某電廠生物質粉末氣力輸運系統設計研究

王鋒，張志遠，高健，肖恒，李剛，張勇

（1.國能壽光發電有限責任公司，山東 壽光 262700；2.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006）

隨著我國近幾十年來氣力輸運裝置的迅速發展，氣力輸運逐漸成為粉粒狀物料輸運的主要形式。生物質粉末通過氣力輸運系統送入爐膛進行直接燃燒，可以提高爐膛燃燒效率及燃燒溫度，與煤摻燒能減小爐膛灰沉積，降低NOX的排放等優點。生物質粉末相對于煤粉有黏度大、密度小、松軟且易吸濕等不同的物理性質，在受到未經干燥的空氣進行氣力輸運時，容易貼附在管路壁面導致管路堵塞。結合生物質粉末特有性質，本文設計了適用于某電廠生物質粉末的氣力輸送系統，以便較好地解決某電廠生物質粉末輸送問題，保證后續良好的燃燒工況。

1 某電廠生物質粉末氣力輸運系統分析

某電廠所涉及的生物質粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等問題。為了保證輸送生物質粉末的連續穩定性，設計一種針對某電廠生物質粉末的氣力輸送系統。

1.1 基礎信息

生物質粉末的物理性質，如表1所示。

表1 物料參數

該生物質粉末氣力輸運系統是由生物質儲倉至鍋爐燃燒器的正壓氣力輸送系統，輸送系統參數，如表2所示。

表2 輸送系統參數

1.2 系統參數計算

生物質粉末氣力輸運系統主要參數為生產率Gs、混合比μ、輸送氣流速度v、輸送風量Q、管道直徑D、系統壓降△p總以及風機功率P等。

（1）生產率Gs。生產率作為設備選型的主要因素，由工程需要的年度輸送量進行計算。考慮整個氣力輸運裝置的供料情況，后續檢修時可能出現的其他情況等，一般需要為生產率增加一定的設計裕量 0α，0α一般在1.05～1.20，由工程設計經驗選取 0α為1.1。綜合上述各因素，Gs為6875kg/h。

（2）混合比μ。混合比μ是指單位時間內所輸送物料質量與氣體質量之比，用下式表示。

式中，μ為混合比，kg/kg；G0為氣體質量流量，kg/h。

混合比增大有利于提高輸送能力，所以混合比越大越經濟。但是，當混合比增大后，阻力損失也會增大，輸料管道容易產生堵塞。低真空度時，μ一般為0.1～8.0；高真空度時，μ在8～20。根據本裝置的輸送距離、生物質粉末的物料性質、管路布置及氣流輸送速度等因素，并結合實際工程經驗，取混合比μ=3。

（3）輸送物料的氣流速度ν。輸送物料的氣流速度太低會使阻力系數增大，導致摩擦阻力增高。氣流速度過高不但浪費能量，也會使物料粉末對管壁的沖擊、碰撞加劇而引起物料破碎加劇。因此，輸送物料的氣流速度要有一個最有利的經濟速度。

由于本次的輸送速度無實測數據和經驗數據可作為依據，所以按以下經驗公式進行估算。

式中，ν為氣流速度，m/s；1α為輸送物料的粒度系數；mρ為物料密度，t/m3；β為特性系數，β=（2～5）×10-5；L為輸送管當量長度。

結合項目經驗，1α取12，β取3×10-5，當量長度L為374m，計算出輸送物料的氣流速度為13.16m/s，取25m/s。

（4）輸送風量Q。在溫度20℃，常壓狀態，相對濕度50%工況下，輸送物料所需要的有效風量稱為輸送風量Q，其計算公式為：

式中，0Q為常壓狀態下20℃時輸送風量，m3/h；0ρ為常壓狀態下20℃時氣體密度，空氣為1.2kg/m3。

根據（3）式進行輸送風量Q的計算，在常壓、溫度20℃狀態下輸送風量Q為1651m3/h。在實際情況下，輸送系統存在一定的漏風，因此，在選擇風機時需要增加一定的裕量。增加的裕量一般在10%～20%，即裕量系數 2α=1.1～1.2。該系統中，風機裕量系數 2α=1.15，風機的輸送風量為1898.65m3/h。

（5）輸送管道直徑D。按所需要的空氣量計算輸送管道內徑，不需要考慮漏損系數，如下式所示：

式中，D為輸送直徑，m；Q為某壓力、溫度狀態下的計算氣體體積流量，m3/h。

在該裝置中，管道輸送終端壓力為2kPa，管道輸送終端流量為1619.03m3/h。由上式計算出輸送管道內徑D為151.38mm，按小于計算值選標準，管內徑取D=143mm。

（6）系統壓降△p總。由于被輸送的物料和空氣在管道中運動時會產生一定的阻力，因此，氣力輸送過程需要一定的能量。目前，多采用經驗公式對氣力輸送設計中的阻力進行計算。

①水平輸料管中的阻力△P平。物料粉末間的相互摩擦、碰撞以及空氣和物料在運輸過程中沿管壁的摩擦造成了水平輸料管中的阻力△P平。

△P平采用以下經驗公式進行計算：

式中，平PΔ 為氣體和物料在直管運動的阻力，Pa；沿PΔ 為純氣體沿直管運動的阻力，Pa；K為由實驗確定的阻力系數，與氣流速度、物料粉末形狀大小、物理性質及管徑等有關。

某電廠生物質粉末輸運管道由母管和支管組成。各管道水平段阻力計算結果，如表3所示。

表3 各管道水平段阻力

該系統各管道的風量為2.95～25.27m3/min，風速為17.41～30.25m/s。其中，母管水平段最長為225m，導致母管阻力最大為24.01kPa。

②垂直輸料管中的阻力。在垂直輸料管中的阻力，包括空氣和物料的沿程阻力損失和物料懸浮提升阻力，采用公式（6）和公式（7）進行計算：

式中,Δ垂P為物料在垂直輸送管道中阻力，Pa；氣υ為垂直管氣流速度，m/s；Δ升P為物料懸浮提升產生的阻力，Pa；K為阻力系數；h為垂直管提升高度，m；物υ為垂直管中物料粉末處在穩定運動時的速度，近似取

某電廠生物質粉末輸運管道只有母管存在垂直段，垂直段長度為30m，母管流量為1367.41m3/h，母管速度為23.66m/s，母管直徑為143mm，物料懸浮提升產生的阻力Δ升P為1.65kPa，垂直段沿程阻力為2.6kPa，經過計算，得到母管垂直段阻力為4.28Pa。

③起動時的阻力。在物料由供料處進入輸送系統過程中，物料的速度由0m/s達到穩定速度需要消耗一定的氣流流量，因此，物料起動時會產生一定阻力。

壓送式啟動阻力，按下式計算：

式中，Δ起P為物料起動壓力，Pa；0β為起動阻力系數，β0=（υ物υ氣）2；υ氣為進料口氣流速度，在水平管中υ物=（0.7～0.85）υ氣m/s；ρ氣為進料口氣體密度，kg/m3。

物料起動時的阻力Δ起P=（3×0.64×1.52×20.492）/2/1000=0.614kPa。

④彎頭等管件處的阻力。當空氣和物料的粉末流通過彎管時，運動方向發生變化，因慣性力及離心力作用，彎管處受沖擊、摩擦，物料在管道斷面上會重新分布和運動，引起很大的阻力。這些阻力可用下式計算：

式中，Δ彎P為彎管中的阻力，Pa；彎ξ為彎管阻力系數（純空氣用）；氣ρ為彎管進口處的空氣密度，kg/m3；氣υ為彎管進口處的氣流速度，m/s；K彎為彎管阻力系數（兩相流用）。

彎ξ為取0.083，彎管處的平均流速為22m/s，K彎為取2.5，經過計算得到彎管阻力為3.3kPa。各管道彎管阻力如表4所示。

表4 各管道彎管阻力

彎管阻力與彎頭數量呈正相關，即彎頭數量越多，彎管阻力越大。支管3-1至3-8的彎頭數量最多為4，因此，彎管阻力最大為1.02kpa。

⑤總阻力。總阻力是指系統的母管和各支管產生的所有阻力，即

（7）風機功率P。羅茨風機流量為1651×2=3302m3/h，選用功率為63.5kW的羅茨風機。

2 結語

結合某電廠的生物質粉末具有粒徑小、比重小以及黏度大等性質，設計了一種針對某電廠生物質粉末的氣力輸送系統。通過對某電廠工程要求的年度輸送量計算出生產率Gs為6875kg/h。根據設計手冊，進一步計算出該系統各管道的風量為2.95～25.27m3/min，風速為17.41～30.25m/s。系統總阻力為65.93kPa。配置一臺63.5kW的羅茨風機為該系統提供動力。該系統保證了某電廠的生物質粉末連續穩定輸運，確保了后續鍋爐穩定燃燒。