劉剴，陸海峰，郭曉鐳，劉一，潘響明，龔欣

（華東理工大學(xué)煤氣化及能源化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

引 言

文丘里管作為測(cè)量元件在氣固流動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。典型代表是用于電廠煤粉流量測(cè)量[1-3]。粉煤氣化工藝中，文丘里管由于其收縮-擴(kuò)大的特殊結(jié)構(gòu)，煤粉通過(guò)它時(shí)能產(chǎn)生較大阻力，因此常將其作為阻力部件用于煤粉進(jìn)入氣化爐之前的循環(huán)標(biāo)定[1]。Shell 粉煤氣化技術(shù)即是這一典型代表。同時(shí)，文丘里管直接引入輸送管線中，可大大降低煤粉流量，滿足小流量的工藝要求，這一技術(shù)被Guo 等[4]在中試現(xiàn)場(chǎng)采用。然而，由于缺少對(duì)高濃度氣固兩相流在文丘里管內(nèi)的流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)，對(duì)應(yīng)于不同規(guī)模裝置的煤粉流量和氣化爐壓力，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化如何影響煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)特征以及壓差特性還不得而知。

過(guò)去的30年，Lee 等[1]、Payne[3]、Shaffer 等[5]、Doss[6]、王文琪等[7]、Azzopardi 等[8]、Giddings 等[9-10]對(duì)文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響進(jìn)行了一系列研究。對(duì)于收縮角，選擇過(guò)大可能降低流動(dòng)的阻礙，選擇過(guò)小可能增加收縮段的壓力損失，Lee 等[1]建議收縮角小于美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）確定的單相流測(cè)量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10.5°。氣固混合物在喉段上的運(yùn)動(dòng)形式很少會(huì)被關(guān)注。王文琪等[7]指出，當(dāng)喉段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，顆粒在喉段的加速更充分，有利于流量的穩(wěn)定測(cè)量。對(duì)于節(jié)流比，一般認(rèn)為它越小，壓差比越大，文丘里管壓力損失越高，大部分研究者（Z＜1.6 kg·kg-1）集中在節(jié)流比為0.4～0.7。最后對(duì)于擴(kuò)張段，普遍認(rèn)為顆粒經(jīng)過(guò)喉段后的速度較快，迅速逃逸出文丘里管出口。王文琪等[7]指出，擴(kuò)張段壓差很小，流動(dòng)具有不穩(wěn)定的特征。Payne[3]指出，對(duì)于相同粒徑的顆粒，文丘里管總壓差與擴(kuò)張角的關(guān)系隨氣速不同而不同。較小的氣速下，出口角度降低，總壓差減??；較大的氣速下，出口角度似乎對(duì)總壓差影響不大。而當(dāng)出口角度變得很小時(shí)，管壁摩擦變得重要，擴(kuò)張段摩擦損失增大。Azzopardi等[8]和Giddings 等[9-10]也在各自的系統(tǒng)內(nèi)得到類似的結(jié)論。對(duì)比多位研究者的系統(tǒng)，擴(kuò)張角大多集中在4°、3°和1°。然而，他們大多采用文丘里管測(cè)量電廠煤粉流率，研究體系多為常壓、稀相的氣固兩相流，與本研究體系（系統(tǒng)壓力高至1500 kPa，體積固氣比高至600 kg·m-3）存在較大區(qū)別，但其設(shè)計(jì)依據(jù)仍值得參考。

對(duì)高壓、高濃度煤粉流過(guò)文丘里管的研究鮮有報(bào)道。Lu 等[11]在低壓系統(tǒng)（＜100 kPa）內(nèi)通過(guò)引入附加壓差法建立了煤粉流經(jīng)文丘里管的壓差模型，并依托模型分析了不同結(jié)構(gòu)下文丘里管的整體阻力特性。Liu 等[12]在高壓系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)揭示了顆粒與顆粒、顆粒與流道邊壁的碰撞以及摩擦，顆粒與氣體之間復(fù)雜而劇烈的動(dòng)量交換使得煤粉流經(jīng)文丘里管后產(chǎn)生了較大的阻力損失，兩相流壓強(qiáng)、速度變化較大，各段流動(dòng)形式極為復(fù)雜。然而Liu 等的研究只限于一種文丘里管結(jié)構(gòu)，高壓、高濃度特點(diǎn)下結(jié)構(gòu)變化后煤粉存在對(duì)文丘里管內(nèi)氣流場(chǎng)的效應(yīng)還不明確，迫切需要開展這方面的實(shí)驗(yàn)研究，揭示結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)特征及其壓差特性。

本研究通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以一種文丘里管結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，變換多種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了高壓、高濃度煤粉流經(jīng)不同文丘里管的系列實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述了煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)特征，通過(guò)調(diào)控進(jìn)入文丘里管的氣固初始輸送特征參數(shù)全面揭示了煤粉流經(jīng)不同文丘里管的流動(dòng)特征，同時(shí)通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、整理獲得了高壓、高濃度煤粉流經(jīng)不同文丘里管的壓差特性，最后通過(guò)對(duì)比不同節(jié)流比對(duì)輸送系統(tǒng)的影響進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了文丘里管在輸送系統(tǒng)中的作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

本研究以壓縮空氣或高壓N2為輸送載氣，以北宿煙煤為輸送介質(zhì)，煤粉基本物性數(shù)據(jù)見表1。

本實(shí)驗(yàn)的煤粉屬Geldart C 類粉體，容易團(tuán)聚[13]。同時(shí)顆粒粒徑較小，而且比表面積大。由于煤粉高度的非球形和粗糙性，在變截面流場(chǎng)內(nèi)對(duì)輸送載氣的跟隨性比同樣尺寸的球形顆粒好，其運(yùn)動(dòng)極易受流場(chǎng)壓力變化影響，也會(huì)受流場(chǎng)速度變化影響。另外，本系統(tǒng)采用span 定義煤粉的粒徑分布寬度[14]，span 值為3，大于1，說(shuō)明較大顆粒與較小顆粒粒徑差隨平均粒徑的相對(duì)變化大，煤粉具有寬粒度分布。不同粒徑煤粉受到的氣動(dòng)阻力不同，煤粉對(duì)流場(chǎng)的影響復(fù)雜多變，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其影響規(guī)律。

表1 北宿煙煤物性參數(shù)Table 1 Physical properties of Beisu coal

圖1 高壓高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of gas-coal mixture through Venturi system under high pressure and concentration

圖2 文丘里管結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of Venturi structure

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為安裝文丘里管的高壓下的粉煤密相氣力輸送系統(tǒng)，具體流程如圖1所示，主要由氣源、發(fā)料罐、接料罐、管線、文丘里管、閥門、測(cè)量?jī)x器、除塵器、DCS 監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等單元組成。

文丘里管安裝在豎直上升管線，為不銹鋼材質(zhì)，由收縮段、喉段、擴(kuò)張段3 部分組成。表2為文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)。如圖2所示，在文丘里管上游、下游以及內(nèi)部分別布置測(cè)壓點(diǎn)，依次標(biāo)記為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7測(cè)量文丘里管沿程壓力，在P1-P2、P2-P4、P4-P5設(shè)置壓差傳感器測(cè)量文丘里管各段壓差，P1-P5表示文丘里管總壓差，各測(cè)點(diǎn)位置的距離單位為mm。本系統(tǒng)采用的文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of Venturi

如表2所示，在本系統(tǒng)內(nèi)，以1#文丘里管為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，分別增設(shè)2 個(gè)收縮角（2.5°和9°）、2 個(gè)擴(kuò)張角（2.5°和13°）、2 個(gè)節(jié)流比（0.55 和0.7）以及2 個(gè)喉段長(zhǎng)度（23d和80d），以此研究結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)文丘里管流動(dòng)特征以及壓差特性的影響。

表3 本系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)驗(yàn)范圍Table 3 Experimental ranges of system operating parameters

本系統(tǒng)屬于典型的高壓高濃度煤粉輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)布置了壓力傳感器、固體質(zhì)量流量計(jì)等測(cè)量?jī)x器，詳細(xì)的操作方法和測(cè)量手段可以見叢星亮 等[15-16]的工作。運(yùn)行參數(shù)實(shí)驗(yàn)范圍以及文丘里管特征參數(shù)實(shí)驗(yàn)范圍見表3和表4。確定這些特征參數(shù)的方法與龔欣等[17]和董衛(wèi)賓等[18]工作中的方法相似。與Cong 等[15]類似，給出質(zhì)量固氣比表示文丘里管系統(tǒng)內(nèi)的煤粉濃度（不隨壓力、位置變化）。同時(shí)在高壓系統(tǒng)內(nèi)考慮氣體壓縮性，采用體積固氣比更能給出煤粉顆粒存在對(duì)文丘里管流動(dòng)的影響，因此以下分析中將體積固氣比近似為煤粉濃度，以分析煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)特征以及壓差特性。

表4 煤粉流經(jīng)文丘里管特征參數(shù)的實(shí)驗(yàn)范圍Table 4 Experimental ranges of Venturi characteristic parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管流動(dòng)特征

高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)特征可以通過(guò)文丘里管內(nèi)的壓力分布給出。圖3給出了典型的煤粉流經(jīng)文丘里管的壓力分布。同時(shí)按照文丘里管各部分的結(jié)構(gòu)形式不同，煤粉流經(jīng)文丘里管的流動(dòng)劃分為4 部分，分別為收縮段、喉段、擴(kuò)張段、流出擴(kuò)張段，并依次標(biāo)記為①、②、③、④。

由圖3可以看出，煤粉混合物流經(jīng)文丘里管時(shí)，沿程各測(cè)壓點(diǎn)壓力依次衰減，而且在各段衰減程度不一。以圖3工況為例，氣固混合物經(jīng)過(guò)文丘里管收縮段，壓力從進(jìn)口的705 kPa 衰減至喉段進(jìn)口的465 kPa，其次在喉段壓力衰減161 kPa，最后在擴(kuò)張段后壓力衰減101 kPa。各段壓力衰減比例依次為53%、34%、13%。當(dāng)煤粉混合物逃逸出文丘里管 出口，流經(jīng)文丘里管出口第2 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)P6時(shí)，壓力還有小幅度的回升，即使是到達(dá)文丘里管下游P7處，流動(dòng)仍然未穩(wěn)定，靜壓一直上升。

圖3 煤粉流經(jīng)文丘里管的壓力分布特征Fig.3 Pressure distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

典型煤粉流經(jīng)文丘里管的壓力分布特征與煤粉在文丘里管內(nèi)的壓差損失機(jī)理緊密相關(guān)。煤粉混合物首先流經(jīng)收縮段，由于流道收縮，氣體加速并帶動(dòng)顆粒加速，同時(shí)加速的顆粒與顆粒相互間以及與壁面的碰撞作用使得在收縮段靜壓下降明顯。煤粉混合物繼續(xù)流經(jīng)喉段后，顆粒由于慣性能在剛進(jìn)入喉段時(shí)保持一定速度，但本系統(tǒng)采用的是細(xì)顆粒煤粉（平均粒徑42 μm），大部分煤粉顆粒還是能很快響應(yīng)氣體流場(chǎng)。隨著在喉段流動(dòng)發(fā)展，氣體持續(xù)加速顆粒，兩相產(chǎn)生動(dòng)量交換，高速的煤粉混合物同時(shí)產(chǎn)生煤粉-煤粉、煤粉-壁面的摩擦和碰撞作用，使得煤粉混合物流經(jīng)喉段的靜壓下降明顯，喉段表觀氣速有所增大，煤粉濃度有所下降，如圖4和圖5所示，這也區(qū)別于Doss[6]、Azzopardi 等[8]對(duì)于稀相以及氣相在喉段的氣體速度基本不變的研究。由于缺少收縮段流道收縮時(shí)較強(qiáng)的加速顆粒效應(yīng)，喉段的壓力損失相對(duì)收縮段較小，因此氣體速度、煤粉濃度變化也相對(duì)收縮段較小。煤粉混合物繼續(xù)進(jìn)入擴(kuò)張段，氣體速度迅速減小，而顆粒還能繼續(xù)保持其速度逃逸出擴(kuò)張段[6,10]。但不可否認(rèn)的是，由于高壓下兩相間的動(dòng)量交換作用更強(qiáng)，同時(shí)由于煤 粉在擴(kuò)張段的濃度仍然較高，顆粒間的相互作用以及與壁面的作用依然劇烈，使得在擴(kuò)張段內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)從壓力回復(fù)到壓力損失的過(guò)渡。當(dāng)輸送量較高時(shí)，擴(kuò)張段壓力變化迅速?gòu)膲毫貜?fù)變?yōu)閴毫p失[10]。因此，當(dāng)煤粉混合物流經(jīng)擴(kuò)張段時(shí)，氣體密度持續(xù)降低，煤粉濃度持續(xù)下降。煤粉流出擴(kuò)張段，由于在擴(kuò)張段氣體的減速程度也遠(yuǎn)大于固體顆粒[6-10]，導(dǎo)致煤粉混合物流出擴(kuò)張段后迅速減速至氣體速度，造成靜壓一直上升，氣體密度因此增大，氣體速度減小，煤粉濃度增大。

圖4 煤粉流經(jīng)文丘里管體積固氣比分布Fig.4 Volumetric loading ratio distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

圖5 煤粉流經(jīng)文丘里管表觀氣速分布Fig.5 Superficial gas velocity distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

2.2 不同結(jié)構(gòu)對(duì)高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管流動(dòng)的影響

2.2.1 沿程流動(dòng)參數(shù)分布 保持相近的初始流動(dòng)參數(shù)（進(jìn)口氣速、進(jìn)口體積固氣比接近），對(duì)比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后文丘里管沿程流動(dòng)參數(shù)分布特征。同時(shí)采用量綱1 化處理，圖中的各點(diǎn)壓力為沿程壓力與進(jìn)口壓力（P/P1）的比值。

圖6給出了典型的煤粉流經(jīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的文丘里管沿程量綱1 化壓力分布。同時(shí)表5給出了比較這些分布時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)口條件。由于不同節(jié)流比下的進(jìn)口壓力差別較大（進(jìn)口壓力335～1010 kPa），為更清晰地給出節(jié)流比變化帶來(lái)的流動(dòng)特性差異，不進(jìn)行量綱1 化，直接給出了不同節(jié)流比下文丘里管沿程壓力分布。

表5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的量綱1 化壓力分布的進(jìn)口條件Table 5 Inlet conditions of non-dimensional pressure distribution characteristic for different structural parameters

由圖6可以看出，除節(jié)流比外，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)雖然在各段壓力分布程度不盡相同，但總體壓力分布趨勢(shì)接近。不同節(jié)流比下，雖然壓力分布總體趨勢(shì)仍然相似，但在文丘里管各段卻大不相同。由圖6可以看出，相比其他3 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，節(jié)流比對(duì)文丘里管內(nèi)的壓力分布影響最為顯著。

2.2.2 壓差特性 為更清晰與全面地分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)文丘里管內(nèi)流動(dòng)特征的影響，同時(shí)流動(dòng)特征又與壓差特性緊密相關(guān)，以下給出不同實(shí)驗(yàn)條件下各結(jié)構(gòu)參數(shù)的壓差特性，以更好地揭示不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)文丘里管內(nèi)流動(dòng)的影響。比較的方法是保持進(jìn)口氣速相同（4.5 m·s-1），通過(guò)不斷增加煤粉濃度來(lái)比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下各結(jié)構(gòu)序列的相應(yīng)段壓差以及總壓差。

（1）收縮角 圖7給出了不同收縮角的收縮段壓差及總壓差。可以看出，隨進(jìn)口體積固氣比增大不同收縮角下的收縮段壓差及總壓差都增大。2.5°的收縮段壓差最大，9°和5°的收縮段壓差接近。由于收縮段壓差并不主導(dǎo)總壓差，對(duì)于本收縮角范圍內(nèi)的改變，總壓差變化不大。

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的量綱1 化文丘里管沿程壓力分布特征Fig.6 Non-dimensional pressure distribution characteristics along Venturi for different structural parameters

圖7 不同收縮角的收縮段壓差及總壓差Fig.7 Convergence section and total length pressure drop in different convergence angles

分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，2.5°收縮角系列的文丘里管在收縮段壓力衰減最大。5°的文丘里管壓力衰減略大于9°，兩者接近。Payne[3]曾指出，收縮角減小，壓差比增大。這是由于，收縮角減小，流動(dòng)長(zhǎng)度增加，顆粒響應(yīng)氣體速度的程度增強(qiáng)。在本 體系中，收縮角從5°減小至2.5°，收縮段長(zhǎng)度大幅增加約52 mm，近1 倍，煤粉顆?？杉铀贂r(shí)間變長(zhǎng)，與流道摩擦的長(zhǎng)度增大，因此2.5°壓力損失最大。而從9°減小到5°，收縮段長(zhǎng)度只增加了13.7 mm，而且較大的角度在一定程度上會(huì)使煤粉顆粒對(duì)管壁的撞擊增強(qiáng)。Shaffer 等[5]曾建議，為減小煤粉顆粒對(duì)管壁的沖擊，測(cè)量稀相氣固流量的文丘里管收縮角度應(yīng)小于ASME 為純氣相設(shè)計(jì)的10.5°。本體系中，5°和9°的收縮段壓差差別接近，一定程度上可能是由于對(duì)管壁的沖擊在煤粉濃度較高時(shí)作用更明顯，抵消了由于9°收縮段長(zhǎng)度較小而帶來(lái)的煤粉顆粒隨氣體加速的壓力損失減小的緣故。

圖8 不同擴(kuò)張角的擴(kuò)張段壓差及總壓差Fig.8 Diffuser section and total pressure drop in different diffuser angles

（2）擴(kuò)張角 圖8給出了不同擴(kuò)張角的擴(kuò)張段壓差及總壓差?？梢钥闯?，擴(kuò)張段壓差及總壓差都隨進(jìn)口體積固氣比增大而增大。2.5°和13°的擴(kuò)張段壓差接近，8°的擴(kuò)張段壓差最小。由于擴(kuò)張段壓差占總壓差比例較小，在本研究擴(kuò)張角變化范圍內(nèi)擴(kuò)張角改變對(duì)總壓差的影響很小。

分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，當(dāng)擴(kuò)張角從8°減小至2.5°時(shí)，流動(dòng)長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng)，摩擦損失增大，擴(kuò)張段壓力損失增大。Azzopardi 等[8]曾指出，當(dāng)擴(kuò)張角特別小時(shí)，管壁摩擦變得重要，擴(kuò)張段壓差增大。當(dāng)擴(kuò)張角從8°增大至13°時(shí)，擴(kuò)張段壓差增大。這可以理解為，煤粉顆粒與氣體動(dòng)量交換的時(shí)間變短，顆粒減速的程度降低。Payne[3]、Azzopardi 等[8]指出，對(duì)于小粒徑顆粒，當(dāng)擴(kuò)張角不是很小（＞3°）時(shí)，擴(kuò)張段壓差隨出口角度增大而增大。本研究的結(jié)果與他們的結(jié)論類似。

（3）節(jié)流比 圖9給出了不同節(jié)流比下的文丘里管壓差特性。在圖9(d)中增加了直管壓差（節(jié)流比為1），以作對(duì)比。與流動(dòng)特征規(guī)律相似，節(jié)流比變化顯著改變了高濃度煤粉流經(jīng)文丘里管的壓差特性。節(jié)流比變小，各段壓差以及總壓差明顯增大。

這可以解釋為，煤粉混合物首先進(jìn)入收縮段，節(jié)流比增大后，流道長(zhǎng)度明顯減小，煤粉顆粒受到氣體加速的時(shí)間變短，同時(shí)高濃度下煤粉間的作用以及煤粉與管壁的碰撞因流道長(zhǎng)度減小而減弱，因此節(jié)流比為0.7 的收縮段壓差較小。隨后煤粉進(jìn)入喉段，大節(jié)流比的喉徑較大，喉段氣速較低，煤粉與管壁以及煤粉間的碰撞、摩擦作用大大降低，喉段壓差明顯降低。進(jìn)入到擴(kuò)張段，節(jié)流比為0.4 的擴(kuò)張段壓差明顯大于其他2 個(gè)節(jié)流比系列，這可能是由于小節(jié)流比下喉段出口壓力仍然很高，煤粉流經(jīng)擴(kuò)張段內(nèi)的氣體密度仍然很高，顆粒阻力系數(shù)降低，顆粒更容易被氣體加速，顆粒間的動(dòng)量交換更加頻繁[19]。雖然煤粉流經(jīng)喉段出口的顆粒速度已很高，但仍能進(jìn)一步受到氣體加速的作用。反觀大節(jié)流比，由于在擴(kuò)張段進(jìn)口的氣體密度較低，煤粉基本不受氣體加速影響，加之流道變短，煤粉更快地流過(guò)擴(kuò)張段，因此擴(kuò)張段壓差較低。王文琪等[7]在低壓、稀相氣固流經(jīng)文丘里管時(shí)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張段壓差很小。本體系下，大節(jié)流比下的擴(kuò)張段進(jìn)口的壓力較低，氣體與固體的動(dòng)量交換更少，與王文琪等類似，因此也出現(xiàn)了相同的擴(kuò)張段壓差特性。同時(shí)，由于小節(jié)流比的擴(kuò)張段長(zhǎng)度最長(zhǎng)，喉段出口速度最大，因此煤粉流經(jīng)擴(kuò)張段的摩擦、碰撞作用最大，擴(kuò)張段壓差明顯增大。Payne[3]曾指出，當(dāng)擴(kuò)張段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，摩擦損失變得重要，擴(kuò)張段體現(xiàn)為明顯的壓力損失。

（4）喉段長(zhǎng)度 圖10給出了不同喉段長(zhǎng)度下的文丘里管壓差特性。由圖10可以看出，隨體積固氣比增大，喉段壓差以及總壓差增大，而且喉段長(zhǎng)度越大喉段壓差越大。由于喉段壓差只占總壓差 的一部分，并不主導(dǎo)總壓差，因此在本體系喉段長(zhǎng)度變化范圍內(nèi)，喉段長(zhǎng)度增大后，對(duì)總壓差的改變不大。

圖9 不同節(jié)流比的各段壓差及總壓差Fig.9 Each section and total pressure drop in different diameter ratios

圖10 不同喉段長(zhǎng)度的喉段壓差及總壓差Fig.10 Throat section and total pressure drop in different throat lengths

這是由于480 mm 喉段長(zhǎng)度的喉段最長(zhǎng)，煤粉與管壁以及煤粉間的摩擦、相互作用更強(qiáng)，因此其喉段壓差最大。王文琪等[7]、Shaffer 等[5]曾指出，對(duì)于長(zhǎng)喉段長(zhǎng)度的文丘里管，煤粉流經(jīng)具有流動(dòng)損失，故而需減少喉段長(zhǎng)度。

圖11 不同結(jié)構(gòu)的文丘里管總壓降與固相動(dòng)量通量的關(guān)系Fig.11 Relationship between total pressure drop and solid momentum flux in different Venturi structures

稀相流量測(cè)量過(guò)程中，喉段長(zhǎng)度無(wú)特殊說(shuō)明，比較各研究者的實(shí)驗(yàn)體系，喉段長(zhǎng)度大多采用0.5d或1d，最大不超過(guò)10d。而在本研究過(guò)程中采用的喉段長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于稀相，這是因?yàn)橐环矫娌捎瞄L(zhǎng)喉段長(zhǎng)度時(shí)煤粉顆粒在高速運(yùn)動(dòng)下的流動(dòng)損失更大，達(dá)到“降壓”的效果，另一方面煤粉顆粒進(jìn)入喉段后加速更為充分，流動(dòng)更為穩(wěn)定。王文琪等[7]和吳占松等[2]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式也認(rèn)為喉段長(zhǎng)度的適當(dāng)增大有利于增大測(cè)量的穩(wěn)定性。對(duì)比本研究體系結(jié)果表明，延長(zhǎng)喉段長(zhǎng)度確實(shí)能增加喉段壓力損失，但對(duì)總壓降增長(zhǎng)不大，因此可適當(dāng)減小喉段長(zhǎng)度。同時(shí)文丘里管內(nèi)部由于高濃度兩相流的沖擊，需采用費(fèi)用較高的耐磨材料內(nèi)襯?？s短喉段長(zhǎng)度也能減少耐磨材料的使用，降低工業(yè)成本。

2.3 高濃度煤粉流經(jīng)不同結(jié)構(gòu)文丘里管的壓降經(jīng)驗(yàn)方程

Geldart[20]曾引入固相動(dòng)量通量（GpUg），用來(lái)建立密相輸送過(guò)程中煤粉起始加速的壓降以及流經(jīng)彎管的壓降。采用上述思想，圖11給出了一定固相動(dòng)量通量的煤粉流經(jīng)不同結(jié)構(gòu)的文丘里管所產(chǎn)生的壓降，以進(jìn)一步量化不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)文丘里管流動(dòng)的影響。

由圖11可以看出，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下文丘里管總壓降隨固相動(dòng)量通量增大而增大。一定固相動(dòng)量通量下，節(jié)流比改變文丘里管總壓降最為顯著。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)下，文丘里管總壓降改變不大。

依托本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以文丘里管總壓降為等式左邊，以節(jié)流比、收縮角、擴(kuò)張角、長(zhǎng)徑比、固相動(dòng)量通量為等式右邊，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合獲得本系統(tǒng)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)下的煤粉流經(jīng)文丘里管的壓降經(jīng)驗(yàn)方程，如式(1)所示。相關(guān)系數(shù)R2=0.96。

將式(1)進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到本系統(tǒng)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)下的煤粉流經(jīng)文丘里管的壓降經(jīng)驗(yàn)方程的最終形式，如式(2)所示。

圖12給出了采用式(1)計(jì)算得到的文丘里管總壓降與實(shí)際壓降對(duì)比。由圖12可以看出大部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的計(jì)算偏差在30%以內(nèi)，說(shuō)明本研究獲得的不同結(jié)構(gòu)下煤粉流經(jīng)文丘里管的壓降經(jīng)驗(yàn)方程具有較好的適應(yīng)性。

圖12 不同結(jié)構(gòu)文丘里管總壓降的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Fig.12 Comparison of experimental and calculated total pressure drop for different structures of Venturi

3 結(jié) 論

高壓、高濃度煤粉流經(jīng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的文丘里管時(shí)，流動(dòng)特征表現(xiàn)為內(nèi)部壓力、體積固氣比沿程衰減，而且在各段衰減程度不一，在收縮段壓力衰減程度最大，其次是在喉段，最后是擴(kuò)張段。本研究通過(guò)新增8 個(gè)文丘里管結(jié)構(gòu)分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)（收縮角、擴(kuò)張角、節(jié)流比、喉段長(zhǎng)度）對(duì)高濃度流動(dòng)特征以及壓降特性的影響，得到如下結(jié)論。

（1）不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下文丘里管沿程量綱1 化參數(shù)分布的總體變化趨勢(shì)仍與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相似，但是各段壓力變化程度不盡相同。隨煤粉濃度增大，總壓差及相應(yīng)段的壓差增大。

（2）節(jié)流比影響文丘里管的壓差最直接。節(jié)流比減小，文丘里管總壓差增大，擴(kuò)張段的壓差顯著增大。收縮角、喉段長(zhǎng)度、擴(kuò)張角的改變對(duì)總壓差影響不大。2.5°收縮角的收縮段壓差最大，本體系下5°和9°的收縮段壓差基本接近。8°擴(kuò)張角的擴(kuò)張段壓差最小。80d喉段長(zhǎng)度的喉段壓差最大。

（3）通過(guò)引入固相動(dòng)量通量獲得了本系統(tǒng)內(nèi)的煤粉流經(jīng)文丘里管的壓降經(jīng)驗(yàn)方程。絕大部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的計(jì)算偏差在30%以內(nèi)，方程計(jì)算效果較好。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D——輸送管徑，mm

d——喉徑，mm

dp——顆粒粒徑，μm

Gp——煤粉質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1

Gs——煤粉輸送量，kg·h-1

Lt——喉段長(zhǎng)度，mm

Mg——輸送氣量，kg·h-1

MC——煤粉濕含量，%

P——測(cè)壓點(diǎn)壓力，kPa

ΔPc——收縮段壓差，kPa

ΔPd——擴(kuò)張段壓差，kPa

ΔPS——輸送壓差，kPa

ΔPT——文丘里管總壓差，kPa

ΔPT,cal——文丘里管總壓差計(jì)算值，kPa

ΔPt——喉段壓差，kPa

SA——比表面積，m2·g-1

span——粒徑分布寬度

Ug——表觀氣速，m·s-1

Z——體積固氣比，kg·m-3

Z′——質(zhì)量固氣比，kg·kg-1

β——節(jié)流比

θ1——收縮角，（°）

θ2——擴(kuò)張角，（°）

ρb——堆積密度，kg·m-3

ρp——顆粒真實(shí)密度，kg·m-3

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