喻九陽(yáng)，馬俊，鄭小濤，楊軍

1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．中國(guó)石油華東化工銷售公司，上海 200120

機(jī)械振打除灰中煤灰顆粒脫落的實(shí)驗(yàn)研究

喻九陽(yáng)1，馬俊1，鄭小濤1，楊軍2

1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．中國(guó)石油華東化工銷售公司，上海 200120

為了探究煤灰顆粒從金屬板上脫落的影響因數(shù)，自建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，記錄了煤灰顆粒振打脫落過程以及每次振打中煤灰脫落質(zhì)量，探究了機(jī)械振打除灰中振打敲擊力大小對(duì)振打除灰的影響，以及不同煤灰厚度對(duì)最小有效振打力的影響.結(jié)果顯示，在振打沖擊金屬板時(shí)，煤灰顆粒脫落存在“分層現(xiàn)象”和“分階段現(xiàn)象”，而且隨著振打力的增加各階段之間的分界越模糊；煤灰顆粒脫落的質(zhì)量向前幾次振打沖擊集中；煤灰的厚度越大，最小有效振打力越小，當(dāng)煤灰厚度為1 mm、2 mm、3 mm和4 mm時(shí)，最小有效振打力分別為65．3 N、36．9 N、25．9 N和17．0 N.

煤灰；脫落；機(jī)械振打；除灰

0 前言

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，高效利用煤炭資源的潔凈煤技術(shù)在我國(guó)受到特別重視，因此煤氣化技術(shù)在我國(guó)得到大力推廣，特別是在煤制油、煤制天然氣作為能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備項(xiàng)目上［1－2］，但是也存在很多問題和挑戰(zhàn)，其中煤氣化爐上的積灰阻礙熱傳遞、導(dǎo)致能量損耗，對(duì)設(shè)備以及后續(xù)工藝產(chǎn)生很大危害［3－5］，氣化爐積灰問題是煤化工研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題.

蘭澤全等［6－8］對(duì)幾種典型煤種進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明鐵元素的含量對(duì)煤灰顆粒的沉積有較大影響，F(xiàn)e含量高，則煤灰熔融溫度降低，煤灰粘性增加，從而加劇煤灰沉積的過程；煤灰顆粒在壁面上的粘附和生長(zhǎng)與煤灰顆粒與壁面能否形成強(qiáng)粘結(jié)力以及力的大小有緊密關(guān)系.Nielsen等［9］在多燃料燃燒器（MFC）上針對(duì)生物質(zhì)燃燒的積灰問題做了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn)積灰有分成現(xiàn)象：里層質(zhì)地均勻，光滑平整，覆蓋整個(gè)管壁面，積灰厚度較??；外層積灰厚度較大，集中區(qū)域?yàn)楣鼙谟L(fēng)面，由飛灰顆粒黏附構(gòu)成.孫奇［10］對(duì)單分散聚苯乙烯顆粒，在不銹鋼平面上的沉積過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度相同時(shí)，流場(chǎng)速度的提高會(huì)降低顆粒的粘附效率；但相同流場(chǎng)速度條件，環(huán)境溫度的提高會(huì)提高顆粒的粘附效率.另外，還通過對(duì)比顆粒的入射速度和顆粒的臨界粘附速度初步建立了顆粒粘附效率的預(yù)測(cè)模型.盛新等［11］的研究表明堿金屬的含量以及顆粒的比表面積等對(duì)顆粒的沉積速率，粘附程度有較大影響.

上述研究主要集中在煤灰顆粒的形成、沉積、以及煤灰顆粒的堿金屬含量、煤灰顆粒特性、流場(chǎng)等對(duì)煤灰顆粒沉積速率的影響的研究，而很少研究壁面煤灰顆粒在外加載荷的作用下的脫落過程以及相關(guān)影響因素.本文以煤氣化爐冷卻段水冷壁機(jī)械振打除灰為研究背景，自建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀察了煤灰顆粒振打脫落過程，并探究了機(jī)械振打除灰中振打敲擊力大小對(duì)振打除灰的影響，以及不同煤灰厚度對(duì)最小有效振打力的影響，為以后高溫高壓，有流場(chǎng)的實(shí)際工況下的機(jī)械振打除灰研究提供了一定的研究思路和方法.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

圖1為機(jī)械振打除灰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別為撞擊單元、灰層模型單元、測(cè)量單元.撞擊單元為一個(gè)單擺系統(tǒng)，為撞擊提供沖擊力；灰層模型單元為實(shí)驗(yàn)對(duì)象；測(cè)量單元，由高速攝像機(jī)、電子稱和計(jì)算機(jī)組成，可以監(jiān)測(cè)撞擊過程中灰渣的破碎脫落過程以及灰渣脫落的質(zhì)量.

進(jìn)行振打除灰實(shí)驗(yàn)之前，要確定一組單擺沖擊力的大小，其中擺長(zhǎng)為1．5 m，用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)單擺擺球沖擊金屬板的過程，可以測(cè)得擺球與金屬板接觸的時(shí)間為0．008～0．009 s；還可以測(cè)得擺球沖擊金屬板前后的速度；這些數(shù)據(jù)用于確定單擺沖擊平板時(shí)沖擊力的大小.最后確定的單擺沖擊力大小如表1所示.

圖1 振打除灰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of mechanical rapping ash－removal experimental platform

表1 單擺沖擊力大小FtTable 1 Amplitude of rapping force Ft（N）

測(cè)量單元中高速攝像機(jī)采用HotShot 512sc高速攝像機(jī)，512*512分辨率下，拍攝速度可以達(dá)到4 000幀/s，在損失分辨率條件下的最高拍攝速度為20萬幀/s；實(shí)驗(yàn)中分辨率設(shè)置為1024*512，拍攝速度設(shè)置為500幀/s；另外，自帶的分析軟件功能包括測(cè)試物體速度、加速度、矢量位移、沖量等參數(shù)，室內(nèi)光照條件下不需要捕光也能滿足拍攝要求.

電子稱由壓力傳感器和壓力變送器組成，灰渣脫落之后掉落在壓力傳感器上，壓力信號(hào)經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，輸出到計(jì)算機(jī).

灰層模型單元由灰渣和鋼板組成為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，鋼板材料為Q235，尺寸為450×450 mm，煤灰層模型的制作過程為：首先將金屬平板表面清洗干凈，指定好需要制作煤灰層的區(qū)域（本實(shí)驗(yàn)確定的區(qū)域?yàn)榻饘倨桨逯行闹睆綖?00 mm的圓，此范圍的確定是經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)確定的），在該區(qū)域均勻地涂上一層聚乙烯醇膠水（本實(shí)驗(yàn)用聚乙烯醇膠水將煤灰粘連在金屬板上，來模擬實(shí)際工況中煤灰粘連在膜式水冷壁上的狀態(tài)），然后將一定煤灰樣品吹到有膠水的區(qū)域，直到指定區(qū)域的煤灰層的厚度穩(wěn)定不再增加.過一段時(shí)間，聚乙烯醇膠水完全固化后，煤灰層模型制作完成，與現(xiàn)場(chǎng)的煤灰層狀態(tài)相近.

1.2 煤灰樣品

煤灰成分復(fù)雜，主要由硅、鋁、鐵、鈦、鈣、鎂、硫、鉀、鈉等元素的氧化物與鹽類組成.堿金屬含量的不同對(duì)于煤灰顆粒在水冷壁上的沉積要較大影響，進(jìn)而影響煤灰顆粒的脫落.實(shí)驗(yàn)中所用的煤灰顆粒來自于開祥化工氣化爐一期，在氣化爐合成氣冷卻器水冷壁上取樣.

采用光譜儀對(duì)煤灰顆粒進(jìn)行元素分析，分析結(jié)果如表2所示.其中，SiO2所占的比重最大，其次是Al2O3、Fe2O3、CaO等.

表2 煤灰成分分析Table 2 Composition analysis of coal ash （%）

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)過程中用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)了不同厚度煤灰層在不同大小沖擊力的沖擊作用下，煤灰層中煤灰的破碎脫離過程；并且測(cè)量了每一次沖擊脫落下來的煤灰顆粒的質(zhì)量mi.另外，實(shí)驗(yàn)前確定擺球沖擊力的大小，需要測(cè)量擺球與鋼板接觸前后時(shí)刻的沖擊速度，以及擺球與鋼板接觸的時(shí)間.

沖擊速度的確定方法為：擺球接觸鋼板之前極短時(shí)間Δt，高速攝像機(jī)捕捉兩幅圖上擺球中心位置的位移ΔS，由ΔS/Δt經(jīng)過角度換算可以確定擺球測(cè)量速度vp，再經(jīng)過比例換算就可以得到擺球的實(shí)際速度v，如圖2所示，可以確定如下關(guān)系：

圖2 擺球沖擊與攝像路徑簡(jiǎn)圖Fig.2 Route diagram of pendulum ball impacting and video recording

其中，k為比例系數(shù).

確定擺球與鋼板接觸的時(shí)間，需要記錄擺球與鋼板接觸時(shí)的時(shí)刻T1以及擺球與鋼板分開時(shí)的時(shí)刻T2，T2－T1即為擺球與鋼板接觸的時(shí)間.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)過程中用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)了不同厚度煤灰層在大小不同的沖擊力沖擊作用下，煤灰層中煤灰的破碎脫離過程.煤灰厚度分別為，1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，單擺沖擊力大小范圍為2～67 N.圖3所示為不同厚度煤灰層在不同大小沖擊力的沖擊作用下，每次煤灰脫落質(zhì)量的曲線圖.

圖3 煤灰層厚度為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm在不同沖擊力下煤灰顆粒脫落質(zhì)量曲線Fig.3 Falling mass curves of the coal ash particles under different impact forces at the thickness of 1，2，3 and 4 mm．

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

從高速攝像機(jī)上記錄的過程可以很清楚的看出煤灰顆粒脫落呈現(xiàn)一定的規(guī)律性.

如圖4所示為厚度4 mm煤灰層在振打力大小23．8 N的沖擊下煤灰顆粒脫落之后的幾個(gè)典型狀態(tài)，前面幾次振打中，煤灰顆粒脫落的范圍較大，顆粒粒徑較小，都是灰層表面的浮灰；接著煤灰顆粒的粒徑增大，并且有些呈塊狀的顆粒脫落下來，塊狀顆粒脫落的位置首先出現(xiàn)在單擺振打的敲擊點(diǎn)附近，塊狀顆粒脫落之后煤灰層上對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)一個(gè)凹坑缺陷；后面的振打敲擊中煤灰顆粒的脫落基本是沿著前面出現(xiàn)的凹坑缺陷的邊緣向四周擴(kuò)展.

另外，從圖4中可以看出，煤灰顆粒脫落有一種“分層現(xiàn)象”，前幾次脫落的是表面浮灰層；接著脫落顆粒所在灰層厚度較大，脫落顆粒的粒徑較大，稱作“主體層”；緊貼在金屬壁面上的一層煤灰顆粒較難脫落，厚度很小稱作“貼壁層”.三個(gè)灰層的顆粒不是同時(shí)脫落，存在“分階段現(xiàn)象”，最先開始脫落的是浮灰層，接著是“主體層”，最后是“貼壁層”；并且隨著振打力的增加各階段之間的分界越模糊.

圖4 煤灰顆粒脫落后的幾個(gè)典型狀態(tài)Fig.4 Typical states after coal ash particles falling

從圖3中煤灰層厚度為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm在不同沖擊力下煤灰顆粒脫落質(zhì)量曲線顆?？闯觯寒?dāng)煤灰層厚度相同時(shí)，煤灰顆粒脫落的質(zhì)量隨敲擊次數(shù)增加先增大再減??；當(dāng)振打力增加時(shí)振打沖擊的前半部分煤灰顆粒脫落的質(zhì)量增大，振打沖擊的后半部分煤灰顆粒脫落的質(zhì)量減少，即隨著振打力增加，煤灰顆粒脫落的質(zhì)量向前幾次振打沖擊的位置集中.

3.2 結(jié)果討論

從力學(xué)角度考慮，振打除灰實(shí)驗(yàn)忽略實(shí)際工況中流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，在這種冷態(tài)無流場(chǎng)且干燥的狀態(tài)中煤灰顆粒與金屬壁面之間作用力主要是煤灰顆粒與壁面的范德華力以及煤灰顆粒之間的Vander waals作用（范德華力），貼壁層煤灰顆粒受力主要是粘結(jié)劑的粘結(jié)力.

煤氣化煤灰顆粒的微觀結(jié)構(gòu)一般為球形顆粒，且顆粒粒徑相對(duì)于平板尺寸很小，因此，煤灰顆粒與壁面之間的范德華力Fv就可以看做是固體球性顆粒與無限大平面之間的范德華力，其計(jì)算公式如下：

式（4）中，h為利夫茨范德華（Liftshitz-Vander Waals）常數(shù)，r為煤灰顆粒半徑，Z為煤灰顆粒與壁面的垂直距離.顆粒距離平板越近所受力越大.

兩顆粒之間的范德華力計(jì)算式為：

煤灰顆粒沖擊并粘附到金屬板上，煤灰顆粒往往產(chǎn)生了塑性變形，由于這樣的變形煤灰顆粒與金屬板之間又會(huì)產(chǎn)生附加的范德華力，總的力計(jì)算式如下：

式（6）中，δ為煤灰顆粒粘附在金屬表面上接觸面的半徑.變形越大，δ越大，受力也越大.

表面浮灰顆粒與金屬板之間距離相對(duì)較大，主要受顆粒之間的范德華力，并且接觸顆粒較少；主體層顆粒受到與壁面之間的范德華力以及與其他顆粒之間的范德華力；貼壁層顆粒主要受粘結(jié)劑的粘結(jié)力，此力相對(duì)較大.由上面的分析可知，顆粒與壁面之間的作用力大于顆粒與顆粒之間的作用力，則表面浮灰所受力最小，煤灰顆粒所受力從表層向壁面遞增，而要將煤灰顆粒從金屬板上震落，需要克服這些力，因此在振打敲擊中表層浮灰最易脫落，其次是主體層，最后是貼壁層，即煤灰顆粒脫落存在分成現(xiàn)象.但是，僅從力學(xué)角度分析，不能很好地解釋煤灰顆粒脫落的分階段現(xiàn)象.

從能量消耗的角度考慮，煤灰顆粒脫落消耗一定的能量.煤灰顆粒脫落時(shí)由于顆粒之間的粘彈性會(huì)產(chǎn)生能量的消耗；表層浮灰顆粒之間接觸較少，脫離所需的能量較少，向金屬壁面靠近所需的能量越多；另外，煤灰層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展需要吸收一定量的表面能（Griffith理論即裂紋擴(kuò)展的能量平衡理論）；主體層顆粒脫落時(shí)在沖擊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)凹坑缺陷，缺陷靠灰層里層的邊緣即為一條環(huán)形裂紋，隨著裂紋向四周的擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度不斷加長(zhǎng)，脫落的煤灰顆粒也就增多，對(duì)應(yīng)圖3曲線的上升段，主體層顆粒的脫落裂紋的擴(kuò)展占主導(dǎo)作用；貼壁層煤灰顆粒受力主要是粘結(jié)劑的粘結(jié)力，裂紋擴(kuò)展所需的表面能較大，且由粘彈性所產(chǎn)生的能量消耗很大，因此貼壁層顆粒很難脫落，這樣各層顆粒的脫落不是同時(shí)進(jìn)行，呈現(xiàn)不同階段.當(dāng)振打沖擊力加大時(shí)，表層浮灰很快脫落，主體層凹坑缺陷也很快出現(xiàn)，并且裂紋擴(kuò)展速度加快，則各階段分界變模糊.

3.3 不同厚度煤灰層對(duì)應(yīng)的最小有效振打力

最小有效沖擊力Ftm定義為剛好能使板上煤灰顆粒聚團(tuán)脫落的最小沖擊力，從每次煤灰脫落質(zhì)量的曲線圖上表現(xiàn)為脫落質(zhì)量的突然變大，當(dāng)突增量達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊力大小為最小有效振打力.對(duì)于每一種煤灰在壁面的狀態(tài)，當(dāng)振打沖擊力大于最小有效振打力時(shí)，煤灰顆粒脫落呈現(xiàn)聚團(tuán)脫落，脫落速率較大，有利于振打除灰；當(dāng)振打沖擊力小于最小有效振打力時(shí)，脫落煤灰顆粒粒徑較小，脫落速率較小，不利于振打除灰.根據(jù)不同厚度煤灰的顆粒脫落質(zhì)量曲線，求出不同振打沖擊力下的每次沖擊的脫落質(zhì)量的突增量，然后用線性插值法求出不同煤灰厚度對(duì)應(yīng)的最小有效振打力，結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出最小有效振打力隨煤灰厚度的增加而較小.

圖5 煤灰層厚度與最小有效振打力關(guān)系Fig.5 Relationship between the thickness of the coal ash layer and the minimum effective rapping force

4 結(jié)語(yǔ)

以煤氣化爐冷卻段水冷壁機(jī)械振打除灰為研究背景，自建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀察了煤灰顆粒振打脫落過程，并探究了機(jī)械振打除灰中振打敲擊力大小對(duì)振打除灰的影響，以及不同煤灰厚度對(duì)最小有效振打力的影響.得到的結(jié)論如下：

（1）在振打沖擊金屬板時(shí)，煤灰顆粒脫落存在“分層現(xiàn)象”和“分階段現(xiàn)象”，隨著振打力的增加各階段之間的分界越模糊，且隨著振打力增加，煤灰顆粒脫落的質(zhì)量向前幾次振打沖擊集中.另外，本文從力學(xué)角度和能量消耗的角度解釋了這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

（2）煤灰的厚度越大，最小有效振打力.本文實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下煤灰厚度為1 mm時(shí)，最小有效振打力為65．3 N，煤灰厚度為2 mm時(shí)，最小有效振打力為36．9 N，煤灰厚度為3 mm時(shí)，最小有效振打力為25．9 N，煤灰厚度為4 mm時(shí)，最小有效振打力為17．0 N.

（3）實(shí)驗(yàn)狀態(tài)為常溫、常壓、無流場(chǎng)的狀態(tài)，忽略實(shí)際工況中流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響.本文研究?jī)?nèi)容為以后高溫高壓和有流場(chǎng)的實(shí)際工況下的機(jī)械振打除灰研究提供了一些研究思路和方法.

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On particles of coal ash falling off under mechanical rapping ash－removal

YU Jiu－yang1，MA Jun1，ZHENG Xiao-tao1，Yang Jun2
1．School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.China Petroleum＆Chemical East China Sales Company，Shanghai 200120，China

To study the influence factors of coal ash particles falling from the metal plate，the experimental platform was built to record the falling process and the falling mass of the particles．The influence of rapping force on the mechanical rapping ash－removal and the effect of the coal ash thickness on the minimum effective rapping force were both explored．The results show that there are stratification and stage phenomenon in the process of coal ash dropping when knocking the metal plate and the boundary between different stages was blurred with the increase of the rapping force；meanwhile，the mass of the particles of coal ash falling off concentrates on previous knockings；the greater the thickness of the coal ash，the smaller the minimum effective rapping force．The minimum effective rapping forces are 65．3，36．9，25．9 and 17．0 N，respectively when the thickness of the coal ash layer is 1，2，3 and 4 mm．

coal ash；falling off；mechanical rapping；ash－removal

TK284.4，TH113.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.11.012

1674－2869（2015）11－0058－06

本文編輯：陳小平

2015－10－19

武漢工程大學(xué)第六屆研究生教育創(chuàng)新基金（CX2014028）

喻九陽(yáng)（1962-），男，湖北武漢人，教授，碩士.研究方向：新型高效化工設(shè)備的研究開發(fā)和強(qiáng)化傳熱技術(shù).