李曉鵬，張東峰

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024)

1 氣力輸送技術(shù)研究現(xiàn)狀

氣力輸送技術(shù)以其效率高、成本低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)得到了各國青睞。食品、制藥、塑料、化工、水泥、陶瓷及金屬等工業(yè)部門已普遍采用這一方法來輸送不同顆粒的物料。當(dāng)前，除了某些黏附性很強(qiáng)的物料外，生產(chǎn)中物料的倒倉、運(yùn)輸、供料及計(jì)量等工序需輸送粉狀物料時(shí)，普遍使用氣力輸送技術(shù)進(jìn)行輸送。而經(jīng)過多年持續(xù)改進(jìn)，使用該方法的系統(tǒng)性和可靠性都為業(yè)界所一致推崇［1－2］。

但是，就目前理論研究還處于起步階段［3］的復(fù)雜的二相流動(dòng)氣力輸送而言，由于沒有成熟的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致各相關(guān)方面，特別是煤礦的應(yīng)用實(shí)例較少。針對不同應(yīng)用背景下的氣力輸送方法，最可靠的還是從實(shí)驗(yàn)中探討得出。

2 氣力輸送實(shí)驗(yàn)方案

2.1 粉煤灰性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)選擇粉煤灰作為輸送物料。粉煤灰是燃煤電廠生產(chǎn)過程中排出的固體廢料，是煤炭經(jīng)過燃燒后形成的細(xì)灰。表1為實(shí)驗(yàn)用粉煤灰測試數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)用粉煤灰測試數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的是正壓濃相倉式泵氣力輸送系統(tǒng)［4］。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、密封性能好、輸送能力強(qiáng)、輸送距離長等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)主要由氣源動(dòng)力系統(tǒng) (1－6)、進(jìn)料－混合－加速系統(tǒng) (7－17，20)、管道輸送系統(tǒng) (19，21－24)、氣固分離系統(tǒng)(18)、測量監(jiān)控系統(tǒng) (7，9，11，14，19，23)及控制系統(tǒng)等組成。圖1為氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。

本實(shí)驗(yàn)采用以下設(shè)備:FHOG－150A型單螺桿空氣壓縮機(jī) (容積流量為20m3/min，排氣壓力為0.75MPa)1臺(tái);儲(chǔ)氣罐 (容積為10m3，工作壓力為0.8MPa，負(fù)責(zé)向進(jìn)氣閥組、料倉氣化裝置和庫頂收塵器供氣)1個(gè);配置為DN100(φ114m× 300m)、DN125(φ140mm ×400m)、DN150 (φ168mm×300m)逐級(jí)變徑，輸送總長度為1000m的輸送管道1條;氣源壓力變送器21臺(tái)，發(fā)送單元壓力變送器1臺(tái)，管道壓力變送器1臺(tái);料位計(jì)2臺(tái);稱重儀 (重力傳感器)1臺(tái);溫度傳感器1臺(tái);氣體流量計(jì)1臺(tái);固體流量計(jì)2臺(tái)以及電容層析成像測試系統(tǒng)(ECT)2套。

圖1 氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.3 實(shí)驗(yàn)描述

通過對系統(tǒng)在不同輸送狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)的觀測及對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)中的普遍規(guī)律，確定輸送過程中的最優(yōu)參數(shù)及最佳系統(tǒng)配置。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為輸送距離、進(jìn)氣量和輸送壓力。實(shí)驗(yàn)選擇的參量分別對應(yīng)200m，400m，600m的輸送距離，進(jìn)氣孔為恒定的 45mm，壓力為100kPa，120kPa，140kPa，160kPa，180kPa，200kPa的條件下分別進(jìn)行，并記錄數(shù)據(jù)。另外，實(shí)驗(yàn)使用ECT系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 開泵壓力對系統(tǒng)出力的影響

實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)出力是指在一定的輸送距離下，氣力輸送系統(tǒng)能夠輸送多少粉煤灰，用m表示，單位為t/h。將每組實(shí)驗(yàn)中3次實(shí)驗(yàn)的出庫灰量的平均值作為每次運(yùn)行工況的固體質(zhì)量，根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的時(shí)間，計(jì)算出每小時(shí)運(yùn)行次數(shù)，其與累計(jì)流量的乘積即為本工況下的系統(tǒng)出力。

圖2所示為進(jìn)氣量為45mm孔即系統(tǒng)位于高速區(qū)時(shí)，在不同輸送距離情況下，開泵壓力與系統(tǒng)出力的變化曲線。由圖2可知，輸送長度為200m時(shí)，出力最大，最大可達(dá)到14.66t/h;隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)出力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但基本保持不變。輸送長度為400m時(shí)，出力處于中間水平，波動(dòng)較小，輸送穩(wěn)定。輸送長度為600m時(shí)，出力最小，隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)出力呈逐漸減小的趨勢。

圖2 開泵壓力與系統(tǒng)出力的關(guān)系

3.2 開泵壓力對料氣比的影響

實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的料氣比是指在一定的輸送距離下，系統(tǒng)輸送的固體的質(zhì)量流量與消耗的氣體的質(zhì)量流量之比，用μ表示，單位為kg/kg。料氣比反映了系統(tǒng)輸送的能力和效率。

圖3所示為進(jìn)氣量為45mm孔即系統(tǒng)位于高速區(qū)時(shí)，在不同輸送距離情況下，開泵壓力與料氣比的變化曲線。由圖3可知，輸送長度為200m時(shí)，料氣比最大，最大值可達(dá)21.42kg/kg，隨著開泵壓力的增大，系統(tǒng)料氣比呈波浪式增加的趨勢。輸送長度為400m時(shí)，隨著開泵壓力的增大，料氣比有增大的現(xiàn)象并在出現(xiàn)了峰值后減小，與系統(tǒng)出力圖變化趨勢相似，仍是輸出穩(wěn)定，其料氣比大于輸送長度為600m時(shí)的料氣比。輸送長度為600m時(shí)，料氣比最小，隨著開泵壓力的增大，料氣比有增大的趨勢并出現(xiàn)了峰值后減小的趨勢。這是由于在400m時(shí)，在各種耦合條件下，稀相達(dá)到了穩(wěn)定。也可推斷出在200m時(shí)為不穩(wěn)定的稀相，600m為向濃相的過度階段，數(shù)據(jù)有跳躍現(xiàn)象。

綜合圖2，圖3可知，開泵壓力對出力、料氣比的影響不大。

3.3 壓降的變化規(guī)律

圖4為通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣管道的長度 (分為3種情況)，在不同的開泵壓力下管道壓降的變化曲線。由圖4可知，在相同的輸送長度下，系統(tǒng)壓降值隨著開泵壓力值的增大而增大 (個(gè)別情況下會(huì)出現(xiàn)誤差)且在140kPa的開泵壓力下壓降值最小;而在相同的開泵壓力值下，減小輸送長度使得管道壓降降低，增大輸送長度使得系統(tǒng)壓降增高。這與理論系統(tǒng)的管道壓降是一致的。

圖3 開泵壓力與料氣比的關(guān)系

圖4 開泵壓力與壓降的關(guān)系

因此，通過減少輸送距離可以減小輸送過程中的系統(tǒng)壓降，提高工作效率。

3.4 氣體表觀速度對單位壓降的影響

圖5為輸送距離200m時(shí)，不同的開泵壓力Pr下單位壓降與氣體表觀速度的關(guān)系。

圖5 單位壓降與氣體表觀速度的關(guān)系

由圖5可以分析出氣力輸送中相態(tài)，即可確定經(jīng)濟(jì)流速線。圖5中只有在開泵壓力為120kPa時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即經(jīng)濟(jì)速度點(diǎn);在其他的開泵壓力下都是上升的平滑曲線，都處于稀相，沒有經(jīng)濟(jì)速度點(diǎn)。

對于不同距離下的氣力輸送系統(tǒng)，氣固兩相流的流動(dòng)差異變化較大，各自的流動(dòng)規(guī)律均不能在所有的情況下通用，需要獨(dú)立分析和研究。

因此可以確認(rèn):在輸送距離為200m的情況下，系統(tǒng)的料氣比、出力較大，并且系統(tǒng)的壓力損失較小，是理想的輸送長度。

3.5 電容層析成像系統(tǒng) (ECT)監(jiān)測分析

3.5.1 電容層析成像系統(tǒng)

采用電容層析成像系統(tǒng)在氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流態(tài)復(fù)雜多變，常規(guī)的測量方法只能對流速、密度和壓力進(jìn)行測量。利用電容層析成像技術(shù)對實(shí)驗(yàn)全程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可更多地了解氣固兩相流中各相分布的具體情況，特別是管道內(nèi)部流態(tài)的實(shí)時(shí)變化及測量［5］。實(shí)驗(yàn)共布置ECT系統(tǒng)2套，分別位于距離發(fā)送器約150m處的DN100管道上部和約350m處的DN125管道上部。該系統(tǒng)一方面可以實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)控DN100和DN125管道內(nèi)的氣固兩相流流動(dòng)狀態(tài)，并通過圖像分析系統(tǒng)的運(yùn)行分析相關(guān)特征和規(guī)律;另一方面可對管道內(nèi)的固相含率β(固相含率，是指在管道截面內(nèi)固相所占的比率，是衡量輸送效率的一個(gè)重要指標(biāo))進(jìn)行測量，并分析相關(guān)運(yùn)行規(guī)律。圖6為ECT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，主要包括電容陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)3個(gè)部分［6］。

圖6 ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

固相含率測量原理［7－11］為像素值在像素中對應(yīng)為等效介電常數(shù)，因此，固相含率可由簡單的平均重建圖像像素值獲得，瞬時(shí)橫截面平均固體濃度βs(t)為

式中，gi代表瞬時(shí)時(shí)刻t下第i平均像素下的灰度值;N代表像素號(hào)。

3.5.2 ECT系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果分析

3.5.2.1 固相含率分析

根據(jù)固相含率的定義可知:空隙率=1－固相含率，即空隙率的變化規(guī)律與固相含率的變化規(guī)律恰恰相反。

圖7為DN100 ECT傳感器截面1和截面2的固相含率隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知，2個(gè)截面的固相含率變化趨勢基本相同，僅在局部數(shù)值上有一定差異。這是由于兩截面相距僅160mm的緣故。曲線整體變化較為平穩(wěn)，趨勢為由0到最大值，然后保持相對穩(wěn)定，說明此時(shí)物料正由管道的始端向末端輸送。輸送開始后，氣固兩相流由發(fā)送器到達(dá)傳感器截面1需要約11s。此時(shí)，含率值快速增大并逐漸上升。在輸送過程中曲線以波狀變化為主，呈脈動(dòng)狀。在輸送過程中固相含率值多在0.05～0.15范圍內(nèi)波動(dòng)，偶爾出現(xiàn)峰值，其最大值接近0.3，波狀流的振幅不大;同時(shí)可以看到，固相含率的峰值較為一致，而且上下相差不大，這說明輸送過程穩(wěn)定。

圖7 固相含率與時(shí)間的關(guān)系

3.5.2.2 實(shí)時(shí)圖像分析

圖8為縱截面上氣固兩相流隨時(shí)間變化的規(guī)律。圖9為橫截面上氣固兩相流的實(shí)時(shí)濃度分布圖像。

圖8 縱截面上氣固兩相流隨時(shí)間變化

圖9 橫截面上氣固兩相流實(shí)時(shí)濃度

圖9中有每隔25ms截取的一個(gè)橫截面圖像，總時(shí)間跨度達(dá)350ms。兩圖分別從橫、縱截面角度形象地展示了氣固兩相流以波狀流運(yùn)行狀況。從圖上可看出:固相處于管底，為氣力輸送中的管底流(又稱線條流)，是屬于稀相運(yùn)輸，這與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論相同。

4 結(jié)論

(1)氣力輸送的輸送效率與輸送距離、進(jìn)氣量、輸送壓力有關(guān)。

(2)輸送距離影響料氣比、系統(tǒng)出力、壓力損失。通過改變參量，可得知:200m是最佳的輸送距離，屬于稀相輸送，但效率并非最高。

(3)通過ECT系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)測監(jiān)測，可測得固相含率為0.05～0.15，最大值接近0.3，波流狀的振幅不大，說明輸送過程穩(wěn)定，并為稀相運(yùn)輸，與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論相同。

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