粉体密相输送系统的选型研究

冯小杰

摘要：通过对煤粉气化两种典型的输送系统的研究，分析了粉体密相输送技术和粉体加压泵技术特性，即粉体仓泵和固体加压泵输送系统的两种典型技术特性，目的是解决密相输送的关键技术问题，提出固体加压泵技术的研究方向。

关键字：粉体密相输送；输送系统；系统选型

1、前言

传统的粉体密相输送系统采用仓泵加压，通过载气将固体物料与气流进行充分流化，利用正压气流推动物料以低于悬浮速度的速度通过管道输送的气固二相流技术。固相输送泵技术采用固体加压输送泵的进料方式，本身不产生高压，而是通过运动产生摩擦及挤压力，将低压粉料送入高压料斗，此种技术是煤气化工程中煤粉浓相输送的发展趋势。我国今后需加强对粉粒体的粒子力学、数值模拟和实验的研究，包括粒子静力学、散体力学和动力学的基本理论研究，找出各煤型、含水率、粒度与摩擦系数之间的函数关系，提出切实可行的固体泵加压方案。

2、主要加压技术

加压冷凝段输送煤粉是影响干法煤气化项目中气化炉连续稳定运行的关键技术。多联产技术是在加压煤气化工艺和联合循环发电系统的基础上发展起来的。目前主要有两种加压密相输送煤粉的方案:一是加压密相输送技术,它通过使用惰性气体作为载气,通过载气将固体物料与气流进行充分流化，利用正压气流推动物料以低于悬浮速度的速度通过管道输送的气固二相流技术。二是固体泵技术，采用固体加压输送泵的进料方式，输送泵本身不产生高压，而是通过运动产生摩擦及挤压力，将低压粉料送入高压料斗，此种输送技术是煤气化工程中煤粉浓相输送的发展趋势。本文主要介绍了两种煤粉加压浓相输送的研究现状，分析了其基本原理和存在的问题，提出了发展方向，为煤粉加压浓相输送技术的发展提供一定的技术支持。

早在20世纪50年代初，人们就开始探索煤粉加压密相输送技术。PRENFLO、SCGP、GSP等气化炉主要基于气化炉间歇加压半连续输煤的技术。随着科技的发展，原煤经球磨机可以制成满足气化要求的煤粉，在进入气化装置前，通过惰性气体将煤粉送至气化界区并储存在常压煤粉仓内，整个过程采用惰性气体保护，以防止粉尘爆炸的发生。随后煤粉从常压料斗进入加压料斗，加压后的煤粉随惰性气体最终一起送入气化炉内进行燃烧反应。随着设备技术的更替与发展，基于材料强度理论与散体力学，国外已经开始研究固体输送泵加压技术，如BulkSolidsPump技术。

3、干粉密相气的输送

传统的GSP干法煤粉密相气力输送技术是基于间歇增压器和连续压力进料。储斗与锁斗、锁斗与给料斗之间均设置有隔离阀门，通过隔离阀门的联锁交替开闭，对给料斗进行间断给料，整个煤粉下料过程全程惰性气体保护，以防粉尘爆炸。储斗、锁斗及给料斗在卸料过程中产生的扬尘通过脉冲布袋除尘器进行过滤收集，收集到的粉尘存储在布袋除尘器锥型灰斗内。为了保证煤粉管道运输的稳定与可靠，输送管道应采用蒸汽加热。

SHELL原理与GSP相似，唯一区别是SHEEL的给料斗采用下出料形式，而GSP是采用仓泵上出料形式。同时GSP的发送仓泵底部设置有流化板和搅拌器，便于沸腾过程中可以充分流化。通常输送煤粉的载气为合成器、氮气与CO2。氮气作为载气会对气化炉产品产生不利影响，增加后续合成气系统惰性气体的含量，降低气体的有效气体成分和热值。用合成气代替氮气可以减少氮气对合成气的污染，但合成气含有大量易燃易爆成分，危险性较大。二氧化碳是一种理想的载气，减少了产生蒸汽的需要，特别适合甲醇合成或其他合成煤化工技术，对节能与碳排放的控制有积极影响，值得进一步研究开发。

4、固体加压输送技术

载体气体作为输送介质，对后续产品的气体组分有一定的影响。在深入研究散体力学的基础上，通过对煤颗粒力学性能的研究，固体加压输送泵技术正在逐步发展。根据扩散力学原理和固体密封原理，固体从上、低压区进入管道。由于管道的下压力大于上压力，压差将固体物料向上推。建立相应的理论模型可以用来预测的一项关键指标的压力损失,例如,为了获得合理的操作参数,磨料磨损。干粉加压密相气力输送过程十分复杂。目前，国内已有一些理论和数值模拟研究。以DEM和CFD为例，详细分析了水平螺旋和垂直气力输送系统的流动模型。密相气体固两相流中固体与颗粒运动相互作用的数学模型。采用先进的信息熵分析方法和beamCAI软件对高压下煤粉的流动特性进行了研究。通过对特征信号脉冲时间序列信息熵的分析，得到了熵与输运压差、含水量、风量和表观速度的关系。进而针对性的建立起了高压密相输送过程中状态和信息熵之间存在的关系以及具体的流动特性，实际应用的过程中煤粉加压密相气体输送系统的研究首先要进行的就是理论研究，具体执行的过程中应当对气固的具体组成成分，运输时工作的条件以及物理性能等多个角度进行针对性的研究，随后结合实际情况来探讨单个颗粒的形状应力以及具体的表面距，测量颗粒电阻率，最终寻找相应计算公式来分析颗粒的流态化属性。干粉加压密相气力输送过程十分复杂。目前，国内已有一些理论和数值模拟研究，基于水平螺旋的离散元法对水平稳态流进行了详细的力学分析。在计算流体力学中，水平和垂直气力输送装置常发生非定常运动。建立了颗粒运动与气固两项流的数学模型。国外已经有人在以上基础上应用能量守恒的原理并附加压损概念，建立了压损模型，对水平和垂直的管内流动效果进行了测试。在高压密相输送的过程中流体类型的变化也会直接影响到输送的具体性能，而同时高压密相输送时颗粒之间以及颗粒和容器壁的影响和碰撞都会产生一定的相互作用，在具体的条件下散料的流动变化也会有着十分明显的问题，但是现在有关的研究内容依然没有得到充分的发掘，依然有一定的发展空间。

5、结束语

国内外现在有关于散体力学的在输送领域的研究依然没有充分得到发挥，有关的研究课题也是刚刚进步，同时一些实践的内容依然不够成熟。在这样的情况下，强化对理论知识的学习和实验研究是非常必要的，我们需要跟踪国外固体泵输送技术的发展，争取早日取得研究成果。

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