活性焦在溜管內流動的實驗研究

(1. 國電科學技術研究院有限公司清潔高效燃煤發電與污染物控制國家重點實驗室，江蘇南京210031；2. 國電環境保護研究院有限公司，江蘇南京210031)

隨著環保要求的逐漸提高，炭基催化法多污染物協同脫除技術由于能夠同時實現對煙氣中的SOx、NOx、粉塵、重金屬以及二噁英等污染物的脫除，且在煙氣處理過程中不消耗水，也無廢水排出等一系列優點，受到了越來越多的認可和應用[1-3]。同時，由于該技術能夠對煙氣中脫除的SOx進行資源化回收，能夠產生一定的經濟效益[4-6]。

炭基催化法多污染物協同脫除裝置在保證煙氣凈化效率外，最重要的任務是要通過降低物料系統設備故障率和運行成本來實現裝置的安全經濟運行。活性焦是最主要的炭基催化劑之一。孟春強等[7]通過對活性焦損耗機理的研究，提出通過降低移動速度、優化儲存倉結構、在漏斗和溝槽增加防磨裝置等措施來降低活性焦的機械損耗。柴曉琴等[8]針對炭基催化劑流動不暢可能導致的著火問題，提出使用氮氣作為安保氣體和運載氣體的情形下的防著火體系構建方式。連娥桂等[9]也對活性焦在穩定輸送、 平穩下料方面進行了研究。 這些研究對于如何提高物料輸送設備穩定性，有效減少催化劑在輸送過程中的磨損損耗，促進炭基催化法煙氣凈化裝置的安全和經濟運行具有重要意義。但上述研究在提出物料輸送相關問題的同時，很難以量化的方式提出問題的解決方案。這一方面是因為物料輸送系統結構較為復雜，應用情況多變，另一方面是相關物料流動數據還比較缺乏。

在其他研究中，陳淑花等[10]以染色玻璃球和沙子為原料，采用示蹤法對顆粒慢速斜槽流進行了研究，認為顆粒流動特性與壁面狀況密切相關。劉學武等[11]通過粉粒體慢速斜槽流的實驗研究報道了斜槽傾角、流率和壁面狀況對流動的影響狀況。但上述研究選取的粉粒體粒徑均在1 mm左右，且未考慮粉粒體自身形成的粉塵對流動的影響，與工程實際應用條件相差甚遠。另外，由于研究所用的粉粒體料倉容量、斜槽尺寸均較小，粉粒體流動過程受裝置壁面擾動的影響較大，降低了結果的可信度。為了克服以上研究的不足，更好地了解炭基催化劑的流動特性，為物料輸送系統尤其是溜管的設計和應用提供技術支持，我們利用一種在工程實踐中得到廣泛應用的活性焦(AC)，實驗研究其在不同的溜管傾角和流動表面情況下的流動情況，并結合實驗，討論活性焦溜管在工程應用中應注意的問題。

1 實驗

1.1 溜管斷面形狀的確定

溜管截面主要分為矩形和圓形兩種。矩形溜管由于底部受力均勻，在物料輸送時可以有效減緩底部磨損，在固體物料輸送方面有著非常廣泛的應用。目前已有許多關于矩形溜管在活性焦輸送和選煤方面的應用報道[7,12-14]，因此，本文中的流動實驗選取了方形溜管作為研究對象。

1.2 實驗內容

實驗采用的活性焦新鮮原料的堆積密度為(0.62±0.06)t/m3，羅加指數大于0.97，耐壓強度為300 N，其粒徑分布如表1所示。為了使得出的數據更接近工程實際情況，實驗選用的活性焦已在物料循環系統中運行了一段時間，顆粒形狀不同于新鮮原料，其粒徑分布如表2所示，實驗流動裝置如圖1所示。

料斗上部為圓柱體，下部為圓錐體，圓錐體底部設置插板門，料斗的總容積為1.53 m3；溜管由碳鋼板制作，上部進料口通過鉸鏈固定在料斗底部，下部出料口通過繩索懸吊固定，溜管長度為2 m，溜管截面為邊長0.184 m的正方形。溜管的傾角θ通過收放繩索來調整，料斗的裝料量Qx通過測量水平料面與料斗上邊緣的距離計算得出。

表1 新鮮活性焦的粒徑分布

表2 實驗樣品粒徑分布

圖1 流動實驗裝置Fig.1 Flow experiment device

實驗通過在溜管底部設置擋板來改變流動表面，擋板規格為30 mm×3 mm×184 mm(高×厚×長)，以70 mm間距，等距離垂直布置在溜管整個底部。

2 結果及分析

活性焦在不同溜管傾角下流量及溜管出料口處的平均流速可分別通過公式(1)、(2)計算得出：

(1)

(2)

溜管充滿系數通過公式(3)計算得出：

(3)

其中，M為溜管充滿系數，184為溜管內邊長，mm。

圖2為未設擋板時活性焦流量和流速與溜管傾角的關系。活性焦的起始流動傾角θ0為18.9 °，隨著θx的增大，Qx顯著增加，Vx和管內物料充滿系數也隨之增加。但在θx增加至70 °時，Vx變小。

圖2 活性焦流量和流速與溜管傾角的關系(未設擋板)Fig.2 Relationship between activated coke flow rate and inclination of chute (without baffle)

未設擋板時，活性焦流動斷面高度和溜管充滿系數與溜管傾角的關系如圖3所示。從圖可以看出，當θx超過50°時，Hx和M快速增大，充分說明了活性焦流的內部流場開始紊亂，活性焦顆粒之間無法繼續保持相對穩定的位置關系，顆粒之間的相互碰撞加劇，從而促進了活性焦在溜管內的橫向擴散。由于Vx是根據Qx和過流斷面面積比值來確定的，Vx的降低也能夠說明活性焦在溜管內的分布變得稀疏，其流動狀態更類似于流體的湍流狀態。

圖3 活性焦流動斷面高度和溜管充滿系數與溜管傾角的關系(未設擋板)Fig.3 Relationship between the flow cross section of the activated coke and the inclination of the chute (without baffle)

圖4為設擋板時活性焦流量和流速與溜管傾角的關系。由圖可以看出，在溜管底部設置擋板后，活性焦的起始流動傾角θ0明顯增加，達到了29.5 °。

圖4 活性焦流量和流速與溜管傾角的關系(設擋板)Fig.4 Relationship between activated coke flow rate and inclination of chute (with baffle)

由于在碳鋼板上設置擋板后，活性焦開始流動時，將首先在溜管底部鋪滿一層活性焦層，之后的流動過程將在活性焦層上表面進行(即“料磨料”流動)，導致其流動阻力明顯增加。設擋板后，活性焦流動斷面高度和溜管充滿系數與溜管傾角的關系如圖5所示。由圖可以看出，當θx大于40°時，Hx出現波動，增加速率變小且趨于穩定。

圖5 活性焦流動斷面高度和溜管充滿系數與溜管傾角的關系(設擋板)Fig.5 Relationship between flow cross section of activated coke and inclination of chute (with baffle)

對比圖2和圖4可以看出，相同流量下，“料磨料”的流動方式顯著降低了活性焦在溜管中的流動速度，相比于未設置擋板的流動方式，流速可減小至70%左右。隨著θx的增加，2種溜管底面條件下的活性焦流量基本呈線性增加。只有在“料磨料”流動情況下，且在29.5°～40°傾角區間內，Vx、Qx和傾角的關系才接近于拋物線。這可能是由于溜管傾角較小時，活性焦分布較為緊密，摩擦阻力的持續作用對物料流動的影響較為明顯，當溜管傾角進一步增大時，顆粒分布變得稀疏，摩擦力的影響減弱所致。

結合圖3、圖5的數據，2種情況下的管道充滿系數最高值均在40%左右，這表明在溜管傾角不超過70 °時，活性焦的流動空間只占據溜管通道截面的40%左右。

設置擋板后和未設置前過流斷面上單位面積活性焦流量的比率如圖6所示。由圖可以看出，圖6顯示設置擋板后，活性焦過流斷面上單位面積活性焦流量和未設置擋板時的比率。可以看出，設置擋板后活性焦流中的顆粒分布變得稀疏，且隨著溜管傾角的增加，這種情況變得更加嚴重。這說明，“料磨料”作用在有效減小活性焦流速的同時，也使得顆粒間的相互碰撞變得更加頻繁和激烈，物料流動狀態變得更加復雜，這在一定程度上加速了活性焦的破碎和磨損。

圖6 擋板設置后與設置前的過流斷面上單位面積活性焦流量比Fig.6 Ratio of activated coke flow per unit area on flow cross section after and before baffle is set

3 應用討論

在工程實際中，炭基催化法多污染物協同脫除裝置的溜管主要分3類：1)料倉內緩沖和布料溜管；2)料倉和設備之間的連接溜管；3)解析塔旁路溜管。在大型裝置中，尤其是溜管1)和3)落差較大。

3.1 溜管內邊的設計

溜管流動底面設計的主要任務是要在保證流量的情況下減小活性焦流速，使活性焦能夠低速平穩地流動到下游的設備中，從而降低設備磨損，減少物料因落料沖擊而產生的破碎。對于連接設備用的溜管以及塔體底部的收縮段，其主要功能是輸送物料，此處的物料落差一般較大，在進行溜管設計時需要同時考慮物料下落過程中的碰撞、磨損以及物料對設備的沖擊磨損問題。除了選用更耐磨的材質來提高溜管底面的耐磨性外，還應通過在底面設置擋板、鋪設孔板等方式形成一層基本靜止的顆粒層，這一方面有利于防止設備壁面受到活性焦流動層的沖刷而失效，一方面能夠通過“料磨料”來減小活性焦的流動速度，進而防止活性焦因落料沖擊而破碎。由于煙氣凈化裝置在運行過程中，物料輸送系統內部的溫度相較于室溫都比較高，活性焦在系統內局部區域停留形成流動死區后，容易發生緩慢氧化導致局部熱量聚集，提高其著火風險[8,15]。另外，由于吸濕能力較強，加之環境溫度較高，活性焦粉末還容易發生結塊，若塊狀物進入下游設備，容易引發設備運行故障，因此，在溜管設計時必須避免其在輸送過程中發生局部大量堆積的現象。

喬青山[16]、李俊峰[17]等提出通過設置緩沖箱(斗)來減少物料磨碎和對設備的沖擊的措施不能用于活性焦溜管的設計。溜管底部擋板的高度也不宜太高，否則不但降低了物料在管內的流動性，也容易導致擋板底部堆積的粉末結塊。擋板之間的距離以能夠剛好在溜管底部形成一層薄的料層為宜。對比實驗中的2種溜管條件來看，活性焦在溜管中的流量隨著溜管傾角的增加基本呈線性增加。雖然“料磨料”的流動方式使活性焦流量隨流動速度的降低而明顯降低，但可通過適當調整溜管口徑來滿足工程應用的流量要求。

對于布料用溜管或溜槽，物料落差一般較小，物料的順暢流動有利于實現物料在塔內不同位置的準確落料，因此，溜槽或溜管的底面宜采用光滑的平面，但應合理選擇底面傾角，傾角不宜大于50°，這既能降低物料的出口速度，也有利于活性焦顆粒之間以較小的相對速度流動，減少顆粒的相互磨損。

3.2 溜管傾角的確定

對于一個特定的溜管，傾角的選擇必須既能保證物料在管內加速穩定地流動，又能滿足速度和流量的要求，使物料受到的摩擦、沖擊損耗最小，物料對受料設備的沖擊最小，所以，實際上在滿足流動的前提下，溜管的傾角越小越好。活性焦流動的極限傾角θmin是由活性焦與溜管底面之間的摩擦特性所決定的，可由公式(4)確定[14]：

θmin=arc tanμE+5°，

(4)

式中μE的為等效摩擦系數，5 °表示實際應用中將物料能流動的極限角加上5 °，以保證物料能夠順利流動。根據本文中的實驗數據，在設置擋板后，溜管傾角在40°以下時，活性焦的流動受料層阻力的影響比較大，此角度范圍內顆粒間的相互磨損會比較嚴重。另外，由于活性焦流動易受到濕度、顆粒分布等因素的影響，因此，在此傾角范圍內還有可能發生流動停滯的情況。結合公式(4)，底部帶擋板的活性焦溜管的最小使用傾角在45 °左右為宜。

3.3 其他流動優化措施

炭基催化法煙氣凈化裝置的補料倉一般都比較高，可達15 m以上，解析塔旁路的溜管更高，物料落差更大，可以對溜管采用“Z”字形或者弧形布置來調整傾角[18-19]。對于垂直落差大而水平位移較小的流動情況，還可以采用螺旋布置的溜管來降低活性焦的落料速度。活性焦在溜管中的流量主要受直管段入口處控制，對于較長距離的活性焦輸送，中間段溜管充滿度較低，因此，在考慮經濟性和布置條件時，可以適當降低溜管截面高度。

4 結論

通過活性焦在溜管內的流動實驗，探究了活性焦的流動特性，得出如下結論：

1)相同流量下，在溜管底部增加擋板，能夠將溜管出口的活性焦流速降低至無擋板時的70%左右，且溜管傾角越小，速度降低越明顯。2)采用在溜管底部設置擋板的方式進行活性焦輸送，可能導致活性焦磨損增加，因此在降低設備磨損的同時，還應綜合考慮活性焦碰撞磨損產生的損耗。3)在保證流量的情況下，應盡量減小溜管傾角，底部設置擋板的溜管的最小傾角在45 °左右。