清潔煤粉加工過程中的煤粉流變特性及其應(yīng)用

鄭元剛，武 瓊，李 靜，翟淑紅，藍(lán) 天

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273516；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

眾多的煤炭清潔高效利用技術(shù)，如超(超)臨界燃煤發(fā)電、煤粉型工業(yè)鍋爐、水煤漿氣化、潔凈型煤等，均涉及煤粉的制備、儲存與輸送。在煤粉儲存和輸送過程中，易出現(xiàn)結(jié)拱、排料不暢、粒度偏析等工程問題，嚴(yán)重時必須停機(jī)進(jìn)行檢修，造成流程中斷，影響生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。出現(xiàn)此類問題的原因，大多數(shù)情況下是缺乏對煤粉流變特性的了解，以及在工程設(shè)計時對粉體的力學(xué)特性重視不夠。比如，由于料倉設(shè)計規(guī)范形成較晚，因此有許多設(shè)計者把料倉當(dāng)作一般常壓液體儲罐來設(shè)計，從而忽視了粉體料倉設(shè)計的獨特性，在生產(chǎn)過程中就會出現(xiàn)堵倉、老鼠洞、崩料等現(xiàn)象[3]。

粉體是由一個個微小的固體顆粒和其間氣體所組成的，顆粒尺寸一般小于500 μm。煤粉顆粒的直徑范圍大多數(shù)為0～100 μm，其中20～50 μm的顆粒占大多數(shù)。粉體在靜止時以固體狀態(tài)存在，而在運動時呈現(xiàn)出固體所不具備的流動性和流變形，與流體的很多特征相似。正如不少國外學(xué)者所認(rèn)為的，粉體是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)，既不同于氣體、液體，也不完全同于固體，是氣、液、固相之外的第四相。研究煤粉的流變特性，對于解決煤炭清潔高效利用過程中遇到的問題很有必要。

1 測試樣品

本文針對兗礦動力煤粉的流變特性進(jìn)行試驗研究，并根據(jù)流變特性給出一般煤粉倉的設(shè)計步驟和結(jié)果。兗礦動力煤粉取自兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司制粉系統(tǒng)。該制粉系統(tǒng)為潔凈型煤生產(chǎn)提供原料煤粉，對入料水分適應(yīng)范圍寬，可高達(dá)10.0%以上。根據(jù)工藝設(shè)計，在煤粉生產(chǎn)過程中同時還具有干燥功能，煤粉產(chǎn)品的水分在3.0%左右，90%的顆粒粒徑控制在200 μm以下。煤粉樣品的工業(yè)分析指標(biāo)見表1，粒度分布見表2和圖1。

表1 兗礦動力煤粉工業(yè)分析

由表1可知，兗礦動力煤屬于典型的氣煤，具有低灰、低硫、高發(fā)熱量特點，是優(yōu)質(zhì)的動力用煤和煉焦用煤。

表2 兗礦動力煤粉粒度特征

圖1 兗礦動力煤粉粒度分布

由圖1可知，試驗煤粉樣品的粒度分布為典型的對數(shù)正態(tài)分布，細(xì)粒級含量多(Dx (50)=38.6 μm)、粗粒級含量少。根據(jù)前人研究可知，對于煤粉來說，10 μm以下顆粒組分的數(shù)量變化對其流動性有較大的影響，細(xì)粒粉料對煤粉的流動性起到?jīng)Q定性作用，粗顆粒若沒有細(xì)粒的黏結(jié)是不會有較大黏性的[1]。本試驗煤粉樣品中10 μm以下煤粉顆粒占到體積含量的25%左右，本樣品流動性較差。

2 流變特性測試

根據(jù)謝曉旭、沈湘林[1]等人的研究，煤粉的流動特性主要與煤粉的粒徑分布、含水率、空隙度、表面特征等因素有關(guān)。隨著煤粉含水率和細(xì)粉含量的增加，煤粉的流動函數(shù)值變小，其流動能力變差；研究還發(fā)現(xiàn)，在其它條件類似的情況下，煤粉表面結(jié)構(gòu)的差異對煤粉的流動性有時也有較顯著的影響。煤粉表面結(jié)構(gòu)主要是受煤種和破碎方式的影響。由于本試驗的樣品是在生產(chǎn)線運行正常情況下采取的，其性質(zhì)和流變特性基本保持穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的代表性。

兗礦動力煤粉的流變特性通過FT4粉體流變儀測定。該流變儀是由英國富瑞曼科技有限公司生產(chǎn)的1臺多功能粉末流變儀，配合不同的附件可以測量粉末的流動性質(zhì)、剪切性質(zhì)和粉末的整體特性。

2.1 容積密度

表3列出了不同應(yīng)力下兗礦動力煤粉的容積密度。由圖2可知，容積密度與壓縮應(yīng)力呈冪函數(shù)變化形式，在壓縮應(yīng)力初始增加階段，容積密度增加較快，隨后變化越來越慢。主要原因是因為開始時粉體中含有較多的氣體，在壓力增加時體積變化明顯，隨著粉體顆粒間的間隙越來越小，粉體越來越接近固體，體積變化不如前期大，密度越來越接近常數(shù)。通過數(shù)據(jù)擬合，得到容積密度ρb與壓縮應(yīng)力P的關(guān)系(見圖2，相關(guān)系數(shù)R2=0.9999)：

ρb=0.6866P0.0781

(1)

表3 壓縮應(yīng)力與容積密度表

圖2 容積密度與壓縮應(yīng)力的關(guān)系擬合

2.2 剪切特性

利用粉體流變儀的旋轉(zhuǎn)剪切盒和標(biāo)準(zhǔn)容器組件，可以得到煤粉的主應(yīng)力與剪切應(yīng)力的關(guān)系。表4為在9 kPa預(yù)處理應(yīng)力下主應(yīng)力和剪切應(yīng)力的值。

將主應(yīng)力和剪切應(yīng)力的值在坐標(biāo)系中擬合，得到主應(yīng)力和剪切應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 7，見圖3。主應(yīng)力和剪切應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系可表述為：

τ=0.6497σ+1.27

(2)

式中：σ為主應(yīng)力，kPa；τ為剪切應(yīng)力，kPa。

表4 主應(yīng)力與剪切應(yīng)力(9 kPa)的關(guān)系

圖3 破壞包絡(luò)線與莫爾圓

式(2)就是在預(yù)處理應(yīng)力9 kPa時粉體的破壞包絡(luò)線方程，破壞包絡(luò)線與x軸的夾角就是內(nèi)摩擦角[7]。

通過同樣的方法可以得到預(yù)處理應(yīng)力為6 kPa和15 kPa時的FF值和有效內(nèi)摩擦角等，見表5。

將σ1和σc的值在坐標(biāo)系中擬合，得到FF的函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.9528，見圖4。FF的函數(shù)關(guān)系可表述為：

σc=0.268σ1+0.947

(2)

式中：σ1為最大主應(yīng)力，kPa；σc為無約束屈服強(qiáng)度，kPa。

表5 不同預(yù)處理應(yīng)力下兗礦動力煤粉流變特性

圖4 流動函數(shù)FF擬合關(guān)系式

有效內(nèi)摩擦角取各預(yù)處理應(yīng)力下的平均值，δ=41.77°。

2.3 壁面摩擦角

壁面摩擦角(φ)反應(yīng)了粉末和壁面材料的粘附能力，φ越大粘附能力越強(qiáng)，與作用在料斗內(nèi)表面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力有關(guān)。表6為不同正應(yīng)力下兗礦動力煤粉與表面粗糙度為1.2 μm的不銹鋼之間的剪切應(yīng)力測試結(jié)果。

表6 不同正應(yīng)力下的剪切應(yīng)力

將正應(yīng)力和剪應(yīng)力的值在坐標(biāo)系中擬合，得到壁面屈服軌跡，相關(guān)系數(shù)R2=0.9983，見圖5。壁面屈服軌跡與x軸的夾角就是壁面摩擦角φ，φ=tan-1(0.5394)=28.342°。

圖5 壁面屈服軌跡關(guān)系式

3 煤粉料倉設(shè)計分析

3.1 料倉設(shè)計的一般原則

根據(jù)粉體從料倉流出的形式分為漏斗流和質(zhì)量流兩種，質(zhì)量流又稱整體流。在整體流料倉中，卸料時所有物料均勻地向卸料口流動，不存在流動“死區(qū)”，料位均勻下降，卸料流動穩(wěn)定均勻；而在漏斗流料倉中，卸料時只有中心部位的物料向卸料口流動，在該“流動區(qū)”以外的部分為流動“死區(qū)”，易于出現(xiàn)“老鼠洞”和結(jié)拱現(xiàn)象，使卸料流動不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)噴瀉的情況[3]。在設(shè)計過程中，要充分掌握粉體物料的理化特性，在保證料倉有效容積和穩(wěn)定安全生產(chǎn)的前提下，選擇合適流型的料倉。由于整體流料倉對場地要求高、使用壽命短，對不同粉體的適應(yīng)性差，前期建造成本高，整體流料倉有一定的局限性；但從后期使用和管理的角度看，現(xiàn)場粉體已經(jīng)基本確定，可針對其流動特性設(shè)計整體流料倉，利于現(xiàn)場管理和持續(xù)運轉(zhuǎn)，從而降低生產(chǎn)維護(hù)成本。綜合起來看，整體流料倉是比較合理、簡單、經(jīng)濟(jì)的選擇。

在設(shè)計階段，為了獲得理想的整體流型，必須綜合考慮影響流型的各因素，比如粉體流變特性、料倉幾何參數(shù)和材料參數(shù)等。料倉的結(jié)構(gòu)型式有多種，較為常見的有圓筒形和方形兩種，其中以圓筒形料倉最為常見，在場地面積有限的情況下有時也將料倉設(shè)計成方形。

3.2 筒倉形狀參數(shù)計算

煤粉在流動過程中會產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，對后續(xù)工藝影響嚴(yán)重；并且煤粉長時間存儲易發(fā)生自燃現(xiàn)象，存在一定的安全隱患，因此應(yīng)使煤粉在倉內(nèi)的流動形式為整體流。在圓筒形料倉內(nèi)實現(xiàn)整體流，主要由兩個參數(shù)決定，一個是卸料口的尺寸B，一個是下料斗的半頂角α，根據(jù)Jenike理論，這兩個參數(shù)可由物料的有效內(nèi)摩擦角δ和壁面摩擦角φ確定，通過式3和式4計算：

根據(jù)以上公式和煤粉的流變特性測試結(jié)果，各參數(shù)計算值見表7。

由上可知，兗礦動力煤粉在圓筒形料倉內(nèi)實現(xiàn)整體流的條件是：料倉下料斗的半頂角α不能大于15.4°，卸料口的尺寸B不能小于0.50m。為保證料倉對物料發(fā)生微小變化的適應(yīng)性，防止料倉內(nèi)整體流與漏斗流交替出現(xiàn)，影響正常卸料，實際設(shè)計時可將計算得出的半頂角減去3°、卸料口尺寸加20%的安全因子，即α=12.4°、B=0.60 m作為整體流下料斗的半頂角和卸料口尺寸。

表7 各參數(shù)計算值

4 結(jié) 論

(1)煤粉粒度在200 μm以下時，特別是10 μm以下的微粉體含量較多時，表現(xiàn)出較大的黏性和內(nèi)聚力。 通過分析，提出了計算煤粉容積密度、剪切特性參數(shù)和流動函數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，可供煤粉倉設(shè)計時應(yīng)用。

(2)料倉的參數(shù)設(shè)計是解決料倉堵塞、結(jié)塊以及安全問題的關(guān)鍵，特別是下料斗的半頂角和卸料口尺寸，是物料在料倉內(nèi)實現(xiàn)整體流的先決條件，在料倉設(shè)計時必須全面了解物料的流變特性。在料倉參數(shù)不符合整體流要求時，容易出現(xiàn)結(jié)拱架橋現(xiàn)象，造成下料不穩(wěn)定、堵塞等問題。

(3)鑒于整體流料倉對物料適應(yīng)的單一性，在選擇整體流或漏斗流倉型時，應(yīng)同時考慮現(xiàn)場條件和成本因素，選擇符合工藝要求的倉體流型。