CO2作输送载气对煤粉高压密相气力输送特性的影响_贺春辉
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粉体质量流量/(kg/s)
CO2 作输送载气 N2 作输送载气 0.5 1.0 总输送压差/MPa 1.5
的增加而减小；煤粉质量流量均随滑移速度的增大而增加。 相同操作条件下，用 CO2 输送时，煤粉质量流量和滑移速 度均较小，滑移速度与煤粉质量流量的关系也与用 N2 输送 时有较大差异。 关键词：煤粉；输送载气；密相气力输送；高压；输送特性； CO2/N2
ห้องสมุดไป่ตู้
0 引言
我国油气资源短缺，煤炭一直是我国的支柱能 源，高效清洁地使用煤炭资源是我国重要的能源战 略。大规模高效煤气化技术[1]是煤炭清洁利用的有 效技术之一，气流床加压气化技术是目前主要发展 的大规模煤气化技术，是煤炭大规模、高效率利用 加压气化技术的关键之一是解决粉 的最佳选择[2-3]。 煤的加压入炉进料问题。已工业化应用的气流床粉 煤加压进料技术主要分干法加压进料技术和湿法 加压进料技术两种。干法进料的干煤粉气流床气化 是当今国际上最先进的煤气化技术之一，与水煤浆 气化技术相比，干煤粉气流床加压气化技术具有煤 种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效 率高等技术优势，有更强的市场竞争力[2]。干煤粉 加压气化的核心技术是煤粉在高压、密相条件下稳 定、可控输送，因此，高压密相气力输送成为其关 键技术[4]。 CO2 或合 用于煤粉气力输送的气体可以是 N2、 成气 。N2 作输送气对气化炉燃气产物品质有不利 影响，既增加了煤气中 N2 含量，降低了有效气成 分含量，也降低了煤气热值，无论是作化工合成气
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 计 划 ) (2010CB227002)；国家 863 高技术基金项目(2006AA05A102)。 The National The Basic Research High Program Technology (973 Program) and (2010CB227002); National Research
文献标志码：A
CO2/N2 作输送载气对煤粉高压密相 气力输送特性的影响
贺春辉，沈湘林，胥宇鹏，陈先梅，王建豪，倪红亮，周海军，熊源泉
(能源热转换及其过程测控教育部重点实验室(东南大学)，江苏省 南京市 210096)
Influences of CO2/N2 as Carrier Gas on Dense Phase Pneumatic Conveying of Pulverized Coal at High Pressure
[5]
Development of China 863 Program (2006AA05A102).
第 29 期
贺春辉等：CO2/N2 作输送载气对煤粉高压密相气力输送特性的影响
P P
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(除合成氨外)，还是作燃料气均不利[6]；用合成气 代替 N2 密相输送粉煤入炉，能够大大减小 N2 对合 成气的污染问题，但是，用合成气作输送煤的载气 时，由于其含有大量易燃易爆组分，因此也不是理 想选择[7]。CO2 作输送气可以安全运行，在一定程 度上可减少工艺蒸汽需求量，不会产生惰性气稀释 合成气，并可改善煤气组成，特别适用于甲醇合成 以及其他羰基合成等多联产技术，并为合理利用 CO2 探索新的途径。有关煤粉的高压密相气力输送 但研究主要集中 已有许多有价值的研究成果[5,8-13]， 在利用 N2 作输送载气的实验过程，以 CO2 作输送 载气的研究报道很少。D. Geldart 和 S. J. Ling[11-12] 分别以 N2、H2、CO2 作输送载气进行输送实验， N2 、 H2 输送压力达 8.27MPa 、 CO2 输送压力达 得出了一定输送压差下， 煤粉速率通量和 2.9MPa， 表观气速的关系，以及一定煤粉速率通量下，表观 气速和输送压降的关系，并利用所得压降经验公式 对速度求导数，通过数值计算的方法得出了跃移速 度(saltation velocity)的计算公式，但发表的实验数 据较少，关于输送载气对气力输送特性的影响很少 见后续专门研究报道。郭晓镭、代正华等[13]比较了 用两种不同气体(N2 和 CO2)输送时，合成气的成分 差异，但其研究重点在气化方面，对密相气力输送 只做了简单介绍。 刘彬等[14]利用 CO2 作输送介质进 行了干煤粉加压密相输送实验，研究了输送特性和 水平管阻力特性，进行了初步探讨，对采用不同载 气对输送规律的影响差异没有涉及。 本文利用东南大学自主研发的高压密相气力 输送实验装置，分别以 CO2 和 N2 作输送载气进行 煤粉加压密相气力输送实验，对不同输送载气下输 送特性的异同进行对比分析，研究输送载气对输送 特性的影响。
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中
国
电
机
工
程
学
报
0.5 接收罐压力 pjs2.5MPa 流化风流量 Qlh0.4m3/h 0.4 补充风流量 Qbc0.6m3/h 0.3 0.2 0.1 0.0
第 32 卷
等)一致，即保持缓冲罐压力约为 4.0MPa，发送罐 和接收罐之间维持一定压差，流化风和补充风流量 一定，充压风流量持续调节以维持发送罐内压力稳 定，持续调节排气电动阀，以维持接收罐压力稳 定，研究输送载气变化对输送特性及输送稳定性的 影响。
电动调节阀
流化罐 流化风
流化罐
F
F
补充风 缓冲罐
以 CO2/N2 作输送载气的干煤粉加压密相输送 实验系统 Dense phase pneumatic conveying system of
电子秤
F
加热汇流排 CO2/N2 气瓶
T
P P
1 实验装置和方法
以 CO2 和 N2 作输送载气的高压密相气力输送 实验系统如图 1 所示。整个系统由气源系统、储料 罐系统、输送管道系统、测量传感器和数据采集及 控制系统 4 部分组成。输送载气不同时，除气源系 统有较大差异外，其余部分都相同。 气源系统由高压气瓶、汇流排、减压阀和缓冲 罐组成， 16 个高压气瓶中的气体经汇流排和减压阀 进入缓冲罐，为实验提供高压输送载气。以 CO2 作 输送载气时，需要用温度可控的加热系统对每个气
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第 32 卷 第 29 期 2012 年 10 月 15 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TQ 51
报
Vol.32 No.29 Oct.15, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·20
文章编号：0258-8013 (2012) 29-0038-07
HE Chunhui, SHEN Xianglin, XU Yupeng, CHEN Xianmei, WANG Jianhao, NI Hongliang, ZHOU Haijun, XIONG Yuanquan
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control(Southeast University), Ministry of Education, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Based on the independent development dense phase pneumatic conveying system, conveying tests of Yanzhou bituminous pulverized coal using CO2 and N2 as carrier gas were carried out. Comparisons of differences and similarities of conveying characteristics between the two kinds of carrier gases were made. Results indicate that influences of operating conditions on conveying characteristics show similar rules, while there are significant differences in conveying characteristics when different kinds of carrier gases are used. Though the kinds of carrier gases are different, both solids mass flow rate and slip velocity increase with increase of total conveying differential pressure while decrease as supplemental gas flow rate increases, and solids mass flow rate increases with increase of slip velocity. Under the same operating conditions, solids mass flow rate and slip velocity are both smaller when using CO2 as carrier gas, and the relationship between them were significantly different. KEY WORDS: pulverized coal; carrier gas; dense phase pneumatic conveying; high pressure; conveying characteristics; CO2/N2 摘要： 该文在自主研发的密相气力输送实验装置上， 分别以 CO2 和 N2 作输送载气，进行了兖州烟煤的输送实验，对两 种输送载气下输送特性的异同进行比较分析， 研究了操作参 数和输送载气对输送特性的影响。 研究结果表明， 输送载气 不同时， 操作参数对输送特性的影响有相似规律， 载气差异 导致输送特性的差别也比较明显。 两种载气下， 煤粉质量流 量都随总输送压差的增大而增大， 随补充风流量的增大而减 小； 滑移速度都随总输送压差的增加而增大， 随补充风流量
图1 Fig. 1
排气加热 F
充压风
pulverized coal at high pressure using CO2/N2 as carrier gas
瓶进行加热，以保证气瓶中的 CO2 顺利流出，同时 需要在减压阀出口进行加热，避免减压、节流后的 CO2 液化甚至生成干冰，并保证进入缓冲罐的气体 达到一定的过热度[14]。以 N2 作输送载气时则不需 要这些加热措施。 储料罐系统包括两个容积 0.648m3 的压力容 器，输煤管从容器内部向上引出，在每个容器底部 均设有输送流化装置，两个容器间连接有一路可切 换的输送管道，切换输送管上的阀门可使两个容器 互为供煤发送罐和接收罐 [14-15] 。输送管道为内径 总长 53m。 输送管道的水平段、 10mm 的不锈钢管， 垂直段、 水平弯管段和垂直弯管段布置了 EJA110A 型压差变送器，精度为 0.065%。在缓冲罐、发送罐 和接收罐上、流量计前以及输送管道上都布置了 PA-21SR 型压力传感器， 精度为 0.3%， 相应还装有 WZPK-193 型铠装铂热电阻温度计， 精度为 0.15%， 以测量对应位置温度。接收罐的 3 个支座上布置了 CHJL2 型荷重变送器，精度为 0.5%。流化风、充 压风和补充风采用 AM-1521Q 型金属管浮子流量 计测量，精度为 1%。实验过程中，压力、压降、 重量、流量、温度等由传感器测量，经数据采集及 控制系统被记录保存，形成原始实验数据，数据的 采样频率为 1Hz[16]。 实验过程中采用不同输送载气时，保持各个操 作参数(缓冲罐、发送罐、接收罐、流化风和补充风
CO2 作输送载气 N2 作输送载气 0.5 1.0 总输送压差/MPa 1.5
的增加而减小；煤粉质量流量均随滑移速度的增大而增加。 相同操作条件下，用 CO2 输送时，煤粉质量流量和滑移速 度均较小，滑移速度与煤粉质量流量的关系也与用 N2 输送 时有较大差异。 关键词：煤粉；输送载气；密相气力输送；高压；输送特性； CO2/N2
ห้องสมุดไป่ตู้
0 引言
我国油气资源短缺，煤炭一直是我国的支柱能 源，高效清洁地使用煤炭资源是我国重要的能源战 略。大规模高效煤气化技术[1]是煤炭清洁利用的有 效技术之一，气流床加压气化技术是目前主要发展 的大规模煤气化技术，是煤炭大规模、高效率利用 加压气化技术的关键之一是解决粉 的最佳选择[2-3]。 煤的加压入炉进料问题。已工业化应用的气流床粉 煤加压进料技术主要分干法加压进料技术和湿法 加压进料技术两种。干法进料的干煤粉气流床气化 是当今国际上最先进的煤气化技术之一，与水煤浆 气化技术相比，干煤粉气流床加压气化技术具有煤 种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效 率高等技术优势，有更强的市场竞争力[2]。干煤粉 加压气化的核心技术是煤粉在高压、密相条件下稳 定、可控输送，因此，高压密相气力输送成为其关 键技术[4]。 CO2 或合 用于煤粉气力输送的气体可以是 N2、 成气 。N2 作输送气对气化炉燃气产物品质有不利 影响，既增加了煤气中 N2 含量，降低了有效气成 分含量，也降低了煤气热值，无论是作化工合成气
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 计 划 ) (2010CB227002)；国家 863 高技术基金项目(2006AA05A102)。 The National The Basic Research High Program Technology (973 Program) and (2010CB227002); National Research
文献标志码：A
CO2/N2 作输送载气对煤粉高压密相 气力输送特性的影响
贺春辉，沈湘林，胥宇鹏，陈先梅，王建豪，倪红亮，周海军，熊源泉
(能源热转换及其过程测控教育部重点实验室(东南大学)，江苏省 南京市 210096)
Influences of CO2/N2 as Carrier Gas on Dense Phase Pneumatic Conveying of Pulverized Coal at High Pressure
[5]
Development of China 863 Program (2006AA05A102).
第 29 期
贺春辉等：CO2/N2 作输送载气对煤粉高压密相气力输送特性的影响
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(除合成氨外)，还是作燃料气均不利[6]；用合成气 代替 N2 密相输送粉煤入炉，能够大大减小 N2 对合 成气的污染问题，但是，用合成气作输送煤的载气 时，由于其含有大量易燃易爆组分，因此也不是理 想选择[7]。CO2 作输送气可以安全运行，在一定程 度上可减少工艺蒸汽需求量，不会产生惰性气稀释 合成气，并可改善煤气组成，特别适用于甲醇合成 以及其他羰基合成等多联产技术，并为合理利用 CO2 探索新的途径。有关煤粉的高压密相气力输送 但研究主要集中 已有许多有价值的研究成果[5,8-13]， 在利用 N2 作输送载气的实验过程，以 CO2 作输送 载气的研究报道很少。D. Geldart 和 S. J. Ling[11-12] 分别以 N2、H2、CO2 作输送载气进行输送实验， N2 、 H2 输送压力达 8.27MPa 、 CO2 输送压力达 得出了一定输送压差下， 煤粉速率通量和 2.9MPa， 表观气速的关系，以及一定煤粉速率通量下，表观 气速和输送压降的关系，并利用所得压降经验公式 对速度求导数，通过数值计算的方法得出了跃移速 度(saltation velocity)的计算公式，但发表的实验数 据较少，关于输送载气对气力输送特性的影响很少 见后续专门研究报道。郭晓镭、代正华等[13]比较了 用两种不同气体(N2 和 CO2)输送时，合成气的成分 差异，但其研究重点在气化方面，对密相气力输送 只做了简单介绍。 刘彬等[14]利用 CO2 作输送介质进 行了干煤粉加压密相输送实验，研究了输送特性和 水平管阻力特性，进行了初步探讨，对采用不同载 气对输送规律的影响差异没有涉及。 本文利用东南大学自主研发的高压密相气力 输送实验装置，分别以 CO2 和 N2 作输送载气进行 煤粉加压密相气力输送实验，对不同输送载气下输 送特性的异同进行对比分析，研究输送载气对输送 特性的影响。
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中
国
电
机
工
程
学
报
0.5 接收罐压力 pjs2.5MPa 流化风流量 Qlh0.4m3/h 0.4 补充风流量 Qbc0.6m3/h 0.3 0.2 0.1 0.0
第 32 卷
等)一致，即保持缓冲罐压力约为 4.0MPa，发送罐 和接收罐之间维持一定压差，流化风和补充风流量 一定，充压风流量持续调节以维持发送罐内压力稳 定，持续调节排气电动阀，以维持接收罐压力稳 定，研究输送载气变化对输送特性及输送稳定性的 影响。
电动调节阀
流化罐 流化风
流化罐
F
F
补充风 缓冲罐
以 CO2/N2 作输送载气的干煤粉加压密相输送 实验系统 Dense phase pneumatic conveying system of
电子秤
F
加热汇流排 CO2/N2 气瓶
T
P P
1 实验装置和方法
以 CO2 和 N2 作输送载气的高压密相气力输送 实验系统如图 1 所示。整个系统由气源系统、储料 罐系统、输送管道系统、测量传感器和数据采集及 控制系统 4 部分组成。输送载气不同时，除气源系 统有较大差异外，其余部分都相同。 气源系统由高压气瓶、汇流排、减压阀和缓冲 罐组成， 16 个高压气瓶中的气体经汇流排和减压阀 进入缓冲罐，为实验提供高压输送载气。以 CO2 作 输送载气时，需要用温度可控的加热系统对每个气
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第 32 卷 第 29 期 2012 年 10 月 15 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TQ 51
报
Vol.32 No.29 Oct.15, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·20
文章编号：0258-8013 (2012) 29-0038-07
HE Chunhui, SHEN Xianglin, XU Yupeng, CHEN Xianmei, WANG Jianhao, NI Hongliang, ZHOU Haijun, XIONG Yuanquan
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control(Southeast University), Ministry of Education, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Based on the independent development dense phase pneumatic conveying system, conveying tests of Yanzhou bituminous pulverized coal using CO2 and N2 as carrier gas were carried out. Comparisons of differences and similarities of conveying characteristics between the two kinds of carrier gases were made. Results indicate that influences of operating conditions on conveying characteristics show similar rules, while there are significant differences in conveying characteristics when different kinds of carrier gases are used. Though the kinds of carrier gases are different, both solids mass flow rate and slip velocity increase with increase of total conveying differential pressure while decrease as supplemental gas flow rate increases, and solids mass flow rate increases with increase of slip velocity. Under the same operating conditions, solids mass flow rate and slip velocity are both smaller when using CO2 as carrier gas, and the relationship between them were significantly different. KEY WORDS: pulverized coal; carrier gas; dense phase pneumatic conveying; high pressure; conveying characteristics; CO2/N2 摘要： 该文在自主研发的密相气力输送实验装置上， 分别以 CO2 和 N2 作输送载气，进行了兖州烟煤的输送实验，对两 种输送载气下输送特性的异同进行比较分析， 研究了操作参 数和输送载气对输送特性的影响。 研究结果表明， 输送载气 不同时， 操作参数对输送特性的影响有相似规律， 载气差异 导致输送特性的差别也比较明显。 两种载气下， 煤粉质量流 量都随总输送压差的增大而增大， 随补充风流量的增大而减 小； 滑移速度都随总输送压差的增加而增大， 随补充风流量
图1 Fig. 1
排气加热 F
充压风
pulverized coal at high pressure using CO2/N2 as carrier gas
瓶进行加热，以保证气瓶中的 CO2 顺利流出，同时 需要在减压阀出口进行加热，避免减压、节流后的 CO2 液化甚至生成干冰，并保证进入缓冲罐的气体 达到一定的过热度[14]。以 N2 作输送载气时则不需 要这些加热措施。 储料罐系统包括两个容积 0.648m3 的压力容 器，输煤管从容器内部向上引出，在每个容器底部 均设有输送流化装置，两个容器间连接有一路可切 换的输送管道，切换输送管上的阀门可使两个容器 互为供煤发送罐和接收罐 [14-15] 。输送管道为内径 总长 53m。 输送管道的水平段、 10mm 的不锈钢管， 垂直段、 水平弯管段和垂直弯管段布置了 EJA110A 型压差变送器，精度为 0.065%。在缓冲罐、发送罐 和接收罐上、流量计前以及输送管道上都布置了 PA-21SR 型压力传感器， 精度为 0.3%， 相应还装有 WZPK-193 型铠装铂热电阻温度计， 精度为 0.15%， 以测量对应位置温度。接收罐的 3 个支座上布置了 CHJL2 型荷重变送器，精度为 0.5%。流化风、充 压风和补充风采用 AM-1521Q 型金属管浮子流量 计测量，精度为 1%。实验过程中，压力、压降、 重量、流量、温度等由传感器测量，经数据采集及 控制系统被记录保存，形成原始实验数据，数据的 采样频率为 1Hz[16]。 实验过程中采用不同输送载气时，保持各个操 作参数(缓冲罐、发送罐、接收罐、流化风和补充风