1 前言

气流床煤气化技术是煤炭高效清洁利用的主要发展方向之一。密相气力输送是干煤粉气流床气化工艺中普遍采用的供料与输送方式，具有输送固气比高、输送耗能低、煤粉适应性广等优点^[1-2]。输送单元的稳定性对气化炉的稳定和经济运行密切相关^[3]。实际应用中，煤种可磨性的差异，会引起制成煤粉在粒度上的不同^[4]，进而对系统的供料与输送稳定性产生不同程度的影响。

有关粉体密相输送，已经取得了很多有价值的研究成果，并获得了大量的关于粉体物性如粉体的粒径分布、密度、湿含量以及颗粒形貌等对其流动及输送特性的影响规律^[5-9]。东南大学在小型(内径为10 mm)压力高达4 MPa的高压输送装置上对不同种类、不同粒径(52、115、300 μm)和不同含水率的煤粉气力输送进行了研究^{[10, 15]}。研究结果表明，煤粉粒径越大，输送量越小，输送压降越大；对于不同物料(石油焦和无烟煤)的研究表明煤粉的输送特性主要是物料的表面特性差异导致的，表面相对粗糙、黏附性更大的物料流动阻力更大，输送量较小。结合流型与稳定性的研究^[16-21]认为，在较小的表观气速下，颗粒以柱塞流的形式沿竖直上升管整体向上滑动，颗粒间相互作用引起气流场波动幅度较小，流动稳定；随着表观气速的增加，流型中出现小气栓，流动不稳定；表观气速进一步增加，流型过渡到环状流或中心流，流动稳定。

由于粉体系统的复杂性，不同体系的研究结果都有其个性特点，尚无成熟理论依据可以参照应用，只能依赖对真实系统的试验研究。

本文分别以取自两套粉煤气化装置的羊场湾煤粉和晋城煤粉为实验物料，在测试两种煤物性的前提下，在工业级管径(50 mm)的输送装置上开展不同煤粉的密相气力输送实验。首先对相同操作参数下两种煤粉的竖直管压降进行比较，结合两种煤粉粒径及粒径分布均匀度，分析造成差异性的原因；然后比较两种煤粉的二维ECT流型图并借助粉体力学特性(剪切特性)和气固相互作用对上述结果的差异性进行解释；最后，结合二维ECT流型图比较两种煤粉输送稳定性的差异。本文研究结果对于进一步认识和掌握煤粉物性对气力输送过程的影响以及工业输送过程的优化操作具有一定的学术和应用价值。

2 实验装置与实验物料 2.1 实验装置与流程

粉煤气力输送在密闭循环系统中进行，实验装置与流程如图 1所示。输送载气采用经冷冻干燥后的压缩空气，气体流量由金属浮子流量计(精度为1%)测量。输送管道为直径50 mm的不锈钢工业级大管径，管道总长约23 m。在竖直下降管上安装了文丘里管，以达到对流量和压力的调控效果。借助安装在管道上的压力传感器、压差变送器来获得输送过程的压力和压差值，其中压力传感器为Keller公司的高精度膜片传感器(精度0.1%)；压差变送器为北京远东罗斯蒙特仪表有限公司生产的(精度0.1%)；通过竖直上升管上安装的美国Thermo Ramsey公司生产的固体质量流量计(标定后精度 < 1%)和南京工业大学研制的^[22]电容层析成像(ECT)系统，获得粉煤在输送过程中的速度、浓度以及流型等信息。ECT系统在使用之前需要进行空、满管的标定，采样频率为每秒150帧；在接料罐上安置Mettler Toledo的称重传感器(精度0.05%)以获得输送过程中的粉煤质量流率。压力传感器、固体质量流量计和ECT均安装在煤粉流动的充分发展区。实验过程中保持接料罐为常压状态，通过调节进入发料罐的加压气(Q₁)、流化气(Q₂)和调节气(Q₃)三路气的流量进行实验。

2.2 实验物料

本文分别以取自两套粉煤气化装置的羊场湾煤粉和晋城煤粉为实验物料(本文晋城煤用J煤表示，羊场湾煤用Y煤来表示)。两种煤粉的工业分析(Mad：水分；Aad：灰分；Vad：挥发分；Cad：固定碳)如表 1所示，其中，J煤属于无烟煤，Y煤属于烟煤。

表 2给出了两种煤粉密度和水分含量的差异。由于两种煤粉粒径、粒径分布的差异使得J煤的松装密度和振实密度均大于Y煤。除此之外，两种煤粉对流动性影响最大的外水含量^[25]较低，均在0.5%以下，故水分含量对两种煤粉竖直管输送特性的影响可以忽略不计。

3 实验结果与讨论 3.1 粒径及均匀性对比分析

由于羊场湾煤的可磨性指数为75，而晋城煤的可磨性指数为35，所制备的煤粉在粒度及粒度分布上存在较大差异。煤粉的粒径及粒径分布由马尔文激光粒度仪(Malvern 2000)测得，两种煤粉的粒径分布如图 2所示。从图 2可以看出两种煤粉主要以正态形式集中分布在(10~100) μm。其中，J煤的体积平均粒径较大，为66.36 μm，Y煤为34.35 μm。对于粒径小于20和40 μm的细颗粒，J煤的含量分别为26.13%和44.99%，而Y煤则分别为38.39%和66.05%；对于粒径大于105 μm的大颗粒，J煤含量为14.05%、Y煤仅为2.58%。

由此可见，两种煤粉在平均粒度上的差异源于其粒度分布，即J煤的大颗粒含量较多，Y煤的细小颗粒含量较多。除此之外，Span = (D90-D10D)/D50反映了颗粒粒径的分布的均匀程度，Span值越小说明粒径分布的均匀程度越好^[23]。J煤的Span值1.21大于Y煤的Span值0.90，说明Y煤粉的粒径分布比J煤具有更好的均匀性。有研究表明^[7]，粒度的分布均匀程度越差，粉煤的摩擦特性越大。

图 3为这两种物料的表面微观形貌的扫描电镜图(SEM)，从图上可以直观了解到两种煤粉的形貌特征和粒度的均匀程度。由图可知，J煤颗粒表面非常光滑，颗粒大多以独立的个体形式存在，无明显黏附现象，单颗粒尺寸差别较大；Y煤颗粒表面相对比较粗糙，颗粒上黏附现象严重，以团聚体形式存在，粒度差异相对小些。这种形貌特征的不同会造成输送过程中颗粒间碰撞行为的差异，使其具有不同的能量耗散和压降损失^[24]。

为研究两种煤粉竖直管气力输送特性的差异，本文控制相同的气量条件进行实验。选取五组典型输送工况进行测试，表 3为J、Y两种煤粉的操作参数以及特性参数。W_s、U_g、P、P_L、△P/L、△P_SS/L、△P_FS/L、U_s、C_s、μ、ε分别为煤粉输送量、表观气速、发料罐压力、竖直上升管压力、竖直管单位管长压降、竖直管单位管长静压降、竖直管单位管长摩擦压降、煤粉速度、煤粉体积浓度、输送固气比、竖直管管道空隙率，Q为输送总气量。

3.2 竖直管压降的对比分析

管道压降是气力输送中的重要参数之一，竖直上升管的压降由差压变送器直接测得，它是由摩擦压降和静压降组成^[26]，见式(1)。单位管长静压降的大小和管道内煤粉的体积分数也即是煤粉的体积浓度有关，见式(2)；单位管长摩擦压降的大小等于单位管长压降减去单位管长静压降，它是煤粉速度、固体摩擦系数和煤粉体积分数的函数，见式(3)。

$ \frac{{\Delta P}}{L} \approx \frac{{\Delta {P_{{\text{SS}}}} + \Delta {P_{{\text{FS}}}}}}{L} $

(1)

$ \frac{{\Delta {P_{{\text{SS}}}}}}{L}{\text{ = }}{\rho _{\text{s}}}(1 - \varepsilon )g{\text{ = }}{C_{\text{s}}}g $

(2)

$ \frac{{\Delta {P_{{\text{FS}}}}}}{L}{\text{ = }}\frac{{\Delta P}}{L} - \frac{{\Delta {P_{{\text{SS}}}}}}{L} = \frac{{2{f_{\text{s}}}{\rho _{\text{s}}}(1 - \varepsilon ){U_{\text{s}}}^2}}{D} $

(3)

实验以输送量1.68~1.87 kg·s^-1为固定参数，对两种煤粉的竖直管单位管长压降进行了对比研究。图 4给出了两种煤粉竖直管单位管长静压降、摩擦压降分别与表观气速的关系。由图可知：不同表观气速下，两种煤粉单位管长静压降基本相同，但单位管长摩擦压降及其变化趋势差异很大。J煤的单位管长摩擦压降总体大于Y煤，且随着表观气速的增大，差异更加显著。

输送量一定时，随着表观气速的增加，煤粉浓度逐渐减小，单位管长静压降随之减小，在相同的表观气速下两种煤粉具有相近的浓度，因此两种煤粉在竖直管输送过程中具有相等的静压降且具有相同的变化趋势。与此同时，由于两种煤粉粒径以及粒径分布均匀性的不同使摩擦压降具有较大的差异。J煤的单位管长摩擦压降随着表观气速的增加显著增大，而Y煤的单位管长摩擦压降先减小而后变化不大。这是由于，在较小的表观气速下，两种煤粉均以低速度、高浓度跟随气体稳定输送，此时由煤粉和管壁的摩擦作用带来的压降损失相差不大。在较大的表观气速下，细颗粒含量较高、粒径分布更均匀的Y煤更易于跟随气体稳定输送，颗粒间的碰撞强度相对较低，能量损失相对较小，摩擦压降较小。而大颗粒含量较多、均匀度较差的J煤在管道输送过程中气体、颗粒、壁面之间的相互作用更强，固相摩擦系数更大，摩擦压降也更大。同时粒度分布均匀性较差使不同J煤煤粉颗粒间受力具有较大的差异，造成颗粒之间较大的碰撞强度从而造成较大的能量损失。除此之外，均匀性较差的煤粉易产生气栓扰动，以及大颗粒对壁面产生的摩擦都会造成更多的能量损耗。而且，随着表观气速的增大，两种煤粉粒径、均匀度和形貌的差异使得摩擦压降的增加速度不同，大颗粒由于惯性作用与管壁的摩擦作用进一步加大，表现出两种煤粉的单位管长压降的差异更为显著。由此可见，由于颗粒特性的差异，尽管表观输送条件和运行参数相近，但在气固两相作用、颗粒间作用以及颗粒与壁面作用机理方面的不同，会造成不同的能量损耗。

3.3 竖直管输送流型分析

为了进一步认识两种煤粉输送特性差异的原因，选取表 3中相同输送量下三个不同表观气速所对应的典型代表工况A、C、E开展输送过程的流型观测，并对采集到的ECT信号进行可视化处理。上述三个工况所对应的ECT浓度信号和二维视图如图 5所示，其中红色为高浓度煤粉，蓝色为纯气相。相关工况参数见表 3。

两种煤粉输送的流型测试表明，不同煤种、不同表观气速下出现了满管流(full-pipe flow)、环状流(annular flow)和中心流(central flow)三种流型。满管流：输送气速小，粉煤以较高浓度分布于绝大部分管道截面，似柱塞状沿管道竖直向上移动；环状流：管壁附近的颗粒浓度大于管中心的颗粒浓度，颗粒聚集在壁面附近向上流动，呈明显环状分布；中心流：管道中心的颗粒浓度大于近壁面的颗粒浓度，颗粒聚集在管道中心部分向上流动。有研究表明^{[19-21, 27]}，环状流和中心流均在表观气速相对较高时出现。

从测得的两种煤粉不同工况下的流型图中可以看出，表观气速较低、输送浓度较高时，两种煤粉呈现出相同的满管流型。但是，随着表观气速的增大，J煤由满管流转变为环状流，而Y煤却由满管流转变为了中心流，两种煤粉均出现了明显的流型转变。

在较小的表观气速下，煤粉的浓度较高，颗粒本身的运动空间较小，颗粒之间以及颗粒与壁面之间的作用不剧烈，气流场所受扰动较小，煤粉颗粒易达到平衡状态均匀地被气体稳定输送，且都是以满管流向上流动。随着表观气速的增大，煤粉颗粒之间作用更剧烈，气流场波动较大，颗粒间的碰撞及颗粒与壁面之间的作用使得气体与煤粉颗粒之间不易达到平衡状态。此时，由于J煤大颗粒含量较高、均匀度较差，使得J煤煤粉在被气体输送过程中，气体更倾向于穿透煤粉颗粒向管道中心聚集，而煤粉大颗粒撞壁后由于惯性和重力作用会沿管壁聚集，从而出现了中心浓度低，边壁浓度高的环状流；而细颗粒含量较高、黏附性较强的Y煤煤粉在输送过程中，更倾向于向管道中心聚集，气体则更容易沿着管壁向上穿过，出现中心流流型。

两种煤粉竖直上升管流型的异同必然造成单位管长压降大小的差异。J煤粉的环状流型使煤粉颗粒与壁面的接触摩擦作用更显著，从而带来较大的摩擦压降，而Y煤粉以中心流的形式向上流动，颗粒与壁面之间的接触摩擦作用较小，摩擦压损较小。

对比两者的ECT浓度信号及二维图像可以发现，在两种煤粉流型发生转变的同时，J煤在较大气速下比Y煤更容易形成小料栓，不利于煤粉的稳定输送。针对两种煤粉输送过程中出现的流型差异，有必要对其输送稳定性进行对比分析。

对图 5的ECT信号浓度特征采用概率密度函数(PDF)和功率谱密度(PSD)进行处理，结果如图 6、7所示。表 4给出了两种煤粉PDF和PSD函数的峰值。

概率密度函数用来表示瞬时颗粒浓度出现在单位范围内的概率，管道内流动过程越复杂，扰动越大，流动信号的概率密度就越分散或者呈现多峰状；在稳定流动时，概率密度分布较窄，且呈现单峰状^{[20, 28]}。从图 6可以看出对于A工况两种煤粉ECT信号的PDF分布相同。C、E工况下，J煤ECT信号的PDF分布较宽且工况C的PDF出现两个峰值，Y煤的ECT信号的概率密度出现单峰且分布较窄，近似正态分布，呈现较好的对称性，两种工况下，J煤的概率密度峰值均小于Y煤。

Cong等^{[20-21, 29]}认为密相输送过程中，压力信号的功率谱密度特征可以一定程度上反映流动形态及流动稳定性。ECT信号的波动源自气固间的相互作用以及颗粒间碰撞，频率越高，峰值越大，说明管道内气固两相之间作用越剧烈，输送不稳定，煤粉浓度分布宽且变化迅速。从图 7可以看出两种煤粉的功率谱密度函数均出现多峰状，结合图 7和表 4可以看出，A工况下两种煤粉的峰值基本相同，C、E两工况下J煤的峰值明显较大。

结合两种煤粉的ECT图像和两种煤粉概率密度和功率谱密度比较发现，两种煤粉在表观气速较小的A工况下具有相同的输送稳定性。对于表观气速较大的C和E工况，J、Y两种煤粉的输送稳定性表现出巨大差异，J煤出现不稳定的高频栓塞流型，Y煤流型稳定。在较小的表观气速下，两种煤粉均以满管流的形态输送，此时煤粉浓度较高并未表现出稳定性的差异当表观气速较大时，在竖直管输送过程中，J煤煤粉的大粒径和较差的粒度分布均匀性的特征使得煤粉颗粒在输送过程中具有较强的湍动，致使煤粉颗粒之间的摩擦碰撞作用加剧，同时气固两相间的作用更剧烈，导致输送稳定性较差并易于形成小气栓；而粒径较小且粒度分布更均匀的Y煤煤粉气固两相之间作用更温和，煤粉可以跟随气体更平稳的流动。

在不同表观气速下，J、Y两种煤粉的流型和稳定性表现出明显差异，随着表观气速增大，J煤由稳定的满管流转变为不稳定环状流并伴随着高频栓塞，而Y煤由满管流转变为中心流，并一直处于稳定状态。因此，J、Y两种煤粉具有不同的稳定操作区间，应适当减小输送气速，使J煤输送稳定性与Y煤接近。所以，在工业应用中对于不同粒径和均匀度的煤粉应保证在其稳定操作区间内进行输送。同时，为提升输送过程的稳定性，以保证气化炉的平稳运行，应在煤粉制备单元设法提高煤粉粒度的均匀性。

4 结论

(1) 对比两种煤粉的竖直管压降表明，不同表观气速下，两种煤粉单位管长静压降相等，当表观气速较小时，两种煤粉的摩擦压降差异性不显著；增大表观气速后，较大粒径的晋城煤摩擦压降大于较小粒径的羊场湾煤，且随着表观气速的增大差异性更加显著。

(2) 对竖直上升管的流型研究发现，随着表观气速的增大，两种煤粉发生了不同的流型转变，粒径、粒径分布及其均匀度的差异是导致流型转变不同的重要原因。随着表观气速的增大，含有较多大颗粒的晋城煤由满管流转变为环状流；而细颗粒含量较高的羊场湾煤由满管流转变为中心流。

(3) 两种煤粉的稳定操作区间不同，对于J煤的输送应适当减小输送气速，使其输送稳定性与Y煤接近。在工业应用中，对于可磨性指数不同的原煤磨制而成的具有不同粒径和粒度均匀性的煤粉，应选择合适的操作条件，保证在其稳定操作区间内进行煤粉的输送。

(4) 为减少煤粉输送过程中的能量损耗、提高输送能力、增强输送稳定性，以确保气流床粉煤气化装置的稳定、经济运行，在煤粉制备单元应优化磨制煤粉的粒度及其分布，减少大颗粒含量，从源头上解决输送不稳定问题。

符号说明：

Cs	—煤粉体积浓度，kg·m-3	Q	—输送总气量，m3·h-1
P	—发料罐压力，kPa	Ug	—表观气速，m·s-1
PL	—竖直上升管压力，kPa	Us	—煤粉速度，m·s-1
△P/L	—竖直上升管单位管长压降，kPa·m-1	Ws	—煤粉输送量，kg·s-1
△PFS/L	—竖直上升管单位管长摩擦压降，kPa·m-1	μ	—输送固气比，kg·kg-1
△PSS/L	—竖直上升管单位管长静压降，kPa·m-1	ε	—竖直管管道空隙率