiàn)變化后，內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)同樣會(huì)隨之改變。一般來(lái)說(shuō)，物料在輸送管道中流動(dòng)狀態(tài)分類，可根據(jù)輸送管道內(nèi)部氣流速度大小，以及物料數(shù)量情況進(jìn)行，常見(jiàn)類型包括兩種：①懸浮流，在氣流動(dòng)壓作用下，物料顆粒能夠處于流動(dòng)狀態(tài)；②栓流，在氣流動(dòng)壓以及靜壓作用下，物料顆粒同樣能夠被推動(dòng)。另外，針對(duì)氣力輸送系統(tǒng)分類，可按照輸送管道中形成氣流情況進(jìn)行，常見(jiàn)類型有吸送式和壓送式。如果是按照輸送壓力進(jìn)行劃分，主要包括高壓式和低壓式。

1.3 常見(jiàn)的氣力輸送系統(tǒng)

常見(jiàn)的氣力輸送系統(tǒng)形成包括以下幾方面：①正壓式氣力輸送系統(tǒng)。該類系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，相關(guān)人員需要在起點(diǎn)位置安裝風(fēng)機(jī)或者是空氣壓縮機(jī)，保證更多高氣壓空氣進(jìn)入供料裝置內(nèi)部，最終到達(dá)貯罐，將過(guò)濾好的空氣排放至大氣層之中。相比之下，正壓式氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部輸送壓差巨大，能夠在遠(yuǎn)距離、大容量運(yùn)輸中發(fā)揮出作用，對(duì)空氣質(zhì)量要求較高，應(yīng)避免水、油等雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。②負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)。負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，主要是從幾個(gè)物料源中執(zhí)行取料任務(wù)，之后將其轉(zhuǎn)移到具體收集點(diǎn)上。為了維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，羅茨風(fēng)機(jī)或真空泵應(yīng)用顯得尤為重要，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部空氣的有效抽吸，讓輸送管內(nèi)部負(fù)壓氣流低于大氣壓。

總的來(lái)說(shuō)，負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)料方式，要比正壓式氣力輸送系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，但在卸料器以及除塵器設(shè)定上，負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)需要具有較高的嚴(yán)密性，排料時(shí)，也要具備良好的氣密條件，從這里也能夠看出，兩種設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)容十分復(fù)雜。另外，負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)很難完成遠(yuǎn)距離輸送任務(wù)，這主要是由于輸送距離越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的真空度要求越高，氣固混合物也會(huì)越稀。為了維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)對(duì)其壓力降限度進(jìn)行設(shè)定，一般為44kPa[2]。

2 生物質(zhì)粉末燃料的氣力輸送實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

相比于煤粉，生物質(zhì)粉末所呈現(xiàn)出的物理性質(zhì)不同，自身密度較小，松軟程度較高，而且具備易吸濕特點(diǎn)。氣力輸送時(shí)，如果應(yīng)用沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥的空氣，很容易出現(xiàn)貼附問(wèn)題，最終導(dǎo)致管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。生物質(zhì)粉末本身具備獨(dú)特性質(zhì)，為了更好地解決相關(guān)問(wèn)題，本文通過(guò)氣力輸送裝置實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行論證，避免后續(xù)燃燒工況出現(xiàn)問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上，主要內(nèi)容有輸送罐、流量計(jì)、空壓機(jī)、收集布袋等等。為了更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求，相關(guān)人員還會(huì)對(duì)輸送罐進(jìn)行改裝，將壓力表和流量計(jì)安裝其中。對(duì)于壓力表安裝位置，主要集中在罐頂充壓管路以及引射管路內(nèi)部。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，當(dāng)空壓機(jī)沖壓操作結(jié)束后，總路氣閥將被打開(kāi)，并確保罐頂閥門處于全開(kāi)狀態(tài)，只有這樣，才能確保上部正壓數(shù)量滿足相關(guān)應(yīng)用條件。首先，工作人員只需開(kāi)引射管路，對(duì)其流量大小進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，了解輸送罐出口粉體流動(dòng)情況，對(duì)氣體流量進(jìn)行記錄。其次，設(shè)定新的旁通補(bǔ)氣管路。當(dāng)引射風(fēng)量保持不變時(shí)，改變旁路流量，了解此時(shí)的出口粉體流態(tài)，并對(duì)理想狀態(tài)下的管路氣體流量進(jìn)行記錄。再次，將引射風(fēng)量改變，此時(shí)，繼續(xù)上述旁路流量調(diào)節(jié)操作，之后再觀察出口粉體流態(tài)，記錄輸送效果相對(duì)理想時(shí)的各管理氣體流量。最后，對(duì)引射管的伸入長(zhǎng)度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，保證旁通補(bǔ)氣管路閥門開(kāi)度處于最佳狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)輸送罐出口粉體流動(dòng)情況進(jìn)行全面記錄和了解，明確此時(shí)的管路氣體流量狀態(tài)[3]。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣體體積流量計(jì)算過(guò)程中，具體計(jì)算公式如下：

初始階段，旁通管路往往處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)沖壓管路打開(kāi)后，空壓機(jī)總氣體壓力數(shù)值為0.7MPa。當(dāng)引射管伸入長(zhǎng)度L 為25mm 時(shí)，工作人員可以將引射管路閥門打開(kāi)，保證其開(kāi)度逐步增加，結(jié)果顯示，當(dāng)引射管路氣體流量超過(guò)24Nm3/h 時(shí)，粉體輸送工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。此時(shí)，如果繼續(xù)將引射管路閥門開(kāi)度提升，內(nèi)部氣體流量達(dá)到28Nm3/h 左右時(shí)，粉體能夠處于稀相輸送狀態(tài)。當(dāng)氣體流量達(dá)到30～32Nm3/h 后，粉體能夠處于連續(xù)濃相輸送，此時(shí)，旁通補(bǔ)氣管無(wú)須開(kāi)啟。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的輸送，內(nèi)部壓力及流速會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，此時(shí)，同樣需要加開(kāi)旁通補(bǔ)氣管，保證旁通氣體流量維持在14Nm3/h 左右，對(duì)應(yīng)的引射管氣體流量為23Nm3/h，此時(shí)，粉體依舊能夠維持濃相輸送。具體空氣流量計(jì)流速如表1 所示。

表1 空氣流量及流速

如果引射管深入長(zhǎng)度數(shù)值為50mm，實(shí)驗(yàn)主體操作流程同上，從試驗(yàn)結(jié)果中能夠看出，當(dāng)引射管路氣體流量在21Nm3/h 以上時(shí)，粉體能夠處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)。如果音色環(huán)路氣體流量在26Nm3/h 左右，粉體能夠處于連續(xù)稀相輸送，當(dāng)引射管路氣體流量增加至26～30Nm3/h范圍時(shí)，粉體能夠處于連續(xù)濃相輸送，后續(xù)，當(dāng)壓力和流速降低之后，同樣可以通過(guò)旁通補(bǔ)氣管加開(kāi)操作，保證輸送工作的穩(wěn)步開(kāi)展。補(bǔ)氣時(shí)濃相輸送狀態(tài)如圖1所示。

圖1 補(bǔ)氣時(shí)濃相輸送狀態(tài)

從上述試驗(yàn)結(jié)果中能夠看出，引射管路伸入長(zhǎng)度越長(zhǎng)，粉體能夠連續(xù)均勻地保持稀相輸送狀態(tài)，且所需要的引射空氣數(shù)量越少。如果引射管路伸入長(zhǎng)度有限，錐體落下的粉體會(huì)直接被引射管外部負(fù)壓空氣卷吸噴出，粉體在懸浮狀態(tài)下的輸出，往往會(huì)消耗大量氣體動(dòng)力。如果引射管深入輸送管數(shù)量較多，所產(chǎn)生的負(fù)壓數(shù)量，能夠讓附近粉體得到抽吸，此時(shí)，粉體連續(xù)稀相輸送操作，并不需要加入其他形式的空氣動(dòng)力[4]。

3 生物質(zhì)粉末燃料燃燒實(shí)驗(yàn)

3.1 燃燒設(shè)備的基本要求

在燃燒器應(yīng)用方面，主要應(yīng)用目的是將燃料和空氣送入燃燒室內(nèi)部，并對(duì)氣流進(jìn)行組織，保證燃料和空氣能夠在燃燒室中有序混合，實(shí)現(xiàn)著火和燃燒過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)，燃燒器產(chǎn)生的風(fēng)粉混合效果，與燃燒器形式存在直接關(guān)系。在燃燒設(shè)備應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該以穩(wěn)定和安全為基礎(chǔ)，避免燃燒過(guò)程出現(xiàn)更多污染物，降低實(shí)驗(yàn)成本。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

為了維護(hù)實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行，相關(guān)人員需要在燃燒器風(fēng)道內(nèi)安裝上流量計(jì)，對(duì)一次和二次風(fēng)量進(jìn)行計(jì)量，還要在燃燒室內(nèi)部安裝測(cè)溫?zé)犭娕?。首先，在粉體元素分析方面，能夠?qū)ν耆紵隣顟B(tài)下的理論空氣需求量進(jìn)行估算，明確生物質(zhì)粉末元素組成情況。其次，輸送罐之中的供給內(nèi)容為一次風(fēng)粉，以及燃燒器中的一次、二次風(fēng)需得到初步測(cè)量，明確具體的風(fēng)速和流量數(shù)值。再次，對(duì)燃燒過(guò)程中的平均溫度進(jìn)行計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，熱電偶計(jì)算往往均會(huì)應(yīng)用到數(shù)字溫度表，以接觸式測(cè)量形式為主。實(shí)際燃燒溫度范圍應(yīng)集中在900～1500℃。最后，當(dāng)燃燒溫度得到明確后，工作人員可針對(duì)一次和二次風(fēng)的風(fēng)速范圍進(jìn)行確定，之后了解煙氣之中的具體組成成分，選擇合適的配比范圍。如果一次風(fēng)處于固定不變的狀態(tài)，相關(guān)人員需要針對(duì)二次風(fēng)流量進(jìn)行合理調(diào)整，此時(shí)，還要觀察具體的火焰色度以及燃燒情況，針對(duì)不同二次風(fēng)流量，保證燃燒溫度的多次測(cè)量。如果二次風(fēng)固定不變，工作人員可依靠引射器料調(diào)整一次風(fēng)流量[5]。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)方面，操作人員可通過(guò)煤氣點(diǎn)火槍，將生物質(zhì)粉末直接點(diǎn)燃，了解其具體的燃燒情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中能夠了解到，煤氣點(diǎn)火槍能夠?qū)⑸镔|(zhì)粉末迅速點(diǎn)燃，之前熱重實(shí)驗(yàn)中所得到的生物質(zhì)粉末著火溫度為220℃左右，相比于煤粉，生物質(zhì)粉末點(diǎn)燃難度更低，并不需要在其中加入汽油等物質(zhì)，燃燒過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)較多碳煙。另外，在氣力輸送裝置中的燃燒實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方面，操作人員應(yīng)提前明確一次和二次風(fēng)速確定原則。對(duì)于氣流離開(kāi)燃燒器出口的一次風(fēng)速，會(huì)對(duì)著火過(guò)程產(chǎn)生極大影響，如果一次風(fēng)速較高，著火距離會(huì)大幅提升，影響整體燃燒穩(wěn)定性。如果一次風(fēng)速較低，著火時(shí)間也會(huì)提前，增加燃燒器噴口燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在煤粉燃燒上，其燃用煤種與一次風(fēng)速之間存在緊密聯(lián)系，如果煤的揮發(fā)分較高，對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，能夠進(jìn)一步提升一次風(fēng)速。從燃燒火焰的狀態(tài)角度來(lái)說(shuō)，如果燃燒器二次旋流風(fēng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)際二次直流風(fēng)流量數(shù)值保持在28Nm3/h 時(shí)，所呈現(xiàn)出的煤氣火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)，火焰集中度較高。如果將燃燒器二次直流風(fēng)閥門關(guān)閉，二次旋流風(fēng)的流量同樣保持在28Nm3/h，所呈現(xiàn)出的煤氣火焰長(zhǎng)度較短，火焰外擴(kuò)情況十分明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)直接燃燒工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠保證對(duì)可再生能源的充分利用，最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的燃燒效率得到更好展示。對(duì)于輸送系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)，其緊湊性特點(diǎn)明顯，設(shè)計(jì)原理并不復(fù)雜，通過(guò)與生物質(zhì)粉末燃燒裝置的配合，最終得到的燃燒溫度能夠達(dá)到1200℃以上，保證生物質(zhì)燃料的應(yīng)用能級(jí)，緩解不可再生能源的消耗壓力。