王歡歡 王 祥 向文國(guó)

(東南大學(xué) 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)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，為了滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須提高煤炭利用率，減少污染物排放，發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)[1]，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) (IGCC，Integrated Gasification Combined Cycle)就是一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)[2]。其中煤氣化技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，氣流床氣化技術(shù)是目前主流的氣化技術(shù)，其碳轉(zhuǎn)化率很高，但由于它采用液態(tài)排渣，所以要求入爐煤的灰熔點(diǎn)低于氣化爐的操作溫度(1 400～1 600℃)[3]，因此高灰熔點(diǎn)的煤種不太適合；流化床氣化技術(shù)的煤種適應(yīng)性好，但其入爐煤粒徑分布寬，氣化溫度低，故碳轉(zhuǎn)化率偏低；高倍率循環(huán)流化床氣化技術(shù)能夠較好地克服常規(guī)流化床氣化技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率較低的缺陷，因此是較好的選擇[4]，但由于其爐內(nèi)高溫、高壓的環(huán)境，很難直接采用常規(guī)爐渣的冷卻方式，此時(shí)高溫、高壓的排灰技術(shù)成為亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)外常用的水冷螺旋排渣器(Ash Cooling Screws)[5]和葉輪旋轉(zhuǎn)閥(Rotary Valves)具有排料速率準(zhǔn)確、不易失控的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)材料性能和加工精度的要求高，轉(zhuǎn)動(dòng)部件易磨損，高壓下易漏氣，因此不適合用于較高壓力的環(huán)境下。L閥通過(guò)改變充氣流量來(lái)調(diào)節(jié)排渣(灰)速率，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、操作方便，能有效避免卡死及磨損等問(wèn)題，是目前最常用的一種非機(jī)械閥。但它的缺陷也比較大：控制排渣(灰)速率的定量性較差，精度相對(duì)較低，同時(shí)回調(diào)性較差，還易失控[6]。

榮德剛等對(duì)L閥工作壓力進(jìn)行深入研究，探究了不同壓力下控制L閥排渣速率的可行性[7]，同時(shí)還研究了L閥前后壓差對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行的影響。L閥返料的質(zhì)量流率與通入的輔助松動(dòng)風(fēng)量基本呈線性關(guān)系。充氣點(diǎn)位置不同時(shí)，調(diào)節(jié)特性有一定的差異，Knowlton T M最早探究了L閥充氣點(diǎn)高度與其調(diào)節(jié)特性的關(guān)系，推薦最佳充氣點(diǎn)高度應(yīng)在水平管段軸線上方兩倍管徑處[8]。房倚天和吳晉滬研究了可伸入L閥水平段內(nèi)的水平充氣管，解決L閥拐點(diǎn)死區(qū)結(jié)焦問(wèn)題[9]，發(fā)現(xiàn)增加水平管在L閥內(nèi)的伸入長(zhǎng)度，其返料能力會(huì)下降，而且伸入長(zhǎng)度超過(guò)一定值后將不能正常工作。郭慕孫和李洪鐘基于多相流理論和散料力學(xué)提出了L閥的流體動(dòng)力學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)顆粒質(zhì)量流率及壓降等[10]。Arena U等研究了不同粒徑、不同密度的顆粒在L閥中的調(diào)節(jié)特性[11]。還有許多研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出了充氣流量和固體顆粒流率之間的函數(shù)關(guān)系[12～14]。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了L閥的調(diào)節(jié)特性，分別探究顆粒粒徑、顆粒密度和充氣點(diǎn)位置對(duì)L閥粉體流量調(diào)節(jié)特性的影響，探究其作為排灰裝置的可行性，并與流動(dòng)密封閥的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由儲(chǔ)料倉(cāng)、立管(內(nèi)徑19mm，高度1m)、L閥和兩個(gè)接料倉(cāng)組成(圖1)。固體顆粒在氣動(dòng)閥的作用下從儲(chǔ)料倉(cāng)落下，穿過(guò)立管，在接料倉(cāng)中被回收。儲(chǔ)料倉(cāng)底部通入松動(dòng)風(fēng)以防止物料搭橋堵塞。圖2為實(shí)驗(yàn)所使用的L閥結(jié)構(gòu)：水平管段長(zhǎng)5DLV，在距水平管段軸線高2DLV處設(shè)上充氣點(diǎn)，距水平管段軸線高DLV處設(shè)下充氣點(diǎn)，此外還設(shè)置了水平管段充氣管，其伸入長(zhǎng)度可調(diào)，L閥直徑與立管直徑相同。

圖1 L閥返料系統(tǒng)示意圖

圖2 L閥結(jié)構(gòu)

1.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用粒徑不同的石英砂和鐵礦石作為循環(huán)物料。常壓下幾種物料的主要物理參數(shù)見表1。用水置換法測(cè)得顆粒的密度，并根據(jù)Grace J R提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出臨界流化速度[15]。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的主要物理參數(shù)

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前，檢查系統(tǒng)的氣密性，確保系統(tǒng)不漏氣。在儲(chǔ)料倉(cāng)中裝滿循環(huán)物料，打開高壓氣瓶，向儲(chǔ)料倉(cāng)和接料倉(cāng)中供氣，調(diào)節(jié)背壓閥使其處于一定的差壓Δp下(Δp為儲(chǔ)料倉(cāng)與接料倉(cāng)的壓力差)。將流量計(jì)調(diào)至設(shè)定工況值，打開右閥門，使物料落在右接料倉(cāng)中。運(yùn)行一段時(shí)間，返料穩(wěn)定后，關(guān)閉右閥門，同時(shí)打開左閥門，并開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t后，關(guān)閉左閥門，打開右閥門。用天平秤測(cè)量左接料倉(cāng)物料的質(zhì)量。

1.4數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與討論

2.1粒徑對(duì)L閥顆粒質(zhì)量流率的影響

實(shí)驗(yàn)考察了粒徑分別為82、170、350μm的石英砂的調(diào)節(jié)特性(圖3)，均由上充氣管通氣。評(píng)價(jià)L閥調(diào)節(jié)特性重點(diǎn)要考察質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)質(zhì)量包括兩個(gè)方面，一是充氣流量與質(zhì)量流率的線性相關(guān)性，線性相關(guān)系數(shù)越接近1其調(diào)節(jié)特性就越好；二是回歸直線的斜率，斜率大說(shuō)明充氣流量變化不大時(shí)，質(zhì)量流率卻變化很大，這種情況下，調(diào)節(jié)難度大，調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。由圖可知，3條調(diào)節(jié)曲線線性相關(guān)性都較高；粒徑越大，曲線的斜率越小，這表明L閥對(duì)粒徑較大的顆粒調(diào)節(jié)精度高，可控性較好，分析圖3還發(fā)現(xiàn)粒徑較大的兩種石英砂的最大顆粒質(zhì)量流率幾乎相同，與82μm的石英砂差距較大。這是因?yàn)锳類顆粒之間的粘性力較大，流動(dòng)性能差，影響了顆粒在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并且A類顆粒在立管中的下降速度也比較慢。從圖中還可以看出，充氣流量小于某一值時(shí)，固體顆粒不流動(dòng)，一般稱此時(shí)的風(fēng)量為最小松動(dòng)風(fēng)量(臨界啟動(dòng)風(fēng)量)Qmin，粒徑越大的顆粒最小松動(dòng)風(fēng)量越大。

圖3 粒徑對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響

實(shí)驗(yàn)還觀察到90μm的鐵礦石(A類顆粒)其質(zhì)量流率波動(dòng)性較大，并且當(dāng)氣量逐漸增大時(shí)波動(dòng)性增大(圖4)。在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)氣量稍大時(shí)，充氣點(diǎn)以下的固體顆粒很快被氣體輸送走，但是充氣點(diǎn)上面的固體顆粒仍保持短暫的靜止?fàn)顟B(tài)，在極短時(shí)間后才落下，充氣口下方的立管中出現(xiàn)氣栓，立管中連續(xù)落料的狀態(tài)被打破，顆粒下落速度忽快忽慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。L閥水平段中沙丘和氣栓交替產(chǎn)生，這使得固體顆粒質(zhì)量流率波動(dòng)性增加。其原因是A類顆粒粒徑小，顆粒層粘附強(qiáng)度大，易相互團(tuán)聚，并且顆粒與立管壁之間的粘附力較大，所以流動(dòng)性能較差。

圖4 A類顆粒顆粒質(zhì)量流率波動(dòng)性

2.2密度對(duì)L閥顆粒質(zhì)量流率的影響

比較L閥返送粒徑相似、密度不同的顆粒時(shí)的調(diào)節(jié)曲線，可得到密度對(duì)L閥調(diào)節(jié)特性的影響，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)使用平均粒徑82μm、密度2 070kg/m3的石英砂和平均粒徑90μm、密度4 272 kg/m3的鐵礦石，由圖可知，兩者的曲線斜率相差不大，說(shuō)明密度對(duì)質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)特性的影響較小，石英砂的曲線略高，表明達(dá)到相同的質(zhì)量流率，密度大的顆粒需要的風(fēng)量更大，兩者最明顯的區(qū)別是最大質(zhì)量流率值。鐵礦石最大質(zhì)量流率是石英砂的2倍，而達(dá)到最大顆粒質(zhì)量流率石英砂和鐵礦石所需的風(fēng)量分別是100、200L/h。這表明密度大的顆粒的氣量調(diào)節(jié)范圍更寬。圖5中還可以發(fā)現(xiàn)最小松動(dòng)風(fēng)量與密度也有一定關(guān)系，密度越大，最小松動(dòng)風(fēng)量越大。

圖5 密度對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響

2.3充氣點(diǎn)高度對(duì)L閥顆粒質(zhì)量流率的影響

充氣口位置與質(zhì)量流率調(diào)節(jié)特性的關(guān)系，即充氣點(diǎn)高度對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響如圖6所示。可以看出從上充氣口充氣得到的曲線斜率略小，即達(dá)到相同質(zhì)量流率時(shí)所需要的充氣流量要多一些。這是由于充氣高度的增加使得L閥流動(dòng)阻力增加，立管有效高度略有減少，必須提供更多的氣量以產(chǎn)生足夠的壓頭才能使顆粒運(yùn)動(dòng)。但是阻力的增加使得氣量調(diào)節(jié)范圍更寬，控制精度提高，所以在合理范圍內(nèi)選擇較高位置的充氣管是有利的。

圖6 充氣點(diǎn)高度對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響

在實(shí)驗(yàn)中觀察到，對(duì)于直徑較大的水平管，氣體從其上部逸散，其底部的顆粒并沒(méi)有流動(dòng)，形成了死區(qū)。為此，嘗試在其底部設(shè)置水平充氣管，將底部的靜止顆粒吹出。將水平段充氣管氣量調(diào)到300、0L/h時(shí)，改變上充氣管充氣流量，得到水平充氣管充氣流量對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響(圖7)。觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，水平充氣時(shí)質(zhì)量流率稍有增加，此時(shí)質(zhì)量流率達(dá)到最大值所需要的上充氣管氣量也較小，這使得氣量的調(diào)節(jié)范圍略微縮小。但總體來(lái)說(shuō)，水平段充氣管對(duì)L閥返料特性影響不大。

圖7 水平段充氣管充氣流量對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響

單獨(dú)利用水平段充氣管充氣時(shí)伸入長(zhǎng)度為DLV，伸入長(zhǎng)度對(duì)顆粒的返送也有較大的影響，超過(guò)一定值后，只從水平段充氣管充氣將不能返料。由表2可以看出，相比上充氣管，水平段充氣管的返料能力很有限，顆粒質(zhì)量流量最大值約為4.5g/s，只有上充氣管的1/25，因此不適合作為主要返料方式，但是由于其返料特性曲線斜率較小，表明其調(diào)節(jié)精度高，可以作為輔助返料方式，與上充氣管配合工作，即上充氣管保持在某一氣量，改變水平段充氣管氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)上充氣管相當(dāng)于粗調(diào)，而水平充氣管相當(dāng)于細(xì)調(diào)，如圖8所示，當(dāng)上充氣口氣量不變，分別為200、300L/h時(shí)，改變水平管充氣流量，其顆粒質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)范圍分別是15～35g/s和33～50g/s，調(diào)節(jié)特性曲線的斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于只用上充氣口充氣的情況，這表明這種組合方式的調(diào)節(jié)精度更高。

表2 上充氣管與水平段充氣管顆粒質(zhì)量流率比較

圖8 組合充氣方式對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響

3 L閥和流動(dòng)密封閥的比較

此前，王祥和向文國(guó)已經(jīng)使用型式相同的實(shí)驗(yàn)裝置研究了流動(dòng)密封閥的調(diào)節(jié)特性[16]。在此可以比較L閥和流動(dòng)密封閥調(diào)節(jié)特性的差異。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下(即立管直徑相同、顆粒物性相同、前后壓差相同)，L閥和流動(dòng)密封閥比較結(jié)果如圖9所示。此時(shí)流動(dòng)密封閥循環(huán)室流化風(fēng)流化數(shù)固定在1.2，改變給料室松動(dòng)風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié)顆粒質(zhì)量流率；L閥通過(guò)調(diào)節(jié)其上充氣口氣量來(lái)調(diào)節(jié)顆粒質(zhì)量流率。由圖可知，兩種氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)特性曲線的線性度較高，均在0.9以上，但是與流動(dòng)密封閥相比，L閥的曲線斜率更高，這表明改變相同的風(fēng)量，L閥顆粒質(zhì)量流率變化更大，因此顆粒質(zhì)量流量調(diào)節(jié)精度較低。同時(shí)L閥最小松動(dòng)風(fēng)量也較小，這是因?yàn)長(zhǎng)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行阻力較小，所以只需很小的風(fēng)就可以啟動(dòng)，流動(dòng)密封閥結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，流動(dòng)阻力較大，所以顆粒質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)精度更高。總體來(lái)說(shuō)，流動(dòng)密封閥調(diào)節(jié)性能更好，L閥的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、易啟動(dòng)，適用于大多精度要求不高的場(chǎng)合。且流動(dòng)密封閥能返送較細(xì)的顆粒，而L閥不是特別適用，因?yàn)橘|(zhì)量流率會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。

圖9 L閥和流動(dòng)密封閥比較

4 結(jié)論

4.1L閥輸送粒徑較大的顆粒時(shí)，氣量調(diào)節(jié)的線性度高，范圍大，可控性好。而對(duì)于粒徑較小的顆粒，L閥不太適用。密度對(duì)質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)質(zhì)量影響較小，對(duì)調(diào)節(jié)范圍影響較大，密度越大，調(diào)節(jié)范圍越寬。

4.2L閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了，隨充氣位置上升，由于閥門阻力增加，此時(shí)顆粒流率控制精度有所提高。水平段充氣管的返料能力有限，但其調(diào)節(jié)精度遠(yuǎn)高于其他充氣管，與上充氣管配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)顆粒質(zhì)量流率精確調(diào)節(jié)。

4.3比較L閥和流動(dòng)密封閥的調(diào)節(jié)特性發(fā)現(xiàn)，兩者的調(diào)節(jié)特性曲線的線性度都較高。與流動(dòng)密封閥相比，L閥的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易啟動(dòng)、適用范圍也較廣，但調(diào)節(jié)精度略低，且不適用于較細(xì)的顆粒。

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