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        生物質(zhì)粉末化氣力輸送及燃燒實(shí)驗(yàn)研究

        2023-04-04 09:40:24黃衛(wèi)疆
        大科技 2023年13期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        黃衛(wèi)疆

        (廣西桂物能源工程設(shè)計(jì)有限公司,廣西南寧 530022)

        0 引言

        在我國,農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)良好,對(duì)應(yīng)的生物質(zhì)資源數(shù)量極為豐富,相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國農(nóng)林廢棄物每年產(chǎn)生量超過7 億t,能夠充當(dāng)能源的數(shù)量有3.6 億t,能夠有效緩解我國能源短缺及環(huán)境污染壓力。從傳統(tǒng)生物質(zhì)利用角度來說,存在污染嚴(yán)重、效率不足等問題,在生物質(zhì)氣化技術(shù)幫助下,該類問題能夠得到充分解決。對(duì)于生物質(zhì)粉末運(yùn)輸,常見運(yùn)輸形式有螺旋給料方式以及活塞式給料方式,但在運(yùn)輸時(shí),容易出現(xiàn)粉末壓實(shí)堆積堵塞管道等情況,為此,需要提升生物質(zhì)粉末氣力輸送技術(shù)的重視度。

        1 固體粉末氣力輸送

        氣力輸送過程中,主要是以氣流充當(dāng)載體,通過管道完成粉末、粒裝等固體物料運(yùn)輸操作。由于輸送管兩端存在壓力差,能夠?yàn)楣艿纼?nèi)部空氣流動(dòng)提供充分條件,使得物料顆粒獲得充足的移動(dòng)能量。氣力輸送系統(tǒng)建設(shè)上,主要涉及的結(jié)構(gòu)內(nèi)容有氣源、供料裝置、輸送管道等等。相關(guān)人員通過對(duì)上述部件的正確選擇,能夠讓主體結(jié)構(gòu)更具靈活性特點(diǎn)?,F(xiàn)階段,很多企業(yè)均引入了氣力輸送技術(shù),完成對(duì)不同顆粒物料的運(yùn)輸,為其他工序開展創(chuàng)造有利條件。

        1.1 氣固兩相流的基本性質(zhì)

        兩相流也被人們稱之為多相流動(dòng),各相之中具有較大的濃度變化范圍。相比于單相流,兩相流特點(diǎn)如下:①兩相之中的顆粒狀態(tài)以分散為主,粒徑大小存在明顯差異,而且呈現(xiàn)出不同的運(yùn)行規(guī)律;②由于固體顆粒與氣體介質(zhì)具有不同的運(yùn)動(dòng)慣性,顆粒相與氣相之間的運(yùn)動(dòng)速度存在較大差異,該運(yùn)動(dòng)速度也被稱之為相對(duì)速度;③固體顆粒在傳輸方面,顆粒與管壁之間會(huì)出現(xiàn)碰撞與摩擦情況,導(dǎo)致兩相運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯變化,增加靜電效應(yīng)出現(xiàn)的可能性;④當(dāng)出現(xiàn)紊流問題時(shí),顆粒運(yùn)動(dòng)以及氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)出現(xiàn)相互干擾的情況;⑤流場(chǎng)內(nèi)部存在明顯的壓力和速度梯度,再加上顆粒形狀不規(guī)則,容易導(dǎo)致其出現(xiàn)顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間的碰撞,內(nèi)部作用力提升明顯[1]。

        1.2 氣力輸送系統(tǒng)的分類

        通過管道來輸送物料,由于其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜,當(dāng)氣流速度、物料數(shù)量等出現(xiàn)變化后,內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)同樣會(huì)隨之改變。一般來說,物料在輸送管道中流動(dòng)狀態(tài)分類,可根據(jù)輸送管道內(nèi)部氣流速度大小,以及物料數(shù)量情況進(jìn)行,常見類型包括兩種:①懸浮流,在氣流動(dòng)壓作用下,物料顆粒能夠處于流動(dòng)狀態(tài);②栓流,在氣流動(dòng)壓以及靜壓作用下,物料顆粒同樣能夠被推動(dòng)。另外,針對(duì)氣力輸送系統(tǒng)分類,可按照輸送管道中形成氣流情況進(jìn)行,常見類型有吸送式和壓送式。如果是按照輸送壓力進(jìn)行劃分,主要包括高壓式和低壓式。

        1.3 常見的氣力輸送系統(tǒng)

        常見的氣力輸送系統(tǒng)形成包括以下幾方面:①正壓式氣力輸送系統(tǒng)。該類系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí),相關(guān)人員需要在起點(diǎn)位置安裝風(fēng)機(jī)或者是空氣壓縮機(jī),保證更多高氣壓空氣進(jìn)入供料裝置內(nèi)部,最終到達(dá)貯罐,將過濾好的空氣排放至大氣層之中。相比之下,正壓式氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部輸送壓差巨大,能夠在遠(yuǎn)距離、大容量運(yùn)輸中發(fā)揮出作用,對(duì)空氣質(zhì)量要求較高,應(yīng)避免水、油等雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。②負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)。負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí),主要是從幾個(gè)物料源中執(zhí)行取料任務(wù),之后將其轉(zhuǎn)移到具體收集點(diǎn)上。為了維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),羅茨風(fēng)機(jī)或真空泵應(yīng)用顯得尤為重要,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部空氣的有效抽吸,讓輸送管內(nèi)部負(fù)壓氣流低于大氣壓。

        總的來說,負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)料方式,要比正壓式氣力輸送系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單,但在卸料器以及除塵器設(shè)定上,負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)需要具有較高的嚴(yán)密性,排料時(shí),也要具備良好的氣密條件,從這里也能夠看出,兩種設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)容十分復(fù)雜。另外,負(fù)壓式氣力輸送系統(tǒng)很難完成遠(yuǎn)距離輸送任務(wù),這主要是由于輸送距離越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的真空度要求越高,氣固混合物也會(huì)越稀。為了維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,會(huì)對(duì)其壓力降限度進(jìn)行設(shè)定,一般為44kPa[2]。

        2 生物質(zhì)粉末燃料的氣力輸送實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

        相比于煤粉,生物質(zhì)粉末所呈現(xiàn)出的物理性質(zhì)不同,自身密度較小,松軟程度較高,而且具備易吸濕特點(diǎn)。氣力輸送時(shí),如果應(yīng)用沒有經(jīng)過干燥的空氣,很容易出現(xiàn)貼附問題,最終導(dǎo)致管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。生物質(zhì)粉末本身具備獨(dú)特性質(zhì),為了更好地解決相關(guān)問題,本文通過氣力輸送裝置實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行論證,避免后續(xù)燃燒工況出現(xiàn)問題。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上,主要內(nèi)容有輸送罐、流量計(jì)、空壓機(jī)、收集布袋等等。為了更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求,相關(guān)人員還會(huì)對(duì)輸送罐進(jìn)行改裝,將壓力表和流量計(jì)安裝其中。對(duì)于壓力表安裝位置,主要集中在罐頂充壓管路以及引射管路內(nèi)部。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),當(dāng)空壓機(jī)沖壓操作結(jié)束后,總路氣閥將被打開,并確保罐頂閥門處于全開狀態(tài),只有這樣,才能確保上部正壓數(shù)量滿足相關(guān)應(yīng)用條件。首先,工作人員只需開引射管路,對(duì)其流量大小進(jìn)行合理調(diào)節(jié),了解輸送罐出口粉體流動(dòng)情況,對(duì)氣體流量進(jìn)行記錄。其次,設(shè)定新的旁通補(bǔ)氣管路。當(dāng)引射風(fēng)量保持不變時(shí),改變旁路流量,了解此時(shí)的出口粉體流態(tài),并對(duì)理想狀態(tài)下的管路氣體流量進(jìn)行記錄。再次,將引射風(fēng)量改變,此時(shí),繼續(xù)上述旁路流量調(diào)節(jié)操作,之后再觀察出口粉體流態(tài),記錄輸送效果相對(duì)理想時(shí)的各管理氣體流量。最后,對(duì)引射管的伸入長(zhǎng)度進(jìn)行合理調(diào)節(jié),保證旁通補(bǔ)氣管路閥門開度處于最佳狀態(tài),此時(shí),對(duì)輸送罐出口粉體流動(dòng)情況進(jìn)行全面記錄和了解,明確此時(shí)的管路氣體流量狀態(tài)[3]。

        2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        氣體體積流量計(jì)算過程中,具體計(jì)算公式如下:

        初始階段,旁通管路往往處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)沖壓管路打開后,空壓機(jī)總氣體壓力數(shù)值為0.7MPa。當(dāng)引射管伸入長(zhǎng)度L 為25mm 時(shí),工作人員可以將引射管路閥門打開,保證其開度逐步增加,結(jié)果顯示,當(dāng)引射管路氣體流量超過24Nm3/h 時(shí),粉體輸送工作無法繼續(xù)進(jìn)行。此時(shí),如果繼續(xù)將引射管路閥門開度提升,內(nèi)部氣體流量達(dá)到28Nm3/h 左右時(shí),粉體能夠處于稀相輸送狀態(tài)。當(dāng)氣體流量達(dá)到30~32Nm3/h 后,粉體能夠處于連續(xù)濃相輸送,此時(shí),旁通補(bǔ)氣管無須開啟。經(jīng)過一段時(shí)間的輸送,內(nèi)部壓力及流速會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),此時(shí),同樣需要加開旁通補(bǔ)氣管,保證旁通氣體流量維持在14Nm3/h 左右,對(duì)應(yīng)的引射管氣體流量為23Nm3/h,此時(shí),粉體依舊能夠維持濃相輸送。具體空氣流量計(jì)流速如表1 所示。

        表1 空氣流量及流速

        如果引射管深入長(zhǎng)度數(shù)值為50mm,實(shí)驗(yàn)主體操作流程同上,從試驗(yàn)結(jié)果中能夠看出,當(dāng)引射管路氣體流量在21Nm3/h 以上時(shí),粉體能夠處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)。如果音色環(huán)路氣體流量在26Nm3/h 左右,粉體能夠處于連續(xù)稀相輸送,當(dāng)引射管路氣體流量增加至26~30Nm3/h范圍時(shí),粉體能夠處于連續(xù)濃相輸送,后續(xù),當(dāng)壓力和流速降低之后,同樣可以通過旁通補(bǔ)氣管加開操作,保證輸送工作的穩(wěn)步開展。補(bǔ)氣時(shí)濃相輸送狀態(tài)如圖1所示。

        圖1 補(bǔ)氣時(shí)濃相輸送狀態(tài)

        從上述試驗(yàn)結(jié)果中能夠看出,引射管路伸入長(zhǎng)度越長(zhǎng),粉體能夠連續(xù)均勻地保持稀相輸送狀態(tài),且所需要的引射空氣數(shù)量越少。如果引射管路伸入長(zhǎng)度有限,錐體落下的粉體會(huì)直接被引射管外部負(fù)壓空氣卷吸噴出,粉體在懸浮狀態(tài)下的輸出,往往會(huì)消耗大量氣體動(dòng)力。如果引射管深入輸送管數(shù)量較多,所產(chǎn)生的負(fù)壓數(shù)量,能夠讓附近粉體得到抽吸,此時(shí),粉體連續(xù)稀相輸送操作,并不需要加入其他形式的空氣動(dòng)力[4]。

        3 生物質(zhì)粉末燃料燃燒實(shí)驗(yàn)

        3.1 燃燒設(shè)備的基本要求

        在燃燒器應(yīng)用方面,主要應(yīng)用目的是將燃料和空氣送入燃燒室內(nèi)部,并對(duì)氣流進(jìn)行組織,保證燃料和空氣能夠在燃燒室中有序混合,實(shí)現(xiàn)著火和燃燒過程??偟膩碚f,燃燒器產(chǎn)生的風(fēng)粉混合效果,與燃燒器形式存在直接關(guān)系。在燃燒設(shè)備應(yīng)用時(shí),應(yīng)該以穩(wěn)定和安全為基礎(chǔ),避免燃燒過程出現(xiàn)更多污染物,降低實(shí)驗(yàn)成本。

        3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

        為了維護(hù)實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行,相關(guān)人員需要在燃燒器風(fēng)道內(nèi)安裝上流量計(jì),對(duì)一次和二次風(fēng)量進(jìn)行計(jì)量,還要在燃燒室內(nèi)部安裝測(cè)溫?zé)犭娕?。首先,在粉體元素分析方面,能夠?qū)ν耆紵隣顟B(tài)下的理論空氣需求量進(jìn)行估算,明確生物質(zhì)粉末元素組成情況。其次,輸送罐之中的供給內(nèi)容為一次風(fēng)粉,以及燃燒器中的一次、二次風(fēng)需得到初步測(cè)量,明確具體的風(fēng)速和流量數(shù)值。再次,對(duì)燃燒過程中的平均溫度進(jìn)行計(jì)算。一般來說,熱電偶計(jì)算往往均會(huì)應(yīng)用到數(shù)字溫度表,以接觸式測(cè)量形式為主。實(shí)際燃燒溫度范圍應(yīng)集中在900~1500℃。最后,當(dāng)燃燒溫度得到明確后,工作人員可針對(duì)一次和二次風(fēng)的風(fēng)速范圍進(jìn)行確定,之后了解煙氣之中的具體組成成分,選擇合適的配比范圍。如果一次風(fēng)處于固定不變的狀態(tài),相關(guān)人員需要針對(duì)二次風(fēng)流量進(jìn)行合理調(diào)整,此時(shí),還要觀察具體的火焰色度以及燃燒情況,針對(duì)不同二次風(fēng)流量,保證燃燒溫度的多次測(cè)量。如果二次風(fēng)固定不變,工作人員可依靠引射器料調(diào)整一次風(fēng)流量[5]。

        3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        在點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)方面,操作人員可通過煤氣點(diǎn)火槍,將生物質(zhì)粉末直接點(diǎn)燃,了解其具體的燃燒情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中能夠了解到,煤氣點(diǎn)火槍能夠?qū)⑸镔|(zhì)粉末迅速點(diǎn)燃,之前熱重實(shí)驗(yàn)中所得到的生物質(zhì)粉末著火溫度為220℃左右,相比于煤粉,生物質(zhì)粉末點(diǎn)燃難度更低,并不需要在其中加入汽油等物質(zhì),燃燒過程不會(huì)出現(xiàn)較多碳煙。另外,在氣力輸送裝置中的燃燒實(shí)驗(yàn)開展方面,操作人員應(yīng)提前明確一次和二次風(fēng)速確定原則。對(duì)于氣流離開燃燒器出口的一次風(fēng)速,會(huì)對(duì)著火過程產(chǎn)生極大影響,如果一次風(fēng)速較高,著火距離會(huì)大幅提升,影響整體燃燒穩(wěn)定性。如果一次風(fēng)速較低,著火時(shí)間也會(huì)提前,增加燃燒器噴口燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。例如,在煤粉燃燒上,其燃用煤種與一次風(fēng)速之間存在緊密聯(lián)系,如果煤的揮發(fā)分較高,對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤軌蜻M(jìn)一步提升一次風(fēng)速。從燃燒火焰的狀態(tài)角度來說,如果燃燒器二次旋流風(fēng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài),實(shí)際二次直流風(fēng)流量數(shù)值保持在28Nm3/h 時(shí),所呈現(xiàn)出的煤氣火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng),火焰集中度較高。如果將燃燒器二次直流風(fēng)閥門關(guān)閉,二次旋流風(fēng)的流量同樣保持在28Nm3/h,所呈現(xiàn)出的煤氣火焰長(zhǎng)度較短,火焰外擴(kuò)情況十分明顯。

        4 結(jié)語

        生物質(zhì)直接燃燒工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,能夠保證對(duì)可再生能源的充分利用,最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的燃燒效率得到更好展示。對(duì)于輸送系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì),其緊湊性特點(diǎn)明顯,設(shè)計(jì)原理并不復(fù)雜,通過與生物質(zhì)粉末燃燒裝置的配合,最終得到的燃燒溫度能夠達(dá)到1200℃以上,保證生物質(zhì)燃料的應(yīng)用能級(jí),緩解不可再生能源的消耗壓力。

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