高压浓相气力输送中倾斜管阻力特性研究

摘要

我国的一次能源以煤炭为主，煤炭直接燃烧利用热效率较低且产生很多环境问题，煤粉加压气化技术可以实现煤炭资源的清洁利用。高压浓相气力输送技术作为干煤粉气流床加压气化技术中关键技术之一，对整个气化装置的连续稳定运行起着至关重要的作用。在气力输送系统中倾斜管的使用不可避免，高压浓相气力输送中物料浓度高、流动情况复杂，倾斜管内流动情况难以直接观测，现有文献中对倾斜管阻力特性研究较少。本文对高压浓相气力输送中向上倾斜管的阻力特性和输送特性进行了实验研究和理论分析，为高压浓相气力输送系统的设计、调试及运行提供理论支持和数据支撑。本研究主要内容包括：
　　⑴对实验物料（无烟煤和石油焦）的粉体物性进行了系统的测试，包括粉体物料的工业分析、真实密度、堆积密度、含水率、粒径分布和表观形貌。物料的表观形貌分析表明，平均粒径相近的无烟煤和石油焦表观形貌相差较大，无烟煤表面光滑致密，石油焦表面粗糙且附着有小颗粒和片状物。使用ShearTrac-Ⅱ剪切仪对实验物料进行剪切实验。剪切实验结果表明，四种物料的流动函数都在2～4之间，实验物料均属于有黏性物料。物料种类相同时粗颗粒物料的流动性比细颗粒物料好;粒径相近的无烟煤物料流动性比石油焦好。
　　⑵在工作压力高达4.0MPa的气力输送实验装置上以氮气为载气进行了气力输送实验研究，分析了下出料式高压浓相气力输送系统的输送特性，研究了操作参数和粉体物性对输送特性的影响规律。研究结果表明，在相同的输送压差下，随着流化风量的增加，物料的质量流量和固气比先增大后减小，输送稳定性先提高后变差;发送罐压力相同时，随着输送压差的增大，物料输送量不断增大但压差较大时增大趋势减缓，物料固气比先增大后减小，输送稳定性随着输送压差的增大而提高;在相同的输送压力和输送压差下，粗颗粒物料的输送量和固气比均小于细颗粒物料;在相同输送压力和输送压差下，粒径相近的无烟煤物料输送量大于石油焦且无烟煤的输送稳定性更好。
　　⑶运用相图研究高压密相输送过程中不同参数对倾斜管阻力特性的影响规律。研究结果表明，对于倾斜角度一定的管道，物料质量流量相同时，倾斜管压降随着表观气速的增大先减小后增大;在相同表观气速下，倾斜管压降随质量流量的增大而增大;在相同实验条件下，粗颗粒物料的倾斜管压降大于细颗粒物料;质量流量相同时，粒径相近的无烟煤倾斜管压降大于石油焦。在0°～60°的角度范围内，倾斜管压降随倾斜角度的增大不断增大。根据Barth附加压降理论采用量纲分析的方法对倾斜管压降公式进行拟合，获得了倾斜管压降公式。拟合公式预测结果与实验结果吻合较好并推导出在一定的实验条件下倾斜管的临界角约为63°。
　　⑷利用Fluent软件基于双流体模型，采用k-ε-kp-εp湍流模型对高压密相输送中倾斜管内气固两相流流动情况进行了模拟。模拟过程中考虑了两种气固两相流间的相互作用:(1)气固平均速度差引起的气固两相之间的曳力;(2)气相速度脉动和固相速度脉动引起的气固间的湍动能交换。模拟结果表明，在相同的实验条件下，随着表观气速的增大，固相浓度集中的区域会向管道截面中心移动。实验条件相同时，粗颗粒物料固相浓度集中的区域比细颗粒物料更靠近管底。

目录

声明

摘要

主要符号列表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外气力输送研究现状

1．2．1 发送罐式气力输送系统输送特性的研究

1．2．2 气力输送中管道阻力特性的研究

1．3 本课题主要研究内容

1．4 本章小结

参考文献

第二章 实验系统及粉体物性

2．1 高压密相输送实验系统

2．2 剪切实验系统

2．2．1 剪切实验装置介绍

2．2．2 剪切实验过程介绍

2．3 实验物料粉体物性

2．3．1 实验物料的基本物理性质

2．3．2 实验物料的表观形貌

2．3．3 实验物料的流动性

2．4 本章小结

参考文献

第三章 下出料式高压浓相气力输送的输送特性研究

3．1 表征气力输送过程中输送特性的参数

3．2 流化风量对下出料式发送罐输送特性的影响

3．3 输送压差对下出料式发送罐输送特性的影响

3．4 粉体物性对下出料式发送罐输送特性的影响

3．4．1 物料粒径的影响

3．4．2 物料种类的影响

3．5 本章小结

参考文献

第四章 高压浓相气力输送中倾斜管阻力特性研究

4．1 倾斜管阻力特性研究

4．1．1 输送相图介绍

4．1．2 高压密相输送中的倾斜管相图

4．1．3 粉体物性对倾斜管阻力特性的影响

4．1．4 倾斜角度对倾斜管阻力特性的影响

4．2 压降计算方法介绍

4．2．1 压降比法

4．2．2 经验公式法

4．2．3 附加压降法

4．2．4 力平衡法

4．2．5 数值计算

4．3 能量理论介绍

4．4 量纲分析法介绍

4．5 压降公式拟合结果与讨论

4．5．1 水平管及垂直管压降公式的拟合结果对比

4．5．2 单一角度倾斜管压降公式拟合

4．5．3 变角度倾斜管压降公式拟合

4．6 本章小结

参考文献

第五章 倾斜管浓相输送过程数值模拟研究

5．1 气固两相湍流流动数理模型

5．1．1 气相方程

5．1．2 固相方程

5．1．3 气固两相的湍流输运方程

5．2 数值模拟条件

5．2．1 网格划分

5．2．2 边界条件

5．2．3 求解方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 倾斜管中两相流流动的一般规律

5．3．2 表观气速对出口截面固相浓度的影响

5．3．3 物料粒径对固相浓度分布的影响

5．4 本章小结

参考文献

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

作者简介及攻读硕士学位期间获得的学术成果