煤粉外水含量對上出料式發送罐供料特性的影響

徐貴玲，盧　平，許　盼，梁　財，陳曉平

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煤粉外水含量對上出料式發送罐供料特性的影響

徐貴玲1，盧平1，許盼2，梁財2，陳曉平2

(1南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室，江蘇 南京 210042；2東南大學能源與環境學院,能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

摘要:在上出料式發送罐密相氣力輸送實驗臺上，研究了外水含量對煤粉供料質量流率、固氣比以及供料穩定性的影響，獲得了內蒙古褐煤的極限供料外水含量和最佳供料外水含量，并結合煤粉流動特性分析，探討了煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的判別方法。結果表明:在初始外水含量為3.3%條件下，在上出料式發送罐壁面以及提升管入口處能夠觀察到明顯的靜電放電現象；當外水含量增加至10%時，發送罐內會出現煤粉結拱現象；實驗所用內蒙古褐煤的極限供料外水含量在8.7%～10%之間，其最佳供料外水含量大約為 4%，在最佳供料外水含量下煤粉供料質量流率和固氣比均達到最大值，且供料穩定性最好；當外水含量為供料實驗獲得的最佳外水含量 4%時，煤粉的流動函數達到最大值，同時黏附力達到最小值，煤粉的流動性也達到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的過程中，煤粉流動性由容易流動區域轉為有黏性區域，流動性變差。當外水含量為10%時，煤粉處于有黏性區域，流動困難。與供料實驗相比，通過剪切實驗獲得煤粉的流動函數和黏附力，可以作為工業應用中初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

關鍵詞:氣力輸送；兩相流；上出料式發送罐；煤粉；供料特性；流動；流動特性；外水含量

引 言

氣流床煤氣化技術是煤炭高效清潔利用的主要發展方向之一。密相氣力輸送是干煤粉氣流床氣化工藝普遍采用的氣化物料供料與輸送方式，具有輸送固氣比高、輸送能耗低等優點[1-2]。發送罐是密相氣力輸送系統中一種常用的將粉體物料送入輸送管道并使其與輸送載氣充分混合的供料裝置，發送罐的供料特性將直接影響氣化爐的安全穩定運行及氣化工藝指標[3]。除了煤氣化領域，發送罐還廣泛應用于電力、冶金、化工、醫藥以及食品加工等領域。根據出料方式的不同，發送罐主要分為兩種類型[4]:上出料式和下出料式。描述發送罐供料特性的指標主要有供料質量流率、固氣比以及供料穩定性，它們隨著發送罐結構參數、操作參數、載氣種類和粉體物料性質的改變而存在很大的差異。David[5]研究發現，上出料式發送罐適用于粉狀物料（powdered material），而下出料式發送罐則適用于粒狀物料（granular material）。程克勤[6]研究認為，上出料式發送罐內粉體物料需要實現有效流化后才能進入輸送管道，罐內粉體物料在輸送結束時并不能完全排空，發送罐本身的壓力損失相對較大；下出料式發送罐可以獲得較高的固氣比，罐內粉體物料在輸送結束時可以全部排空，發送罐本身壓力損失較小。Jones等[4]認為，對于粉狀物料，上出料式發送罐可以在較為寬廣的操作條件下運行且可以獲得較高的供料質量流率。上滝具貞[7]研究表明，上出料式發送罐可以獲得的固氣比難以超過某一極限值，而下出料式發送罐是借助壓力和粉體物料自身重力使粉體物料進入輸送管道的，固氣比較高。董衛賓等[3]研究表明，下出料式發送罐具有較高的供料質量流率和固氣比，二者均具有良好的供料穩定性。賀春輝等[8]研究表明，操作參數對上、下出料式發送罐供料特性的影響具有一致性，且上出料式發送罐的供料質量流率和固氣比均高于下出料式發送罐。上述研究雖然可以為工業中發送罐出料方式的選擇提供一定的理論依據，但是需要指出的是，針對上、下出料式發送罐供料特性差別的研究，不同的研究者所獲得的一些結論也有所不同，尚未獲得某種為廣大研究者所普遍接受的理論來闡明二者的差異性。在實際運行中主要還是根據粉體物料的性質和工藝要求選擇合適的發送罐類型，如GSP粉煤加壓氣化技術和國內的兩段式粉煤加壓氣化技術采用的是上出料式發送罐，Shell粉煤加壓氣化技術和國內的多噴嘴粉煤加壓氣化技術采用的是下出料式發送罐[3]。

目前，國內外研究者們在發送罐結構參數（半錐角、供料管管徑、發送罐尺寸等）、操作參數（發送罐壓力、流化風量、充壓風量、補充風量等）、載氣種類（主要是CO2和N2）以及粉體物料特性（主要是物料粒徑和物料種類）等對供料質量流率和固氣比的影響等方面進行了一系列的研究[9]，然而，針對上述因素對發送罐供料穩定性的影響鮮見報道，且研究者們關注的對象多為下出料式發送罐。同時，文獻中關于粉體物料水分含量對發送罐供料特性影響的研究相對較少，所涉及的粉體物料主要集中在醫藥和食品領域，針對煤粉水分含量的影響少有涉及。Abou-Chakra等[10]研究發現，煤粉內水含量較為穩定，影響輸送特性的主要是外水，這一觀點也得到了許多研究者的認可[11]。張中林等[12]在高壓濃相氣力輸送實驗臺上進行了褐煤輸送實驗，結合褐煤粉不同外水含量下的管道輸送特性以及煤粉的表觀形貌分析，利用小波分析理論進行了管道輸送穩定性判別。許盼等[13]通過實驗獲得了兩種不同煤粉高壓下連續穩定密相輸送外水含量的極限值。Liang等[14-15]采用 Shannon熵對高壓上出料式發送罐輸送實驗系統中輸送管道的壓力波動進行了輸送穩定性分析，分析了煤粉外水含量對輸送穩定性的影響規律。由于Shannon熵是衡量信息源在總體上的無序程度的量，他們認為，對于不同流動過程所包含的信息量是有差別的，通過分析不同輸送條件下的特征信號脈動時間序列的信息熵，可以建立信息熵與氣固兩相流流動特性之間的聯系，從而進行流動過程穩定性分析。謝鍇等[16]認為，瞬時供料質量流率可以作為輸送過程穩定性的最佳評價依據。陳汝超等[17]認為，瞬時供料質量流率的波動可以較好地表征料罐的供料穩定性，他們采用瞬時供料質量流率曲線的波動標準差分析了粒煤在補氣料倉中的下料穩定性。He等[18]則認為，與標準差相比，標準差系數可以相對準確地描述發送罐供料穩定性，他們采用供料質量流率的標準差系數考察了生物質/煤粉配比對高壓上出料式發送罐中生物質/煤粉混合物料供料穩定性的影響規律。目前為止，現有研究的重點仍是煤粉外水含量對管道輸送特性的影響，關于煤粉外水含量對上出料式發送罐供料質量流率和固氣比影響的研究均不多見，針對煤粉外水含量對上出料式發送罐供料穩定性影響的研究更是鮮見報道。

同時，煤粉的水分含量是影響其流動特性的主要物性參數之一。謝曉旭等[19]利用Jenike剪切測試儀進行了兗州煤、大同煤和混合煤的剪切實驗，獲得了水分含量對煤粉流動函數和黏附力的影響規律，并指出通常而言，根據水分含量可以大致判定其流動特性。漆海峰等[20-21]分別研究了寶日希勒褐煤內水含量和外水含量對其流動特性的影響，他們發現影響煤粉流動特性的主要也是外水含量。因此，有必要深入探討不同外水含量煤粉流動特性與其供料特性之間的內在關聯，通過不同外水含量煤粉的流動特性參數來判定煤粉供料極限外水含量及最佳供料外水含量，就可以便捷且有效地避免由于煤粉水分含量過高而導致的發送罐內煤粉結拱現象的發生[22]，同時采用水分含量適中的煤粉還可以降低煤粉干燥過程中的能耗，對保證煤粉上出料式發送罐穩定供料具有極其重要的現實意義。

本文以內蒙古褐煤為實驗原料，在上出料式發送罐氣力輸送實驗系統上進行不同外水含量煤粉發送罐供料實驗，研究外水含量對煤粉上出料式發送罐供料特性的影響，同時采用瞬時供料質量流率的Shannon熵和標準差系數來表征不同外水含量煤粉供料過程的穩定性，分析外水含量（Me）對煤粉供料質量流率（G）、固氣比（μ）、瞬時供料流率的Shannon熵（S）和標準差系數（CV）等參數的影響規律，并利用 ShearTrac-Ⅱ剪切儀進行剪切實驗，測定不同外水含量煤粉的流動函數（FF）和黏附力（c），探討煤粉流動特性與其供料特性之間的內在關聯，提出煤粉極限供料外水含量與最佳供料外水含量的判別方法，為上出料式發送罐設計、控制和運行提供一定的理論依據。

1　實驗系統和實驗原料

圖1　上出料式發送罐密相氣力輸送實驗系統Fig.1 Schematic diagram of top discharge blow tank pneumatic conveying system

1—nitrogen gas cylinder；2—dehumidifier；3—gas distributor；4—pressurizing gas；5—fluidizing gas；6—supplemental gas；7—loosing gas；8—computer；9—data acquisition unit；10—video camera；11—load cell；12—top discharge blow tank；13—fill-gas equipment；14—bottom discharge receiving tank；15—differential pressure transmitter；16—bag filter

1.1 實驗系統

上出料式發送罐密相氣力輸送實驗系統如圖 1所示，該系統由上出料式發送罐、輸送管道、下出料式接收罐、供氣系統、流量與壓力測量系統、圖像與數據采集系統等組成。上出料式發送罐和下出料式接收罐均由有機玻璃制成，容積均為 0.0169 m3。上出料式發送罐分為上部筒倉段和下部斗倉段。筒倉段內徑為200 mm，高度為420 mm；斗倉段半錐角為15°，高度為280 mm，底部直徑為50 mm。在實驗過程中，下出料式接收罐與大氣相連通，始終保持常壓。采用高壓氮氣作為輸送載氣，經氣體分配器分為充壓風、流化風、補充風和松動風，氣體流量采用玻璃轉子流量計進行測量，分別記為Qp、Qf、Qs和Ql。為了盡量減小操作參數對供料特性的影響，在實驗時，不加補充風和充壓風，保持流化風流量不變，流化風通過布風板進入上出料式發送罐后對罐中的煤粉進行流化，煤粉經垂直提升管進入輸送管道, 提升管為φ15 mm×2.5 mm的有機玻璃管，提升管入口與布風板之間距離為50 mm，攜帶煤粉的載氣經過布袋除塵后排入大氣。采用稱重傳感器測量發送罐質量的變化，并通過數據采集系統進行在線紀錄。

1.2 實驗原料及其流動特性測試方法

實驗所用原料為內蒙古褐煤，經碾磨和篩選后平均粒徑為249 μm，其粒徑分布采用美國Beckman Coulter公司生產的LS200型激光粒度分析儀（粒徑測量范圍為0.4～2000 μm）測得，如圖2所示。外水含量為3.3%，堆積密度為670 kg·m-3，真實密度為1220 kg·m-3。圖3為煤粉的掃描電鏡照片。由圖3可以看出，煤粉顆粒表面粗糙，泥質感較強，有著明顯的裂縫和豐富的孔隙結構。煤粉的初始外水含量為磨制過程自然形成，與工業裝置中的制粉干燥系統原理一致。參照文獻[23]將煤粉分別配制成外水含量（Me）為4%、5.3%、6.9%、7.9%、8.7%和10%的煤樣，外水含量按照國家標準《煤中全水分的測定方法》（GB/T211—2007）中外在水分測試方法，采用電熱恒溫鼓風干燥箱在 40℃下加熱干燥至恒重后測得的。利用美國 Geocomp公司生產的ShearTrac-Ⅱ剪切儀進行剪切實驗，獲得不同外水含量煤粉的流動函數和黏附力。

圖2　煤粉的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of pulverized coal

圖3　煤粉的掃描電鏡照片Fig.3 SEM photograph of pulverized coal

2　實驗結果及分析

2.1 外水含量對供料質量流率和固氣比的影響

圖4所示為煤粉外水含量對供料質量流率的影響。由圖4可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉供料質量流率先增大后減小。這一結果與肖國先[24]和Xu等[22]的研究結果基本一致。Xu等[13, 22]還研究發現，隨著外水含量的增加，煤粉顆粒所帶的電荷量逐漸減小，輸送過程的靜電效應是得到抑制的，靜電對煤粉輸送特性的影響逐漸減弱。結合 Xu 等[13, 22]的研究結果，本文煤粉供料流率變化的原因分析如下:當外水含量為3.3%時，煤粉供料質量流率相對較低，這是由于發送罐內煤粉顆粒與顆粒之間處于干摩擦狀態，顆粒與提升管之間以及顆粒與發送罐內壁之間不斷發生接觸、碰撞和摩擦等過程，顆粒帶電量不斷增大，靜電力也隨之不斷增大，煤粉容易黏附在提升管壁以及發送罐內壁等處；當外水含量由3.3%增加至4%的過程中，煤粉供料質量流率逐漸增大，并在外水含量為4%時達到最大值。這是由于外水含量的增加使得煤粉顆粒之間的干摩擦狀態得到緩解，煤粉顆粒的導電性也隨之顯著增加，靜電作用在一定程度上得到了抑制[25-26]。發送罐中煤粉顆粒之間、煤粉顆粒與壁面間的摩擦系數減小，煤粉在發送罐中能夠以整體流的形式下移進入流化區域，進入發送罐中的流化風能夠將布風板上部提升管入口附近區域中的煤粉較為均勻地流化，煤粉顆粒間的空隙較大，顆粒運動摩擦力較小，煤粉容易從發送罐中流出，煤粉供料質量流率隨之增加；當外水含量超過 4%以后，煤粉顆粒間的黏附力增加，流化風不能均勻地將提升管入口附近區域中的煤粉顆粒流化，可能會導致部分位置處氣泡變大，部分位置處開始出現“死區”等現象，流化效果變差。同時，由于發送罐內煤粉顆粒的流動性變差，氣體通過煤粉料層的阻力也相應增加，煤粉顆粒在流動的過程中還需要克服顆粒間由于高外水含量導致的黏附力的作用，因此，煤粉顆粒流入提升管過程中的能量損失也相應地增大。當外水含量從4%增加至6.9%時，煤粉的供料質量流率顯著減小。當外水含量超過6.9%以后，煤粉供料流率的減小趨勢減緩。當外水含量達到8.7%左右時，煤粉顆粒在發送罐內黏結聚團嚴重，此時煤粉很難被流化，發送罐內布風板上部提升管入口附近區域中煤粉的流化效果惡化，同時煤粉的造?，F象也會使得煤粉粒徑增大，導致出料困難，出料連續性下降，在供料過程中易出現結拱等不穩定供料現象，偶爾還會有大團的煤粉聚團剝落、坍塌進入流化區域，進一步干擾發送罐內煤粉的正常流化。當外水含量進一步增加至10%左右時，供料過程無法正常進行。

圖4　外水含量對供料質量流率的影響Fig.4 Pulverized coal discharge rate vs external moisture content

同時，在實驗過程中還可以觀察發現，當Me=3.3%（初始外水含量）時，在發送罐壁面以及提升管入口處存在明顯的靜電放電現象，同時有機玻璃發送罐以及提升管上均黏附了一層細煤粉，如圖5所示；當外水含量增加至4% 時，煤粉黏附在有機玻璃發送罐以及提升管上的現象基本消失，靜電放電產生的電火花也很難再觀察到；當外水含量增加至10%時，發送罐內發生了明顯的煤粉結拱現象[27]，如圖6所示，這表明煤粉不能從發送罐中流出，此時外水含量已經超過了可以實現煤粉供料過程的最大外水含量。

圖5　煤粉黏附現象Fig.5 Pulverized coal adhesion phenomenon

圖6　煤粉結拱現象Fig.6 Pulverized coal arching phenomenon

對于煤粉上出料式發送罐供料過程，應存在極限供料外水含量（該值是判斷能否實現供料過程的臨界點）和最佳供料外水含量（該值對應的是煤粉供料質量流率的最大值）。綜合實驗數據和實驗觀察分析可知，實驗所用內蒙古褐煤的極限供料外水含量在8.7%～10%，其最佳供料外水含量大約為4%。賀春輝等[28]在研究昭通褐煤水分含量對其高壓密相氣力輸送特性影響時發現，在其極限輸送水分值附近時，粒間水的含量約為 6%，他們所定義的粒間水指的是存在于顆粒外部的水分，其含量應該小于通常意義上的外水的含量。Xu等[22]在高壓密相氣力輸送實驗臺上獲得了兩種煤粉高壓密相輸送外水含量的極限值，對于中等變質煤，其極限外水含量約為6%，年輕煤極限外水含量約為10%。因此，煤的變質程度會直接影響煤粉中水分賦存形態，進而會對其供料特性造成最直接的影響。針對不同煤種的煤粉外水含量對其發送罐供料特性的影響仍需進行進一步的實驗研究。

圖7所示為煤粉外水含量對固氣比的影響。由圖7可以看出，隨著外水含量的增加，提升管中固氣比也呈現出先增大后減小的變化趨勢。當外水含量由3.3%增加至4%時，提升管入口附近區域煤粉的流化狀態變好，單位質量氣體對煤粉顆粒的攜帶能力增強，固氣比逐漸增大，并在外水含量為 4%時達到最大值；隨著外水含量的進一步增加，由于煤粉顆粒間的黏附力增加，氣體通過煤粉料層的阻力也相應增加，單位質量氣體氣體對煤粉顆粒的攜帶能力降低；同時，提升管入口附近區域中的煤粉流化不均勻，在煤粉料層中某些位置會存在“溝流”，進入發送罐內的流化風直接沿著“溝流”直接進入提升管中，并未真正對提升管入口附近區域的煤粉顆粒進行流化，煤粉供料質量流率逐漸減小，同時單位時間進入提升管中的氣體流量增大，固氣比逐漸減小。許盼等[13]在高壓密相氣力輸送實驗臺上進行53 μm中等變質煤的煤粉輸送實驗時，發現輸送管路中的固氣比也隨著煤粉的外水含量變化呈現出與本文類似的規律，在外水含量為1.46%時，煤粉質量流率與輸送管路中的固氣比同時達到最大值。

圖7　外水含量對固氣比的影響Fig.7 Solid-gas ratio vs external moisture content

2.2 外水含量對供料穩定性的影響

圖 8所示為煤粉外水含量對供料穩定性的影響。由圖8可以看出，隨著煤粉外水含量的增加，Shannon熵與標準差系數均先減小后增大。Shannon熵和標準差系數越小，穩定性越好[18, 29]，即隨著外水含量的增加，煤粉供料穩定性先增加后降低。當煤粉外水含量較低時，由于顆粒間的干摩擦狀態造成的靜電作用，會導致顆粒之間相互吸引，致使顆?？臻g分布改變，煤粉顆粒易黏附在發送罐內壁以及提升管壁面等處，供料穩定性較差。當外水含量由3.3%增加至4%時，煤粉顆粒間的靜電作用受到抑制，煤粉的流動性較好，煤粉顆粒在提升管入口附近區域的流化狀態較好，供料穩定性較高。當外水含量由4%增加至6.9%時，供料穩定性顯著降低，這是由于隨著外水含量的增加，煤粉顆粒間的液橋力不斷增大，顆粒之間的黏聚能力不斷增強，發送罐內提升管入口附近區域煤粉的流化狀態變差。當外水含量大于6.9%以后，煤粉顆粒出現團聚現象，形成黏附性更強的二次或者三次粒子。這些顆粒團更加容易黏附在料罐、提升管等處，發送罐內提升管入口附近區域煤粉的流化狀態變差，偶爾還會有煤粉聚團后再從料罐內壁剝落坍塌，供料穩定性降低。當外水含量增加至10%左右時，發送罐內出現煤粉結拱現象，導致供料過程完全中斷。

?圖8　外水含量對供料穩定性的影響Fig.8 Relationship between discharge stability and external moisture content

通過對比圖4、圖7和圖8可以定量得到外水含量對煤粉上出料式發送罐供料特性的影響規律:當外水含量低于最佳供料外水含量4%時，供料質量流率和固氣比逐漸增大，供料穩定性較好；當外水含量為4%～6.9%時，供料質量流率和固氣比均顯著減小，供料穩定性變差；當外水含量為6.9%～8.7%時，供料質量流率和固氣比的減小趨勢變緩，且供料穩定性進一步下降；當外水含量增加至10%時，發送罐中的煤粉將出現極限不穩定供料的情況。

2.3 外水含量對煤粉流動特性的影響

圖9為外水含量對煤粉流動函數的影響。由圖9可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉的流動函數值先增大后減小。這一結果與Fitzpatrick等[30]和Emery等[31]的研究結果基本一致。圖 10所示為外水含量對煤粉黏附力的影響。由圖10可以看出，隨著外水含量的增加，煤粉的黏附力先減小后增大。根據流動函數值（FF）的大小，可以將粉體流動特性分為4類[32]:非常黏不流動（FF<2），有黏性（2≤FF<4），容易流動（4≤ FF<10）和自由流動（FF≥10）。煤粉流動函數值和黏附力隨著外水含量的變化趨勢均說明，隨著外水含量的增加，煤粉的流動性先變好再變差。

圖9　外水含量對煤粉流動函數的影響Fig.9 Pulverized coal flow function vs external moisture content

圖10　外水含量對煤粉黏附力的影響Fig.10 Pulverized coal cohesion vs external moisture content

圖11　水分在煤粉顆粒間的存在方式[33]Fig.11 Different existing forms of water between pulverized coal particles

根據顆粒間水分含量的多少，可以將顆粒間水分的存在狀態分為點狀連接狀態、網狀連接狀態和毛細管連接狀態[33]，如圖 11所示。當煤粉的外水含量為3.3%時，此時煤粉外水含量較低時，顆粒之間的摩擦表現為干摩擦，在某一壓實水平下顆粒之間的咬合比較緊密，顆粒間的內摩擦力較大，顆粒之間的黏聚能力較強，煤粉的黏附力較大；當外水含量由3.3%增加到4%時，煤粉流動函數增大，黏附力減小，流動性變好，此時煤粉顆粒間的水分主要存在于顆粒之間的接觸點上，形成環狀的或者透鏡狀的液相（液膜），起到潤滑作用，但液相相互不連接，外水的存在起到一定的潤滑作用，緩解了煤粉在干摩擦狀態下的剪切，顆粒間的內摩擦力減小。這也是煤粉供料質量流率和固氣比在這一外水含量范圍內升高的原因之一。當外水含量由 4%增加至6.9%時，煤粉顆粒間水分逐漸增多，顆粒間的液相逐漸互相連接，形成網狀結構，中間仍會存在一些氣泡，顆粒間水分的存在方式由點狀連接向網狀連接過渡，水分在煤粉顆粒間產生的液體毛細力促使煤粉顆粒之間相互吸引，顆粒間的黏聚能力逐漸增強，黏附力略有增大，流動函數略有減小，煤粉的流動性有所下降，然而在這一外水含量范圍內，煤粉供料流率和固氣比是顯著降低的，造成這一偏差的原因還有待進一步的研究和探討。當外水含量超過6.9%以后，煤粉流動函數顯著減小，黏附力顯著增大，這是由于隨著外水含量的進一步增加，煤粉顆粒間的空隙充滿液相，水分在煤粉顆粒之間會形成液橋產生顆粒間液橋力，使顆粒有相互吸引的趨勢，顆粒之間的黏聚能力顯著增大，導致顆粒間不易發生相對移動，開始出現顆粒團聚現象，煤粉的流動性變差[19, 34]。當外水含量由8.7%增加至10%時，煤粉的流動特性從容易流動區域轉為有黏性區域，該區域中煤粉流動困難，同時，由于液膜在顆粒表面的分布具有不均勻性，在液膜分布較多的顆粒之間極易團聚，形成二次或者三次粒子，與簡單的粉體團聚狀態相比，二次粒子團聚更為密實，二次或三次粒子團之間會膠結形成黏聚粉體[28]。煤粉的團聚會使顆粒黏附在料罐、管道等處，嚴重的會導致供料的中斷，不利于供料過程的順利進行。

2.4 極限供料外水含量與最佳供料外水含量的判別

通過供料實驗對煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量進行判別是最有效和準確的方法。但是，由于實驗受到很多條件的限制，且需要消耗大量的人力和物力，在工業應用中則不是一種便捷的方法。因此，有必要探討一種更簡便的極限供料外水含量和最佳供料外水含量的判別方法。Emery 等[31]研究發現，粉體的流動函數與其流動特性和料罐中的下料能力的變化規律是一致的。通過對比本文供料實驗和剪切實驗的結果可以發現，當外水含量為供料實驗獲得的最佳外水含量 4%左右時，煤粉的流動函數達到最大值，同時黏附力達到最小值，煤粉的流動特性也達到最佳。在外水含量由8.7%增加至10%的過程中，煤粉流動性發生區域轉變，流動性變差。當外水含量為8.7%時，煤粉流動函數剛好處于容易流動區域與有黏性區域的轉折點上，當外水含量為10%時，煤粉處于有黏性區域，流動困難，同時黏附力也達到實驗范圍內的最大值，這也從流動特性方面初步解釋了外水含量為 8.7%～10%是此褐煤的極限供料外水含量所在的區間。賀春輝等[28]研究昭通褐煤的極限輸送水分時也發現，通過流動函數表征煤粉流動特性時，煤粉流動性區域發生轉變時對應的全水含量為29%～30%，此時對應的粒間水含量約為 6%，與輸送實驗獲得的極限水分值吻合較好。煤粉的輸送極限外水含量對其供料外水含量的判別具有一定的參考價值，盡管二者的相對關系還需要進一步的深入研究。因此，與供料實驗相比，通過剪切實驗獲得煤粉的流動函數和黏附力，可以作為初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

同時，需要注意的是，在工業應用中，Shell粉煤氣化工藝要求入爐煤粉的水分含量小于 2%，而Prenflo和GSP粉煤氣化工藝均要求入爐煙煤水分含量小于2%，褐煤水分含量小于10%，K-T煤氣化工藝則要求入爐煤粉被干燥到適宜的水分含量（煙煤1%～2%，褐煤8%～10%）。煤粉的水分含量（特別是外在水分）的高低直接關系到運輸成本和制粉過程的能耗[35]。對于褐煤而言，由于其煤化程度較低，其煤質結構與煙煤有著很大的差異，褐煤水分含量都很高，在其干燥過程中需要消耗大量的能量，且褐煤干燥后易重新吸收水分。因此，采用含有一定量適宜外水含量的褐煤作為氣化原料，一方面可以獲得較高的供料質量流率，同時提高供料穩定性，另一方面可降低煤粉干燥系統所需的高溫氣體的溫度和用量，提高煤粉制備系統的操作性和經濟性。

3　結 論

（1）在初始外水含量3.3%的條件下，煤粉存在顯著的靜電效應，供料過程中，在上出料式發送罐壁面以及提升管入口處能夠觀察到明顯的靜電放電現象。

（2）在外水含量為3.3%～10%的范圍內，隨著煤粉外水含量的增加，煤粉供料質量流率和固氣比均呈現先快速增加后逐漸降低的趨勢；在外水含量為 4%的條件下供料穩定性最佳，隨著外水含量的進一步增加供料穩定性逐漸降低，當外水含量增加至10%時，上出料式發送罐中的煤粉將出現極限不穩定供料的情況。

（3）在外水含量為3.3%～10%的范圍內，隨著煤粉外水含量的增加，煤粉的流動函數呈現先增大后減小的趨勢，黏附力呈現先減小后增大的趨勢，煤粉的流動性先變好后變差；在外水含量為 4%的條件下，煤粉的流動性也達到最佳。

（4）實驗所用煤粉的極限供料外水含量為8.7%～10%，其最佳供料外水含量大約為 4%。與供料實驗相比，通過剪切實驗獲得煤粉的流動函數和黏附力，可以作為工業應用中初步判別煤粉極限供料外水含量和最佳供料外水含量的便捷方法。

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2016-01-28收到初稿，2016-04-18收到修改稿。

聯系人及第一作者:徐貴玲（1986—），女，博士，講師。

Received date: 2016-01-28.

中圖分類號:TQ 536

文獻標志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—2767—10

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20160129

基金項目:國家自然科學基金項目（51506100）；江蘇省高校自然科學研究面上項目（15KJB470008）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2010CB227002）。

Corresponding author:XU Guiling, xuguiling@njnu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51506100), the Natural Science Fundamental Research Project of Jiangsu Colleges and Universities (15KJB470008) and the National Basic Research Program of China (2010CB227002).

Influences of external moisture content in pulverized coal on discharge characteristics of top discharge blow tank

XU Guiling1, LU Ping1, XU Pan2, LIANG Cai2, CHEN Xiaoping2
(1Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

Abstract:Experimental investigations on the discharge characteristics of pulverized coal with different external moisture content were carried out in a dense-phase pneumatic conveying facility of top discharge blow tank. The effects of external moisture content on solid discharge rate, solid loading ratio and discharge stability were investigated. The limit and the best values of external moisture content for Neimenggu lignite used in the experiments were obtained. Combined with flowability analysis of the pulverized coal, the discriminate methods of limit and the best external moisture content for discharge process were discussed. The results showed that for pulverized coal with original external moisture content of 3.3%, an obvious electrostatic discharge phenomenon could be observed near the wall of the top discharge blow tank and the riser inlet during the discharge process.When the pulverized coal external moisture content was increased to 10%, arching phenomenon would appear in the top discharge blow tank. The limit external moisture content for Neimenggu lignite was in the range of 8.7%—10%, and its best external moisture content was about 4% corresponding to the maximum solid discharge rate and solid loading ratio, and to the best discharge stability. When the external moisture content was 4%, equal to the best external moisture content obtained by discharge experiments, the flow function reached the maximum value, the cohesion reached the minimum value and the pulverized coal flowability became the best. When the external moisture content was increased from 8.7% to 10%, the pulverized coal flowability turned from the easy flow region to cohesive region and the flowability became worse. When the external moisture content was 10%, the pulverized coal was in the cohesive region which meant difficult to flow. Compared with discharge experiments, the flow function and cohesion obtained by the shear tests could be used as preliminary criterion to judging the limit and best values of external moisture content pulverized coal in industrial applications more conveniently.

Key words:pneumatic conveying; two-phase flow; top discharge blow tank; pulverized coal; discharge characteristics; flow; flowability; external moisture content