（材料学专业论文）浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特性的研究.pdf

r 删嬲 r e s e a r c ho nd e n s e - p h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n g d e s u l f u r a t e d - - g y s p u mp o w d e r i nc o m p l e xp i p e s e c t i o n b yw uw e i x i a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i uz o n g m i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，er c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 tme、山且， r 一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠瞪 日 期：鲨! ! ：查：箜 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 弋分开 口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：址导师签名：未厶蓝辞日期：碰粥 济南人学硕f 学位论文 目录 摘要i a 】3 s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 研究背景、目的与意义1 1 2 浓相气力输送在复杂管段的研究进展2 1 2 1 浓相气力输送在复杂管段中的实验及理论研究3 1 2 2 浓相气力输送在复杂管段的数值模拟研究进展6 1 2 3 浓相气力输送在复杂管段的应用研究1 0 1 2 4 压力降的研究1 1 1 3 本文主要研究内容1 2 第二章复杂管段气力输送实验系统设计1 3 2 1 复杂管段实验系统的设计1 3 2 2 发送装置及收料装置1 4 2 2 1 输送方式的选择1 4 2 2 2 气体动力部分1 4 2 2 3 发送装置1 4 2 2 4 收料装置1 4 2 3 复杂管段的设计与塑制- 1 5 2 4 主要的测量设备1 7 2 5 实验流程18 2 6 本章小结1 9 第三章浓相气力输送脱硫石膏复杂管段实验研究与分析2 0 3 1 脱硫石膏的表征2 0 3 2 实验装置布置与输送参数的确定2 0 3 3 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的流动参数变化规律2 1 3 3 1 输送能力2 1 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特性的研究 3 3 2 固体速度2 2 3 3 3 水平弯管内的压力降变化2 5 3 3 4 水平渐缩管内的压力降变化2 8 3 3 5 水平渐扩管内的压力降变化3 0 3 4 本章小结3 2 第四章浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的理论分析3 3 4 1 水平弯管阻力特性关联式的建立3 3 4 2 渐变管阻力特性的建立3 5 4 3 本章小结3 8 第五章浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的数值模拟3 9 5 1 控制方程3 9 5 2 模型简化与边界条件的确定4 3 5 3 管道几何模型的建立4 3 5 4 模拟结果分析4 5 5 4 1 静压和动压4 5 5 4 2 固相速度和气相速度5 0 5 4 3 两相体积分布5 8 5 5 本章小结6 l 第六章实验结果与模拟结果对比6 3 6 1 气体速度对比6 3 6 2 固体颗粒速度对比6 4 6 3 压力降对比6 5 第七章结论与创新点。6 6 7 1 结论6 6 7 2 本文的主要创新点6 7 参考文献6 8 致谢7 3 i i 济南人学顶l 学位论文 !i；i。_iiiii一_ii , , i i _ i i i g | 附录7 4 一、在校期间发表的学术论文7 4 二、在校期间参加的项目7 4 三、在校期问获奖情况7 4 i i i 济南人学硕f j 学化论丈 摘要 我国火力发电厂以煤炭为主要原料，加上我国煤的含硫量普遍较高，s 0 2 就 成为大气污染的主要污染物之一，在环境压力日益增大的今天，这已经成为备受 重视与亟待解决的问题。因此火力发电厂的烟气脱硫显得尤为重要。烟气脱硫， 8 0 9 0 都采用石灰石( 石灰) 石膏法脱硫技术，其副产物就是脱硫石膏。从质量 上看，脱硫石膏纯度较高、成分稳定，与天然石膏相比，其含水率较高、粒度较 小、成粉状、含水溶性盐类较少，脱硫石膏的品位已经超过了天然石膏，有相当 大的利用价值。但是脱硫石膏的输送是个难题，一方面由于脱硫石膏过细( 直径 普遍小于6 0 a n ) ，带来流动性和触变性问题；另一方面，由于从脱硫塔下到脱硫 石膏的利用地，如石膏板厂、水泥厂等通常地形都比较复杂，车辆运输等造价太 高，这就造成了脱硫石膏的干燥状态下的输运问题成为其应用的瓶颈。 浓相气力输送技术由于其能耗低、装置安全、费用低、易于自动化、环保并 且结构简单、操作方便、布置灵活等优势，在工农业生产中得到了广泛应用。而 将其作为脱硫石膏粉体输运的方式不仅可以保持粉体活性而且容易实现输送的 连续性，这不但有重要的理论意义还有重要的应用价值和前景。 鉴于此，本文选用工程中较为常用而研究较少的水平弯管、变管径( 含渐缩 管、渐扩管) 等复杂管段作为研究对象，在高浓度流态化气力输送台上以压缩空 气作为输送动力，火电厂脱硫石膏粉体作为输送介质进行两相流实验，通过改变 输送管道的几何形状、系统的操作参数等因素找到不同复杂管道处的流动参数的 实验变化规律。通过实验研究发现，管道的几何结构对输送过程的流动参数具有 较大影响。 在实验的基础上，本文建立了适合不同复杂管道包含管道几何结构、流动参 数等因素在内的普适性较好的压力降物理数学计算模型。误差分析表明，该模型 具有较好的准确性，能够用来系统的设计计算与管道布置形式的优化。 数值模拟作为浓相气力输送新的研究方法，近十几年来得到了充分的发展。 本文根据输送实验管道的实际尺寸，在前处理过程中采用g a m b i t 软件建立了 复杂管道的几何模型，并进行了网格划分，考虑在管壁及变径处流动的复杂性， 特通过划分边界层的方式对网格进行加密，以便提高模拟的准确性。在实验的基 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特件的研究 础上，选用气固两相湍动的双流体模型，该模型全面地考虑了两相间、颗粒之间 以及颗粒与管壁之间的相互作用，在a n s y s 计算平台上对实验工况的气力输送 济南人学硕f + 学位论艾 a b s t r a c t v i e w i n go ft h eg r o w i n gp r e s s u r eo nt h ec u r r e n te n v i r o n m e n t ，s 0 2e m i s s i o n sh a s b e e nam u c ha t t e n t i o na n du r g e n tp r o b l e mw h i c ha s t h em a i np o l l u t a n t so fa i r p o l l u t i o n t h e r e f o r e ，w h a tt h ef l u eg a sd e s u l f u r a t eg y p s u mi nt h e r m a lp o w e rp l a n ti s v e r yi m p o r t a n ta n dt h eb y - p r o d u c ti sd e s u l f u r a t e d g y p s u m f r o mt h ev i e wo fq u a l i t y p o i n t ，d e s u l f u r a t e d g y p s u mh a v eh i g l lp u r i t y ，s t a b i l i t yc o m p o s i t i o n , h i g hm o i s t u r e c o n t e n t ，s m a l l e rp a r t i c l es i z e ，p o w d e rs h a p e ，c o n t a i n i n gl e s s w a t e r s o l u b l es a l t s c o m p a r e dw i t hn a t u r a lg y p s u m t h e r e f o r et h e r ei sc o n s i d e r a b l ev a l u ei nu s e b u td u e t ot h ec o m p l e xt e r r a i nf r o md e s u l f u r i z a t i o nt o w e rt ot h eu s i n gl a n d ，s u c ha sg y p s u m b o a r df a c t o r y , c e m e n tp l a n t ，e t c v e h i c l e sa n dt r a n s p o r t a t i o nc o s t sa r et o oh i g h ，w h i c h l e a d e dt h et r a n s p o r t sb e e na na p p l i c a t i o nb o t t l e n e c k p n e u m a t i cc o n v e y i n gp o w d e ri sw i d e l yu s e di nm a n yk i n d so fi n d u s t r i a l p r o c e s s e sb e c a u s eo fm e r i t sl i k ea l m o s tn od u s tp o l l u t i o na n dm o r ef l e x i b i l i t yo f p i p e l i n el a y o u t w i d e l yu s e dt o oa r et h eh i g h - d e n s i t ya n dl o w v e l o c i t yc o n v e y i n go f p o w d e rd u et om e r i t sl i k et h el o we n e r g yl o s s ，t h ep r e v e n t i o no ft h ea t t r i t i o no fp i p e s a n dt h a ti ti n h i b i t st om a k ep o w d e rc r a s h u s i n gd e n s e - p h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n g d e s u l f u r a t e d g y p s u mp o w d e rn o to n l yc a nm a i n t a i n t h ea c t i v i t yo fp o w d e ra n d c o n t i n u i t yo fe a s yt r a n s p o r t a t i o n ，b u ta l s oh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et h e r e i sa ni m p o r t a n tv a l u ea n dp r o s p e c t s v i e wo ft h i s ，v a r i a b l ep i p e ( i n c l u d i n gt h es t e p p e dp i p e ，d i v e r g i n gp i p e ) a n d h o r i z o n t a lc u r v e dd u c tw h i c hw e r ew i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gp r o je c ta n dl e s s r e s e a r c h e do ni nt h eh i 曲c o n c e n t r a t i o no ff l u i d i z e dt r a n s p o r t a t i o nw e r es t u d i e di nt h i s p a p e r i n t h er e s e a r c hw eu s e d c o m p r e s s a i ra s t h et r a n s m i s s i o n p o w e r , d e s u l f u r a t e d g y p s u ma st h et r a n s p o r tm e d i u ma n df o u n do u tt h ec h a n g ea n dl a wo f f l o wp a r a m e t e r sb yc h a n g i n gt h eg e o m e t r yo ft h et r a n s m i s s i o np i p e l i n e ，t h es y s t e m s o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n do t h e rf a c t o r s t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h eg e o m e t r y o ft h et r a n s m i s s i o np i p e l i n ea n dt h es y s t e m so p e r a t i n gp a r a m e t e r s p l a y e da n i i i 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特忤的研究 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d w h i c hc o n s i d e r e do ft h eg e o m e t r yo ft h et r a n s m i s s i o np i p e l i n e ，f l o wp a r a m e t e r sa n d o t h e rf a c t o r st oc a l c u l a t et h ep r e s s u r el o s t t h ee r r o ra n a l y s i ss h o w st h a tt h em o d e lh a s g o o da c c u r a c ya n dc a l lb eu s e dt oc a l c u l a t ea n do p t i m i z et h ep i p el a y o u t ，p r o v i d i n g r e f e r e n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e n s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gh a sb e e nf u l l y d e v e l o p e da tt h el a s td e c a d ea sa n e wr e s e a r c hm e t h o d b a s e do nt h ea c t u a ls i z eo ft h e g e o m e t r yo f t h et r a n s m i s s i o np i p e l i n e ，t h eg e o m e t r i cm o d e la n dm e s hc r e a t i o nw a ss e t u p b yu s i n gt h es o f t w a r eg a m b i t i nf o r m e rc o u r s eo ft r e a t m e n t t h eb o u n d a r yl a y e r w a sd i v i d e dn e a rw a l la n dr e f i n e m e n tm e s hw a sc a r r i e do u ti nc o m p l e xp i p ei n c o n s i d e r i n go ft h ec o m p l e x i t yo ft h ef l o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，a ne u l e r - e u l e rt w of l u i dm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h e p r o c e s so ft h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gw h i c hw a sb a s e do nt h ek i n e t i ct h e o r yo fd e n s e g a s e sa n dk i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a r ，i n c l u d i n gt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt w op h a s e s ， p a r t i c l e sa n dt h ep a r t i c l e s ，p a r t i c l e sa n dw a l li nt h ea n s y sc o m p u t i n gp l a t f o r m t h e v i s u a li n f o r m a t i o no ff l o wf i e l di nt h ep r o c e s ss u c ha s t h e d i s t r i b u t i o no fs t a t i c p r e s s u r e ，d y n a m i cp r e s s u r e ，d i s t r i b u t i o no fp a r t i c l ep h a s e ，v e l o c i t yv e c t o r sw e r e s i m u l a t e da n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t he a c ho t h e r ，i n d i c a t i n gt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nb eu s e dt op r e d i c tt h e t w o - p h a s ef l o w k e yw o r d s ：p n e u m a t i cc o n v e y i n g ；c o m p l e xp i p e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p r e s s u r ed r o p 济南人学硕i 学f t 论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的与意义 气力输送又称气流输送，是利用具有一定速度和压力的气流在管道中沿气流 方向输送固体物料的一种方法，已有1 0 0 多年的历史。气力输送装置安全、费用 低、易于自动化、环保并且结构简单、操作方便、布置灵活，可作水平、垂直或 倾斜方向的输送，在输送过程中还可同时进行物料的加热、冷却、干燥和气流分 级等物理操作或某些化学操作，目前已广泛应用于电力、化工、建材、钢铁、食 品等各个行业中。而浓相气力输送具有能耗低、固气比大、气固分离量小、性能 优越等特点，因此得到了更多的重视。 我国火力发电厂以煤炭为主要原料，加上我国煤的含硫量普遍较高，因此s 0 2 就成为大气污染的主要污染物之一。控, j s 0 2 的排放，除了采取优化电源结构和 合理布局，对燃烧前的燃料进行脱硫控制等措施之外，更重要的方面是进行烟气 脱硫。而对于烟气脱硫，8 0 9 0 都采用石灰石( 石灰) 石膏湿法脱硫技术，其副 产物就是脱硫石膏。从质量上看，脱硫石膏纯度较高、成分稳定，与天然石膏相 比，其含水率较高、粒度较小、成粉状、含水溶性盐类较少，脱硫石膏的品位已 经超过了天然石膏，有相当大的利用价值。但是脱硫石膏的输送是个难题，一方 面由于脱硫石膏过细，带来流动性和触变性问题；另一方面，由于从脱硫塔下到 脱硫石膏的利用地，如石膏板厂、水泥厂等通常地形都比较复杂，车辆运输等造 价太高。 结合浓相气力输送的特点与脱硫石膏的输送难题，考虑利用浓相气力输送技 术来输送脱硫石膏。浓相气力输送的流动特性参数是实验研究以及工程计算的重 要指标，反映了系统的能耗、物料与管道磨损等重要问题。它与输送物料料性、 输送管道特征、输送气体的物理性质以及输送压力等参数有关。其中地形决定了 输送管道的特征，因此研究输送管道的特征对气力输送过程的影响是非常有意义 的。特别是脱硫石膏的输送，复杂的地形决定了输送管道的复杂性，也决定了其 在复杂管段流动型式的多样性，因此别具意义。通过实验和计算将复杂管段对流 动特性参数的影响进行量化，易于对输送系统进行优化和预测。 浓相气力输送脱硫彳i 膏复杂管段流动特怿的研究 计算流体动力学是通过运用计算机数值模拟计算，然后进行图像显示，对系 统内包含的热传导、流体流动等相关复杂的物理现象进行的分析。计算流体力学 软件( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是依据流动的基本方程( 连续方 程、动量守恒方程、能量守恒方程) 对流动过程的湍流及各个特性参数进行的数 值模拟。通过数值模拟，我们可以得到我们想要的而通过实验无法获得的复杂问 题的流场中各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布， 以及其变化情况等，帮助我们确定流动型式、漩涡分布特性、空化特性及脱流区 等。还可据此算出相关的其它物理量。 本课题意在研究气力输送在复杂管段中的运动及压力降等，通过对粉体性能 特征的研究、表征，在实验台上进行实验，同时利用计算流体力学软件，进行数 值模拟，这样对气力输送系统的设计以及气力输送技术的应用和发展都有积极推 动作用。 1 2 浓相气力输送在复杂管段的研究进展 气力输送又称气流输送，是利用气流作为载体在管道中输送物料，气体的流 动由输送管两端的压差来实现，直接为管内物料颗粒提供移动所需要的能量【m 】。 气力输送的研究开始于1 9 世纪早期，受限于当时的工艺技术水平，气力输送技 术在相当长的时间内发展较缓慢。近年来，随着多种测试手段的日趋完善以及两 相流理论的发展，气力输送得以日趋成熟。在以往气力输送研究与应用中，大部 分采用稀相悬浮流的输送方式，以安全性为主要目的。目前的理论研究也大都集 中在这方面，并且在某些参数计算及其输送机理方面也都已达成了共识【4 】，取得 了较大的研究成果。但是随着研究的深入，稀相输送方式存在的弊端也暴露出来， 例如耗能高、输送效率低、磨损严重、输送流量控制精度低等，已经不能满足日 益发展的工农业应用需求。为了克服这些弊端，性能更优越的浓相气力输送技术 引起了研究人员的极大兴趣，它具有能耗低、固气比大、气固分离量小等特点【5 。8 】。 目前，关于浓相气力输送的定义很多。通常会从固气比、物料的体积分数、 物料充满管道的程度、流型或相图这五个方面进行定义。 影响浓相气力输送的因素有很多，主要包括物料料性【9 1 2 1 、输送系统参数及 管道特征【l3 】等方面。气力输送的复杂工作环境决定了管路布置的多元性。在管道 2 济南人学硕f j 学付论文 鼍i i i t 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量舅曼曼曼皇皇曼曼曼量曼曼量曼量舅曼曼笪曼曼曼皂 气力输送过程中，势必会出现弯管、倾斜管段、垂直管段、突然扩张或收缩的变 径管段、套管以及分支管段、长距离输送管段等特殊情况。我们一般称这种除去 水平单一直管道外的管道为复杂管段。复杂管段内气固两相流动的实验研究、理 论研究以及水力模型的建立对于气力输送的机理性分析以及应用具有较重要的 理论及工程意义。 1 2 1 浓相气力输送在复杂管段中的实验及理论研究 实验研究在气力输送领域中一直占有十分重要的地位，它为管道两相流动的 定量化研究提供了有力的工具。气固两相管道流动的实验研究对推进该领域理论 研究进一步深入具有重大意义。在实验的基础上，结合相应的两相流动理论进行 分析，探索各种流动型态的机理，对于气固两相流动本质的认识与深入研究打下 良好的基础。 在气力输送工程管道铺设中，经常会遇到流动转向的问题，通过设置弯管可 以实现该目的。设置弯管的主要作用是改变输送物料的运动方向，为气力输送路 径布置提供极大的灵活性。同时也导致系统压力降增加，弯管磨损以及物料破碎 率增加等问题。就弯管的研究中，l u i ss a n c h e z 等【1 4 】在水平管道长9 6 m ，垂直管 道长6 1 m ，并且拥有6 个垂直弯角和三个4 5 0 弯角的工业尺度级的实验台上进行了 气力输送实验，实验物料为三种聚合物颗粒，控制气体速度从2 5 5 5 m s 变化， 用来验证前人建立的计算模型。美 l e h i g h 燃y i l m a z 等 1 5 - 1 7 1 在内径为0 1 5 4 m 水平转垂直的9 0 0 弯管中进行了煤粉的气力输送，研究煤粉输送过程中的物料的 碰撞等，另外还考虑了一系列可能影响煤粉破碎的因素，发现其影响因素有煤粉 的质量流率、输送速度及弯径比，但并没有用量化的形式表现出其影响大小。 i b r a h i m 等【1 8 1 研究浓相气力输送在水平转垂直的9 0 0 弯管中的流动行为，另外还研 究了弯管方向及气固两相流的流动方向对流动行为的影响。李永祥【1 9 1 、李勇口o 】、 李志华掣2 1 1 分析了气力输送中弯管磨损的因素，包括摩擦磨损和冲击磨损。从弯 管设计的角度，提出了避免或减少弯管磨损的措施，包括选择合适的弯管曲率半 径、结构和材质等。b k u a n 等用平均粒径7 7 1 x m 的玻璃球作为输送物质，在 1 5 0 m m * 1 5 0 m m ，弯曲度r c d ( r c ，d 分别代表曲率的平均半径与弯管的水动力直 径) 为1 5 的方形管道中，以雷诺数为1 0 0 0 0 0 进行输送，用考虑了颗粒剪切滑移力 浓桐气力输送h 兑硫石膏复杂管段流动特件的研究 的影响力和颗粒相互作用的拉格朗日粒子跟踪算法来预测固体颗粒的速度，并进 行了比对。周云等【2 3 】【2 4 】在输送压力为4 m p a 的实验台上研究了煤粉通过弯管时的 压损，并根据b a r t h 附加压力降理论，运用量纲分析法，对实验数据进行分析、 拟合，给出了高压密相气力输送弯管的压降经验公式。邱朋华等【2 5 】应用粒子动态 分析仪测量了常用的玻璃微珠在弯头半径为6 0 0 m m 、输送管道水力直径为2 5 m m 的方形截面弯管内的气固两相速度。 在实际工程应用中，经常会遇到通过各型式的分支接头将主管和分支管道进 行连接从而形成管网输送系统的型式。物料在气固两相管网的分支接口处，由于 运动的复杂性、分支管角度的变化、气体速度的变化等都会影响到流量分配和压 力降等变化，因此也是亟需关注的一个区域。国内上海理工大学对分支管进行了 比较深入的研究。段广彬等【2 6 瑚1 在水平y 型分支管道中采用压缩空气作为动力， 粒径为2 m m 的小米为输送物料进行气力输送实验。对气固两相分支管道各自的 压力降及两分支管间压力降差值的变化规律进行了研究。王晓宁等 2 9 - 3 2 1 分别用 0 2 5 m m 和0 5 m m 的砂石在水平t 型分支管道中用压缩空气进行了气力输送实验， 对气固两相分支管道输送的阻力性能进行了研究。并通过改进型b p 神经网络预 测对表观气速和分支管路流量控制阀开度变化时，固相在分支管路中的分配特性 进行了研究。 在气力输送过程中，由于场地限制、输送物料、管网布局等客观条件使得管 路铺设往往要采用倾斜管路的方式【3 3 】。采用倾斜管路在一定程度上能解决气力输 送过程中的能耗大、固体颗粒经过管道拐角时因急剧改变流动方向而发生的物料 破碎、管道磨损以及因而产生的需要较大面积的除尘设备等问题。在倾斜管道中 的输送机理为大家所重点关注。赵军等蚓【3 5 】以空气、粉煤灰和砂石为工作介质， 在1 ：1 比例的工业气力输送系统实验台上，进行了输送管道中气固两相流的阻 力特性实验，对影响气固两相流压力降的主要因素，包括被输送物料的基本性质 与特征，输送气体的物性，管道的特性和操作条件四个方面进行了分析与探讨， 并针对气力输送工程设计中的节能降耗问题给出了指导性结论。m h i r o t a 等【3 6 】 对气力输送在倾斜管道中的压降做了实验，并且进行了理论分析。王法良等【3 7 】 在变倾角管道气力输送实验装置中，对平均粒径为2i i l l n 、密度不同的空心玻璃 珠和小米进行了气力输送实验，研究了气固两相流动在不同倾角管路中的阻力特 性，着重分析了表观气速变化、管道倾斜角度和输送固气比的变化对气固两相管 4 济雨人! 坝l 。字何论文 道流动压力降的影响。郭晓镭等【3 8 】在内径为2 0 m m 的竖直上升不锈钢管道中研 究了粉煤密相气力输送单位管长压降随输送参数的变化规律，通过对实验数据拟 合得到了固相摩擦系数的关系式，并与前人的结果进行了对比。m h i r o t a 3 1 实验 研究了飞灰、硅土和面粉三种物料在0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 、9 0 。倾斜管道中 气力输送的压降与粉体的机械性能和动力学摩擦系数之间的关系。然后建立了根 据动力学摩擦系数计算气力输送压降的模型。 目前，气力输送工程应用的日益广泛，出现了长距离、超长距离的气力输送 方式。在长距离输送中目前存在系统压力降增加，管道磨损加剧，物料破碎严重 等问题 3 9 - 4 1 】，这是由于输送过程中空气能量不断损耗，压力沿输送长度逐渐降 低，导致气体密度下降，空气产生膨胀，气流速度加快，固体颗粒速度增加所致。 针对这一问题，可采用一种变管径的设计方法。刘清华m 2 4 3 1 在内径2 0 m m ，高3 m 的提升管冷模装置上研究了扩径段参数对气固流动的影响。m e h m e ty a s a r g u n d o g d u 等【删研究了突然扩张的管道中的压力降，并建立了滑流模型。它综合 了分散流模型和完全经验主义的滑移率，同时考虑了气相和固相间的滑移速度， 能预测静压回复和小的损失系数。衣华等【4 5 】实验研究了变径管道中压力、速度的 变化，发现使用变径管道后出口压力、速度都降低了，这样就能有效地降低磨损， 减少能耗。喷嘴可视为突然扩张的变径管道，龚欣等m 】研究了煤粉通过不同管道 的各式喷嘴时产生的压降。她将压降分为固相造成的和气相造成的，并且相对于 固相，气相造成的压降可以忽略。造成喷嘴压降的主要因素有气相、固相流率， 固体质量流量和喷嘴的入口及出口尺寸。并且根据b a r t h 气力输送理论建立了一 个用来预测喷嘴压降的模型。李勇4 7 1 和宋国良等【4 8 】为解决沿程管道中由于气体 速度增大带来的压降增大，研究了变径管道，介绍了气力输送中变径管道的设计 方法和主要参数的确定，如临界速度、管径、压降、气体流速、变径位置等。 对于复杂管道的研究，还包括套管方面。传统单管输送技术，出力低、输料 能力差，易出现经常性的堵管，而套管由于其特殊的输送管道，则可使输送管道 内的输送空气保持连续的紊流，避免物料堆积，堵塞输送管道。这种紊流是采用 两条管道来实现的，空气在不断进入和流出小管上特别设计的开口及孔板的过程 中产生剧烈紊流效应，扰动物料。丁岩峰等【4 9 , 5 0 在实验室和工业实践现场对双套 管干渣输送系统进行了大量的实验，得到了进料时间、结料机频率等运行参数的 参考数据，并提出了干输渣系统设计的优化方案。陈国艳【5 i 】为达到降低输料管的 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特r ：的研究 整体输送速度的目的，以形状和容重与小麦相似的塑料颗粒为原料，在负压式气 力输送的接料器内及提料管启动加速段内装设多种不同长度、不同管径的芯管， 进行实验。胡志波【5 2 】综述了双套管气力除灰技术在长距离灰渣输送中的特点、系 统设置、及运行模式；并与单管输送进行了比较。 综上所述，浓相气力输送在复杂管段中的实验研究和理论研究已经取得了一 定的成果，但仍受限于目前测试手段的不足。随着各种高性能气固两相测试设备 的完善( 如多普勒测速仪、p w 技术、超声波技术) ，对气力输送过程的流场分析 会起到巨大的推动作用，这也将为气固两相流的机理的分析打下良好基础。 1 2 2 浓相气力输送在复杂管段的数值模拟研究进展 传统研究两相流的方法包括两种：实验法和理论法。就实验方法而论，由于 这种方法容易受测试手段和测试条件的限制，因此多数工作还停留于对宏观流体 力学特性的观察和测定，比如粗略的流型图、平均压降、输送能力、平均流体相 及固相速度等。这些结果只对于人们了解在特定设备、特定条件下的多相流流动 规律有一定作用，而要深入研究更基本的多相流流动规律，如流体间相互作用力 和各相流体运动速度、流动轨迹分布等，现今的基本测试手段很难解决。况且在 气固两相流中，两相流动往往呈现出多态性和复杂性，不同的流动型态下，有不 同的流动特性和变化规律。因此，对工程中流动型式复杂的两相流动现象的研究， 仅靠实验法和经典解析法还很不够，而数值模拟法恰好弥补这一不足之处。数值 模拟是对实验研究、理论机理分析的有力补充，通过数值模拟可以充分考察气固 两相流动过程中气固两相的瞬态变化建立气固两相的瞬态模型，揭示出各作用之 间的相互耦合机制。 目前有关两相流动的模型已有大量的文献报道，但各种模型都是由不同角度 对真实过程所作的近似和简化。从刻划的尺度及属性上区分，主要有两类方法： e u l e r 方法和l a g r a n g e 方法。e u l e r 方法把颗粒作为拟流体，认为颗粒相是与流体 相是相同的，两相是共同存在且相互渗透的连续介质，两相同在e u l e r 坐标系下 处理，即连续流体模型。这类模型在研究者们精心的研究下，先后经历了无滑移 模型、小滑移双流体模型、有滑移扩散的双流体模型及近年来发展较快的以颗 粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模型。这种模型在处理颗粒间相互作用方 6 济南人学硕l 学位论文 面是通过固体黏度和固体压力来表示。l a g r a n g e 方法是将颗粒相视为离散体系， 在l a g r a n g e 坐标系下研究颗粒相的运动，在e u l e r 坐标系下考察流体相的流动， 又称为颗粒群轨道模型。这类模型处理浓相两相流中颗粒间相互作用分为完全的 弹性碰撞模型和颗粒离散单元法，处理颗粒碰撞的基本模型则有硬球模型、软球 模型以及d s m c 方法【5 3 j 。 气固两相流大部分属于湍流两相流，这样颗粒相会改变气相的湍流结构，气 相的湍流脉动也会影响颗粒相的运动，两相间的相互影响支撑着两相动量和能量 的传递。并且在颗粒相浓度较高时，颗粒间的相互作用也不能忽略，其会大大的 影响流动型态。因此，在建立气力输送过程中气固两相流动模型时，必须同时考 虑两相间相互作用、湍能变化及颗粒间的相互作用。 ( 1 ) 颗粒轨道模型 在两相流模拟中颗粒轨道模型已经被很多研究者所采用。其优点是离散相处 理简单，不用增加偏微分方程组和引入颗粒湍流输运系数的概念，并且能够很好 地预测流场中颗粒的分布信息，结果比较准确。用拉格郎日方法来处理颗粒相可 以给出更为详细的颗粒运动方面的信息，多用于研究湍流流动中稀疏颗粒的运 动。但是获得可与实验结果相比较的颗粒的信息就意味着非常大的计算机储存量 和极高的计算速度。另外它也难以完整地考虑颗粒的各种湍流输运。 由颗粒轨道的确定方法，可以把颗粒轨道模型分为确定性轨道模型和随机轨 道模型。确定性轨道模型是以时均颗粒动量方程为基础的，它没有考虑湍流扩散， 且仅仅考虑流体对颗粒的时均作用。而随机轨道模型的计算则是建立在瞬态颗粒 动量方程的基础之上，通过把直接数值模拟和大涡模拟方法得到的流体的瞬态流 场直接代入颗粒运动方程进行轨道计算。但工程模拟中往往采用统观模拟方法来 模拟流体流场，不能得到流体的瞬态流场，因而不能直接代入瞬态颗粒运动方程 进行计算。 ( 2 ) 双流体模型 双流体模型的概念是将两相都看成是充满整个流场的共同存在且相互渗透 的连续介质，两相同在e u l e r 坐标系下考虑流体的流动。颗粒相和流体相都采用 宏观连续介质原理中的基本方程进行描述。 采用双流体模型建立两相流方程基本方法是将每一相的瞬时的、局部的各个 7 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特件的研究 守恒方程和相界面的关系，然后通过某种平均的方法得到两相流方程和各相间作 用的表达式。主要有时间平均、空间平均、空间平均加时间平均、双重空间平均 等几种。 双流体模型的长处在于解决具有较高粒子浓度占主导地位的流场。在双流体 模型中，流体和颗粒都有确定的体积浓度，要求解各相方程中的各相都必须乘上 这一体积浓度。流场中每一点上的颗粒体积浓度不是由单个颗粒所在的位置确 定，而是由颗粒连续性方程得到的。这样就可以利用颗粒的体积浓度和速度，去 求解相应的各相。这样就可以较好地描述颗粒在气流中的湍流混合过程。 对于浓相气力输送，近年来很多研究者针对颗粒间的