煤粉密相气力输送过程的水分含量影响研究

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从水分含量和煤粉流动性关系可见,其对煤粉 流动性影响复杂,尚无相关研究成果可预测其对粉 煤密相气力输送的影响.因此,开展相关实验研究不 仅为煤粉密相输送技术的工程应用提供有效借鉴, 还有助于认识水分含量对煤粉密相输送的影响机 理.鹿鹏等[9]在高压上出料粉煤密相气力输送实验装 置上发现 3 种不同煤种在粒径相近、水分含量分别 为 0.77%,2.09%和 3.74%时煤粉输送量依次降低, 认为水分含量不同是造成这一差异的主要原因;梁 财等[10]在同样的装置上以平均粒径 36 μm 煤粉为 物料,发现在 0.67%~6%水分含量范围内随着含水 率的增加,颗粒的黏性力及附着力增大,颗粒与料罐 壁及管壁间的摩擦系数增大,输送量明显降低. 随 着含水率进一步增加,颗粒之间相互粘连,团聚现象 严重,造成出料不稳定,管道压损波动较大. 而当水 分含量超过 6%时,则无法实现气力输送.
第 10 卷 第 2 期 2011 年 6 月
宁夏工程技术 Ningxia Engineering Technology
文章编号:1671-7244(2011)02-0167-05
Vol.10 No.2 Jun. 2011
煤粉密相气力输送过程的水分含量影响研究
刘万州 1, 姚 敏 1, 黄 斌 1, 吴 跃 1, 雍晓静 1, 郭晓镭 2,从星亮 2, 陆海峰 2, 董卫斌 2, 刘海峰 2, 龚 欣 2,
不锈钢输送管道排布如图 1 所示. 煤粉自发料 罐底部竖直向下流出,经 180°弯头后进入长 4 m 的 竖直上升段,再连续经两个 90°弯头进入长 5 m 的 竖直向下管道,最后通过 90°弯头进入 5 m 水平段 后进入接料罐.竖直向上管路上测压点 P1 和 P2 之间 的距离为 4.5 m,水平管 P3 和 P4 的距离为 3.0 m.
图 1 实验装置示意图
2 结果与讨论
2.1 水分含量对输送参数的影响 随输送时间的增加,煤粉中外在水分不断蒸发
进入干燥的载气,而内水含量稳定不变,总水分含量 相应逐渐降低.在操作条件不变的情况下,考察了总 水分含量变化(即外水含量)与输送参数的关系,如
图 2 所示.研究表明,在总水分含量由 11.1%下降至 6.7%(相应外水含量由 5.8%降低至 1.4%),虽然水 分含量降低 4.4%,但煤粉输送量总体稳定,相对变 化不到 3%.可见,在本实验范围内,5.8%的外水含 量以下对煤粉质量流率影响不大,尽管总水分含量 已高达 11.1%.
第2期
刘万州等:煤粉密相气力输送过程的水分含量影响研究
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当 发 料 罐 达 到 所 需 压 力 后 开 启 发 料 阀 门 ,煤 粉被气相携带经内径 20 mm 的不锈钢管道进入常 压的接料罐,气相经除尘器过滤后放空. 粉煤质量 流量由接料罐上的称重传感器通过称重法计算.输 送管道上安装有电容式固体质量流量计和压力传感 器(P1—P4)在线测量煤粉质量流率和管道压力.当一 次输送实验完成后,再向接料罐中通入压缩空气,在 气流作用下,粉煤输送至发料罐中,供下一次实验之 用,气相经除尘器过滤后放空.如此循环往复,形成 一封闭的粉煤输送系统.
煤粉在磨制、干燥过程中,其水分除与原煤水分 含量有关外,还与干燥系统运行参数有关.通常要求 煤粉水分越低越好,例如,考虑到燃烧性能和喷吹系 统的运行稳定,高炉喷煤要求煤粉水分含量一般在
1%左右[3];Shell 粉煤气化工艺要求入炉煤粉的含水 量小于 2%,而 Prenflo 粉煤气化工艺中对入炉的烟 煤要求含水量小于 2%,褐煤小于 6%[4].由此可见, 无论煤粉气力输送技术应用于何种工业背景,其煤 粉的水分含量都是一个重要的控制参数. 但截至目 前,有关粉煤密相气力输送技术中水分含量的确定 及其对密相输送的影响研究鲜见公开报道,不同的 技术专利商提出的水分含量指标也各有不同且较为 笼统.但可以预测的是,在粉煤气流床气化工艺背景 下,采用水分含量较高的煤粉为密相气力输送原料, 不仅可以降低干燥系统所需的高温气体温度和用 量,提高煤粉制备系统的操作弹性,还可节省入炉用 的高压蒸汽.
1 实验流程与方法
1.1 水分含量的测定 为能够有效、快速地测量煤粉水分含量,本文采
用红外快速水分分析仪测量煤粉水分含量. 为保证
该仪器测量结果的可靠性,按照 GB/T 211—2007《煤 中全水分的测定方法》 测量实验用煤粉的全水分和 外在水分含量,将该结果与红外快速水分分析仪测 量结果进行对比,相对偏差在±1.0%以内,与国标测 量法的结果基本一致. 1.2 煤粉物性
O
NS
11.82 1.02 1.21
由于采用了冷冻干燥后的压缩空气作为载气, 因此在整个实验过程中随输送时间的增加,煤粉水 分含量缓慢降低. 1.3 实验流程
图 1 给出了实验流程示意. 该密相气力输送系 统主要由供气单元、输送单元、除尘单元组成.首先 由空气压缩机向缓冲罐提供 0.8 MPa 压缩空气,然 后缓冲罐中的空气依次通过冷冻干燥机和精密过滤 器除去少量的水分、机油和灰尘后,经减压阀减压到 指定压力后进入气体分配器. 气体分配器中的空气 分 3 路,分别经气体质量流量计计量后进入发料罐 的顶部和底部以及输送管道.
输送用羊场湾煤粉的物性如表 1 所示. 按照 Geldart 颗粒分类方法[11],该煤粉属于 A 类粉体.该类 粉体具有较好的存气能力,适于密相气力输送. 然 而,该分类方法没有考虑由水分含量引起的颗粒间 作用力等因素对粉体流化性能的影响.
该煤粉的初始水分含量及其分布为磨制过程自 然形成,与工业装置中的制粉干燥系统原理完全一 致,因此水分自然分布于煤粉颗粒内外表面.初始煤 粉的总水分含量为 11.1%,外水含量 5.8%,可得其 内水含量为 5.3%. 煤中水分含量的多少在一定程 度上反映了煤质状况. 低煤化程度的煤种由于其结 构疏松、极性官能团较多、内部毛细管发达、内表面 积大,因此内水含量较高.羊场湾煤的煤质分析结果 如表 2 所示. 由此可见,干燥无灰基挥发分 w(Vda)f = 33.52%,接近褐煤的分类指标(Vdaf=37.0%);同时, 从干燥无灰基碳 w(Cda)f =76.75%,w(Oda)f =11.82% 来判断,羊场湾煤属于煤化程度较低的年轻烟煤[12], 这与其较高的内水含量相吻合.
该结果与文献[10]的实验结果(即水分含量超 过 6%则无法输送)明显不同.除实验装置不同可能 是造成上述差异的原因之外,煤粉中的水分赋存状 态差异也可能是主要原因之一. 本文所用煤粉的水 分含量是入磨机原煤的水分含量一定条件下在磨制 过程中自然形成,外水分布于颗粒表面(包括外表面 和内表面),与文献[10]存在显著差异,因此颗粒之 间粘附性及其作用力随外水含量的增加而没有明 显变化.
14
17
12
13
P2
16
789
P1 11
P3
14
17 P4
15 18
10
6
3 21
54
1—空气压缩机;2—缓冲罐;3—干燥器;4—精密过滤器;5—
减压阀;6—气体分配器;7~10—气体流量计;11—固体质量流
量计;12—发料罐;13—阀门;14—除尘 器;15—接料罐;16~
17—阀门;18—称重器;P1~P4—压力传感器.
综上所述,无论是间接的流动性测定还是直接 的实验结果都表明水分含量,尤其是外水含量是煤 粉密相气力输送技术的重要控制参数,但现有公开 文献多数以 105~110 ℃下的煤粉样品最大失重计算 水分含量,很少明确区分内水含量和外水含量,从而 难以从目前公开文献中获得外水含量对输送结果影 响.本文以不同水分含量的羊场湾煤粉为物料,以干 燥空气为载气,考察了外水含量变化对煤粉密相气 力输送过程的影响规律,以期为不同水分含量下的 高浓度气固两相流动规律和煤粉密相气力输送技术 的工程应用提供有效借鉴.
文献标志码:A
煤粉气力输送技术广泛应用于能源、化工、冶金 等行业,已成功应用多年. 其间,关于煤粉输送的压 降、设计操作、流型特征等研究工作开展相对较多[1], 但煤粉中水分含量变化对其输送的影响少有公开文 献,虽然水分含量是煤粉气力输送技术设计和操作 过程中公认的重要参数之一.
煤中的水分按其存在状态,可分为外在水分、内 在水分和化合水 3 种[2].其中,外在水分附着在煤的 颗粒表面以及大毛细孔中,以机械的方式与煤结合, 仅与外界条件有关而与煤质本身无关,在常温的空 气中较易蒸发. 内在水分为吸附或凝聚在煤颗粒内 部表面的毛细管或空隙中的水分,其以物理化学方 式与煤结合,与煤质特征有关,需加热至 105~110 ℃ 时才能蒸发.化合水是以化学方式与矿物质结合,在 全水分测定后仍保留下来的水分,即结晶水,非通常 意义上的水分,不是本文关注的内容.内在水分和外 在水分的总和就是全水分,即采用空气干燥法在 105~110 ℃的鼓风干燥箱中干燥至恒重后,以煤粉 失重计算得到的结果.
由此可见,使用较高水分含量煤粉作为气化原 料有利于节能降耗,增加效益.然而,当水分含量过 高时,煤粉颗粒的粘附性增强,流动性必然变差,一 方面无法稳定输送,同时容易粘附于弯管、阀门等 处 ,甚 至 逐 渐 堵 塞 管 道 ,因 此 可 能 无 法 进 行 密 相 的 气力输送.
增加水分含量通常会降低粉体的流动性,一个 重要原因是颗粒之间的液桥力增加导致粘附性上 升. 王川红等[5]以休止角、流动函数和料斗排料流率 为指标,考察了 28~373 μm 神府煤粉的水分含量与
罗春桃 1, 焦洪桥 1, 王 俭 1
(1.神华宁夏煤业集团 煤化工公司研发中心,宁夏 银川 750411; 2.华东理工大学 煤气化教育部重点实验室,上海 200237)
摘 要:以高水分含量的羊场湾煤粉为介质,以干燥空气为载气,在气力输送的自然干燥过程中考察了水分含量变
化对粉煤密相气力输送特性的影响规律.实验结果表明,相比总水分含量,其外水含量是输送过程中更值得关注的参
数.当总水分含量约 11%、外水含量约 5.8%时,羊场湾煤粉依然可以实现稳定的密相气力输送.外水含量的变化对输
送性能包括如输送量、固气比、固相速度、稳定性等影响不大,这意味着其近 6%的外水含量对颗粒间作用力影响较
弱,尚不足以对其密相气力输送过程产生影响.
关键词:水分含量;密相气力输送;煤粉
中图分类号:TQ536
固体质量流量计为美国 Ramsey 公司产品,由浓 度计 DC13 和速度计 DK13 组成. 输送管道上安装 的若干压力传感器 P1—P4 量程为 400 kPa,精度 0.1%; 气体质量流量计量程 250 NL/min,准确度±2%. 所有 相关数据由数据采集卡经 A/D 转换输入计算机进 行记录和处理,采集的数据频率为 1 Hz.
收稿日期:2011-02-12 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2007BAA08B01) 作者简介:刘万州(1976—),男,工程师,主要从事煤化工研究.
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宁夏工程技术
第 10 卷
流动性参数之间关系,发现水分含量在 0.8%~11.1% 范围内越大,流动性越差,并且对内摩擦角、壁摩擦 角和 Hausnen 指数有一定影响;Abou-Chakra 等[6]发 现总水分含量虽然分别达到 7.5%和 6%,但 4.1% 表面水分的煤颗粒流动性明显弱于 1.2%表面水分 的煤颗粒,认为是较高的表面水分导致了颗粒粘附 性的增强,而与内在水分无关;d’Amore 等[7]在研究 催化剂粉末水分含量对流化影响时提出,与无孔的 颗粒相比,催化剂粉末的高孔隙率能吸收大量的水分 而不影响颗粒的表面性质;然而,Coelho 和 Harnby[8] 指出,水分含量对流动性的影响似乎并不简单,颗粒 之间的范德华力、静电力以及由于水分对颗粒表面 的润滑作用均可能随水分含量的变化而变化从而影 响颗粒的流动性.
表 1 羊场湾煤粉的物性参数
总水分含量/ % 11.1
外水含量/ 内水含量/


5.8
5.3
平均粒径/ μm 27.7
真实密度/ (kg·m-3)
1 532
表 2 羊场湾煤质分析结果
工业分析(干燥基)/ %
元素分析 (干燥基)/ %
挥发分 33.52
C 76.75
灰分 5.90
H 3.30
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固定碳
60.58
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