周吉凱

（攀鋼集團(tuán)鋼鐵釩鈦股份公司有限發(fā)電廠,四川攀枝花 617012）

1 引言

氣力輸送是粉粒體輸送的比較理想的方式，應(yīng)用很廣泛。隨著使用要求的不斷提高，已經(jīng)有數(shù)十年應(yīng)用歷史的稀相懸浮氣力輸送方式呈現(xiàn)出因氣流速度高帶來的能耗大、管道磨損快、除塵較困難、噪聲大等問題。因此，人們試從低風(fēng)速高濃度中尋求解決上述問題的途徑。于是作為濃相輸送的一種，雙套管輸送技術(shù)就出現(xiàn)了。

2 雙套管系統(tǒng)介紹

雙套管屬于濃相輸送類。其集料及發(fā)送裝置與一般的稀相輸送系統(tǒng)一致，由罐體、罐體內(nèi)的氣化裝置以及進(jìn)出控制閥組成。與稀相輸送系統(tǒng)不同的是輸送管道采用特殊結(jié)構(gòu)，原理圖如圖1。

圖1 雙管道輸送原理圖

輸送原理：使輸送空氣持續(xù)紊流，這種紊流是采用第二條管道來實(shí)現(xiàn)，即在輸料管上部裝有一直徑較小的內(nèi)管，內(nèi)管內(nèi)每隔一定距離設(shè)有一特定的開口。當(dāng)輸料管道某處發(fā)生物料堵塞時，堵塞后方的輸送壓力增高而迫使氣流進(jìn)入內(nèi)管，進(jìn)入內(nèi)管的壓縮空氣從堵塞下游的開口以較高的速度流出，從而對該處堵塞的物料產(chǎn)生擾動和吹通作用，保證管道內(nèi)物料的正常輸送。

3 雙套管磨損的影響因素

這里將影響磨損的因素歸納說明，這些因素包括粉體的有關(guān)性質(zhì)與運(yùn)動狀態(tài)以及管道材料的性質(zhì)。

3.1 磨損的原因

(1)粒子大小

如圖2所示，粒度增大將增加磨損速率。據(jù)四川電力試驗(yàn)研究院對攀鋼發(fā)電廠粉煤灰的粒度測定，89%分布在10～90 μm之間，，考慮燃燒等因素，粒度平均按 60 μm 考慮，即磨損速率為 6mg.cm-2·h-1。這一磨損速率是顆粒垂直沖刷管道時候的情況，實(shí)際上這種情況只有在內(nèi)旁通管上存在，在外管上是不存在的，故外管的磨損要小很多。

圖2 粒度對磨損速率的影響

(2)粉體硬度

粉體硬度越高，對管道的磨損率也會越高。粉煤灰與鋼管的硬度比＜1.1,屬于軟磨粒磨損。

（3）粒子尖角

料粒形狀多尖棱，會增加磨損率。攀鋼發(fā)電廠的粉煤灰在鍋爐內(nèi)燒結(jié)后，屬于混圓球形。（2）、（3）項(xiàng)見圖3。

圖3 粉體尖角及硬度與磨損率的關(guān)系

（4）粉體含水率

由于粉體含有水分，促進(jìn)了鋼鐵材料的氧化，因而增加磨損程度，但含水量增加到一定程度，則因過多的水分減輕了機(jī)械摩擦，反而使磨損下降。這一因素在粉煤灰溫度＞100℃的情況下，可以不用考慮。

(5)粉體濃度

在粉體沖擊管道的情況下，濃度增加，會加劇磨損程度，但濃度過高的話，由于粒子相互干涉，反而減輕了對管道的沖擊磨損程度。由于灰氣比高達(dá)29，濃度很高，這一因素的影響也很小。

(6)粉體與管道之間壓力

粉體與管道之間壓力也決定了磨損量，一般來說，壓力越高，磨損越厲害。但在雙套管這一輸送方式中，粉體與管道之間壓力在正常情況下很低，根據(jù)輸送的壓力曲線來看，在0.2 MPa以下，故這一因素影響較小。

（7）沖擊角

粉體沖擊角對磨損的影響，與磨損機(jī)理和材料性質(zhì)有關(guān)，對延性材料，比如無縫鋼管，以10°～20°的沖擊角接觸時，磨損最大，而對脆性材料，象內(nèi)襯陶瓷管，則垂直沖擊磨損最大。在管道內(nèi)數(shù)以億計(jì)的粉體粒子中，可以認(rèn)為沖擊角從0°～90°是平均分布的，也既是說，最大磨損沖擊角發(fā)生的概率在10%～20%之間，也不屬于磨損的主要因素。

（8）灰氣速度

對粉煤灰來說，鋼管磨損量與速度的2.5次方成正比關(guān)系。根據(jù)對原來的倉泵稀相與現(xiàn)在的雙套管濃相輸灰磨損的定期檢查，倉泵輸灰管在入口流速高達(dá)10 m/s至15 m/s，灰管出口末速22.8 m/s至41.4 m/s的情況下，10 mm厚的鋼管制作的彎頭，20天即可磨穿。而雙套管輸送系統(tǒng)在初速度5.2 m/s，末速度 10.2 m/s，10 mm 厚的鋼管制作的彎頭，60天才有磨穿情況發(fā)生。

這可以說明，灰氣速度才是影響管道磨損的關(guān)鍵因素。

3.2 對直管段磨損的分析

從以上所列磨損的影響因素可知道，對長的直管段來說，其磨損主要體現(xiàn)在高速粒子不斷沖擊管子內(nèi)壁造成的刮削磨損，其次還有部分的壓剝磨損。

其磨損率主要與氣流速度有關(guān)。而氣流速度與截面積的變化相關(guān)。

在整個雙套管中，截面積變化有四處：

(1)DN150mm母管通過DN32mm的節(jié)流孔板；

(2)然后到各單元DN100mm總管；

(3)進(jìn)入DN200mm的雙套管；

(4)進(jìn)入DN250mm的雙套管；

在第一二截面積變化處，由于是純壓縮空氣，磨損極輕微，忽略不計(jì)。但需要依次計(jì)算速度。

(1)DN150mm母管通過DN25mm的節(jié)流孔板的空氣流量，由下式（公式1）計(jì)算：

式中：S 為孔板有效通流面積，S=μA=0.9×1/4ЛD2=1.81×10-4m2。

P0=6×105Pa；

T0=293 K

則：Qv*=12.85 m3/min=771 m3/h。

(2)到各單元DN100mm總管時的速度：由下式（公式2）計(jì)算：

式中：V：壓縮空氣在管道內(nèi)的流速（m/s）

Q*：壓縮空氣在管道內(nèi)的流量（m3/h）

D：壓縮空氣在管道管徑（mm）

計(jì)算得到：V=26 m/s

(3)進(jìn)入到DN200mm雙套管時的速度

計(jì)算得到：V=8 m/s，此即是輸送初速度。

（4）進(jìn)入到DN250mm雙套管時的速度

計(jì)算得到：V=6 m/s。

當(dāng)然，這只是理論值，由于氣灰混合物在管道內(nèi)膨脹、堵塞吹通后流量、壓力的變化，速度值會變大，但最大不會超過10 m/s。

倉泵輸送管道磨損分析

倉泵輸灰管的管徑變化有三處：

（1）DN150mm母管通過DN80mm的管道；

（2）然后進(jìn)入到倉泵；

（3）進(jìn)入DN125mm的灰管；

（4）進(jìn)入DN150mm的灰管。

DN150mm母管通過DN80mm管道的空氣流量

式中：S為管道通過氣化層有效通流面積，S=μA=0.35×1/4ЛD2=4.4×10-4m2。

P0=5×105Pa；

T0=293K

則：Qv*=25.87 m3/min=1552 m3/h。

到4m3的倉泵后，由于壓縮空氣迅速膨脹原因，可以認(rèn)為速度與出口管一致：

由公式2得到DN125mm管道內(nèi)速度：V=26 m/s，此即是輸送初速度。

進(jìn)入到DN150mm管道時的速度：

由公式2得到：V=20 m/s，考慮氣灰混合物膨脹等因素，末速會達(dá)到32 m/s左右。

因此，倉泵輸灰管內(nèi)的灰氣速度大約為雙套管內(nèi)輸送速度的3倍，即磨損率雙套管只有倉泵輸灰管的1/9。這也在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。

3.3 對彎頭磨損的分析

長期使用的情況統(tǒng)計(jì)表明，彎頭的首先磨穿為22°A 處，45°B 處，70～80 °C 處，直管D 處。如圖 4。

雙套管上使用的彎頭都是內(nèi)襯陶瓷彎頭，陶瓷厚度6 mm，陶瓷管在粉煤灰輸送中的磨損率一般按碳素鋼管的1/17計(jì)算，即同等厚度的情況下，鋼管如果使用一個月就磨穿，那么陶瓷管使用17個月才磨穿。當(dāng)然，這是在陶瓷管整體質(zhì)量良好的情況下得出的，實(shí)際上受鋼管與陶瓷管之間的應(yīng)力、陶瓷顆粒的燒結(jié)強(qiáng)度等等因素的影響，實(shí)際壽命是有波動的，但是使用12個月一般沒問題。

其次，要注意制作焊接彎頭時，形成彎頭的各直管段的接縫要避開A,B,C點(diǎn)，對D點(diǎn)用加長陶瓷管的辦法使壽命延長。

圖4 彎頭磨損分析示意圖

4 磨損對系統(tǒng)輸送的影響

磨損對輸送的影響體現(xiàn)在能否滿足生產(chǎn)的需要，即磨損后單位時間的送走的粉煤灰能否大于電除塵器收集的粉煤灰。

當(dāng)內(nèi)旁通管頭部堵板磨穿后，一方面灰氣混合物同時進(jìn)入外管和內(nèi)管，在進(jìn)口的第一個500 mm段會使內(nèi)管的通流面積下降，但在內(nèi)旁通管的第一塊擋板的分流作用下，從第二個500 mm段開始，通流面積基本恢復(fù)正常。也即在第一段500 mm輸灰管之后的管道堵塞后的疏通幾乎不受影響，疏通這段堵塞管的后部壓縮空氣通過內(nèi)管的時間延長可以忽略不計(jì)。同時還有一種情況，即內(nèi)旁通管磨穿后，整個管道與后面需要疏通的料柱形成更長的料柱，使堵塞段加長，于是輸送壓力需要提高。在各種傾斜角度的管道中，吹通長度為L堵塞段所需上下游斷面處壓力p1和p2的示意圖如圖5。

圖5 上下游斷面處壓力p1和p2的示意圖

關(guān)系式如下：

式中:ρb--堵塞料的堆密度；fw--顆粒與管壁的摩擦系數(shù)；p1--斷面前氣體壓力;p2--斷面后氣體壓力;K--側(cè)壓系數(shù)。

在雙套管中，發(fā)生堵塞的下游只有布袋除塵器的過濾阻力約1000 Pa，可以近似認(rèn)為p2=0。

那末上式改寫為：

對于水平管，θ=0°，則得到吹通壓力為：

對于鉛垂管，θ=0°，則得到吹通壓力為：

比較上述兩式，可知：pH=pvfw，一般fw=0.2，則pv=5pH，表明鉛垂管道堵塞的吹通壓力為水平段的5倍。水平管堵塞長度與吹通壓力曲線見圖6。

雙套管磨損后，其堵塞長度會增加，但由于壓縮空氣的壓力提升速度很快，故磨損增加對輸送能力影響很小。

其次，在外管磨穿后，管內(nèi)壓縮空氣泄漏后壓力降低，致使在堵塞料柱較長情況下，吹堵壓力上升慢，造成輸送時間延長。

5 結(jié)論

5.1 影響雙套管磨損速度的主要因素是氣灰混合物的流速。

5.2 雙套管輸送系統(tǒng)的磨損較之倉泵輸送系統(tǒng)大幅下降。

5.3 雙套管磨損后，其堵塞長度會增加，但由于壓縮空氣的壓力提升速度很快，故磨損增加對輸送能力影響很小。但在外管磨穿后，管內(nèi)壓縮空氣泄漏后壓力降低，致使在堵塞料柱較長情況下，吹堵壓力上升慢，造成輸送時間延長。

[1]楊倫,謝一華主編.氣力輸送工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]《氣動工程手冊》編委會.氣動工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[3]許福玲,陳堯明主編 .液壓與氣壓傳動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.