王鋒，張志遠(yuǎn)，高健，肖恒，李剛，張勇

（1.國能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262700；2.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264006）

隨著我國近幾十年來氣力輸運(yùn)裝置的迅速發(fā)展，氣力輸運(yùn)逐漸成為粉粒狀物料輸運(yùn)的主要形式。生物質(zhì)粉末通過氣力輸運(yùn)系統(tǒng)送入爐膛進(jìn)行直接燃燒，可以提高爐膛燃燒效率及燃燒溫度，與煤摻燒能減小爐膛灰沉積，降低NOX的排放等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)粉末相對于煤粉有黏度大、密度小、松軟且易吸濕等不同的物理性質(zhì)，在受到未經(jīng)干燥的空氣進(jìn)行氣力輸運(yùn)時，容易貼附在管路壁面導(dǎo)致管路堵塞。結(jié)合生物質(zhì)粉末特有性質(zhì)，本文設(shè)計了適用于某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)，以便較好地解決某電廠生物質(zhì)粉末輸送問題，保證后續(xù)良好的燃燒工況。

1 某電廠生物質(zhì)粉末氣力輸運(yùn)系統(tǒng)分析

某電廠所涉及的生物質(zhì)粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等問題。為了保證輸送生物質(zhì)粉末的連續(xù)穩(wěn)定性，設(shè)計一種針對某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)。

1.1 基礎(chǔ)信息

生物質(zhì)粉末的物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 物料參數(shù)

該生物質(zhì)粉末氣力輸運(yùn)系統(tǒng)是由生物質(zhì)儲倉至鍋爐燃燒器的正壓氣力輸送系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。

表2 輸送系統(tǒng)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)參數(shù)計算

生物質(zhì)粉末氣力輸運(yùn)系統(tǒng)主要參數(shù)為生產(chǎn)率Gs、混合比μ、輸送氣流速度v、輸送風(fēng)量Q、管道直徑D、系統(tǒng)壓降△p總以及風(fēng)機(jī)功率P等。

（1）生產(chǎn)率Gs。生產(chǎn)率作為設(shè)備選型的主要因素，由工程需要的年度輸送量進(jìn)行計算?？紤]整個氣力輸運(yùn)裝置的供料情況，后續(xù)檢修時可能出現(xiàn)的其他情況等，一般需要為生產(chǎn)率增加一定的設(shè)計裕量 0α，0α一般在1.05～1.20，由工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)選取 0α為1.1。綜合上述各因素，Gs為6875kg/h。

（2）混合比μ?；旌媳圈淌侵竼挝粫r間內(nèi)所輸送物料質(zhì)量與氣體質(zhì)量之比，用下式表示。

式中，μ為混合比，kg/kg；G0為氣體質(zhì)量流量，kg/h。

混合比增大有利于提高輸送能力，所以混合比越大越經(jīng)濟(jì)。但是，當(dāng)混合比增大后，阻力損失也會增大，輸料管道容易產(chǎn)生堵塞。低真空度時，μ一般為0.1～8.0；高真空度時，μ在8～20。根據(jù)本裝置的輸送距離、生物質(zhì)粉末的物料性質(zhì)、管路布置及氣流輸送速度等因素，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，取混合比μ=3。

（3）輸送物料的氣流速度ν。輸送物料的氣流速度太低會使阻力系數(shù)增大，導(dǎo)致摩擦阻力增高。氣流速度過高不但浪費(fèi)能量，也會使物料粉末對管壁的沖擊、碰撞加劇而引起物料破碎加劇。因此，輸送物料的氣流速度要有一個最有利的經(jīng)濟(jì)速度。

由于本次的輸送速度無實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為依據(jù)，所以按以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

式中，ν為氣流速度，m/s；1α為輸送物料的粒度系數(shù)；mρ為物料密度，t/m3；β為特性系數(shù)，β=（2～5）×10-5；L為輸送管當(dāng)量長度。

結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，1α取12，β取3×10-5，當(dāng)量長度L為374m，計算出輸送物料的氣流速度為13.16m/s，取25m/s。

（4）輸送風(fēng)量Q。在溫度20℃，常壓狀態(tài)，相對濕度50%工況下，輸送物料所需要的有效風(fēng)量稱為輸送風(fēng)量Q，其計算公式為：

式中，0Q為常壓狀態(tài)下20℃時輸送風(fēng)量，m3/h；0ρ為常壓狀態(tài)下20℃時氣體密度，空氣為1.2kg/m3。

根據(jù)（3）式進(jìn)行輸送風(fēng)量Q的計算，在常壓、溫度20℃狀態(tài)下輸送風(fēng)量Q為1651m3/h。在實(shí)際情況下，輸送系統(tǒng)存在一定的漏風(fēng)，因此，在選擇風(fēng)機(jī)時需要增加一定的裕量。增加的裕量一般在10%～20%，即裕量系數(shù) 2α=1.1～1.2。該系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)裕量系數(shù) 2α=1.15，風(fēng)機(jī)的輸送風(fēng)量為1898.65m3/h。

（5）輸送管道直徑D。按所需要的空氣量計算輸送管道內(nèi)徑，不需要考慮漏損系數(shù)，如下式所示：

式中，D為輸送直徑，m；Q為某壓力、溫度狀態(tài)下的計算氣體體積流量，m3/h。

在該裝置中，管道輸送終端壓力為2kPa，管道輸送終端流量為1619.03m3/h。由上式計算出輸送管道內(nèi)徑D為151.38mm，按小于計算值選標(biāo)準(zhǔn)，管內(nèi)徑取D=143mm。

（6）系統(tǒng)壓降△p總。由于被輸送的物料和空氣在管道中運(yùn)動時會產(chǎn)生一定的阻力，因此，氣力輸送過程需要一定的能量。目前，多采用經(jīng)驗(yàn)公式對氣力輸送設(shè)計中的阻力進(jìn)行計算。

①水平輸料管中的阻力△P平。物料粉末間的相互摩擦、碰撞以及空氣和物料在運(yùn)輸過程中沿管壁的摩擦造成了水平輸料管中的阻力△P平。

△P平采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

式中，平PΔ 為氣體和物料在直管運(yùn)動的阻力，Pa；沿PΔ 為純氣體沿直管運(yùn)動的阻力，Pa；K為由實(shí)驗(yàn)確定的阻力系數(shù)，與氣流速度、物料粉末形狀大小、物理性質(zhì)及管徑等有關(guān)。

某電廠生物質(zhì)粉末輸運(yùn)管道由母管和支管組成。各管道水平段阻力計算結(jié)果，如表3所示。

表3 各管道水平段阻力

該系統(tǒng)各管道的風(fēng)量為2.95～25.27m3/min，風(fēng)速為17.41～30.25m/s。其中，母管水平段最長為225m，導(dǎo)致母管阻力最大為24.01kPa。

②垂直輸料管中的阻力。在垂直輸料管中的阻力，包括空氣和物料的沿程阻力損失和物料懸浮提升阻力，采用公式（6）和公式（7）進(jìn)行計算：

式中,Δ垂P為物料在垂直輸送管道中阻力，Pa；氣υ為垂直管氣流速度，m/s；Δ升P為物料懸浮提升產(chǎn)生的阻力，Pa；K為阻力系數(shù)；h為垂直管提升高度，m；物υ為垂直管中物料粉末處在穩(wěn)定運(yùn)動時的速度，近似取

某電廠生物質(zhì)粉末輸運(yùn)管道只有母管存在垂直段，垂直段長度為30m，母管流量為1367.41m3/h，母管速度為23.66m/s，母管直徑為143mm，物料懸浮提升產(chǎn)生的阻力Δ升P為1.65kPa，垂直段沿程阻力為2.6kPa，經(jīng)過計算，得到母管垂直段阻力為4.28Pa。

③起動時的阻力。在物料由供料處進(jìn)入輸送系統(tǒng)過程中，物料的速度由0m/s達(dá)到穩(wěn)定速度需要消耗一定的氣流流量，因此，物料起動時會產(chǎn)生一定阻力。

壓送式啟動阻力，按下式計算：

式中，Δ起P為物料起動壓力，Pa；0β為起動阻力系數(shù)，β0=（υ物υ氣）2；υ氣為進(jìn)料口氣流速度，在水平管中υ物=（0.7～0.85）υ氣m/s；ρ氣為進(jìn)料口氣體密度，kg/m3。

物料起動時的阻力Δ起P=（3×0.64×1.52×20.492）/2/1000=0.614kPa。

④彎頭等管件處的阻力。當(dāng)空氣和物料的粉末流通過彎管時，運(yùn)動方向發(fā)生變化，因慣性力及離心力作用，彎管處受沖擊、摩擦，物料在管道斷面上會重新分布和運(yùn)動，引起很大的阻力。這些阻力可用下式計算：

式中，Δ彎P為彎管中的阻力，Pa；彎ξ為彎管阻力系數(shù)（純空氣用）；氣ρ為彎管進(jìn)口處的空氣密度，kg/m3；氣υ為彎管進(jìn)口處的氣流速度，m/s；K彎為彎管阻力系數(shù)（兩相流用）。

彎ξ為取0.083，彎管處的平均流速為22m/s，K彎為取2.5，經(jīng)過計算得到彎管阻力為3.3kPa。各管道彎管阻力如表4所示。

表4 各管道彎管阻力

彎管阻力與彎頭數(shù)量呈正相關(guān)，即彎頭數(shù)量越多，彎管阻力越大。支管3-1至3-8的彎頭數(shù)量最多為4，因此，彎管阻力最大為1.02kpa。

⑤總阻力?？傋枇κ侵赶到y(tǒng)的母管和各支管產(chǎn)生的所有阻力，即

（7）風(fēng)機(jī)功率P。羅茨風(fēng)機(jī)流量為1651×2=3302m3/h，選用功率為63.5kW的羅茨風(fēng)機(jī)。

2 結(jié)語

結(jié)合某電廠的生物質(zhì)粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等性質(zhì)，設(shè)計了一種針對某電廠生物質(zhì)粉末的氣力輸送系統(tǒng)。通過對某電廠工程要求的年度輸送量計算出生產(chǎn)率Gs為6875kg/h。根據(jù)設(shè)計手冊，進(jìn)一步計算出該系統(tǒng)各管道的風(fēng)量為2.95～25.27m3/min，風(fēng)速為17.41～30.25m/s。系統(tǒng)總阻力為65.93kPa。配置一臺63.5kW的羅茨風(fēng)機(jī)為該系統(tǒng)提供動力。該系統(tǒng)保證了某電廠的生物質(zhì)粉末連續(xù)穩(wěn)定輸運(yùn)，確保了后續(xù)鍋爐穩(wěn)定燃燒。