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摘 要：该文基于粉煤输送对粉煤气化的重要影响，通过研究粉煤性质以及对粉煤锁斗的控制，分析了粉煤锁斗下料不畅的原因。结果表明，影响粉煤锁斗下料的因素有：粉煤的粒径、粉煤的水分、休止角、粘附性以及工艺控制粉煤的温度控制、锁斗气量分配、锁斗加压方式等。并且通过对粉煤锁斗输送的影响因素的研究分析，提出了优化控制思路以及预防的措施。
关键词：气化技术；粉煤锁斗；粉煤；下料不畅；影响因素
中图分类号 TQ546.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）18-0142-03
Study on the Problem of Pulverized Coal Feeding in the Alternating Pressure Lock Bucket System
Fang Yuhu et al.
（Yanchang Petroleum （Group） Hydrocarbon Utilization Technology Research Center，Xi'an 710000， China）
Abstract：Based on the important influence of pulverized coal transportation on the gasification of pulverized coal， through the study of the characteristics of pulverized coal and the control of pulverized coal lock bucket， this article analyzed the reasons of the poor performance for pulverized coal lock bucket. The results show that the factors influencing the pulverized coal lock hopper feeding are： pulverized coal particle size， coal moisture，angle of repose， adhesion and process control of coal powder temperature control， distribution of amount of gas， the way of increase pressure etc.From analysis of the influencing factors of pulverized coal lock bucket transportation， this article put forwards the optimized control ideas and preventive measures.
Key words：Gasification technology；Pulverized coal lock bucket；Pulverized coal；Sluggish material；Influencing factors
粉煤加壓工业技术有：Shell气化技术、GSP气化技术、HT-L气化技术、温克勒气化技术，常见的粉煤输送技术有固体泵输送技术和较为广泛应运的锁斗输送系统。锁斗是煤化工行业中应用最常见的设备，尤其在一些加压的粉煤及煤渣气力输送系统中有着广泛的应用。锁斗一般安装在常压容器和加压容器之间。粉煤由粉煤缓冲仓落入对应的粉煤锁斗后高压CO2为粉煤锁斗加压后，锁斗中的粉煤落入对应的粉煤给料仓，经对应的粉煤给料仓、粉煤加压给料器送入气化炉。锁斗是粉煤输送系统的关键设备，受到粉煤性质、锁斗选型、操作方法等各方面的影响，粉煤会在锁斗内架桥，导致下料不畅，乃至进料中断。
1 粉煤锁斗下料不畅的主要因素
粉煤性质（粒度大小、水分、休止角、粘附性、光洁度等）、锁斗选型（锁斗锥部夹角、锁斗锥部材料）、锁斗操作方法（锁斗内粉煤的温度、加压方式）等众多因素都会导致锁斗内粉煤下料不畅。
1.1 粉煤的性质
1.1.1 粉煤的粒径与分布 在工业生产中用煤粒的长度尺寸来表示粒度时，我们将该尺寸称为粒径[2]。粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中所占比例，有区间分布和累计分布2种形式，区间分布又称为微分分布或频率分布，它表示一系列粒径区间中颗粒的含量。累计分布也叫积分分布，它表示小于或大于某粒径颗粒的百分含量。由于粒径只能表示一个粉煤颗粒的长度，而粉煤是由粉煤颗粒组成，所以通常用粒度分布来表示粉煤的粒度。若粒度较大的粉煤颗粒在粉煤中占得比例较大，粉煤会在锁斗出料口相互支撑架桥，导致锁斗下料不畅。而小于100μm的粉煤颗粒在粉煤中占得比例较大，粉煤的比表面积增大，大量的粘附在锁斗器壁上，导致锁斗下料不畅。
1.1.2 粉煤的水分 煤是多孔性固体，在煤的形成、开采、洗选、运输过程中都会有水的存在。根据水分的存在状态及物化性质将其分为外水、内水、化合水。外水和内水可以通过加热到105～110℃将其全部蒸发，而化合水需要更高的温度，所以我们又将外水和内水统称为“全水分”，将化合水称为“结合水”。粉煤中的外水对粉煤流动性的影响较大，一定程度下内水和结晶水会转变为外水。当含水率增大时，粉煤的粘附力增大，流动性变大。一般粉煤水含量大于8%时，粉煤很难流动。
1.1.3 休止角 休止角是指颗粒物堆积在自由斜面，在静止的平衡状态下，自由斜面与水平面形成的最大夹角。休止角可以代表粉体在重力影响下流动的流动性。当休止角在大于40°时表明流动性较差，休止角在30°～40°时表明粉体流动性较好，休止角小于30°时表明流动性良好[1]。粉煤的休止角还受到粉煤水分含量的影响。一定范围内水含量越高，休止角越大。 1.1.4 粘附（凝聚）性质 颗粒物与颗粒物之间本身就存在相互的吸引力，其中这些力中还包含分子力、静电吸引力等。在粉煤输送以及下料过程中，粉煤会附着在器壁或管壁上造成下料不畅或输送不畅。有时粉煤颗粒会相互凝聚成团，同样也会造成管线堵塞或下料不畅[5]。
1.2 锁斗的选型 锁斗是由锥筒、锥体、法兰、内衬等部分组成，锁斗连接常压和高压设备，它是将物料在高低压设备中输送的关键，所以锁斗的设计和选材是防止粉煤锁斗架桥的关键。
1.2.1 锁斗的材质 锁斗是交变压设备，并且锁斗内部材质的选型对粉煤是否容易挂壁等起关键作用。所以选用的锁斗内器壁材质在符合国家标准的基础上还要考虑到符合耐磨且要光滑不易使颗粒物挂壁的材质。碳钢的摩擦系数最大，其次是不锈钢，铝合金的摩擦系数最小。
1.2.2 锁斗锥角 锁斗的锥角是指锁斗截面的2条母线之间的夾角。当粉煤的休止角不变时，锁斗的锥角越大，粉煤越容易在重力影响下流动。当锁斗的锥角大于粉煤休止角时粉煤的静止状态将会被打破。
1.3 工艺控制 粉煤锁斗下料不畅除了受粉煤自身影响和锁斗材质的影响之外，还受到工艺操作的控制的影响。工艺操作的主要影响有粉煤在输送过程中的温度、粉煤锁斗流化气气量的分布、粉煤锁斗的加压方式等。
1.3.1 制粉温度控制 制粉系统将块煤研磨成要求的粉煤输送到锁斗中，若制出的粉煤中水含量较高且输送过程中未做伴热，粉煤中的水分将会凝露，导致粉煤粘结成块。若水分过大时粉煤还会成浆，严重影响粉煤的下料。并且温度的变化还影响粉煤表面的吸附性，温度的不同粉煤的吸附力不同，粉煤的流动性不同。
1.3.2 锁斗加压方式 按照锁斗加压位置的不同，可以将锁斗加压分为顶部加压、中部加压、底部加压。按加压速率分可以将锁斗加压分为正常加压、低速加压、高速加压。锁斗加压的位置与速率不同会导致水分含量和细粉浓度不同程度的增加，粉煤架桥的几率显著升高。
2 粉煤锁斗下料不畅的形式
受粉煤自身性质、锁斗选型以及工艺操作的影响，一般将下料不畅分为4种，如图1所示。如图1中a所示，物料在出料口相互支撑，导致锁斗架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤颗粒过大、出料口过小、锁斗物料流化不好等。如图1中b所示，物料整体集存在锁斗的锥部，导致锁斗架桥，造成此类现象的主要原因有加压速率过快、加压直接从顶部加压等。如图1中c所示，物料在出料口上部垂直下而大部分物料落粘附在器壁上，导致架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤粘附性过大、锁斗锥度过小、粉煤水分过大等。如图1中d所示，仅有少部分粉煤粘附在器壁上，导致架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤休止角大、粉煤粘附性大、粉煤水分大、粉煤颗粒细、锁斗锥角小、锁斗内壁不光滑等。
3 粉煤锁斗下料不畅的解决方案
粉煤锁斗下料不畅会导致给料斗料位跟不上，严重情况下还会导致进料中断。触发跳车连锁。为避免因粉煤下料不畅、导致停车的问题，要从粉煤的性质、锁斗的选型、锁斗加压等方面予以改善。
（1）在选煤方面，选用水含量较低、休止角小光洁度低的煤种。粉煤的粒度受到煤自身一般性质可磨指数、落下强度等的影响，当煤种的可磨指数越低落下强度越高相应的粉煤粒度也会较高。
（2）要使用锥角较大的锁斗且锁斗的内壁要使用较光滑的材质，如不锈钢。锁斗锥部设置仓壁振打器，当锁斗出现架桥现象时，打开仓壁振打器，通过调节仓壁振打器的频率与振打强度，破坏粉煤架桥的内部结构。
（3）粉煤粒度的大小还与制粉的工况以及设备有关。制粉系统中磨煤机的加工量、循环风量的大小、磨煤机折向门的开度、磨煤机磨辊与磨碗的距离都是调整粉煤粒度的手段。
（4）严格控制水含量：粉煤水含量也是影响粉煤下料是否通畅的关键因素之一。当粉煤中水含量过高时就会引起架桥。在制粉工段中，煤中的水都是通过换热后的循环气带出。磨煤机出口温度一般控制在75～85℃。并且在输送过程中各管线均有伴热。锁斗伴热后的温度一般在75℃左右。
（5）在锁斗锥部增加流化气，在锁斗下料前，微开锁斗锥部流化气，使得粉煤在锁斗内鼓泡，避免粉煤架桥。
（6）严格按照锁斗顺控程序，避免锁斗物料长时间积料，从而造成物料压实。
（7）锁斗采用三路加压（锥部加压、中部加压、上部加压），锁斗加压时先从锁斗锥部加压再从锁斗中部与上部加压。加压结束后先关闭顶部加压再关闭中部加压与锥部加压。避免粉煤压实造成的锁斗架桥。
（8）严格控制锁斗加压速率。由于隔离加压导致粉煤水含量增加、细粉浓度增加、粉煤不同程度的压实，引起架桥的几率显著升高。所以在加压初期缓慢加压会减少压紧情况，加压气缓慢给粉煤进料锁斗加压，一旦达到要求的压力，然后快速加压使得锁斗的压力接近最终的压力设定值（差值范围内），然后锁斗压力缓慢的达到要求的设定值，以防止锁斗过度升压。
（9）对于正常的均压操作，锁斗压力的设定值就是粉煤给料仓的压力，粉煤给料仓压力由气化炉和粉煤输送线之间的压差确定，由于工艺要求的不同锁斗增压的设定值也不同。在均压时，均压线要稍早于锁斗出料阀打开，保证粉煤靠重力自由落下。
4 结论
粉煤加压气化技术经常涉及到粉煤的输送和运输，在锁斗的运输过程中锁斗常会出现锁斗下料不畅的现象，粉煤的性质、锁斗的选型、工艺的操作在粉煤输送中扮演重要的角色。本文通过分析影响粉煤下料不畅的影响因素，提出应对方案，主要结论如下：
（1）根据工艺需求选用水含量低、休止角小于40°、粘附性低、光洁度高的粉煤。
（2）在锁斗选用方面，由于锁斗为交变压设备，所以在材质选用上，锁斗一般选用不锈钢材质，而锁斗的锥角在设计上大于粉煤休止角。也可对锁斗进行改造，例如加笛管、仓壁振打器等。
（3）在工艺控制方面，控制粉煤粒径大于100μm，且水含量在8%以下。在粉煤输送过程中粉煤的温度控制在70℃左右。并且在锁斗加压方式上选择适合的加压方式和加压速率。
参考文献
[1]姚力.煤粉仓中煤粉流动特性的实验研究[D].太原：太原理工大学，2014：21-75.
[2]孙西红.粉煤气化中煤粉的适应性改造[J].山东化工，2012，6：57-66.
[3]俞珠峰.洁净煤技术发展及应用[M].北京：化学工业出版社，2004：144-145.
[4]曾凡，胡永平.矿物加工颗粒[M].北京：中国矿业大学出版社，1995：70-80.
[5]郑智宏.煤化工生产基础知识[M].北京：化学工业出版社，2007：44-60.
[6]朱银惠.煤化学[M].北京：化学工业出版社，2011：38-46.
（责编：张宏民）
关键词：气化技术；粉煤锁斗；粉煤；下料不畅；影响因素
中图分类号 TQ546.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）18-0142-03
Study on the Problem of Pulverized Coal Feeding in the Alternating Pressure Lock Bucket System
Fang Yuhu et al.
（Yanchang Petroleum （Group） Hydrocarbon Utilization Technology Research Center，Xi'an 710000， China）
Abstract：Based on the important influence of pulverized coal transportation on the gasification of pulverized coal， through the study of the characteristics of pulverized coal and the control of pulverized coal lock bucket， this article analyzed the reasons of the poor performance for pulverized coal lock bucket. The results show that the factors influencing the pulverized coal lock hopper feeding are： pulverized coal particle size， coal moisture，angle of repose， adhesion and process control of coal powder temperature control， distribution of amount of gas， the way of increase pressure etc.From analysis of the influencing factors of pulverized coal lock bucket transportation， this article put forwards the optimized control ideas and preventive measures.
Key words：Gasification technology；Pulverized coal lock bucket；Pulverized coal；Sluggish material；Influencing factors
粉煤加壓工业技术有：Shell气化技术、GSP气化技术、HT-L气化技术、温克勒气化技术，常见的粉煤输送技术有固体泵输送技术和较为广泛应运的锁斗输送系统。锁斗是煤化工行业中应用最常见的设备，尤其在一些加压的粉煤及煤渣气力输送系统中有着广泛的应用。锁斗一般安装在常压容器和加压容器之间。粉煤由粉煤缓冲仓落入对应的粉煤锁斗后高压CO2为粉煤锁斗加压后，锁斗中的粉煤落入对应的粉煤给料仓，经对应的粉煤给料仓、粉煤加压给料器送入气化炉。锁斗是粉煤输送系统的关键设备，受到粉煤性质、锁斗选型、操作方法等各方面的影响，粉煤会在锁斗内架桥，导致下料不畅，乃至进料中断。
1 粉煤锁斗下料不畅的主要因素
粉煤性质（粒度大小、水分、休止角、粘附性、光洁度等）、锁斗选型（锁斗锥部夹角、锁斗锥部材料）、锁斗操作方法（锁斗内粉煤的温度、加压方式）等众多因素都会导致锁斗内粉煤下料不畅。
1.1 粉煤的性质
1.1.1 粉煤的粒径与分布 在工业生产中用煤粒的长度尺寸来表示粒度时，我们将该尺寸称为粒径[2]。粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中所占比例，有区间分布和累计分布2种形式，区间分布又称为微分分布或频率分布，它表示一系列粒径区间中颗粒的含量。累计分布也叫积分分布，它表示小于或大于某粒径颗粒的百分含量。由于粒径只能表示一个粉煤颗粒的长度，而粉煤是由粉煤颗粒组成，所以通常用粒度分布来表示粉煤的粒度。若粒度较大的粉煤颗粒在粉煤中占得比例较大，粉煤会在锁斗出料口相互支撑架桥，导致锁斗下料不畅。而小于100μm的粉煤颗粒在粉煤中占得比例较大，粉煤的比表面积增大，大量的粘附在锁斗器壁上，导致锁斗下料不畅。
1.1.2 粉煤的水分 煤是多孔性固体，在煤的形成、开采、洗选、运输过程中都会有水的存在。根据水分的存在状态及物化性质将其分为外水、内水、化合水。外水和内水可以通过加热到105～110℃将其全部蒸发，而化合水需要更高的温度，所以我们又将外水和内水统称为“全水分”，将化合水称为“结合水”。粉煤中的外水对粉煤流动性的影响较大，一定程度下内水和结晶水会转变为外水。当含水率增大时，粉煤的粘附力增大，流动性变大。一般粉煤水含量大于8%时，粉煤很难流动。
1.1.3 休止角 休止角是指颗粒物堆积在自由斜面，在静止的平衡状态下，自由斜面与水平面形成的最大夹角。休止角可以代表粉体在重力影响下流动的流动性。当休止角在大于40°时表明流动性较差，休止角在30°～40°时表明粉体流动性较好，休止角小于30°时表明流动性良好[1]。粉煤的休止角还受到粉煤水分含量的影响。一定范围内水含量越高，休止角越大。 1.1.4 粘附（凝聚）性质 颗粒物与颗粒物之间本身就存在相互的吸引力，其中这些力中还包含分子力、静电吸引力等。在粉煤输送以及下料过程中，粉煤会附着在器壁或管壁上造成下料不畅或输送不畅。有时粉煤颗粒会相互凝聚成团，同样也会造成管线堵塞或下料不畅[5]。
1.2 锁斗的选型 锁斗是由锥筒、锥体、法兰、内衬等部分组成，锁斗连接常压和高压设备，它是将物料在高低压设备中输送的关键，所以锁斗的设计和选材是防止粉煤锁斗架桥的关键。
1.2.1 锁斗的材质 锁斗是交变压设备，并且锁斗内部材质的选型对粉煤是否容易挂壁等起关键作用。所以选用的锁斗内器壁材质在符合国家标准的基础上还要考虑到符合耐磨且要光滑不易使颗粒物挂壁的材质。碳钢的摩擦系数最大，其次是不锈钢，铝合金的摩擦系数最小。
1.2.2 锁斗锥角 锁斗的锥角是指锁斗截面的2条母线之间的夾角。当粉煤的休止角不变时，锁斗的锥角越大，粉煤越容易在重力影响下流动。当锁斗的锥角大于粉煤休止角时粉煤的静止状态将会被打破。
1.3 工艺控制 粉煤锁斗下料不畅除了受粉煤自身影响和锁斗材质的影响之外，还受到工艺操作的控制的影响。工艺操作的主要影响有粉煤在输送过程中的温度、粉煤锁斗流化气气量的分布、粉煤锁斗的加压方式等。
1.3.1 制粉温度控制 制粉系统将块煤研磨成要求的粉煤输送到锁斗中，若制出的粉煤中水含量较高且输送过程中未做伴热，粉煤中的水分将会凝露，导致粉煤粘结成块。若水分过大时粉煤还会成浆，严重影响粉煤的下料。并且温度的变化还影响粉煤表面的吸附性，温度的不同粉煤的吸附力不同，粉煤的流动性不同。
1.3.2 锁斗加压方式 按照锁斗加压位置的不同，可以将锁斗加压分为顶部加压、中部加压、底部加压。按加压速率分可以将锁斗加压分为正常加压、低速加压、高速加压。锁斗加压的位置与速率不同会导致水分含量和细粉浓度不同程度的增加，粉煤架桥的几率显著升高。
2 粉煤锁斗下料不畅的形式
受粉煤自身性质、锁斗选型以及工艺操作的影响，一般将下料不畅分为4种，如图1所示。如图1中a所示，物料在出料口相互支撑，导致锁斗架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤颗粒过大、出料口过小、锁斗物料流化不好等。如图1中b所示，物料整体集存在锁斗的锥部，导致锁斗架桥，造成此类现象的主要原因有加压速率过快、加压直接从顶部加压等。如图1中c所示，物料在出料口上部垂直下而大部分物料落粘附在器壁上，导致架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤粘附性过大、锁斗锥度过小、粉煤水分过大等。如图1中d所示，仅有少部分粉煤粘附在器壁上，导致架桥，造成此类现象的主要原因有粉煤休止角大、粉煤粘附性大、粉煤水分大、粉煤颗粒细、锁斗锥角小、锁斗内壁不光滑等。
3 粉煤锁斗下料不畅的解决方案
粉煤锁斗下料不畅会导致给料斗料位跟不上，严重情况下还会导致进料中断。触发跳车连锁。为避免因粉煤下料不畅、导致停车的问题，要从粉煤的性质、锁斗的选型、锁斗加压等方面予以改善。
（1）在选煤方面，选用水含量较低、休止角小光洁度低的煤种。粉煤的粒度受到煤自身一般性质可磨指数、落下强度等的影响，当煤种的可磨指数越低落下强度越高相应的粉煤粒度也会较高。
（2）要使用锥角较大的锁斗且锁斗的内壁要使用较光滑的材质，如不锈钢。锁斗锥部设置仓壁振打器，当锁斗出现架桥现象时，打开仓壁振打器，通过调节仓壁振打器的频率与振打强度，破坏粉煤架桥的内部结构。
（3）粉煤粒度的大小还与制粉的工况以及设备有关。制粉系统中磨煤机的加工量、循环风量的大小、磨煤机折向门的开度、磨煤机磨辊与磨碗的距离都是调整粉煤粒度的手段。
（4）严格控制水含量：粉煤水含量也是影响粉煤下料是否通畅的关键因素之一。当粉煤中水含量过高时就会引起架桥。在制粉工段中，煤中的水都是通过换热后的循环气带出。磨煤机出口温度一般控制在75～85℃。并且在输送过程中各管线均有伴热。锁斗伴热后的温度一般在75℃左右。
（5）在锁斗锥部增加流化气，在锁斗下料前，微开锁斗锥部流化气，使得粉煤在锁斗内鼓泡，避免粉煤架桥。
（6）严格按照锁斗顺控程序，避免锁斗物料长时间积料，从而造成物料压实。
（7）锁斗采用三路加压（锥部加压、中部加压、上部加压），锁斗加压时先从锁斗锥部加压再从锁斗中部与上部加压。加压结束后先关闭顶部加压再关闭中部加压与锥部加压。避免粉煤压实造成的锁斗架桥。
（8）严格控制锁斗加压速率。由于隔离加压导致粉煤水含量增加、细粉浓度增加、粉煤不同程度的压实，引起架桥的几率显著升高。所以在加压初期缓慢加压会减少压紧情况，加压气缓慢给粉煤进料锁斗加压，一旦达到要求的压力，然后快速加压使得锁斗的压力接近最终的压力设定值（差值范围内），然后锁斗压力缓慢的达到要求的设定值，以防止锁斗过度升压。
（9）对于正常的均压操作，锁斗压力的设定值就是粉煤给料仓的压力，粉煤给料仓压力由气化炉和粉煤输送线之间的压差确定，由于工艺要求的不同锁斗增压的设定值也不同。在均压时，均压线要稍早于锁斗出料阀打开，保证粉煤靠重力自由落下。
4 结论
粉煤加压气化技术经常涉及到粉煤的输送和运输，在锁斗的运输过程中锁斗常会出现锁斗下料不畅的现象，粉煤的性质、锁斗的选型、工艺的操作在粉煤输送中扮演重要的角色。本文通过分析影响粉煤下料不畅的影响因素，提出应对方案，主要结论如下：
（1）根据工艺需求选用水含量低、休止角小于40°、粘附性低、光洁度高的粉煤。
（2）在锁斗选用方面，由于锁斗为交变压设备，所以在材质选用上，锁斗一般选用不锈钢材质，而锁斗的锥角在设计上大于粉煤休止角。也可对锁斗进行改造，例如加笛管、仓壁振打器等。
（3）在工艺控制方面，控制粉煤粒径大于100μm，且水含量在8%以下。在粉煤输送过程中粉煤的温度控制在70℃左右。并且在锁斗加压方式上选择适合的加压方式和加压速率。
参考文献
[1]姚力.煤粉仓中煤粉流动特性的实验研究[D].太原：太原理工大学，2014：21-75.
[2]孙西红.粉煤气化中煤粉的适应性改造[J].山东化工，2012，6：57-66.
[3]俞珠峰.洁净煤技术发展及应用[M].北京：化学工业出版社，2004：144-145.
[4]曾凡，胡永平.矿物加工颗粒[M].北京：中国矿业大学出版社，1995：70-80.
[5]郑智宏.煤化工生产基础知识[M].北京：化学工业出版社，2007：44-60.
[6]朱银惠.煤化学[M].北京：化学工业出版社，2011：38-46.
（责编：张宏民）