徐貴玲，盧　平，許　盼，梁　財(cái)，陳曉平

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煤粉外水含量對(duì)上出料式發(fā)送罐供料特性的影響

徐貴玲1，盧平1，許盼2，梁財(cái)2，陳曉平2

(1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

摘要:在上出料式發(fā)送罐密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究了外水含量對(duì)煤粉供料質(zhì)量流率、固氣比以及供料穩(wěn)定性的影響，獲得了內(nèi)蒙古褐煤的極限供料外水含量和最佳供料外水含量，并結(jié)合煤粉流動(dòng)特性分析，探討了煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的判別方法。結(jié)果表明:在初始外水含量為3.3%條件下，在上出料式發(fā)送罐壁面以及提升管入口處能夠觀察到明顯的靜電放電現(xiàn)象；當(dāng)外水含量增加至10%時(shí)，發(fā)送罐內(nèi)會(huì)出現(xiàn)煤粉結(jié)拱現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)所用內(nèi)蒙古褐煤的極限供料外水含量在8.7%～10%之間，其最佳供料外水含量大約為 4%，在最佳供料外水含量下煤粉供料質(zhì)量流率和固氣比均達(dá)到最大值，且供料穩(wěn)定性最好；當(dāng)外水含量為供料實(shí)驗(yàn)獲得的最佳外水含量 4%時(shí)，煤粉的流動(dòng)函數(shù)達(dá)到最大值，同時(shí)黏附力達(dá)到最小值，煤粉的流動(dòng)性也達(dá)到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的過(guò)程中，煤粉流動(dòng)性由容易流動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)為有黏性區(qū)域，流動(dòng)性變差。當(dāng)外水含量為10%時(shí)，煤粉處于有黏性區(qū)域，流動(dòng)困難。與供料實(shí)驗(yàn)相比，通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)獲得煤粉的流動(dòng)函數(shù)和黏附力，可以作為工業(yè)應(yīng)用中初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

關(guān)鍵詞:氣力輸送；兩相流；上出料式發(fā)送罐；煤粉；供料特性；流動(dòng)；流動(dòng)特性；外水含量

引 言

氣流床煤氣化技術(shù)是煤炭高效清潔利用的主要發(fā)展方向之一。密相氣力輸送是干煤粉氣流床氣化工藝普遍采用的氣化物料供料與輸送方式，具有輸送固氣比高、輸送能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。發(fā)送罐是密相氣力輸送系統(tǒng)中一種常用的將粉體物料送入輸送管道并使其與輸送載氣充分混合的供料裝置，發(fā)送罐的供料特性將直接影響氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行及氣化工藝指標(biāo)[3]。除了煤氣化領(lǐng)域，發(fā)送罐還廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、醫(yī)藥以及食品加工等領(lǐng)域。根據(jù)出料方式的不同，發(fā)送罐主要分為兩種類(lèi)型[4]:上出料式和下出料式。描述發(fā)送罐供料特性的指標(biāo)主要有供料質(zhì)量流率、固氣比以及供料穩(wěn)定性，它們隨著發(fā)送罐結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)、載氣種類(lèi)和粉體物料性質(zhì)的改變而存在很大的差異。David[5]研究發(fā)現(xiàn)，上出料式發(fā)送罐適用于粉狀物料（powdered material），而下出料式發(fā)送罐則適用于粒狀物料（granular material）。程克勤[6]研究認(rèn)為，上出料式發(fā)送罐內(nèi)粉體物料需要實(shí)現(xiàn)有效流化后才能進(jìn)入輸送管道，罐內(nèi)粉體物料在輸送結(jié)束時(shí)并不能完全排空，發(fā)送罐本身的壓力損失相對(duì)較大；下出料式發(fā)送罐可以獲得較高的固氣比，罐內(nèi)粉體物料在輸送結(jié)束時(shí)可以全部排空，發(fā)送罐本身壓力損失較小。Jones等[4]認(rèn)為，對(duì)于粉狀物料，上出料式發(fā)送罐可以在較為寬廣的操作條件下運(yùn)行且可以獲得較高的供料質(zhì)量流率。上滝具貞[7]研究表明，上出料式發(fā)送罐可以獲得的固氣比難以超過(guò)某一極限值，而下出料式發(fā)送罐是借助壓力和粉體物料自身重力使粉體物料進(jìn)入輸送管道的，固氣比較高。董衛(wèi)賓等[3]研究表明，下出料式發(fā)送罐具有較高的供料質(zhì)量流率和固氣比，二者均具有良好的供料穩(wěn)定性。賀春輝等[8]研究表明，操作參數(shù)對(duì)上、下出料式發(fā)送罐供料特性的影響具有一致性，且上出料式發(fā)送罐的供料質(zhì)量流率和固氣比均高于下出料式發(fā)送罐。上述研究雖然可以為工業(yè)中發(fā)送罐出料方式的選擇提供一定的理論依據(jù)，但是需要指出的是，針對(duì)上、下出料式發(fā)送罐供料特性差別的研究，不同的研究者所獲得的一些結(jié)論也有所不同，尚未獲得某種為廣大研究者所普遍接受的理論來(lái)闡明二者的差異性。在實(shí)際運(yùn)行中主要還是根據(jù)粉體物料的性質(zhì)和工藝要求選擇合適的發(fā)送罐類(lèi)型，如GSP粉煤加壓氣化技術(shù)和國(guó)內(nèi)的兩段式粉煤加壓氣化技術(shù)采用的是上出料式發(fā)送罐，Shell粉煤加壓氣化技術(shù)和國(guó)內(nèi)的多噴嘴粉煤加壓氣化技術(shù)采用的是下出料式發(fā)送罐[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者們?cè)诎l(fā)送罐結(jié)構(gòu)參數(shù)（半錐角、供料管管徑、發(fā)送罐尺寸等）、操作參數(shù)（發(fā)送罐壓力、流化風(fēng)量、充壓風(fēng)量、補(bǔ)充風(fēng)量等）、載氣種類(lèi)（主要是CO2和N2）以及粉體物料特性（主要是物料粒徑和物料種類(lèi)）等對(duì)供料質(zhì)量流率和固氣比的影響等方面進(jìn)行了一系列的研究[9]，然而，針對(duì)上述因素對(duì)發(fā)送罐供料穩(wěn)定性的影響鮮見(jiàn)報(bào)道，且研究者們關(guān)注的對(duì)象多為下出料式發(fā)送罐。同時(shí)，文獻(xiàn)中關(guān)于粉體物料水分含量對(duì)發(fā)送罐供料特性影響的研究相對(duì)較少，所涉及的粉體物料主要集中在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域，針對(duì)煤粉水分含量的影響少有涉及。Abou-Chakra等[10]研究發(fā)現(xiàn)，煤粉內(nèi)水含量較為穩(wěn)定，影響輸送特性的主要是外水，這一觀點(diǎn)也得到了許多研究者的認(rèn)可[11]。張中林等[12]在高壓濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了褐煤輸送實(shí)驗(yàn)，結(jié)合褐煤粉不同外水含量下的管道輸送特性以及煤粉的表觀形貌分析，利用小波分析理論進(jìn)行了管道輸送穩(wěn)定性判別。許盼等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了兩種不同煤粉高壓下連續(xù)穩(wěn)定密相輸送外水含量的極限值。Liang等[14-15]采用 Shannon熵對(duì)高壓上出料式發(fā)送罐輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中輸送管道的壓力波動(dòng)進(jìn)行了輸送穩(wěn)定性分析，分析了煤粉外水含量對(duì)輸送穩(wěn)定性的影響規(guī)律。由于Shannon熵是衡量信息源在總體上的無(wú)序程度的量，他們認(rèn)為，對(duì)于不同流動(dòng)過(guò)程所包含的信息量是有差別的，通過(guò)分析不同輸送條件下的特征信號(hào)脈動(dòng)時(shí)間序列的信息熵，可以建立信息熵與氣固兩相流流動(dòng)特性之間的聯(lián)系，從而進(jìn)行流動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性分析。謝鍇等[16]認(rèn)為，瞬時(shí)供料質(zhì)量流率可以作為輸送過(guò)程穩(wěn)定性的最佳評(píng)價(jià)依據(jù)。陳汝超等[17]認(rèn)為，瞬時(shí)供料質(zhì)量流率的波動(dòng)可以較好地表征料罐的供料穩(wěn)定性，他們采用瞬時(shí)供料質(zhì)量流率曲線的波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分析了粒煤在補(bǔ)氣料倉(cāng)中的下料穩(wěn)定性。He等[18]則認(rèn)為，與標(biāo)準(zhǔn)差相比，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)可以相對(duì)準(zhǔn)確地描述發(fā)送罐供料穩(wěn)定性，他們采用供料質(zhì)量流率的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)考察了生物質(zhì)/煤粉配比對(duì)高壓上出料式發(fā)送罐中生物質(zhì)/煤粉混合物料供料穩(wěn)定性的影響規(guī)律。目前為止，現(xiàn)有研究的重點(diǎn)仍是煤粉外水含量對(duì)管道輸送特性的影響，關(guān)于煤粉外水含量對(duì)上出料式發(fā)送罐供料質(zhì)量流率和固氣比影響的研究均不多見(jiàn)，針對(duì)煤粉外水含量對(duì)上出料式發(fā)送罐供料穩(wěn)定性影響的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道。

同時(shí)，煤粉的水分含量是影響其流動(dòng)特性的主要物性參數(shù)之一。謝曉旭等[19]利用Jenike剪切測(cè)試儀進(jìn)行了兗州煤、大同煤和混合煤的剪切實(shí)驗(yàn)，獲得了水分含量對(duì)煤粉流動(dòng)函數(shù)和黏附力的影響規(guī)律，并指出通常而言，根據(jù)水分含量可以大致判定其流動(dòng)特性。漆海峰等[20-21]分別研究了寶日希勒褐煤內(nèi)水含量和外水含量對(duì)其流動(dòng)特性的影響，他們發(fā)現(xiàn)影響煤粉流動(dòng)特性的主要也是外水含量。因此，有必要深入探討不同外水含量煤粉流動(dòng)特性與其供料特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，通過(guò)不同外水含量煤粉的流動(dòng)特性參數(shù)來(lái)判定煤粉供料極限外水含量及最佳供料外水含量，就可以便捷且有效地避免由于煤粉水分含量過(guò)高而導(dǎo)致的發(fā)送罐內(nèi)煤粉結(jié)拱現(xiàn)象的發(fā)生[22]，同時(shí)采用水分含量適中的煤粉還可以降低煤粉干燥過(guò)程中的能耗，對(duì)保證煤粉上出料式發(fā)送罐穩(wěn)定供料具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以內(nèi)蒙古褐煤為實(shí)驗(yàn)原料，在上出料式發(fā)送罐氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行不同外水含量煤粉發(fā)送罐供料實(shí)驗(yàn)，研究外水含量對(duì)煤粉上出料式發(fā)送罐供料特性的影響，同時(shí)采用瞬時(shí)供料質(zhì)量流率的Shannon熵和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來(lái)表征不同外水含量煤粉供料過(guò)程的穩(wěn)定性，分析外水含量（Me）對(duì)煤粉供料質(zhì)量流率（G）、固氣比（μ）、瞬時(shí)供料流率的Shannon熵（S）和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)（CV）等參數(shù)的影響規(guī)律，并利用 ShearTrac-Ⅱ剪切儀進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，測(cè)定不同外水含量煤粉的流動(dòng)函數(shù)（FF）和黏附力（c），探討煤粉流動(dòng)特性與其供料特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出煤粉極限供料外水含量與最佳供料外水含量的判別方法，為上出料式發(fā)送罐設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行提供一定的理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)原料

圖1　上出料式發(fā)送罐密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of top discharge blow tank pneumatic conveying system

1—nitrogen gas cylinder；2—dehumidifier；3—gas distributor；4—pressurizing gas；5—fluidizing gas；6—supplemental gas；7—loosing gas；8—computer；9—data acquisition unit；10—video camera；11—load cell；12—top discharge blow tank；13—fill-gas equipment；14—bottom discharge receiving tank；15—differential pressure transmitter；16—bag filter

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

上出料式發(fā)送罐密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1所示，該系統(tǒng)由上出料式發(fā)送罐、輸送管道、下出料式接收罐、供氣系統(tǒng)、流量與壓力測(cè)量系統(tǒng)、圖像與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。上出料式發(fā)送罐和下出料式接收罐均由有機(jī)玻璃制成，容積均為 0.0169 m3。上出料式發(fā)送罐分為上部筒倉(cāng)段和下部斗倉(cāng)段。筒倉(cāng)段內(nèi)徑為200 mm，高度為420 mm；斗倉(cāng)段半錐角為15°，高度為280 mm，底部直徑為50 mm。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下出料式接收罐與大氣相連通，始終保持常壓。采用高壓氮?dú)庾鳛檩斔洼d氣，經(jīng)氣體分配器分為充壓風(fēng)、流化風(fēng)、補(bǔ)充風(fēng)和松動(dòng)風(fēng)，氣體流量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，分別記為Qp、Qf、Qs和Ql。為了盡量減小操作參數(shù)對(duì)供料特性的影響，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不加補(bǔ)充風(fēng)和充壓風(fēng)，保持流化風(fēng)流量不變，流化風(fēng)通過(guò)布風(fēng)板進(jìn)入上出料式發(fā)送罐后對(duì)罐中的煤粉進(jìn)行流化，煤粉經(jīng)垂直提升管進(jìn)入輸送管道, 提升管為φ15 mm×2.5 mm的有機(jī)玻璃管，提升管入口與布風(fēng)板之間距離為50 mm，攜帶煤粉的載氣經(jīng)過(guò)布袋除塵后排入大氣。采用稱(chēng)重傳感器測(cè)量發(fā)送罐質(zhì)量的變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行在線紀(jì)錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料及其流動(dòng)特性測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)所用原料為內(nèi)蒙古褐煤，經(jīng)碾磨和篩選后平均粒徑為249 μm，其粒徑分布采用美國(guó)Beckman Coulter公司生產(chǎn)的LS200型激光粒度分析儀（粒徑測(cè)量范圍為0.4～2000 μm）測(cè)得，如圖2所示。外水含量為3.3%，堆積密度為670 kg·m-3，真實(shí)密度為1220 kg·m-3。圖3為煤粉的掃描電鏡照片。由圖3可以看出，煤粉顆粒表面粗糙，泥質(zhì)感較強(qiáng)，有著明顯的裂縫和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。煤粉的初始外水含量為磨制過(guò)程自然形成，與工業(yè)裝置中的制粉干燥系統(tǒng)原理一致。參照文獻(xiàn)[23]將煤粉分別配制成外水含量（Me）為4%、5.3%、6.9%、7.9%、8.7%和10%的煤樣，外水含量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤中全水分的測(cè)定方法》（GB/T211—2007）中外在水分測(cè)試方法，采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱在 40℃下加熱干燥至恒重后測(cè)得的。利用美國(guó) Geocomp公司生產(chǎn)的ShearTrac-Ⅱ剪切儀進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，獲得不同外水含量煤粉的流動(dòng)函數(shù)和黏附力。

圖2　煤粉的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of pulverized coal

圖3　煤粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of pulverized coal

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外水含量對(duì)供料質(zhì)量流率和固氣比的影響

圖4所示為煤粉外水含量對(duì)供料質(zhì)量流率的影響。由圖4可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉供料質(zhì)量流率先增大后減小。這一結(jié)果與肖國(guó)先[24]和Xu等[22]的研究結(jié)果基本一致。Xu等[13, 22]還研究發(fā)現(xiàn)，隨著外水含量的增加，煤粉顆粒所帶的電荷量逐漸減小，輸送過(guò)程的靜電效應(yīng)是得到抑制的，靜電對(duì)煤粉輸送特性的影響逐漸減弱。結(jié)合 Xu 等[13, 22]的研究結(jié)果，本文煤粉供料流率變化的原因分析如下:當(dāng)外水含量為3.3%時(shí)，煤粉供料質(zhì)量流率相對(duì)較低，這是由于發(fā)送罐內(nèi)煤粉顆粒與顆粒之間處于干摩擦狀態(tài)，顆粒與提升管之間以及顆粒與發(fā)送罐內(nèi)壁之間不斷發(fā)生接觸、碰撞和摩擦等過(guò)程，顆粒帶電量不斷增大，靜電力也隨之不斷增大，煤粉容易黏附在提升管壁以及發(fā)送罐內(nèi)壁等處；當(dāng)外水含量由3.3%增加至4%的過(guò)程中，煤粉供料質(zhì)量流率逐漸增大，并在外水含量為4%時(shí)達(dá)到最大值。這是由于外水含量的增加使得煤粉顆粒之間的干摩擦狀態(tài)得到緩解，煤粉顆粒的導(dǎo)電性也隨之顯著增加，靜電作用在一定程度上得到了抑制[25-26]。發(fā)送罐中煤粉顆粒之間、煤粉顆粒與壁面間的摩擦系數(shù)減小，煤粉在發(fā)送罐中能夠以整體流的形式下移進(jìn)入流化區(qū)域，進(jìn)入發(fā)送罐中的流化風(fēng)能夠?qū)⒉硷L(fēng)板上部提升管入口附近區(qū)域中的煤粉較為均勻地流化，煤粉顆粒間的空隙較大，顆粒運(yùn)動(dòng)摩擦力較小，煤粉容易從發(fā)送罐中流出，煤粉供料質(zhì)量流率隨之增加；當(dāng)外水含量超過(guò) 4%以后，煤粉顆粒間的黏附力增加，流化風(fēng)不能均勻地將提升管入口附近區(qū)域中的煤粉顆粒流化，可能會(huì)導(dǎo)致部分位置處氣泡變大，部分位置處開(kāi)始出現(xiàn)“死區(qū)”等現(xiàn)象，流化效果變差。同時(shí)，由于發(fā)送罐內(nèi)煤粉顆粒的流動(dòng)性變差，氣體通過(guò)煤粉料層的阻力也相應(yīng)增加，煤粉顆粒在流動(dòng)的過(guò)程中還需要克服顆粒間由于高外水含量導(dǎo)致的黏附力的作用，因此，煤粉顆粒流入提升管過(guò)程中的能量損失也相應(yīng)地增大。當(dāng)外水含量從4%增加至6.9%時(shí)，煤粉的供料質(zhì)量流率顯著減小。當(dāng)外水含量超過(guò)6.9%以后，煤粉供料流率的減小趨勢(shì)減緩。當(dāng)外水含量達(dá)到8.7%左右時(shí)，煤粉顆粒在發(fā)送罐內(nèi)黏結(jié)聚團(tuán)嚴(yán)重，此時(shí)煤粉很難被流化，發(fā)送罐內(nèi)布風(fēng)板上部提升管入口附近區(qū)域中煤粉的流化效果惡化，同時(shí)煤粉的造?，F(xiàn)象也會(huì)使得煤粉粒徑增大，導(dǎo)致出料困難，出料連續(xù)性下降，在供料過(guò)程中易出現(xiàn)結(jié)拱等不穩(wěn)定供料現(xiàn)象，偶爾還會(huì)有大團(tuán)的煤粉聚團(tuán)剝落、坍塌進(jìn)入流化區(qū)域，進(jìn)一步干擾發(fā)送罐內(nèi)煤粉的正常流化。當(dāng)外水含量進(jìn)一步增加至10%左右時(shí)，供料過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行。

圖4　外水含量對(duì)供料質(zhì)量流率的影響Fig.4 Pulverized coal discharge rate vs external moisture content

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Me=3.3%（初始外水含量）時(shí)，在發(fā)送罐壁面以及提升管入口處存在明顯的靜電放電現(xiàn)象，同時(shí)有機(jī)玻璃發(fā)送罐以及提升管上均黏附了一層細(xì)煤粉，如圖5所示；當(dāng)外水含量增加至4% 時(shí)，煤粉黏附在有機(jī)玻璃發(fā)送罐以及提升管上的現(xiàn)象基本消失，靜電放電產(chǎn)生的電火花也很難再觀察到；當(dāng)外水含量增加至10%時(shí)，發(fā)送罐內(nèi)發(fā)生了明顯的煤粉結(jié)拱現(xiàn)象[27]，如圖6所示，這表明煤粉不能從發(fā)送罐中流出，此時(shí)外水含量已經(jīng)超過(guò)了可以實(shí)現(xiàn)煤粉供料過(guò)程的最大外水含量。

圖5　煤粉黏附現(xiàn)象Fig.5 Pulverized coal adhesion phenomenon

圖6　煤粉結(jié)拱現(xiàn)象Fig.6 Pulverized coal arching phenomenon

對(duì)于煤粉上出料式發(fā)送罐供料過(guò)程，應(yīng)存在極限供料外水含量（該值是判斷能否實(shí)現(xiàn)供料過(guò)程的臨界點(diǎn)）和最佳供料外水含量（該值對(duì)應(yīng)的是煤粉供料質(zhì)量流率的最大值）。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)觀察分析可知，實(shí)驗(yàn)所用內(nèi)蒙古褐煤的極限供料外水含量在8.7%～10%，其最佳供料外水含量大約為4%。賀春輝等[28]在研究昭通褐煤水分含量對(duì)其高壓密相氣力輸送特性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其極限輸送水分值附近時(shí)，粒間水的含量約為 6%，他們所定義的粒間水指的是存在于顆粒外部的水分，其含量應(yīng)該小于通常意義上的外水的含量。Xu等[22]在高壓密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)上獲得了兩種煤粉高壓密相輸送外水含量的極限值，對(duì)于中等變質(zhì)煤，其極限外水含量約為6%，年輕煤極限外水含量約為10%。因此，煤的變質(zhì)程度會(huì)直接影響煤粉中水分賦存形態(tài)，進(jìn)而會(huì)對(duì)其供料特性造成最直接的影響。針對(duì)不同煤種的煤粉外水含量對(duì)其發(fā)送罐供料特性的影響仍需進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

圖7所示為煤粉外水含量對(duì)固氣比的影響。由圖7可以看出，隨著外水含量的增加，提升管中固氣比也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)外水含量由3.3%增加至4%時(shí)，提升管入口附近區(qū)域煤粉的流化狀態(tài)變好，單位質(zhì)量氣體對(duì)煤粉顆粒的攜帶能力增強(qiáng)，固氣比逐漸增大，并在外水含量為 4%時(shí)達(dá)到最大值；隨著外水含量的進(jìn)一步增加，由于煤粉顆粒間的黏附力增加，氣體通過(guò)煤粉料層的阻力也相應(yīng)增加，單位質(zhì)量氣體氣體對(duì)煤粉顆粒的攜帶能力降低；同時(shí)，提升管入口附近區(qū)域中的煤粉流化不均勻，在煤粉料層中某些位置會(huì)存在“溝流”，進(jìn)入發(fā)送罐內(nèi)的流化風(fēng)直接沿著“溝流”直接進(jìn)入提升管中，并未真正對(duì)提升管入口附近區(qū)域的煤粉顆粒進(jìn)行流化，煤粉供料質(zhì)量流率逐漸減小，同時(shí)單位時(shí)間進(jìn)入提升管中的氣體流量增大，固氣比逐漸減小。許盼等[13]在高壓密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行53 μm中等變質(zhì)煤的煤粉輸送實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸送管路中的固氣比也隨著煤粉的外水含量變化呈現(xiàn)出與本文類(lèi)似的規(guī)律，在外水含量為1.46%時(shí)，煤粉質(zhì)量流率與輸送管路中的固氣比同時(shí)達(dá)到最大值。

圖7　外水含量對(duì)固氣比的影響Fig.7 Solid-gas ratio vs external moisture content

2.2 外水含量對(duì)供料穩(wěn)定性的影響

圖 8所示為煤粉外水含量對(duì)供料穩(wěn)定性的影響。由圖8可以看出，隨著煤粉外水含量的增加，Shannon熵與標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)均先減小后增大。Shannon熵和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)越小，穩(wěn)定性越好[18, 29]，即隨著外水含量的增加，煤粉供料穩(wěn)定性先增加后降低。當(dāng)煤粉外水含量較低時(shí)，由于顆粒間的干摩擦狀態(tài)造成的靜電作用，會(huì)導(dǎo)致顆粒之間相互吸引，致使顆?？臻g分布改變，煤粉顆粒易黏附在發(fā)送罐內(nèi)壁以及提升管壁面等處，供料穩(wěn)定性較差。當(dāng)外水含量由3.3%增加至4%時(shí)，煤粉顆粒間的靜電作用受到抑制，煤粉的流動(dòng)性較好，煤粉顆粒在提升管入口附近區(qū)域的流化狀態(tài)較好，供料穩(wěn)定性較高。當(dāng)外水含量由4%增加至6.9%時(shí)，供料穩(wěn)定性顯著降低，這是由于隨著外水含量的增加，煤粉顆粒間的液橋力不斷增大，顆粒之間的黏聚能力不斷增強(qiáng)，發(fā)送罐內(nèi)提升管入口附近區(qū)域煤粉的流化狀態(tài)變差。當(dāng)外水含量大于6.9%以后，煤粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，形成黏附性更強(qiáng)的二次或者三次粒子。這些顆粒團(tuán)更加容易黏附在料罐、提升管等處，發(fā)送罐內(nèi)提升管入口附近區(qū)域煤粉的流化狀態(tài)變差，偶爾還會(huì)有煤粉聚團(tuán)后再?gòu)牧瞎迌?nèi)壁剝落坍塌，供料穩(wěn)定性降低。當(dāng)外水含量增加至10%左右時(shí)，發(fā)送罐內(nèi)出現(xiàn)煤粉結(jié)拱現(xiàn)象，導(dǎo)致供料過(guò)程完全中斷。

?圖8　外水含量對(duì)供料穩(wěn)定性的影響Fig.8 Relationship between discharge stability and external moisture content

通過(guò)對(duì)比圖4、圖7和圖8可以定量得到外水含量對(duì)煤粉上出料式發(fā)送罐供料特性的影響規(guī)律:當(dāng)外水含量低于最佳供料外水含量4%時(shí)，供料質(zhì)量流率和固氣比逐漸增大，供料穩(wěn)定性較好；當(dāng)外水含量為4%～6.9%時(shí)，供料質(zhì)量流率和固氣比均顯著減小，供料穩(wěn)定性變差；當(dāng)外水含量為6.9%～8.7%時(shí)，供料質(zhì)量流率和固氣比的減小趨勢(shì)變緩，且供料穩(wěn)定性進(jìn)一步下降；當(dāng)外水含量增加至10%時(shí)，發(fā)送罐中的煤粉將出現(xiàn)極限不穩(wěn)定供料的情況。

2.3 外水含量對(duì)煤粉流動(dòng)特性的影響

圖9為外水含量對(duì)煤粉流動(dòng)函數(shù)的影響。由圖9可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉的流動(dòng)函數(shù)值先增大后減小。這一結(jié)果與Fitzpatrick等[30]和Emery等[31]的研究結(jié)果基本一致。圖 10所示為外水含量對(duì)煤粉黏附力的影響。由圖10可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉的黏附力先減小后增大。根據(jù)流動(dòng)函數(shù)值（FF）的大小，可以將粉體流動(dòng)特性分為4類(lèi)[32]:非常黏不流動(dòng)（FF<2），有黏性（2≤FF<4），容易流動(dòng)（4≤ FF<10）和自由流動(dòng)（FF≥10）。煤粉流動(dòng)函數(shù)值和黏附力隨著外水含量的變化趨勢(shì)均說(shuō)明，隨著外水含量的增加，煤粉的流動(dòng)性先變好再變差。

圖9　外水含量對(duì)煤粉流動(dòng)函數(shù)的影響Fig.9 Pulverized coal flow function vs external moisture content

圖10　外水含量對(duì)煤粉黏附力的影響Fig.10 Pulverized coal cohesion vs external moisture content

圖11　水分在煤粉顆粒間的存在方式[33]Fig.11 Different existing forms of water between pulverized coal particles

根據(jù)顆粒間水分含量的多少，可以將顆粒間水分的存在狀態(tài)分為點(diǎn)狀連接狀態(tài)、網(wǎng)狀連接狀態(tài)和毛細(xì)管連接狀態(tài)[33]，如圖 11所示。當(dāng)煤粉的外水含量為3.3%時(shí)，此時(shí)煤粉外水含量較低時(shí)，顆粒之間的摩擦表現(xiàn)為干摩擦，在某一壓實(shí)水平下顆粒之間的咬合比較緊密，顆粒間的內(nèi)摩擦力較大，顆粒之間的黏聚能力較強(qiáng)，煤粉的黏附力較大；當(dāng)外水含量由3.3%增加到4%時(shí)，煤粉流動(dòng)函數(shù)增大，黏附力減小，流動(dòng)性變好，此時(shí)煤粉顆粒間的水分主要存在于顆粒之間的接觸點(diǎn)上，形成環(huán)狀的或者透鏡狀的液相（液膜），起到潤(rùn)滑作用，但液相相互不連接，外水的存在起到一定的潤(rùn)滑作用，緩解了煤粉在干摩擦狀態(tài)下的剪切，顆粒間的內(nèi)摩擦力減小。這也是煤粉供料質(zhì)量流率和固氣比在這一外水含量范圍內(nèi)升高的原因之一。當(dāng)外水含量由 4%增加至6.9%時(shí)，煤粉顆粒間水分逐漸增多，顆粒間的液相逐漸互相連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間仍會(huì)存在一些氣泡，顆粒間水分的存在方式由點(diǎn)狀連接向網(wǎng)狀連接過(guò)渡，水分在煤粉顆粒間產(chǎn)生的液體毛細(xì)力促使煤粉顆粒之間相互吸引，顆粒間的黏聚能力逐漸增強(qiáng)，黏附力略有增大，流動(dòng)函數(shù)略有減小，煤粉的流動(dòng)性有所下降，然而在這一外水含量范圍內(nèi)，煤粉供料流率和固氣比是顯著降低的，造成這一偏差的原因還有待進(jìn)一步的研究和探討。當(dāng)外水含量超過(guò)6.9%以后，煤粉流動(dòng)函數(shù)顯著減小，黏附力顯著增大，這是由于隨著外水含量的進(jìn)一步增加，煤粉顆粒間的空隙充滿液相，水分在煤粉顆粒之間會(huì)形成液橋產(chǎn)生顆粒間液橋力，使顆粒有相互吸引的趨勢(shì)，顆粒之間的黏聚能力顯著增大，導(dǎo)致顆粒間不易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，開(kāi)始出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，煤粉的流動(dòng)性變差[19, 34]。當(dāng)外水含量由8.7%增加至10%時(shí)，煤粉的流動(dòng)特性從容易流動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)為有黏性區(qū)域，該區(qū)域中煤粉流動(dòng)困難，同時(shí)，由于液膜在顆粒表面的分布具有不均勻性，在液膜分布較多的顆粒之間極易團(tuán)聚，形成二次或者三次粒子，與簡(jiǎn)單的粉體團(tuán)聚狀態(tài)相比，二次粒子團(tuán)聚更為密實(shí)，二次或三次粒子團(tuán)之間會(huì)膠結(jié)形成黏聚粉體[28]。煤粉的團(tuán)聚會(huì)使顆粒黏附在料罐、管道等處，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致供料的中斷，不利于供料過(guò)程的順利進(jìn)行。

2.4 極限供料外水含量與最佳供料外水含量的判別

通過(guò)供料實(shí)驗(yàn)對(duì)煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量進(jìn)行判別是最有效和準(zhǔn)確的方法。但是，由于實(shí)驗(yàn)受到很多條件的限制，且需要消耗大量的人力和物力，在工業(yè)應(yīng)用中則不是一種便捷的方法。因此，有必要探討一種更簡(jiǎn)便的極限供料外水含量和最佳供料外水含量的判別方法。Emery 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，粉體的流動(dòng)函數(shù)與其流動(dòng)特性和料罐中的下料能力的變化規(guī)律是一致的。通過(guò)對(duì)比本文供料實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外水含量為供料實(shí)驗(yàn)獲得的最佳外水含量 4%左右時(shí)，煤粉的流動(dòng)函數(shù)達(dá)到最大值，同時(shí)黏附力達(dá)到最小值，煤粉的流動(dòng)特性也達(dá)到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的過(guò)程中，煤粉流動(dòng)性發(fā)生區(qū)域轉(zhuǎn)變，流動(dòng)性變差。當(dāng)外水含量為8.7%時(shí)，煤粉流動(dòng)函數(shù)剛好處于容易流動(dòng)區(qū)域與有黏性區(qū)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，當(dāng)外水含量為10%時(shí)，煤粉處于有黏性區(qū)域，流動(dòng)困難，同時(shí)黏附力也達(dá)到實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最大值，這也從流動(dòng)特性方面初步解釋了外水含量為 8.7%～10%是此褐煤的極限供料外水含量所在的區(qū)間。賀春輝等[28]研究昭通褐煤的極限輸送水分時(shí)也發(fā)現(xiàn)，通過(guò)流動(dòng)函數(shù)表征煤粉流動(dòng)特性時(shí)，煤粉流動(dòng)性區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)的全水含量為29%～30%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的粒間水含量約為 6%，與輸送實(shí)驗(yàn)獲得的極限水分值吻合較好。煤粉的輸送極限外水含量對(duì)其供料外水含量的判別具有一定的參考價(jià)值，盡管二者的相對(duì)關(guān)系還需要進(jìn)一步的深入研究。因此，與供料實(shí)驗(yàn)相比，通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)獲得煤粉的流動(dòng)函數(shù)和黏附力，可以作為初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

同時(shí)，需要注意的是，在工業(yè)應(yīng)用中，Shell粉煤氣化工藝要求入爐煤粉的水分含量小于 2%，而Prenflo和GSP粉煤氣化工藝均要求入爐煙煤水分含量小于2%，褐煤水分含量小于10%，K-T煤氣化工藝則要求入爐煤粉被干燥到適宜的水分含量（煙煤1%～2%，褐煤8%～10%）。煤粉的水分含量（特別是外在水分）的高低直接關(guān)系到運(yùn)輸成本和制粉過(guò)程的能耗[35]。對(duì)于褐煤而言，由于其煤化程度較低，其煤質(zhì)結(jié)構(gòu)與煙煤有著很大的差異，褐煤水分含量都很高，在其干燥過(guò)程中需要消耗大量的能量，且褐煤干燥后易重新吸收水分。因此，采用含有一定量適宜外水含量的褐煤作為氣化原料，一方面可以獲得較高的供料質(zhì)量流率，同時(shí)提高供料穩(wěn)定性，另一方面可降低煤粉干燥系統(tǒng)所需的高溫氣體的溫度和用量，提高煤粉制備系統(tǒng)的操作性和經(jīng)濟(jì)性。

3　結(jié) 論

（1）在初始外水含量3.3%的條件下，煤粉存在顯著的靜電效應(yīng)，供料過(guò)程中，在上出料式發(fā)送罐壁面以及提升管入口處能夠觀察到明顯的靜電放電現(xiàn)象。

（2）在外水含量為3.3%～10%的范圍內(nèi)，隨著煤粉外水含量的增加，煤粉供料質(zhì)量流率和固氣比均呈現(xiàn)先快速增加后逐漸降低的趨勢(shì)；在外水含量為 4%的條件下供料穩(wěn)定性最佳，隨著外水含量的進(jìn)一步增加供料穩(wěn)定性逐漸降低，當(dāng)外水含量增加至10%時(shí)，上出料式發(fā)送罐中的煤粉將出現(xiàn)極限不穩(wěn)定供料的情況。

（3）在外水含量為3.3%～10%的范圍內(nèi)，隨著煤粉外水含量的增加，煤粉的流動(dòng)函數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，黏附力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，煤粉的流動(dòng)性先變好后變差；在外水含量為 4%的條件下，煤粉的流動(dòng)性也達(dá)到最佳。

（4）實(shí)驗(yàn)所用煤粉的極限供料外水含量為8.7%～10%，其最佳供料外水含量大約為 4%。與供料實(shí)驗(yàn)相比，通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)獲得煤粉的流動(dòng)函數(shù)和黏附力，可以作為工業(yè)應(yīng)用中初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

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2016-01-28收到初稿，2016-04-18收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者:徐貴玲（1986—），女，博士，講師。

Received date: 2016-01-28.

中圖分類(lèi)號(hào):TQ 536

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438—1157（2016）07—2767—10

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20160129

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51506100）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（15KJB470008）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2010CB227002）。

Corresponding author:XU Guiling, xuguiling@njnu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51506100), the Natural Science Fundamental Research Project of Jiangsu Colleges and Universities (15KJB470008) and the National Basic Research Program of China (2010CB227002).

Influences of external moisture content in pulverized coal on discharge characteristics of top discharge blow tank

XU Guiling1, LU Ping1, XU Pan2, LIANG Cai2, CHEN Xiaoping2
(1Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

Abstract:Experimental investigations on the discharge characteristics of pulverized coal with different external moisture content were carried out in a dense-phase pneumatic conveying facility of top discharge blow tank. The effects of external moisture content on solid discharge rate, solid loading ratio and discharge stability were investigated. The limit and the best values of external moisture content for Neimenggu lignite used in the experiments were obtained. Combined with flowability analysis of the pulverized coal, the discriminate methods of limit and the best external moisture content for discharge process were discussed. The results showed that for pulverized coal with original external moisture content of 3.3%, an obvious electrostatic discharge phenomenon could be observed near the wall of the top discharge blow tank and the riser inlet during the discharge process.When the pulverized coal external moisture content was increased to 10%, arching phenomenon would appear in the top discharge blow tank. The limit external moisture content for Neimenggu lignite was in the range of 8.7%—10%, and its best external moisture content was about 4% corresponding to the maximum solid discharge rate and solid loading ratio, and to the best discharge stability. When the external moisture content was 4%, equal to the best external moisture content obtained by discharge experiments, the flow function reached the maximum value, the cohesion reached the minimum value and the pulverized coal flowability became the best. When the external moisture content was increased from 8.7% to 10%, the pulverized coal flowability turned from the easy flow region to cohesive region and the flowability became worse. When the external moisture content was 10%, the pulverized coal was in the cohesive region which meant difficult to flow. Compared with discharge experiments, the flow function and cohesion obtained by the shear tests could be used as preliminary criterion to judging the limit and best values of external moisture content pulverized coal in industrial applications more conveniently.

Key words:pneumatic conveying; two-phase flow; top discharge blow tank; pulverized coal; discharge characteristics; flow; flowability; external moisture content