稀相氣力輸送水平彎管與文丘里管氣固流動特性

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(煤科院節能技術有限公司；煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室；國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

粉體稀相氣力輸送技術廣泛應用于各種生產領域中。對粉體氣力輸送裝置的一般要求為能夠連續的輸送粉料。在一些特殊的生產工藝中，粉體氣力輸送裝置除了需要滿足一般要求外，還需要保證其在單位時間輸送的粉料量盡可能的相同，即輸送粉體流量的穩定。要提高稀相氣力輸送過程中粉體流量的穩定性，除了對氣力輸送設備進行技術升級外，更需要建立一套有效、可靠、簡便的稀相氣力輸送粉體流量穩定性評價方法，為評價技術改造效果和用戶選用供料設備提供指導。

目前評價氣力輸送粉體流量穩定性的方法主要有2大類：1)直接稱重法。計量集料容器內實時質量變化，得到實時的粉體輸送量。本方法中由于需要稱量集料容器質量，因此計量設備量程大，精度低，無法保證測量的精確性。2)間接測量法。利用層析成像、超聲波等技術，測量輸送管道內粉體實時流量。該方法所需要儀器設備的價格昂貴，技術復雜，可靠性較差，并不適用于所有的氣力輸送設備和惡劣的工作環境。

管道壓差信號是氣、固兩相流動的重要參數，包含豐富的信息，是流動性、 輸送狀態、 管道幾何結構等特性的綜合體現。 國內一批研究者利用彎管、文丘里管等部件壓差測量粉體流量[1-6]，并取得一些成果。雖然通過節流部件壓差計量粉體流量的精度不高，但其原理完全可以被利用于粉體流量穩定性的評價中。

要利用管道壓差信號評價稀相氣力輸送粉體流量的穩定性，選擇適合的管道形式是需要考慮的關鍵問題。為了選擇更適合評價粉體流量穩定性的管道形式，本文中在常壓氣力輸送實驗臺上對水平彎管和文丘里管的壓差特性、流動型態和壓差信號波動特性等進行研究，并根據2種管道氣固流動特性選擇適合的管道形式。

1 實驗

常壓稀相氣力輸送實驗臺按照真實的煤粉工業鍋爐煤粉儲送系統設計搭建，如圖1所示。

圖1 實驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test bench

儲煤倉中煤粉經過鎖氣閥，在混合器中與輸送風充分混合后，進入內徑為100 mm的水平輸送管道，最終進入帶有稱重裝置的收煤倉。

水平管道總長為20 m，包括直管、 文丘里管、 90 °彎管，沿程布置壓差測點和電容層析成像(ECT)測點，如圖2所示。

輸送風量和給煤量由變頻器控制。輸送風量由V錐氣體流量計測量，精度為0.5%。彎管和文丘里管的壓差由瑞士Keller公司PD-23型壓差傳感器測量，精度為0.3%。收煤倉的實時質量由德國瑞馳稱重傳感器測量，其精度為0.3%。為了觀測管道內部煤粉流動狀態，在水平輸送管道的彎管和文丘里管上布置電容層析成像(ECT)測點。

本研究中選用煤粉為實際生產中使用的神府煙煤煤粉，平均粒徑為76 μm，真密度為1 350 kg/m3，堆積密度為725 kg/m3，含水率為5%。

圖2 水平管路測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points

2 結果與討論

2.2 2種管道的壓差特性

不同操作條件下，彎管與文丘里管壓差如圖3—4所示。從圖中可以看出，在煤粉流量給定條件下，彎管壓差隨輸送風速增加首先大幅增大，隨后增加趨勢逐漸減小，其變化規律與文獻[7]一致，而文丘里管壓差隨輸送風增加呈現近似線性關系。

圖3 彎管壓差特性Fig.3 Pressure difference of syphon

圖4 文丘里管壓差特性Fig.4 Pressure difference of Venturi

氣、固兩相流動時，水平彎管壓差經典計算公式[8]可表示為

(1)

式中：ζ為純氣體時彎管局部阻力系數，與彎管的尺寸和材質有關；m為固氣質量比；Ug為表觀氣速，m·s-1。K為經驗系數，Gs為粉體質量流率，kg·s-1；ρg為氣體密度，kg·m-3；A為管道截面積，m2。

氣、固兩相流動時，文丘里管經典壓差計算公式[9]表示為

(2)

式中：β為節流比；θ1為收縮角，(°)；θ2為擴張角，(°)；L為喉口段長度，mm；Gp為粉體質量通量，kg·m-2·s-1；Gs為粉體質量流率，kg·s-1；A為粉體流通面積，m2；Ug為表觀氣速，m·s-1；a、b、c、d、e、f為經驗系數。

由式(1)、(2)可知，氣、固兩相流動時，水平彎管壓差為表觀氣速的二次函數、為粉體質量流率的一次函數。對于幾何尺寸給定的文丘里管道，其壓差為表觀氣速和粉體質量流率的一次函數，因此水平彎管壓差隨風速增加呈現非線性升高趨勢，而文丘里管壓差隨輸送風增加呈現近似線性升高關系。

由于彎管壓差為表觀氣速的二次函數、為粉體質量流率的一次函數，因此彎管壓差對氣速變化產生的反應更加敏感。風速的微小變化就可能引起彎管壓差的劇烈波動，覆蓋粉體實時流量變化引起的壓差波動。

文丘里管壓差是風速和粉體質量流率的線性函數，對于常規氣力輸送設備來講，氣體瞬時流率要比粉體瞬時流率穩定得多，可以近似認為文丘里管壓差變化是由粉體流量瞬時變化產生的，則文丘里管道壓差變化幅度與粉體流量變化幅度呈現線性關系，因此利用文丘里管壓差波動來反應管道內煤粉流動的穩定性更加適合。

2.2 2種管道流動型態

ECT技術可以有效地觀測管道內的氣固流動狀態[10-11]，根據ECT圖像隨時間的變化規律，可以清楚地區分管道內流型。實驗中采用八電極ECT對彎管和文丘里管道內流型進行觀測。

在本文中所包含的稀相氣力輸送操作條件范圍內，氣固流動可出現懸浮流、分層流、沙丘流Ⅰ、沙丘流Ⅱ(快速移動的沙丘流)4種流型。根據水平管道截面的ECT實時圖像，可以得到不同時刻管道截面粉體(管底部)沉積情況，由管道內粉體沉積層的變化情況，可以判斷出氣固流動型態，如圖5所示。

圖5 不同流動型態示意及對應的ECT成像特征Fig.5 ECT images corresponding to different flow patterns

圖6為水平彎管和文丘里管在不同操作下氣固流動所處的流動型態。由圖可見，隨表觀氣速的降低或煤粉流率的增大，水平彎管內依次出現懸浮流、分層流及沙丘流。氣、固流型除了與固氣質量比有關外，還與具體的操作條件有關。相同固氣比、不同操作條件下，氣、固流型也可能不同。

a 彎管內氣固流型

b 文丘里管內氣固流型圖6 不同操作條件下管道氣固流型Fig.6 Flow patterns characteristics under different operating conditions

對于彎管，當固氣質量比小于0.8時，氣固流型為懸浮流。當固氣質量比在0.8～1.3之間，氣固流型以分層流為主。當固氣質量比大于1.3時，氣固流型以沙丘流為主。與文獻[12-13]相比較可知，相較于直管，水平彎管在更小的固氣質量比下就出現分層流和沙丘流，原因是氣固兩相流經過彎管時，由于離心作用，煤粉與彎管外側管壁撞擊、摩擦，導致煤粉顆粒的速度損失[14-15]，因此氣固兩相流流經彎管比流經直管時，更容易產生沉積，出現分層流和沙丘流。

對于文丘里管道，當固氣質量比小于1.7時，氣固流型為懸浮流。固氣質量比大于1.7時，氣固流型為層狀流。在本實驗中所涉及的操作條件下，并未出現沙丘流。這是由于氣流經過文丘里管收縮段時，氣體速度大幅增加，在文丘里管出口后部形成低壓區，對粉體顆粒產生“抽吸”作用[16]，同時氣速的增加也提高了氣流攜帶粉體的能力，因此在文丘里管道內部及附近不易出現粉體的沉積。

在局部管道內，若氣固流型為沙丘流，其氣體實際流動面積受到沙丘狀粉體起伏的影響，氣體實際流速不斷變化，因此相對于懸浮流和層狀流，沙丘流型態下管道的壓差信號波動更加劇烈。氣體實際流速的變化和“沙丘”的起伏，導致粉體流量變化也比懸浮流和分層流型態下粉體流量變化更加劇烈。文丘里管即使在固氣質量比較高的操作條件下，其內部氣固流動依然保持懸浮流和層狀流的型態，因此壓差信號更加穩定，其壓差信號更加適合反映粉體流動的穩定性。

2.3 管道壓差信號波動的統計學分析

為了比較彎管與文丘里管壓差波動程度，在同一工況下，對2種管道壓差信號進行數學統計分析。圖7為輸送風流速16 m·s-1，給粉量0.24 kg·s-1下，彎管和文丘里管壓差信號的概率密度函數分布特征。

圖7 彎管與文丘里管道壓差信號的概率密度分布Fig.7 Probability density distribution of pressure drop signals in syphon and Venturi

從圖中可以看出，彎管壓差信號概率密度分布在1～3 kPa，其壓力信號分散程度大，且呈現雙峰狀態。文丘里管壓差信號概率密度分布在1.8～2.7 kPa，且呈現單峰狀態。在輸送風流速16 m·s-1，給粉量0.24 kg·s-1條件下，彎管內氣、固流型為沙丘流，文丘里管內氣、固流型為懸浮流。根據文獻[17]論述，隨著兩相流動過程復雜性和擾動程度增大，壓力信號概率密度越分散，呈多峰狀態狀，可以看到在相同操作條件下，由于2種管道氣固流型特性的差異，文丘里管道內氣固流動狀態受流型的擾動程度更小，因此流動更穩定。

利用文丘里管壓差信號評價粉體流動穩定性，可以避免沙丘流導致的氣固流動不穩定對壓差信號的干擾。

3 利用文丘里管壓差信號評價煤粉流量穩定性的應用

根據彎管和文丘里管壓差特性、流型特性和壓差信號波動特性的考察結果，本文中選擇利用文丘里管壓差信號來評價煤粉流量的穩定性。

利用小波空域相關性去噪法[18-19]，對不同操作條件下文丘里壓差原始信號進行降噪，得到有效壓差信號，構造具有統計學意義的粉體流量穩定性指標。

粉體流量均勻性指數J[20]，

(3)

粉體流量離散性指數L，

(4)

式中：n為有效數壓差信號中包含的數據個數；Pi為第i個數據值；Pa為有效信號中所有數據的數學期望值；Pmax為有效信號包含數據中的極大值；Pmin為有效信號包含數據中的極小值。

均勻性指數J越小，說明一段時間內粉體瞬時流量越均勻。粉體流量離散性指數L越小，說明一段時間內粉體瞬時流量變化分為越小，分布越集中。

利用收煤倉增重信號可以直接反應煤體流量的穩定性。 圖 8—9 為時均給煤量 0.24 kg·s-1，不同風速條件下，利用文丘里管道壓差有效信號計算得到的煤粉流量穩定性指標與粉倉增重信號的統計指標對比。

圖8 粉體流量均勻性指數、粉倉增重信號標準差系數隨風速變化規律Fig.8 Variation of flow uniformity index and weight gain signal with wind speed

圖9 粉體流量離散性指數、粉倉增重信號極差系數隨風速變化規律Fig.9 Variation of flow uniformity index and weight gain signal with wind speed

收煤倉增重信號的標準差系數反映煤粉瞬時流量的均勻程度，收煤倉增重信號的極差系數反映煤粉瞬時流量的變動范圍。收煤倉增重信號的標準差系數和極差系數越小，說明煤粉流量波動越小、穩定越強。由圖8—9可以看出，煤粉流量均勻性指數與收煤倉增重信號標準差系數隨氣速的增加均逐漸減小，煤粉流量離散性指數與收煤倉增重信號極差系數隨氣速的增加也逐漸減小，即時均給煤量給定的條件下，輸送風速越大粉體流量越穩定，這與前文分析相一致。同時也可以看到，根據文丘里壓差信號計算得到的煤粉流量穩定性指數可以很好地評價煤粉流量穩定性。

4 結論

1)水平彎管和文丘里管壓差隨著風速和給煤量的增加而增大。煤粉流量給定條件下，彎管壓差隨輸送風速增加首先大幅升高，隨后增加趨勢逐漸減小，而文丘里管壓差隨輸送風增加呈現近似線性關系。

2)由于離心作用，彎管中煤粉顆粒與外側壁面碰撞、摩擦，導致速度損失，因此更加容易出現煤粉沉積。而流體通過文丘里管，會在出口后部形成低壓區，對煤粉顆粒產生“抽吸”作用，同時局部氣速增加也提高了氣流攜帶粉體的能力，在文丘里管道內部及附近不易出現煤粉的沉積，因此隨固氣質量比增加，在彎管中更早出現分層流和沙丘流。

3)在相同操作條件下，彎管壓差信號的概率密度函數呈現分散、多峰的分布型態，文丘里管壓差信號呈現集中、單峰的分布形態。

4)通過比較2種管道的壓差特性、流型特性和壓差信號波動特性，選擇文丘里管壓差信號來評價稀相氣力輸送粉體流量穩定性。構造具有統計學意義的粉體流量穩定性指標，可以有效地比較不同操作條件下粉體流量的穩定程度。