（动力工程及工程热物理专业论文）煤粉流动应力特性研究.pdf

摘要 煤是工业中常用的原辩，且大多班粉体的形式使用，因此煤粉的流动性辩生产有重 要的影响。煤粉在料仓内的流动特性除与煤粉自身的性质有关以外，还与料仓壁面材料 的性质有璧要关系。煤粉与壁面材料之间的运动壁摩擦角是料仓设计和评价的重要参数， 对煤粉在料仓内的流动有重要影响。测量煤粉的运动壁摩擦角，找到有利予实现煤粉稳 定流动的壁面材料是许多煤仓设计者所期望的。 测量煤粉流动性的方法很多，实验法是经常使用的方法。测量煤粉流动性的装置有 多种。本文主要剩用j e n i k e 剪切流动测试仪，测爨煤粉的屈服轨迹茅b 在不同的壁面材料 上运动时的壁屈服轨迹，从而得出相关的参数如奠尔应力圆和运动壁摩擦角来评价煤粉 在料仓内的流动。 本文跌充州煤、大网煤、混合煤帮祷府煤为研究对象，研究不同水分的煤粉在碳镪 板、不锈钢板、环氧板以及玻璃板等四种壁面材料上运动时的运动壁摩擦角的变化规律， 为料仓的设计提供依据。对兖州煤、大同煤和混合煤主要研究了煤粉中水分含量的变化 和壁面材料的性质对运动壁摩擦角及牯结力的影响；l i 磊对裤府煤，则主要研究了煤粉的 粒径变化时，运动壁摩擦角和煤粉与壁面粘结力的变化。 运动壁摩擦角的影响因素有多种，本文主要考察水分、粒径以及壁面材料的性质对 煤粉运动璧摩擦角的影嫡。煤耪中水分的含量影晌煤粉的流动性，同样也影镌煤粉的运 动壁摩擦角和煤粉与壁面问的粘结力。在本实验范围内，随着煤粉中水分含量的增加， 煤粉的运动壁摩擦角减小；材料的性质也是影响煤粉流动的一个因素。材料表面的粗糙 度越大，煤粉豹运动壁摩擦角越大；疆着材料硬度的增大，煤粉的运动壁摩擦角也相应 增大。煤粉的粒径也影响煤粉的运动壁摩擦角，随着煤粉中细颗粒含量的增加，煤粉的 运动壁摩擦角增加。随着煤粉中水分含量和细煤粉颗粒的增加，煤粉与壁面的粘结力增 大。 关键词： 壁艟服轨迹； 运动壁摩擦角；水分含量：粒径 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a li so n eo f t h em a i nm a t e r i a lu s e di ni n d u s t r y , a n di ti so f k nb eu s e di nt h ef o r mo f p u l v e r i z ec o a l s ot h e f l o w a b i l i t yo f p u l v e r i z e dc o a lh a sp r i m a r ye f f e c t so t h ep r o d u c t i o np r o c e s so f r e l a 6 v ei n d u s t r y t h ef l o w a b i l i t y o ft h ep u l v e r i z e dc o a li nb i n sh a sr e l a t i o mw i t hn o to n l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp u l v e r i z e dc o a l ，b u ta l s ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f t l a ew a l lm a t e r i a lo f b i n s t h ek i n e m a t i cf r i c t i o na n g l eb e t w e e ns o f i dp a r t i c l e sa n dc h a l m e lw a l l i sap r i m a r yp a r a m e t e rf o rd e s i g n i n ga n de v a l u a t i n gs i l o sw h i c he f f e c t st h ef l o w a b i l i t yo f p t t l v e r i z e dc o a li ns i l o s i t i st h er e q u i r e m e n to ft h ed e s i g n e r so fs i l o st ot m d e r s t a n dt h ek i n e m a t i cf r i c t i o na n g l eb e “p o w d e r m a t e r i a l sa n de h a m a e lw a l l sa n dt of i n dt h ew a l lm a t e r i a l st h a tc a l l1 1 3 a k et h ep o w d e rf l o w ss t e a d i l yi ns i l o s s t u d yo nf l o w a b i l i t yo f 面v 背注醯c o a li sm o s t l yb a s e do nt e s t s 豇塌r ca 端s e v e r a ld i f f e r e a tt e s tm e t h o d st o d e t e r m i n et h et l o w a b i l i t yo fp l l l v 酬c o a l 1 kc o m m o n l yu s e dm e t h o di st h a tl l l e a s l l r et h ey i e l dl o c u sa n d w a l ly i e l d1 0 c l t so f p u l v e r i z e dc o a l s b ym e a n so f t h et e s t s p a l a e t e i ss u c h8 sm o h rc i r c l ea n dk i n e m a t i cf r i c t i o n a n g l eb e i ：w np o w d e r sa n dc h a n n e lw a i l sc b eo b t a i n e d s ot h a ti ti se a s yt oe v a l u a t et h et l o w a b i l i t yo f p u l v e r i z e dc o a li ns i l o 。 t h ep u l v e r i z e dc o a l si nt h ee x p e r i m e n ta t ey a n z h o uc o a l , d a t o n ge o a km i x t u r ec o a la n ds h e n f _ i lc o a l ， r e s p e c t i v e l y t h ew a l lm a t e r i a l s es t a i n l e s ss t e 吐c a r b o ns t e e l ，e p o x ya n dg l a s s ，r e s p e c t i v e l y me x p e r i m e n ti s 招s t u d yt h ev a r i a t i o n so ft h ek i n e m a t i cf r i c t i o na n g l eo fi r a l v e r i z e dc o a lw i t hd i f f e r e n tm o i s t u r ee o n t e n t so i l d i f f e r e n tw a l lm a t e r i a l s 。f o ry a n z h o uc o a l ，d a t o n gc o a la n dm i x t u r ec o a l ，t h ea i mi s 幻f i n dh o wt h em o i s t t c o n t e n t s i n t h e p u l v e r i z e dc o a l s i n f l u e n c e t h ek i n e m a t i ca n g l eo f w a i l f r i c t i o n a l a d t h ec o h e s i v es 廿c n g 血a n d f o r s h e a f uc o a l ，t h em a i na i mi st os t u d yh o wt h ec o a lp a v d e l es i z ei n f l u e n c e st h el d l a e m a t i ca n g l eo f w a l lf r i c t i o x l i a m o n g l o t s o f f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e t h e k i n e m a t i c 粕g 重e o f f r i c t i o n b e t w o e n 龇c o a l s a n d t h e w a l l m a t e r i a l s ， t h i sw o r km a i n l yf o c u s e so nt h ec o a ll l l o i $ t u r ec o n t e n t , c o a ls i z ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew a l lm a t e r i a l t h e c o a lm o i s t u r ee o i l t c n t 曲v i o u s l yi n f l u e n c e st h ef l o w a b i l i t yo fp u l v e r i z e dc o a l a i s oi ti n f l u e n c e st h ek i n e m a t i c a n g l eo fw a l lf r i c t i o na n dc o h e s i v es t r e n g t h a st h em o i s t u r ec o n t e n ti a c r e a s e s ，t h ek i n e m a t i c g l eo ff r i c t i o n b e t w e e nc o a l sa n dw a l l sd e c r e a 8 1 i nt h e 蝣o f t l a i sw o r k mc h a f a c t 酏t i c so f t h ew a l lm a t e r i a l sm a l s ot h e f a c t o rt h a tc a ni n f l u e n c et h ek i n e m a t i ca n g l eo fw a l lf r i c t i o 玑a st h er o u g h n e f i $ a n dl t a er i g i d i t yo ft h ew a l l m a t e r i a l si n c r c a s e , t h ek i n e m a t i ca n g l e so fw a l lf r i c t i o ni n c r e a s e t h ec o a ls i z ea l s oi a f l u e n c e st h ek i n e m a t i c a n g l eo fw a l lf r i c t i o n a st h ef i n ep u l v e r i z e dc o a l si nt h ep o w d e ri n c r e a s e , t h ek i a e m a t i ea n g l eo ff r i c t i o n b e 拈v nt h ec o a l sa n dt h ew a l li n c r e a s e s k e yw o r d s ：y i e l dl o c u s ；w a l ly i e l dl o c u s ；k i a e m a t i ea n g l eo f w a i lf r i c t i o n ；m o i s t t t r ec o n t e n t ；s i z e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师搬导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过豹材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 鎏童曩 日期：! & ：生 东南大学学位论文使用授权声明 东旁大学、中国科学技术信怠研究所、莺家图书馆有权保露本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电予文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阏，可 以公布( 镪括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括翻登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名l 国重童导师签名： 第一章绪论 1 研究背景 第一章绪论 能源是人类社会赖以生存、社会发展最根本的物质基础，颦今世赛可用熊源主要 包括化石能源( 如煤炭、石油和天然气) 、可再生能源、核能等。化石能源是各行各业 及我们的日常生活中最常用的能源。 我国是世界上第二大能源消费黧和第三大能源生产国，根据国家统计局的数字， 2 l - 2 0 0 3 年我国能源消费总量折合分别为1 3 5 亿吨、1 4 8 亿吨和1 6 8 亿吨标准煤p 】， 其中煤炭消费占其中的平均值6 6 ，而消费煤炭的7 5 被用于发电。我国目前的能源 结构也表明，燃煤发电是现阶段和未来一段睦期内能源供应的主要方式之一。 燃煤发电厂内大型锅炉和大型煤气化装置中使用的主要是粉状煤炭。煤粉的流动性 对在能源领域中大量使用的各类料仓的设计十分熏要。如果料仓内煤粉流动情况不理 想，会在料仓中产生严熏豹堵塞( 结拱或形成管斗) ，破坏物拳斗的平衡，面拱塌落造成 的巨大冲击力对于生产设各又有很大的破坏，实际生产中已经证明仓斗中煤粉的流动特 性会直接关系到气化炉和锅炉的安全和稳定运行。 为解决能源和环境问题而发展起来的洁净煤技术，可以把煤炭进行大规模嵩效气 化。煤气化技术是瞄煤炭为原料，采用空气、氧气、c o ：和水蒸气为原料，在气化炉内 适宜条件下进行煤气化反应，将煤炭转化为气体燃料的技术。大规模高效煤气化技术是 发震煤基化学品生产、煤基液体燃料、先进的i g c c 发电、多联产系统、刮氡、燃料电 池、直接还原炼铁等过程工业的基础。对于煤的大规模高效气化，并不是简单的设备尺 寸的大型化，而是必须在有限的设备尺寸的基础上，提高气化强度，其主要途径就是增 加单位时间内设备单位体积的处理熊力和处理效率。对于高压气化，要求煤粉必须在比 气化压力更高的压力下进行输送。干煤粉加压密相输送是干煤粉气流床加压气化的关键 技术之一【2 胡，在干煤粉加压气化的整个连续过程中，煤粉的储存与供给是必不可少的 环节，除了在输送过程中管道会出现堵塞的现象外，在潆粉的储存过程中，也会发生各 种各样的问题，比如结拱、偏析、不均匀排出、细粉物料喷流等现象。然而到目前为止， 这些问题并没有定量的解决办法。煤粉在储存和输送中出现的这些问题及料仓设计过程 中涉及到的众多阚题中，粉料的流动特性都起着蕙要的作用。在干煤粉加压密攘试验研 究的过程中发现，煤粉的粒径及粒径分布、含水率及粉体颗粒的种类、管道材科的性质 1 壅妻垄塑主兰竺鎏茎 等对煤粉的粉体力学性质( 休止角、内摩擦角、壁摩擦角、滑动摩擦角等) 和流动特性有 着显著的影响。因而在研究煤粉的加压密相输送过程中，了解各项因素对煤粉流动特性 的影响趋势非常重要，也可为料仓的设计提供设计数据。2 0 世纪8 0 年代以来，a z i z 和 k l i n z i n g 将粉体力学理论引入到煤粉输送的研究中，认为吸附性粉体柱塞输送存在两种 壁剪切应力：一是经典摩擦力，为柱塞重量与滑动摩擦系数之积：其二是粉体力学壁摩 擦力，可由吸附性强的粉体的m o h r 应力圆决定。在模拟结果帮试验结果耜吻含的情况 下发现，在水平管和倾斜管流动中，齄面剪切控制着煤粉的流动，煤粉与壁面的接触面 处于被动应力状态，也即，径向压实力大于轴向压实力1 5 】。 作为耪体的一种，煤粉与大多数耪体有着一些共同的性质和一些相近的研究处理方 法，了解这些共性和方法是研究煤粉流动特性的重要基础。在能源、化工医药、环境工 程和农业等许多行业中生产原料使用的都是粉粒体。粉体是由不连续的微粒构成的散状 固体。它具有一些特殊的杨辩性质，例如巨大的毙表面积和很小的松密度，以及凝聚性 和流动性等。粉体对于人类并不陌生，人们几乎天天、时时都在接触粉体、制造粉体和 使用粉体。随着人类生产的高度发展、科学技术的进步，对粉体的需求提到了一个新的 高度，特别是新兴材料( 含功能材料) 发展的需要，促使分散在备学科领域中的有关粉 体方面的知识独立出来，得到重视，使其完善和发展，从而形成了一个完整独立的学科 体系 6 1 。 在粉体的处理过程中，其力学性质在输送、储存过程中趋黄耄要作用。磷究粉体的 力学特性需要涉及一门新的学科粉体技术。 粉体技术作为一个独立学科是在本世纪4 0 年代以后才形成的，也有人称之为颗粒 技术，主要是研究固态颓粒行为的一门独立的完整的学科。其主要任务是研究粉体的制 各及其有效利用。从学科及应用划分，粉体技术可以分为粉体科学和粉体工程两个方面。 粉体科学研究的是各个粉体部门中一些带有共性的基础研究，如粉体特性，粉末颗粒尺 寸增大或减小，耪末颗粒阔作用，粉体与介质的律用，粉体系统内热和质量迁移等问题。 粉体工程是粉体在工程实践中，各项单元操作及其优化生产组合，以及过程的自动化控 制。对煤粉流动中应力特性的研究也是粉体工程的重要研究内容之一。研究备个参数对 流动性豹影响，提高和控制粉体的流动，对于设备豹科学设计，甄及解决生产中常发生 的流动不芷常，甚至粘附结皮和结拱堵塞具有十分重要的意义。粉体技术是相当重要的 新兴学科。科学研究和各工业生产过程中不少重大问题都与粉体技术有关。例如：能源、 原料、新材料的台理希j 用与回收；薪的结构材料、功能材辩静生产；磨损的防止，环境 治理等都与粉体技术的发展有着极其密切的关系。因此，粉体技术在人类生活、生产和 2 科学的进程中，占有十分重要的地位、有着非常重要的作用。 粉体技术学科的结构大致包括粉体性质的研究和粉体置备技术方法和设备研究。粉 体性质的研究主要包括三个方面： 粉体几何性能测量：由于粉末颗粒的大小，形状及其分布对粉体各种现象的影响至 关重要，如：粉体粘附性与流动性和粉体的形状相关联，粉末颗粒的尺寸、形状分布对 材料的性能也有十分熏爱的影响，因此粉末颗粒的尺寸、形状及其分布的测囊就必然成 为粉体科学的一个重要组成部分。 粉体力学，是粉体工程技术中工艺设备及装置设计的理论基础。粉体力学的研究主 要有两个方面啊：( 1 ) 研究处于极限乎衡状态的粉体。实质上就是研究粉俸的屈服破坏 阶段，而不去研究它的变形和位移。( 2 ) 研究处于正常平衡状态下的粉体。实质上是研 究处于稳态或弹性平衡状态下的粉体，这时要研究它的变形和位移。本文对煤粉壁面摩 擦籍佳的研究主要基于粉体的极限平衡状态。粉体力学在辩仓设计中的成功应用，可以 认为是粉体力学实用典范。 其它粉末性质研究包括粉体的光、电、磁、热等物理性质，以及粉末颗粒的表面特 性，如吸附、滤湿、活化、催纯等。 粉体材料的贮存和装卸在许多工业及农业上具有十分重要的地位 s j 。用于贮存和装 卸用的料仓一旦发生故障，往往会导致生产中断而造成重大的经济损失，但当前人们对 造成料仓故障的机理认识还耱当获浅，因而世赛各她的料仓事故时有发生。在许多国家， 料仓故障已被认为是造成国民经济损失的主要因素之一。基于这些认识，目前对料仓的 研究在世界各地特别是欧洲非常活跃。 料仓楚化工生产的重要设备嘲，它不仅用作储存工艺耪体物料( 深料、产品、中间 产品等) 和辅助物料( 如催化剂等) ，而且用作均化物料性能、平衡工艺物料以及事故 情况下的物料紧急存放等。早在3 0 年代，人们就已经重视料仓的设计问题，在7 0 8 0 年代取得了许多具有实用价值鲍研究成渠。尽管这燕成采还不能解决籽仓设计的一些特 殊问题( 如偏心流动等) 却形成了料仓设计基础。据此设计的料仓，应能满足一般工艺 操作需要。然而投入使用的料仓至今仍屡见流动困难问题，其原因主要有两个：一是设 计者重视不够，将匿俸辩仓与常压液体贮罐同等对待；二是缺乏必要的设计参考资料。 根据詹尼克松散物料的重力流动理论，松散物料的流动性参数如有效内摩擦角、流 动函数、粘聚力、运动壁面摩擦角等是料仓设计时的基本参数，因此，测定粉体流动的 应力特性，确定粉体流动的各个参数，是实现料仓设计的基础，对工业生产具蠢重要的 意义。 3 东南大学硬士学位论文 1 2 煤粉流动性的评价方法 流动性是粉体力学性能中最主要的性能之一，在各种粉体操作( 成型、贮存和输送) 中有着重要的实际意义。但是，墨前对粉体的流动性还没有一个统一的定义。由于粉体 的操作目的不同，其评价方法也各异，也就是说，不同的评价方法适用的范围不尽相同。 关于粉体流动性戆评价方法，主要有以下几种嘲： 1 在重力作用的情况下，测定粉体从规定的容器底中流出的速度，或者测定粉体能够 流出的最小孔径来评价粉体的流动性【“4 2 】。这两种方法都有专用的仪器，前者还有专用 的标准，如基本j i s z 2 5 0 2 规定了测定金属粉流动性的试验规则。用这种方法测定的粉 体从容器中排出时的流动性应用比较广泛，特别适用于粒径较大或流动性较好的粉粒 体。而对于流动性差。不能从规定的容器中自由流出的粉体，则添加直径为1 0 0 n 的玻 璃徽珠，以能童由流出时添热的玻璃微珠的质量吾分比进行评价。 2 由于粉体在只受重力的作用下从静止容器底部的孔1 2 流出的最小口径为1 2 r a m ， 于是又有将筛网当作孔口的集合，研究筛网孔径与通过筛网质最流量的关系，测定粉体 在重力作用下通过筛随时的流出速度队翻，用簿网流动性指数( 又n q 做筛网全通指数) y 来评价粉体流动性的方法： ，= w d 2 ，印2 7 ( 1 ，1 ) 其中，w 为单位筛网面积的质量流出速度，d 为粉体的粒径，p 为粉体颗粒的密度， d 为缔网的孔径。这种方法在测定铸造用型砂的流动性时有所应用。 3 测定搅拌粉体时的转矩或贯通一定厚度的粉体层所需要的落差来评价耪体的流动 性。 4 利用粉体的填充特性，测出粉体在冲击填充时的压缩度及压缩度的变化过程来定性 地描述粉倭的流动性【l l 拈】。图1 - 1 是在容积为1 0 0 c m 3 的容器中壤充粉体，莅萁从l s m m 高的地方落下，反复进行冲击试验的结果。横轴表示冲击次数n ，纵轴表示下式所定义 的压缩度e ： q = 一p 乡。一p 0 ) ( 1 2 ) 其中，p 。是冲击前粉体的堆积密度，p 。是冲击n 次后的堆积密度，p 。是冲击试验最 终状态的堆积密度( 理论上是冲击无穷多次，实际上用冲击足够多次数后的堆积密度弹 墨二兰堕兰 可) 。试验结果表明，压缩强度小的粉体的流动性较好，进行冲击填充试验前，流动性 好的粉体的堆积密度较大，随着冲击填充的进行，其堆积密度增加较慢，填充曲线的斜 度较小，丽流动性较差的粉体的堆积密度较小，稍加 申击蕨，其堆积密度迅速增大，因 此在冲击初期填充曲线的斜度较大。 i v d 裂 爱 簧 避 冲击次数一( 一 图1 1 粉体的冲击填充特性 5 同时测定粉体的休止角、抹刀角、压缩度、凝聚度等从不同例面表示粉体流动性 的力学参数，然后按规定折算成c a r r 流动性指数1 1 。刁来评价粉体的流动性。虽然其评 价的基准是由经验确定的，但是由于研制了粉体特性综合测定仪，可以很方便地从多个 铡面对粉体的流动性进行综舍的评价，筒且c a r r 流动性指数与筛网流动性指数、压缩 度等都商一定的相关性，因此这晕孛方法应用比较广泛。关于c a n 流动性指数的介绍在 下面章节介绍。 6 测定粉体的屈服轨迹，利用直剪切仪在不同压力下的抗剪强度，可以得出粉体的 屈服轨迹，从中得出楣关参数来评价粉体的流动性【”。这种方法不仅试验结果的重现性 好，而且其评价指标具有明确的物理意义，是目前测量粉体流动性应用最多的方法。 1 3 辩仓内煤粉的流动型式 粉体是大量固体小颗粒的集合体，这些固体小颗粒通过力的作用和颗粒本身的性质 聚集在一起。虽然粉体是由固体颗粒组成，其性矮每固体有相似的她方，也有所不同。 与固体相比，它能够承受一定的压力，但又具有一定的流动特性，在一定的条件下，可 以象液体一样流动。但又于液体有所区别，液体不能保持固定的形状，受到小的作用力 就会产生流动，流动馕非常好，丽粉体在一定的藏围内可班保持其原有的形状不交，并 对挡护面产生压力，抗剪切力的能力取决于所受的压力，不太能抵抗拉力，流动性较液 5 篓塞查兰堡圭兰垒婆塞 体要差。 煤粉在静止状态下的特性参数如堆积角或休止角，可用于确定料堆的形状，而煤粉 在科仓内的流动规律，则只能用煤粉( 粉体) 的流动特性参数如：内摩擦兔、有效内摩 擦角和璧摩擦角等予以描述。 煤粉在料仓内的流动过程，实质上是煤粉在重力( 或压差) 作用下不断克服煤粉与 煤耪或煤粉与壁蘧之间的剪切应力丽产生相对位移的过程。屈服轨迹是粉仓内煤粉流动 的最基本特性。 粉体物料在料仓中的基本流型有两种：整体流和中心流“6 蚓。在整体流料仓中，卸 料时掰有物掌季均向卸料口流动，不存在流动“死区”，料位均匀下降，卸料流动稳定均 匀。在中心流料仓中。卸料时只有中心部位的物料向卸料口流动，在该“流动区”以外 则为流动“死区”，由于“鼠洞”和粘性拱的形成与崩塌，使卸料流动很不稳定，甚至 会出现喷泻的情况，降低生产效率，严重的情况甚至会发生事故。 对于粒径分布范围比较太的粉体，在进料过程中，粉体物料在料仓内会产生粒度离 析。较粗的粉体颗粒会向料仓周边积累，而较细的粉体颗粒则集中在料仓中心部位。在 中心流的情况下，中心部位的较细的粉体颗粒蓄先被卸出料仓，使物料的离析延续至4 下 道工序；而在整体流情况下，卸料时同一料深的粉体颗粒在向卸料口流动的过程中会产 生一种掺混效果，使物料离析得以消除。在中心流料仓中，料位表面的形状很不规则， 这给料使的测量带来了困难。在中心流辩仓中存在流动“死区”，两死区部分的物料只 有当料仓接近卸空时才能被卸出，这不仅使卸料顺序为“先进后出”，而且使料仓中物 料的储存时间变得很不一致。中心流料仓的这些缺点，在整体流情况下均能有效克服。 因此，整体流是料仓设计对的首选流型。但是，整体流料仓的初建费用较高，对于不荔 变质的粉体物料，可以适当选用中心流型。 1 4 国内外研究进展 1 4 1 国外研究状况 从上个世纪五十年代起，在国外，由于生产的发展，对辩仓内粉状物辩的流动性能 的要求越来越高。美国很多单位发起并资助“松散物料重力流动”的研究课题，j e n i k e 负责这一课题并取得了很大的进展，他们成功地制定出了粉体流动性能科学自自试验方 法；在塑性力学的基础上，建立了松散物辩的重力流动理论。用流动函数( f f ) 、有效 6 第一章绪论 内摩擦角( 占) 、壁摩擦角( 妒) 和静止内摩擦角( ) 等一组可以测得的性能参数描 述散状固体物料的流动能力，还建立了一整套工程实用的料仓设计方法和图表 - 1 9 】。这 一料仓设计方法，经过在冶金、化工、煤炭等行业中的应用，证明是成功的鳓。粉粒体 的流动性能在工程中的应用范围十分广泛。多年来，其他学者也一直在进行相关的研究 工作，不断探讨与粉体流动特性相关的课题，研究料仓的设计方法及料仓内架拱、不均 匀排出、鼠渝现象等备种相关问题的解决办法。饲如，力了防止料仓内出现鼠洞等现象， 许多工厂利用充气设备如鼓风机在仓中形成的鼠洞附近冲入气体，来破坏粉体的粘性结 构，使排料顺畅。虽然可以利用一些没备使粉体在仓中正常流动，但这些方法都是从实 践中褥到的经验，没有相应豹理论分析。美国佛罗里运大学粉体科学技术工程研究中心 的k e r r yj o h a n s s o n 在理论上对鼠洞的稳定性进行了分析，并详细地分析了鼠洞的稳定 性与充气量的关系，提出了用于充气设备的初步理论，认为充气装置靠近鼠洞的自由表 面时，对于可i ；是增大径向气压降的兖气装置可以爨止粉仓内出现鼠洞口】。db a r l e t t a 僻j 对料仓中细粉物料的排出进行了研究；kdj o h a n s o n t 2 3 】向粉体进行逆向充气时对粉体的 无侧界屈服压力的影响进行了分析；jk l e i n t “l 研究了空气渗透对粉体流动特性的影响。 j a i n a m i t z s ) 对来自b i l a s p u r 的煤进行试验发现，含水率在菜一范围之内，随蓿含水率的 增加，煤粉的流动函数不断减小，流动能力变差。当超过这一范围时，流动函数又有所 增加。 壁嚣与颗粒之间的摩擦作用力很复杂，主要是因为壁摩擦力的影响因素缀多。广泛 地划分可以分为壁面材料特性、粉体颗粒特性以及贮存或处理条件等。p r e s c o t t ，p l o o f , 和c a r s o n 分析了这些影响因素对壁摩擦作用力的影响 2 6 3 。h a a k e r 在实验室内利用j e n i k e 剪切测试仪对壁面摩擦进行测量田l ，实验过程中使用相同的壁面材料，露一种粉体，在 1 3 个实验室中测量的壁面摩擦力有显著的变化。t - i q b 扎j i j f i t z p a t r i c k 曾就三种粉体在 料仓内的堆积特性对壁摩擦的影响进行了研究f 2 8 】。结果表明粉体在料仓内的贮存时间、 相对湿度和贮存温度对壁面摩擦力和粉体的运动壁摩擦角都有报大影响。 1 。4 2 胃内研究现状 国内对粉体流动性的研究超步较晚。曾有人对c a c 0 3 进行了研究，不同维分的物 料粒径相同t 2 9 ，而粉碎的原理不同，由实验得出的破坏包络线如图所示： 末鹰大学硕士学位论文 譬 茕 捌 矗 器l 厦力c k h ， 图1 2 五种粉体试样的屈服轨迹 从睡1 2 可以看出，以冲击为主的粉碎枫生产的粉体的流动性较好，蔼以研磨为主 的粉碎机生产的粉体的流动性最差，这是从制造粉体的方法上米比较粉体的流动性。 中南工业大学资源开发工程系的吴爱祥等人研究了矿岩中含水率对矿岩散体流动 性的影响口o 】，从理论上分析了水分对内摩擦力、外痒擦力和秸聚力的影响。 武汉煤矿设计研究院的盛家铎等对散煤进行了剪切试验【5 】。他们利用长江流域规划 办公室科学院为砾石士剪切试验而设计的直剪仪，对姚桥和吕家坨两个矿井的煤进行试 验。试验所用的煤粉属子块状煤，粒径较大，对试样的内摩擦力萃日糙聚力进行了研究， 且对料仓的设计提出了改进方法。 对粉体流动性能的试验研究，大部分只对有效内摩擦角和粘聚力进行了期4 量，而对 壁摩擦角的测量较少。中国硅酸盐学会的晋占平利用壹剪纹测试了白云石、石灰石在混 凝土板、以钢板、p v c 塑料和铸石上的壁摩擦角【3 1 】，并对砂子、纯碱和芒硝三种玻璃 原料进行了壁摩擦角的测量3 2 1 ，搽讨了这三种玻璃，啜料料仓具存整体流动性能掰适宜的 仓壁或衬里材料。 9 0 年代，东南大学蔡体菁等人对煤粉的壁摩擦角和有效内摩擦角等进行了测试 3 3 】， 提出了解决大型锅炉燃烧不稳定和煤粉自流的办法，虹增大煤粉仓出口面积、姻装改流 体、给粉机改型等。但试验是根据莱一电厂所用煤粉进行的，煤粉种类较少，且没有考 虑水分和粒径对运动壁摩擦角的影响。 在很长一段时期肉，煤都将是我国晦重要髓源。我国煤炭储量大，且煤种众多，煤 质差别很大。煤的应用领域十分广泛，在众多的工业过程中，使用的都是粉状煤，在媒 的储存、运输过程都存在较多的问题。煤粉的流动能行的好坏和设备设计的合理性直接 关系到生产过程盼安全性、稳定性以及生产效率。 第一章绪论 1 5 本文的研究内容和方法 粉体岛人类的生产、生活有密切的联系，丽粉体流动性的好坏壹接影响到生产的运 行。我国的煤炭资源丰富，是今后一段时间主要的能源资源。在煤粉的贮存和输送过程 中，都涉及到煤粉的流动性。影响粉体流动性的因素很多，如粒径大小、粒径分布、颗 粒形状、颗粒密度、含水率、仓壁材料及其特性等。 粉体流动性的测量方法很多，有三轴压缩试验法、c a r r 指数法、j e n i k e 剪切仪测试 法。每种方法都有各自的优缺点。三轴压缩试验对粘性较大的粉体比较适用，c a r t 指数 法则一般仅对粉体物料的流动性进行比较，j e n i k e 剪切流动测试方法是测量具有粘性的 煤粉流动性最适宜的方法，且流动性参数可以通过计算得到，是目前应用范围最广的试 验方法。本文主要的研究方法就是采用测试粉体流动常用的j e n i k e 剪切流动测试仪，对 煤粉试样在不同壁面材料上流动时的运动壁摩擦角进行测量，从而找到实现料仓合理流 动所适宜的壁面材料，期望能解决物料在料仓内流动时存在的问题。 利用j e n i k e 剪切流动测试仪，对国内几种气化煤种( 兖州煤、大同煤、混合煤和神 府煤) 进行流动性试验，研究不同水分和煤粉粒径变化对流动性盼影响，然厝在该试验 的基础上，对四种煤粉试样进行壁摩擦试验，计算得到煤粉的运动壁摩擦角，研究煤粉 的运动壁摩擦角的影响因素。主要研究了不同的煤粉含水率对壁摩擦角的影响，壁面材 料对壁摩擦角的影响以及煤粉粒径对壁摩擦角的影响。 本文是在国家重点基础研究发展计划“大规模高效气流床煤气化技术的蒸础研究” 项目的资助下，以气流床粉煤气化工艺为背景，利用j e n i k e 剪切测试仪，以国内几种气 化煤粉为研究对象，研究不同粒径、粒径分布、禽水量、煤粉表面特性和壁面材辩特性 对煤粉的运动壁摩擦角的影响，为工业生产中料仓的设计以及对现有料仓进行评价提供 指导作用。 9 采南大学硕士学位论文 2 1 引害 第二章粉体物性及应力特性分析 粉体的物性和粉体的作用力是影响粉体流动特性的重要因素。粉体的物性包括粉体 的堆积物性、可压缩性、安息是、摩擦性以及流动性等等；粉体的作用力与粉体的流动 性有很大关系【3 4 】，颗粒间的作用力包括范德华力、毛细力等等。库仑定律是研究、处理 粉体的主瑟规律。 了解耪体的物性及粉体的作用力，对正确认识粉体的流动性有重要作焉，有利于解 决粉体流动过程中出现的问题。下面对粉体的物性及作用力进行介绍。 2 2 耪榷的物性 2 2 1 粉体的堆积物性 粉体豹堆积裼性龟括粉体的堆积密度、粉体堆积的空隙搴以及粉体的配位数嘲。 2 2 1 1 粉体的堆积密度 粉体的堆积密度岛：定义为耪体的质量m 除以粉体的堆积体积 膨 p 口2 万 粉体豹堆积密度不仅取决于颗粒的形状、 堆积方式。 ( 2 1 ) 颓粒的尺寸与尺寸分布，还取决于粉体的 2 2 1 2 粉体堆积的空隙率 粉体堆积的空隙率：定义为颗粒问的空隙体积圪除以粉体的雄积体积珞 ：生：1 一堕( 2 2 ) p ， 与堆积密度相同，壤积空隙率取决于颗粒的形状、颗粒的尺寸与尺寸分布及粉体的 堆积方式。与堆积密度相对应，常用的堆积空隙率有松动堆积空隙率。和紧密堆积空 隙率。，它们分别为： l o 第二章粒俸物性爱应力特性分析 引一鲁 ( 2 3 ) _ l 一鲁 ( 2 4 ) 颗粒尺寸及形状对松动堆积空隙率有一定的影响，松动空隙率随颗粒尺寸的减小而 增加，不靓则沙子的松动空隙率高于球形颗粒的松动空隙率；尺寸分布较宽颗粒的松动 空隙率小予尺寸分布较窄颗粒的松动空隙率；随颗粒球形度的减小，颗粒的堆积空隙率 有明显的增加趋势。 2 2 1 3 颗粒尺寸 通常，粉体由不同尺寸的颗粒组成，即颗粒的尺寸分布。颗粒的平均尺寸是颗粒的 一个重要特征尺寸，通常用于表征和区别不同颗粒的尺寸特征。常用的颗粒平均尺寸有 三穆，中间尺寸d 。、最大颓率尺寸靼动量矩平均尺寸孑。其孛，中间尺寸氏是颗粒 百分数达到5 0 所对应的颗粒尺寸，可容易地从积累尺寸分布图获得。最大频率尺寸是 频率尺寸分布图中颗粒频率峰值所对应的颗粒尺寸。动量矩平均尺寸覃是在频率尺寸分 布图中平均尺寸对纵坐标的动量矩等于所有颗粒尺寸区闻对纵坐标动量矩之和。 工艺过程中的粉粒体不是一个单粒子，在许多情况下是由不同形状、不同粒度按不 同比例组成的粉粒体群，它的物性是由许多基本物性组合而成，与单一粒子或理想模式 的物性可能会有很大酶差羽，再期上受外界因素，饲如空气中承分、气温交化、存放时 间长短、自身重量的挤压、振动等等影响都会改变其物性，情况比较复杂。前人对此 进行了许多研究，也取得了不少成果，例如粉粒体的流动性是储仓、输送机、给料器设 计中必须考虑的一个重要因素的思想己为许多入掰接受，其计算方法己在不少工程设计 中得到了应用。但这方面的研究尚不完善，许多物性测试技术确立较晚，还有待于实践 的检验：有关粉粒体单元操作的机理尚不十分清楚，在粉粒体处理过程中所产生的现象 是粉体基本物性的综舍表现，因此在设计时还要从多方面进孝亍综合考虑。 2 2 2 粉体的可压缩性 当粉体在松动堆积状态受到鹾缩作用时，粉体的堆积体积将减小，即颗粒闻的空隙 在减少。由于在粉体的操作单元中粉体通常处于轻微可压缩状态，所以粉体的可压缩性 通常用粉孳奉的松动堆积状态和紧密堆积状态来表征，且粉体的可压缩性c 定义为： 衷索大学硕士学位论文 c _ 1 0 0 毕：1 0 0 ( i 一马 ( 2 5 ) 一p 月，r 粉体紧密堆积密度_ 和松动堆积密度之比； 舰：旦坚( 2 6 ) p 口。 称为粉体h a u s n e r 比值h r ，常用于表征粉体豹可压缩性帮流动缝。实验结果表明较粗 颗粒的h r 值较小( 1 2 ) ；细颗粒的h r 值较大( 1 4 ) ；极细颗粒具有较高的h r 值 ( 2 ) 。 2 2 3 粉体的安患角 粉体与流体不同，当粉体从容器流到平面时，流下的粉体堆积在平面上且堆积尺寸 随粉体的流下雨增加，值难积角a 不变。实验表明，对同一粉体，其堆积角、耪体能保 持静止时容器与水平面的最大倾角、转筒内粉体与水平面的夹角相等。这个角是粉体的 基本物性之一，称为粉体的安息角【3 7 】。 安息角是粉体粒度较粗状态下蠢自重运动所形成的角。安息角的测量方法有捧出角 法、注入角法、滑动角法、以及剪切盒法等多种。排出角法是去掉堆积粉体的方箱的某 一侧壁，则残留在箱内的耪体斜面的倾角即为安息角。对于无附着性的粉体丽富，安息 角与内摩擦角虽然在数僮上几乎相等，但实际上却是不同的，内摩擦角是粉体在外力作 用下达到规定的密实状态，在此状态下受强制剪切时所形成的角。 应该指出，用不同方法测得的安息角的数值有明显差异，即使是同一方法也可能得 至i 不同盼数值。这是粉体颗粒的不均匀性以及实验条件隈制所致。 对于球形颗粒，粉体的安息角较小，一般在2 3 4 2 8 。之间，粉体的流动性好。规则 颗粒的安怠角约为3 0 。，不规剜颗粒的安息角约为3 5 + ，极不规则颗粒的安息焦太子4 0 ， 则粉体具有较差的流动性。 对细颗粒，粉体具有较强的可压缩性和团聚性，则安息角与过程有关，即与粉体从 容器流出的速度，容器的提升速度和转篱的旋转速度有关，所以，安患焦不是绸颗粒的 基本物性。 第二章粉体物性及应力转性分析 2 2 4 粉体的摩擦性 粉体流动即颗粒体从运动状态交为静止状态所形成的角是表征粉体力学行为和流 动状况的重娄参数口珂。这种由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为摩擦角。根 据颗粒体运动状态的不同，可以分为内摩擦角、安息角、运动壁摩擦角等等。 2 2 4 。1 类尔应力圆 用：维应力系分析粉体层中某一点的应力状态，如图2 1 所示。在粉体屡中取坐标 轴x , y ，并设有一小赢角三角形包围着这一点，该三角形的厚度为单位长度，两直角边 与斜边上的应力平衡。 x 幽2 1 翼尔厦力粉体示意图 图2 1 表示该壹角三角形的受力状态，垂直应力气，巧，的注脚善，y 表示力的方向为x 轴向、，轴向，剪应力，f 。注脚的前一个字母裘示受力面的法向，后一个字母表示剪 应力方向。o x ，仃，分别垂直于受力猫，朝三角形内侧的取正值。 设斜边长度为，压应力叮和x 轴的夹角为0 ，力的平衡如下 x 方向： 仃，c o s 9 + f 性s m 0 = g c o s o + z s i n o ( 2 7 ) y 方向：qs i n o + z pc o s o = g s i n o - z c o s o ( 2 8 ) 由上两式整理得到d 和f ： 仃= 仃，c o s 。0 + qs i n 8 + ( f f + ) s i n o c o s o ( 2 9 ) = 吾p 。+ q ) + 吾p ；一q ) c 。s 2 0 + 吾( + ) s 缸 f = 导( 仃，一仃，) s i n 2 日+ 寻( f ，f ，) 一丢0 0 + f 。) c o s 2 0 ( 2 1 0 ) 其次，对圈2 1 所示的角取力矩，整理后可得下盏： 东南大学硕士学位论文 盯= qs i n 2 0 + a ；c o s 2 0 + 打w s i n o c o s = 兰p ；+ 仃，) + 三1 ( - - 0 o , ) c 0 $ 2 0 + 岛s 缸加 ( 2 1 1 ) 根据式( 2 9 ) 和式( 2 1 1 ) 相等，则下面的关系式成立： 因此，式( 2 9 ) ，式( 2 。1 0 ) 可葛成如下形式： 盯= i 1 瓴+ 啪+ 三帆一啪c o s 2 0 + 岛s j n 2 口 f = j 1 帆- o y ) s i n 2 0 一勺c o s 2 0 将上两式分别平方后相加，经整理得： ( 盯一! ! 2 + z 2 = ( ! 生i 马2 + f 刍 (