L閥粉體流量調節特性實驗研究

王歡歡 王 祥 向文國

(東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室)

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，為了滿足日益嚴苛的環境排放標準，實現可持續發展，必須提高煤炭利用率，減少污染物排放，發展潔凈煤發電技術[1]，整體煤氣化聯合循環 (IGCC，Integrated Gasification Combined Cycle)就是一種潔凈煤發電技術[2]。其中煤氣化技術是關鍵技術之一，氣流床氣化技術是目前主流的氣化技術，其碳轉化率很高，但由于它采用液態排渣，所以要求入爐煤的灰熔點低于氣化爐的操作溫度(1 400～1 600℃)[3]，因此高灰熔點的煤種不太適合；流化床氣化技術的煤種適應性好，但其入爐煤粒徑分布寬，氣化溫度低，故碳轉化率偏低；高倍率循環流化床氣化技術能夠較好地克服常規流化床氣化技術碳轉化率較低的缺陷，因此是較好的選擇[4]，但由于其爐內高溫、高壓的環境，很難直接采用常規爐渣的冷卻方式，此時高溫、高壓的排灰技術成為亟需攻克的關鍵技術之一。目前國內外常用的水冷螺旋排渣器(Ash Cooling Screws)[5]和葉輪旋轉閥(Rotary Valves)具有排料速率準確、不易失控的優點，但其對材料性能和加工精度的要求高，轉動部件易磨損，高壓下易漏氣，因此不適合用于較高壓力的環境下。L閥通過改變充氣流量來調節排渣(灰)速率，它結構簡單、加工容易、操作方便，能有效避免卡死及磨損等問題，是目前最常用的一種非機械閥。但它的缺陷也比較大：控制排渣(灰)速率的定量性較差，精度相對較低，同時回調性較差，還易失控[6]。

榮德剛等對L閥工作壓力進行深入研究，探究了不同壓力下控制L閥排渣速率的可行性[7]，同時還研究了L閥前后壓差對其穩定運行的影響。L閥返料的質量流率與通入的輔助松動風量基本呈線性關系。充氣點位置不同時，調節特性有一定的差異，Knowlton T M最早探究了L閥充氣點高度與其調節特性的關系，推薦最佳充氣點高度應在水平管段軸線上方兩倍管徑處[8]。房倚天和吳晉滬研究了可伸入L閥水平段內的水平充氣管，解決L閥拐點死區結焦問題[9]，發現增加水平管在L閥內的伸入長度，其返料能力會下降，而且伸入長度超過一定值后將不能正常工作。郭慕孫和李洪鐘基于多相流理論和散料力學提出了L閥的流體動力學模型，能夠準確預測顆粒質量流率及壓降等[10]。Arena U等研究了不同粒徑、不同密度的顆粒在L閥中的調節特性[11]。還有許多研究者通過實驗研究，提出了充氣流量和固體顆粒流率之間的函數關系[12～14]。

筆者通過實驗研究了L閥的調節特性，分別探究顆粒粒徑、顆粒密度和充氣點位置對L閥粉體流量調節特性的影響，探究其作為排灰裝置的可行性，并與流動密封閥的調節特性進行比較。

1 實驗裝置及方法

1.1實驗裝置

實驗裝置由儲料倉、立管(內徑19mm，高度1m)、L閥和兩個接料倉組成(圖1)。固體顆粒在氣動閥的作用下從儲料倉落下，穿過立管，在接料倉中被回收。儲料倉底部通入松動風以防止物料搭橋堵塞。圖2為實驗所使用的L閥結構：水平管段長5DLV，在距水平管段軸線高2DLV處設上充氣點，距水平管段軸線高DLV處設下充氣點，此外還設置了水平管段充氣管，其伸入長度可調，L閥直徑與立管直徑相同。

圖1 L閥返料系統示意圖

圖2 L閥結構

1.2實驗材料

實驗采用粒徑不同的石英砂和鐵礦石作為循環物料。常壓下幾種物料的主要物理參數見表1。用水置換法測得顆粒的密度，并根據Grace J R提出的經驗公式計算出臨界流化速度[15]。

表1 實驗材料的主要物理參數

1.3實驗步驟

實驗前，檢查系統的氣密性，確保系統不漏氣。在儲料倉中裝滿循環物料，打開高壓氣瓶，向儲料倉和接料倉中供氣，調節背壓閥使其處于一定的差壓Δp下(Δp為儲料倉與接料倉的壓力差)。將流量計調至設定工況值，打開右閥門，使物料落在右接料倉中。運行一段時間，返料穩定后，關閉右閥門，同時打開左閥門，并開始計時，經過一段時間t后，關閉左閥門，打開右閥門。用天平秤測量左接料倉物料的質量。

1.4數據處理

2 結果與討論

2.1粒徑對L閥顆粒質量流率的影響

實驗考察了粒徑分別為82、170、350μm的石英砂的調節特性(圖3)，均由上充氣管通氣。評價L閥調節特性重點要考察質量流率的調節質量和調節范圍。調節質量包括兩個方面，一是充氣流量與質量流率的線性相關性，線性相關系數越接近1其調節特性就越好；二是回歸直線的斜率，斜率大說明充氣流量變化不大時，質量流率卻變化很大，這種情況下，調節難度大，調節質量不好。由圖可知，3條調節曲線線性相關性都較高；粒徑越大，曲線的斜率越小，這表明L閥對粒徑較大的顆粒調節精度高，可控性較好，分析圖3還發現粒徑較大的兩種石英砂的最大顆粒質量流率幾乎相同，與82μm的石英砂差距較大。這是因為A類顆粒之間的粘性力較大，流動性能差，影響了顆粒在管內的運動，并且A類顆粒在立管中的下降速度也比較慢。從圖中還可以看出，充氣流量小于某一值時，固體顆粒不流動，一般稱此時的風量為最小松動風量(臨界啟動風量)Qmin，粒徑越大的顆粒最小松動風量越大。

圖3 粒徑對顆粒質量流率的影響

實驗還觀察到90μm的鐵礦石(A類顆粒)其質量流率波動性較大，并且當氣量逐漸增大時波動性增大(圖4)。在實驗中可以觀察到，當氣量稍大時，充氣點以下的固體顆粒很快被氣體輸送走，但是充氣點上面的固體顆粒仍保持短暫的靜止狀態，在極短時間后才落下，充氣口下方的立管中出現氣栓，立管中連續落料的狀態被打破，顆粒下落速度忽快忽慢，處于不穩定狀態。L閥水平段中沙丘和氣栓交替產生，這使得固體顆粒質量流率波動性增加。其原因是A類顆粒粒徑小，顆粒層粘附強度大，易相互團聚，并且顆粒與立管壁之間的粘附力較大，所以流動性能較差。

圖4 A類顆粒顆粒質量流率波動性

2.2密度對L閥顆粒質量流率的影響

比較L閥返送粒徑相似、密度不同的顆粒時的調節曲線，可得到密度對L閥調節特性的影響，如圖5所示。實驗使用平均粒徑82μm、密度2 070kg/m3的石英砂和平均粒徑90μm、密度4 272 kg/m3的鐵礦石，由圖可知，兩者的曲線斜率相差不大，說明密度對質量流率的調節特性的影響較小，石英砂的曲線略高，表明達到相同的質量流率，密度大的顆粒需要的風量更大，兩者最明顯的區別是最大質量流率值。鐵礦石最大質量流率是石英砂的2倍，而達到最大顆粒質量流率石英砂和鐵礦石所需的風量分別是100、200L/h。這表明密度大的顆粒的氣量調節范圍更寬。圖5中還可以發現最小松動風量與密度也有一定關系，密度越大，最小松動風量越大。

圖5 密度對顆粒質量流率的影響

2.3充氣點高度對L閥顆粒質量流率的影響

充氣口位置與質量流率調節特性的關系，即充氣點高度對顆粒質量流率的影響如圖6所示。可以看出從上充氣口充氣得到的曲線斜率略小，即達到相同質量流率時所需要的充氣流量要多一些。這是由于充氣高度的增加使得L閥流動阻力增加，立管有效高度略有減少，必須提供更多的氣量以產生足夠的壓頭才能使顆粒運動。但是阻力的增加使得氣量調節范圍更寬，控制精度提高，所以在合理范圍內選擇較高位置的充氣管是有利的。

圖6 充氣點高度對顆粒質量流率的影響

在實驗中觀察到，對于直徑較大的水平管，氣體從其上部逸散，其底部的顆粒并沒有流動，形成了死區。為此，嘗試在其底部設置水平充氣管，將底部的靜止顆粒吹出。將水平段充氣管氣量調到300、0L/h時，改變上充氣管充氣流量，得到水平充氣管充氣流量對顆粒質量流率的影響(圖7)。觀察圖7可以發現，水平充氣時質量流率稍有增加，此時質量流率達到最大值所需要的上充氣管氣量也較小，這使得氣量的調節范圍略微縮小。但總體來說，水平段充氣管對L閥返料特性影響不大。

圖7 水平段充氣管充氣流量對顆粒質量流率的影響

單獨利用水平段充氣管充氣時伸入長度為DLV，伸入長度對顆粒的返送也有較大的影響，超過一定值后，只從水平段充氣管充氣將不能返料。由表2可以看出，相比上充氣管，水平段充氣管的返料能力很有限，顆粒質量流量最大值約為4.5g/s，只有上充氣管的1/25，因此不適合作為主要返料方式，但是由于其返料特性曲線斜率較小，表明其調節精度高，可以作為輔助返料方式，與上充氣管配合工作，即上充氣管保持在某一氣量，改變水平段充氣管氣量進行調節。此時上充氣管相當于粗調，而水平充氣管相當于細調，如圖8所示，當上充氣口氣量不變，分別為200、300L/h時，改變水平管充氣流量，其顆粒質量流量的調節范圍分別是15～35g/s和33～50g/s，調節特性曲線的斜率遠遠小于只用上充氣口充氣的情況，這表明這種組合方式的調節精度更高。

表2 上充氣管與水平段充氣管顆粒質量流率比較

圖8 組合充氣方式對顆粒質量流率的影響

3 L閥和流動密封閥的比較

此前，王祥和向文國已經使用型式相同的實驗裝置研究了流動密封閥的調節特性[16]。在此可以比較L閥和流動密封閥調節特性的差異。在相同的實驗條件下(即立管直徑相同、顆粒物性相同、前后壓差相同)，L閥和流動密封閥比較結果如圖9所示。此時流動密封閥循環室流化風流化數固定在1.2，改變給料室松動風來調節顆粒質量流率；L閥通過調節其上充氣口氣量來調節顆粒質量流率。由圖可知，兩種氣動閥調節特性曲線的線性度較高，均在0.9以上，但是與流動密封閥相比，L閥的曲線斜率更高，這表明改變相同的風量，L閥顆粒質量流率變化更大，因此顆粒質量流量調節精度較低。同時L閥最小松動風量也較小，這是因為L閥結構簡單，運行阻力較小，所以只需很小的風就可以啟動，流動密封閥結構較為復雜，流動阻力較大，所以顆粒質量流率的調節精度更高。總體來說，流動密封閥調節性能更好，L閥的優點在于結構簡單、加工容易、易啟動，適用于大多精度要求不高的場合。且流動密封閥能返送較細的顆粒，而L閥不是特別適用，因為質量流率會產生較大波動。

圖9 L閥和流動密封閥比較

4 結論

4.1L閥輸送粒徑較大的顆粒時，氣量調節的線性度高，范圍大，可控性好。而對于粒徑較小的顆粒，L閥不太適用。密度對質量流率的調節質量影響較小，對調節范圍影響較大，密度越大，調節范圍越寬。

4.2L閥結構特點決定了，隨充氣位置上升，由于閥門阻力增加，此時顆粒流率控制精度有所提高。水平段充氣管的返料能力有限，但其調節精度遠高于其他充氣管，與上充氣管配合工作，能夠實現對顆粒質量流率精確調節。

4.3比較L閥和流動密封閥的調節特性發現，兩者的調節特性曲線的線性度都較高。與流動密封閥相比，L閥的優勢在于結構簡單、易啟動、適用范圍也較廣，但調節精度略低，且不適用于較細的顆粒。

[1] 姚強，陳超.潔凈煤技術[M].北京：化學工業出版社，2006：258～289.

[2] 許世森.IGCC與未來煤電[J].中國電力，2005，38(2)：13～17.

[3] 劉鏡遠，車維新.合成氣工藝技術與設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：45～95.

[4] 王波.基于輸運床氣化爐的IGCC系統集成研究[D].北京：中國科學院研究生院工程熱物理研究所， 2009.

[5] Kerner J W，Stetler G W.Ash Cooling Screws- A Retrospective and Looking Ahead[J].Journal of Energy Resources Technology，2006，128(2)：154～158.

[6] Mills D. Pneumatic Conveying Design Guide[M]. Netherlands：Butterworth- Heinemann，2004：54～79.

[7] 榮德剛，楊亞平，王雙群，等.PFBC高溫爐渣連續排放與冷卻系統的冷態試驗研究[J].熱能動力工程，1996，14(1)：15～19，63.

[8] Knowtlon T M.Gas fluidization Technology[M].New York：Wiley，1988：341～414.

[9] 房倚天，吳晉滬.帶水平吹氣管L閥的特性及公式[J].化學反應工程與工藝，1999，15(4)：424～427.

[10] 郭慕孫，李洪鐘.流態化手冊[M].北京：化學工業出版社，2007：38～39.

[11] Arena U，Langeli C B，Cammarota A.L- valve Behavior with Solids of Different Size and Density[J].Powder Technology，1998，98：231～240.

[12] Smolders K，Baeyens J.The Operation of L- valve to Control Standpipe Flow[J].Advanced Powder Technology，1995，(6)：163～176.

[13] Daous M A，Al- Zahrani A A.Modeling Solids and Gas Flow Through an L- valve[J].Powder Technology，1998，99：86～89.

[14] Luckos A，Hoed P D.A Study into the Hydrodynamic Behaviour of Heavy Minerals in a Circulating Fluidized Bed[C]. South African Institute of Mining and Metallurgy.Johannesburg：Industrial Fluidization South Africa，2005：345～355.

[15] Grace J R.Fluidized Bed Hydrodynamics[M].Washington：Hemisphere，1982.

[16] 王祥，向文國. 流動密封閥調節特性研究[J].熱能動力工程，2014，32(6)：719～724.