流動(dòng)函數(shù)FF是表征粉體流動(dòng)性能的一個(gè)重要參數(shù)，通過(guò)流動(dòng)函數(shù)可以定性的判斷粉體流動(dòng)的難易程度，其值為團(tuán)結(jié)應(yīng)力與破壞強(qiáng)度的比值，該值越大，粉體的流動(dòng)性就越好。用流動(dòng)函數(shù)將粉體流動(dòng)難易程度進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表4[14]。圖2為本實(shí)驗(yàn)所用的M1和M2樣品的流動(dòng)函數(shù)曲線(xiàn)。采用PFT流動(dòng)性測(cè)試儀來(lái)對(duì)流動(dòng)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，M1和M2樣品的流動(dòng)函數(shù)均位于2～4，由表4可知，2種樣品流動(dòng)性都位于黏結(jié)區(qū)域，M2的流動(dòng)函數(shù)小于M1說(shuō)明了摻混20%萃余物使得煤粉的流動(dòng)性變差。

表4FF流動(dòng)函數(shù)和流動(dòng)性的關(guān)系
Table 4 Flow characteristics with FF function

流動(dòng)函數(shù)FF<1110流動(dòng)特性不流動(dòng)很黏結(jié)黏結(jié)容易流動(dòng)自由流動(dòng)

圖2 粉體流動(dòng)函數(shù)測(cè)試Fig.2 FF test result of powder fluidity

2種流動(dòng)性評(píng)價(jià)方法均說(shuō)明萃余物的添加使得粉體的流動(dòng)性變差，從圖3的SEM圖像可看出，煤粉顆粒的外表面平滑，為致密塊狀結(jié)構(gòu)，而萃余物顆粒則呈現(xiàn)典型的多孔疏松無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)有2個(gè)特點(diǎn):① 孔隙率高，比表面積大，萃余物內(nèi)部的空隙更容易吸附氣體，導(dǎo)致顆粒間的作用力加強(qiáng)而使得粉體易于壓縮，流動(dòng)性變差[15];② 為疏松的多孔結(jié)構(gòu)中仍存在少量殘余溶劑油，常鴻雁等[10]對(duì)萃余物的組分分析得到萃余物中含有1%的重質(zhì)油和2.7%的瀝青稀，這就使得萃余物粉體具有一定的黏結(jié)性。當(dāng)萃余物摻混到煤粉中后，萃余物顆粒在外力的作用下會(huì)與煤粉顆?；蚱渌陀辔镱w粒團(tuán)聚成二次粒子，二次粒子又會(huì)進(jìn)一步集結(jié)成團(tuán)，從宏觀(guān)來(lái)看，粉體被壓縮從而使得M2流動(dòng)性變差。

圖3 煤粉和萃余物顆粒SEM圖像Fig.3 SEM results of two samples

2.2 輸送操作規(guī)律

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中固定發(fā)料罐和接收罐之間的壓差，通過(guò)改變補(bǔ)充風(fēng)流量來(lái)調(diào)整M1和M2的質(zhì)量流量和粉體質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表5。

表5 輸送實(shí)驗(yàn)條件
Table 5 Experimental range

樣品管道內(nèi)徑/mm背壓/MPa壓差/MPa煤粉質(zhì)量流量/(kg·h-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(kg·m-3)表觀(guān)氣速/(m·s-1)M1/M2254/20.75/0.50/0.252 000～9 000120～5201.5～11.0

從圖4可看出，在背壓4 MPa下，當(dāng)管道氣速一定時(shí)，輸送M1和M2樣品的質(zhì)量流量和質(zhì)量濃度均隨著輸送總壓差的增大而增大，其原因?yàn)榭傒斔蛪翰瞀(發(fā)送罐與接收罐壓力差)是提供輸送動(dòng)力的來(lái)源，決定了系統(tǒng)的粉體輸送能力。在相同輸送總壓差條件下，隨著管道表觀(guān)氣速的增大，粉體流量增大至最大值后開(kāi)始逐漸降低，粉體流量達(dá)到最大值時(shí)的管道表觀(guān)氣速稱(chēng)為臨界氣速。這些輸送規(guī)律與前人對(duì)粉體加壓輸送的研究結(jié)果相同[16-17]，其原因?yàn)樵谂R界氣速的左右兩邊分別為高質(zhì)量濃度區(qū)和低質(zhì)量濃度區(qū)。在高質(zhì)量濃度區(qū)，管道壓降以顆粒相壓降為主，氣速越高，顆粒與顆粒/壁面之間的摩擦阻力減小，粉體質(zhì)量流量增大;而低質(zhì)量濃度區(qū)以氣相壓降為主，當(dāng)管道表觀(guān)氣速大于臨界氣速時(shí)，氣相壓降占比逐漸增大，隨著表觀(guān)氣速的增大，氣相壓降增大而導(dǎo)致顆粒相壓降降低，所以導(dǎo)致粉體質(zhì)量流量降低。如圖4所示，在背壓2 MPa也體現(xiàn)著這種輸送操作規(guī)律。

從圖4(a)與圖5(a)的對(duì)比可看出，當(dāng)背壓為4 MPa時(shí)，隨著表觀(guān)氣速的增大，輸送M1和M2時(shí)的質(zhì)量流量非常接近。當(dāng)背壓降低至2 MPa，輸送M2的質(zhì)量流量有下降的趨勢(shì)，臨界氣速會(huì)增大向右偏移，這主要是因?yàn)闅怏w的動(dòng)力黏度受到壓力的影響，低壓下氣體黏度降低，氣體攜帶粉體的能力下降，導(dǎo)致需要更高的表觀(guān)氣速才能使得輸送過(guò)程達(dá)到最大粉體質(zhì)量流量。圖4(b)與圖5(b)則說(shuō)明在低氣速區(qū)，輸送M2的質(zhì)量濃度低于M1的質(zhì)量濃度，隨著表觀(guān)氣速增大至臨界氣速后，輸送M1和M2的質(zhì)量濃度則相近，這說(shuō)明萃余物的摻混對(duì)粉體濃度影響主要體現(xiàn)在低表觀(guān)氣速區(qū)。在氣速較低時(shí)，輸送氣體所具有的動(dòng)能不足以使煤粉和萃余物顆粒充分懸浮在管道中，由于萃余物真密度大于煤粉，輸送過(guò)程中部分萃余物會(huì)在管道底部沉積，造成混合粉體在通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)的密度測(cè)量段時(shí)質(zhì)量流量偏小，而使得粉體質(zhì)量濃度偏低。

圖4 背壓4 MPa下操作參數(shù)對(duì)輸送特性的影響Fig.4 Effect of operating parameters on flow characte- ristics at 4 MPa

圖5 背壓2 MPa下操作參數(shù)對(duì)輸送特性的影響Fig.5 Effect of operating parameters on flow charac- teristics at 2 MPa

2.3 輸送穩(wěn)定性

煤粉輸送過(guò)程中，工藝參數(shù)的平均波動(dòng)幅度可用于指示氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的穩(wěn)定程度，而工藝參數(shù)的最大波動(dòng)幅度可用于指示工藝參數(shù)觸發(fā)高低限聯(lián)鎖跳車(chē)的可能性[7,18]。煤粉質(zhì)量流量是控制氧煤比的重要參數(shù)，其穩(wěn)定性是首要考慮的因素。氣固兩相流動(dòng)的不穩(wěn)定性也會(huì)表現(xiàn)在輸送管道上壓差信號(hào)的波動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將粉體質(zhì)量流量(Ms)和水平直管段壓差(ΔP)這2個(gè)參數(shù)作為輸送穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象。鑒于通過(guò)單一的相似工況對(duì)比來(lái)判斷輸送穩(wěn)定性具有一定的局限性，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下104個(gè)輸送工況的粉體質(zhì)量流量(Ms)和水平直管段壓差(ΔP)2個(gè)工藝參數(shù)的波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD來(lái)表示數(shù)據(jù)波動(dòng)的平均幅度，用FR來(lái)表示數(shù)據(jù)的波動(dòng)最大幅度，如圖6所示。

由圖6 可知:實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，輸送M1粉體時(shí)，粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差的波動(dòng)大小不隨著表觀(guān)氣速的改變而明顯變化。輸送M2粉體時(shí)，在氣速小于4 m/s的低氣速區(qū)，輸送過(guò)程非常不穩(wěn)定，粉體質(zhì)量流量的平均波動(dòng)幅度超過(guò)4%，最大波動(dòng)幅度超過(guò)15%，水平直管段壓差的平均波動(dòng)幅度超過(guò)8%，最大波動(dòng)幅度超過(guò)40%;當(dāng)氣速大于4 m/s后，輸送M2的質(zhì)量流量和水平直管段壓差的波動(dòng)顯著降低，隨著表觀(guān)氣速的增大，逐漸降低至與輸送M1同等水平，且波動(dòng)不再隨著氣速的增大而增大。

表觀(guān)氣速是影響氣力輸送流型的主要因素[19]，在低氣速區(qū)，因萃余物的真密度大和高壓下的顆粒團(tuán)聚性，部分萃余物顆粒在重力作用下出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)粉體的栓塞流動(dòng)，這種不穩(wěn)定流型導(dǎo)致輸送M1時(shí)的質(zhì)量流量和水平直管壓差波動(dòng)較大。在高氣速區(qū)，萃余物的摻混對(duì)粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差的壓差影響較小，這是由于輸送氣速越大，管道內(nèi)流型為均勻的懸浮流，顆粒所具有的動(dòng)能與勢(shì)能越大，輸送過(guò)程的穩(wěn)定性也越強(qiáng)。圖7給出了低表觀(guān)氣速區(qū)3 m/s和高表觀(guān)氣速區(qū)8 m/s兩個(gè)相近工況(背壓4 MPa，壓差0.25 MPa)的粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差的瞬時(shí)波動(dòng)，可看出低氣速區(qū)，如圖7(a)所示，M2的質(zhì)量流量和水平直管段壓差的波動(dòng)均大于M1，且當(dāng)工藝參數(shù)波動(dòng)較大時(shí)，質(zhì)量流量波動(dòng)和水平直管段壓差波動(dòng)之間具有一定的相關(guān)性，而在高氣速區(qū)，如圖7(b)所示，M1和M2的輸送過(guò)程波動(dòng)較小，2種粉體的質(zhì)量流量和水平直管段壓差的波動(dòng)幅度處于同一水平。

圖6 工藝參數(shù)波動(dòng)程度隨表觀(guān)氣速變化關(guān)系Fig.6 Experiment parameter fluctuations with averaged.Effect of superficial gas velocity on process parameters fluctuation

粉體流動(dòng)過(guò)程中的不穩(wěn)定本質(zhì)為輸送管道內(nèi)氣固兩相流相互作用的波動(dòng)特性，但是作為輸送的源頭，發(fā)送罐壓力PV的波動(dòng)對(duì)粉體在發(fā)送罐和輸送管道內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定有著直接影響，粉體流動(dòng)的不穩(wěn)定又會(huì)體現(xiàn)在管道壓力Pt、水平直管段壓差ΔP的波動(dòng)。由此可知輸送系統(tǒng)上下游的多個(gè)參數(shù)波動(dòng)存在著一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，各參數(shù)波動(dòng)的相關(guān)性如圖8所示。從圖8可看出M1和M2各波動(dòng)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)r沒(méi)有明顯差別，這說(shuō)明萃余物的添加不影響顆粒群的整體流動(dòng)特性，各參數(shù)間的波動(dòng)相關(guān)性不發(fā)生變化。RSD(Ms)與FR(Ms)相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)r為0.95，且RSD(Ms)是FR(Ms)的3～4倍，這與殼牌氣化輸送工段的煤粉流量最大波動(dòng)幅度為平均波動(dòng)幅度的5～7倍[19]相類(lèi)似;RSD(Ms)與RSD(ΔP)的相關(guān)性次之;RSD(Ms)與RSD(PV)、RSD(Pt)的波動(dòng)相關(guān)性最弱。其中，RSD(Ms)與RSD(ΔP)的波動(dòng)大小處于同一數(shù)量級(jí)，相關(guān)性系數(shù)r大于0.7，也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。

圖7 粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差瞬時(shí)波動(dòng)Fig.7 Fluctuation of mass flow rate and horizontal pipe pressure drop at different superficial gas velocity

圖8 RSD(Ms)與工藝參數(shù)波動(dòng)的相關(guān)性Fig.8 Correlation between RSD(Ms) and other process parameters fluctuations

3 結(jié) 論

(1)HR指數(shù)和FF流動(dòng)函數(shù)評(píng)價(jià)方法均說(shuō)明摻混萃余物會(huì)降低粉體的流動(dòng)性，流動(dòng)性變差的主要原因?yàn)樘砑虞陀辔锖?，粉體的可壓縮性變大。

(2)當(dāng)背壓為4 MPa時(shí)，隨著表觀(guān)氣速的增大，摻混萃余物對(duì)粉體質(zhì)量流量的影響較小。當(dāng)背壓降低至2 MPa，摻混萃余物會(huì)導(dǎo)致粉體質(zhì)量流量下降，且臨界氣速會(huì)增大向右偏移;摻混萃余物對(duì)粉體質(zhì)量濃度的影響主要體現(xiàn)在低氣速區(qū)，在高氣速區(qū)摻混萃余物不會(huì)對(duì)粉體質(zhì)量濃度的產(chǎn)生明顯影響。

(3)摻混萃余物對(duì)輸送穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在表觀(guān)氣速小于4 m/s的低氣速區(qū)，萃余物的摻混會(huì)導(dǎo)致輸送穩(wěn)定性變差;在表觀(guān)氣速大于4 m/s的高氣速區(qū)，萃余物的摻混對(duì)粉體質(zhì)量流量和水平直管段壓差的波動(dòng)影響較小。

(4)粉體輸送過(guò)程各工藝參數(shù)的波動(dòng)相關(guān)性不受摻混萃余物的影響。粉體質(zhì)量流量平均波動(dòng)與最大波動(dòng)幅度的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.95。