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气流床加压气化技术是煤炭大规模、高效率利用的最佳选择之一。加压气化技术的关键之一是解决粉煤的加压入炉进料技术。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,与湿法进料的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。干煤粉加压气化的核心技术之一是煤粉在高压、密相条件下的稳定、可控输送。
气力输送技术起源于19世纪上半叶,至今已有百余年历史。但在相当长的一段时间里,研究和应用主要集中在低压稀相范畴。加压密相气力输送由于具有输送固气比高、输送气量少、管路及物料磨损轻等显著优点,近年来成为气力输送研究的中心课题。在先进的干煤粉加压气化装置中采用高浓度煤粉加压连续输送技术具有重要意义,不过限于理论未成熟,目前该技术还未达到成熟阶段。2002年东南大学沈湘林课题组承担国家“十五”863计划课题,自主开发了干煤粉加压密相输送技术,建成了一套以N2为输送介质,输送压力可达4MPa,煤粉速率通量可达3450kg/(m2.s)的煤粉加压密相气力输送实验装置,并在煤粉输送特性以及管路阻力特性研究等方面取得了重要的研究成果。在干煤粉加压气化技术中,用于输送的介质可以是N2、CO2或者合成气。不同气体作输送介质时,煤粉的输送特性存在显著差异。通过实验研究,掌握不同介质的密相输送特性,对大规模煤粉高压密相气力输送系统的设计与运行具有重要的指导意义。在输送过程中,弯管等局部压降是输送的重要参数,与固气比、煤粉速率通量以及表观气速有着密切关系,国内外众多学者对其进行了理论和实验研究。然而这些研究主要针对以N2或空气作输送介质的输送过程,对于以CO2作介质时,管路压降特性的研究还未见报道。因此,以CO2作输送介质的高压输送的局部压降特性具有重要的研究价值。
本文在上述自主研发的加压密相气力输送实验台上,以二氧化碳为输送介质进行了煤粉的加压密相输送实验研究。研究了总压差及输送风量等操作参数对输送特性以及直管和弯头等局部压差的影响规律。结果表明:在接收罐压力、流化风和补充风流量不变的条件下,随着输送总压差的变大,煤粉速率通量逐渐增加,而空隙率逐渐减小;在接收罐压力、输送总压差和流化风流量不变条件下,随着补充风流量增大,表观气速逐渐增大,煤粉速率通量逐渐减小。
在固气比和煤粉速率通量相差不大的条件下,直管和弯管的压降都随着表观气速的增加而增大;当表观气速相同时,固气比或者煤粉速率通量增加时,直管和弯管压降也随之提高;弯管流动中,其动能压损与Gs·U的线性关系良好,这与Geldart实验结果吻合;此外,弯管压降中存在较大的固相能量压损,致使其压降大于长度相当的直管段压降。
在Barth附加压力损失理论基础上,考虑气体以及煤粉物性参数对压损的影响,运用量纲分析法,得到CO2作输送介质时,高压密相输送条件下附加压损系数的回归公式。用回归公式预测的压损值与实验值吻合得较好,与Geldart预测值也具有一定的吻合度。