（环境工程专业论文）火电厂灰渣输送技术经济适用性优化研究.pdf

华北i u 力大学硕士学位论文 摘要 我国粉煤灰综合利用技术与发达国家仍然存在较大差距，且近几年综合利用率增势 变缓，发展已进入瓶颈阶段。基于这一事实，火电厂应该从除灰、输灰、储灰这一现有 的粉煤灰链式模式中找出降低除灰成本的突破口，为电力企业进行科学研究提供资金保 证，以更好地促进粉煤灰综合利用工作的发展。 我国对降低除灰成本方面的研究已取得卓越的成绩，进一步发展的空间不大。针对 灰渣输送系统的成本研究较少，火电厂选择输灰技术时较盲目，缺乏整体性分析考虑， 所以针对输灰系统经济适用性的研究对降低除灰成本具有重要意义。 针对上述情况，本文首先分析了粉煤灰的理化性质，进而分析了粉煤灰的水力输送特性、 气力输送特性和应用特性，然后对火电厂现有的水力、气力、机械三大类灰渣输送技术 进行了分析，详细研究了其经济适用性，在此基础上建立了三类输灰技术的综合可比性 经济指标和相关的计算模型，并开发了输灰技术经济指标计算软件，为火电厂输灰技术 的选择和优化研究提供依据。最后针对火电厂实际应用情况( 狄渣输送量、输送距离、 综合利用率等参数) ，以自行研发的计算软件为辅助工具，进行了火电厂灰渣输送技术 选择和优化研究。 关键词：输灰技术；经济适用性；优化 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ei sal a r g ed i s t a n c eb e t w e e nc h i n aa n dd e v e l o p e dc o u n t r i e so na s hm u l t i p u r p o s e u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h eg r o w t hr a t eo fa s hm u l t i p u r p o s eu t i l i z a t i o nh a sb e e ns l o w e di n t o ab o t t l e n e c kp e r i o d b e c a u s eo ft h ep h y s i c a lt r u t h ，as a l l yp o r ts h o u l db ef o u n df o r mt h e c h a i n e dm o d eo fa s hd i s p o s ef o rp o w e rp l a n t s ，w h i c hp r o v i d e sc a p i t a lq u a r a n t e ef o rs c i e n c e r e s e a r c ht op r o m o t et h ed e v e l o po fa s hm u l t i p u r p o s eu t i l i z a t i o n d i s t i n g u i s h e da c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c q u i r e do na s hr e m o v i n gi nc h i n a ；i ti sd i f f i c u l tt o d e v e l o pf u r t h e r t h e r ei sl i t t l er e s e a r c ho nt h ec o s to f a s ht r a n s p o r ts y s t e m ；i ti sd i f f i c u l tf o r p o w e rp l a n t st oc h o o s ea s ht r a n s p o r tt e c h n o l o g y , t ot h i n ko v e ro nt h ew h o l es y s t e mi sl a c kf o r p o w e rp l a n t s ，s oi t i si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fa s h t r a n s p o r ts y s t e m o na c c o u n to ft h ef o u n d a t i o nm e n t i o n e db e l o w , p h y s i c a la n dc h e m i c a ln a t u r eo ff l ya s hi s s t u d i e d f i r s t l y , t h e nh y d r o d y n a m i ct r a n s p o r tn a t u r e 、p n e u m a t i ct r a n s p o r t n a t u r ea n d m u l t i p u r p o s eu t i l i z a t i o nn a t u r eo fa s hi ss t u d i e d ，a f t e rt h a t ，t h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h r e e a s ht r a n s p o r tt e c h n o l o g i e si sr e s e a r c h e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o nm o d e l so ft h r e ea s ht r a n s p o r t s y s t e m sa r eb u i l t t h eb a s i cc a l c u l a t i o ns o f t w a r eo ft h ea s ht r a n s p o r ts y s t e mc o s ti sd e v e l o p e d t op r o v i d er e f e r e n c eo na s ht r a n s p o r ts y s t e mc h o o s i n g a tl a s t ，i na l l u s i o nt op h y s i c a lt r u t ho f s o m ep o w e rp l a n t s ，o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hi st a k e nb yu s i n gt h ed e v e l o p e dc a l c u l a t i o n s o f t w a r e k e y w o r d s ：a s ht r a n s p o r tt e c h n o l o g y ；e c o n o m i c a le f f i c i e n c y ；o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 众所周知，我国是人口大国，必然成为自然资源与能源消费大国。电力能源作为二 次能源，其生产供给状况直接关系着我国国民经济发展态势。资料显示，近几年来我国 火电装机容量在总装机容量中所占比例随有所下降，但始终保持在7 0 以上，这说明火 电厂仍提我国的电力行业的主力军，且这一形势在未来几十年内不会发生大的变化。 表1 1 我国近几年电力行业的总装机容量与火电装机容量情况 总装机容量火电装机容量 火电装机容量所占比例 年份 ( 万千瓦)( 万千瓦) ( ) 2 0 0 55 1 7 1 93 9 1 3 87 5 6 7 2 0 0 66 2 2 0 04 8 4 0 57 7 8 2 2 0 0 77 1 3 2 95 5 4 4 27 7 7 3 2 0 0 8 7 9 2 7 36 0 2 8 57 6 2 0 0 9 8 7 4 0 76 5 2 0 57 4 6 截i 卜至2 0 1 0 4 9 5 0 0 07 0 0 0 07 3 6 8 火电厂以煤炭为能量来源，这就意味着以火电为主要能源结构的中国每年要消耗数 量惊人的煤炭，：2 0 0 7 年，全国总耗煤量为1 3 亿余吨，2 0 0 8 年总耗煤量达2 8 5 亿吨， 而到2 0 1 0 年，仅前4 个月的耗煤量就超过了1 7 亿吨。研究资料表明，平均每燃烧一吨 煤炭将产生2 5 0 3 0 0 克的粉煤狄和2 0 3 0 克的炉渣i ，这就意味着，巨大的燃煤量将带 来的不可忽视的灰渣处理和处置难题。 我国环境保护“十一五”规划【2 】以减量化、资源化、无害化为原则，把防治固体废物 污染作为建设资源节约型、环境友好型社会的重点领域。要求各企业建立生产者责任延 伸制度，完善再生资源的回收利用体系。对电力行业而言，一方面是趋于严格的环保政 策，另一方面燃煤电厂固体废物的排放情况却不容乐观：2 0 0 8 年，全国粉煤狄排放量达 3 9 5 0 6 万吨【3 j ，比2 0 0 5 年的排放总量( 2 3 3 7 7 万吨【3 】) 增加了一半以上；脱硫灰渣方面， 仅前几年得到迅速推广的循环流化床锅炉一种装置而言，就达到年产数百万吨甚至上亿 吨的排放量。由此可见，燃煤电厂狄渣的收集、运输和综合利用仍存在很大的压力。 在国家的环保政策压力及科技发展水平的推动作用下，电厂的节能效率不断提高， 但即使在这一大背景下，到2 0 2 0 年，我国电厂粉煤灰的年排放量也将是现在的3 倍左 右。目前我国已有储狄场面积6 1 力余亩，粉煤狄堆存量达2 0 亿余吨，1 0 年后这一数字 将攀升至3 0 亿吨以上【4 j 。如此大量的粉煤灰堆存量，将在我国这样一个土地资源相对稀 少的国家占用大量的土地，给我国的土地利用带来巨大威胁，所以全面实现粉煤灰的综 合利用已刻不容缓。 党的十六届四中全会通过的决定，第一次鲜明地阐述了“构建社会主义和谐社会” 华北电力大学硕士学位论文 这个科学命题，自此国家对环境问题和节能减排工作的重视程度上升到新的高度。从火 电厂的角度来说，粉煤灰的综合利用，不仅可以增加就业机会，还能大大降低除灰成本。 在近年来国家相关政策的引导下，火电厂所排出的粉煤灰的用途日益广泛，其综合利用 领域的各项工作均取得了较好成绩，2 0 0 8 年，粉煤灰的综合利用率已达到当年排放量的 6 7 ，成就斐然。 虽然大趋势成果喜人，但我们应该清醒看到我国粉煤灰利用中仍存在很多问题【5 j ： 粉煤灰综合利用产品不多，种类单调，利用层次不高，与发达国家仍然存在较大差距， 且近几年粉煤灰的综合利用率增势变缓，发展已进入瓶颈阶段。基于这一事实，火电厂 更应该从除灰、输灰、储灰这一现有的粉煤灰链式模式中找出降低除灰成本的突破口， 为电力企业进行科学研究提供资金保证，以更好地促进粉煤灰综合利用工作的发展。 我国对降低除灰成本方面的研究多集中在除尘器的技术改进上，近些年在烟气除尘 效率及粗细灰分排处理处置等方面已取得卓越的成绩，进一步发展的空间不大。而针对 灰渣输送系统的成本研究分析较少，火电厂选择输灰设备时较盲目，多属于跟风式选购， 缺乏整体性分析考虑，所以针对整个输灰系统经济适用性的分析研究对火电厂降低除灰 成本具有重要意义。 1 2 国内外灰渣输送技术发展概况 所谓火电厂输灰系统，主要是指将锅炉底渣和除尘器收集下来的粉煤灰运输至狄库 以及灰场的一系列管道和设备的总和。狄渣输送系统按参与输送过程的介质的不同而主 要分为水力、气力和机械三大类。 1 2 1 水力输灰技术发展现状 管道水力输送技术始于1 9 世纪的中叶，至今已有1 5 0 多年历史，它是一种用水力 为介质来输送大宗颗粒状物料的运输方式，与其他输送方式相比，具有以下几个特点： 第一，该输送技术对灰渣性质的适应性较强； 第二，运输成本和维护费用低； 第三，作业率高、安全可靠，可不停顿地进行输送； 第四，输送距离远。 但同时，我们应当看到它存在的以下几方面问题： 第一，粉煤狄被水浸湿后活性下降，不利于灰渣的综合利用； 第二，粉煤灰中氧化钙含量较高时易在浸水情况下使狄管内结垢【6 】，增大输送阻力， 严重时造成堵管； 第三，灰水混合物一般呈碱性，易对周边水系或灰场地下水造成污染。 水力输狄方式的发展经历了由稀浆输狄系统到浓浆输狄系统的变化，二者的区别在 于灰水比的不同：稀浆输狄系统狄水比一般为1 ：15 l ：2 0 ，浓浆输狄系统狄水比一般 为1 ：3 左右。工程应用方面，输灰系统主要分为灰渣混除系统和狄渣分除系统，出于 华北电力大学硕士学位论文 后者节能节水，更有利于粉煤灰浓浆的综合利用，现在在实际中更多地被采用。众所周 知，与气力输灰技术相比，水力输灰技术的最大弊端在于浪费了大量的水资源，近年来 火电厂普遍采用厂区废水进行水力输灰，既节约了大量水资源，又可利用粉煤灰对废水 进行一定程度的净化，实现以废制废。针对电厂水力除灰系统的冲渣水温过高，冲灰水 温过低造成的工业水浪费和管道结垢严重等问题进行改造的成功，也使电厂收到了良好 的经济效益和安全效益。在水力输灰系统的优化方面，伴随着计算机前沿科学一人工神 经网络技术的引进，满足误差要求的灰水系统结垢预测模型也已成功建立。解海卫等【7 】 对影响输灰管道阻力的5 个主要因素( 流量，流速，管径，浆体浓度，浆体重度) 进行 比较并进行多因素敏感性分析，使得浓浆输灰系统的优化变得更加可行。 以往水力输灰系统一般采用灰渣泵，或根据不同的输送条件和要求，选用罐式输灰 器、喷嘴输灰器等设备。但随着火电厂机组容量的不断增大，排灰量也日益增多，再加 上水资源短缺，灰场离电厂距离越来越远等等情况，以往常用的单级灰渣泵已不能满足 高浓度、远距离的现代化输灰要求。为此，我国先后通过引进或自主研发等手段制各了 一批高性能设备，如：油隔离泥浆泵、水隔离泵、沃曼泵、柱塞泵等。 1 2 2 气力输灰技术发展现状 气力输灰技术基本不改变粉煤灰的理化性质，相比水力输灰技术来说，更有利于粉 煤灰的综合利用，所以近二十年来在国内得到了迅速发展。气力输狄方式与水力输狄及 其他输狄方式相比，具有以下优点： 第一，节省了大量的冲灰水； 第二，因为不与水接触，灰的固有活性及其他的物化性质不受影响，更有利于狄的 综合利用； 第三，比水力输灰系统相比，输送物质量较少，节约了灰场占地面积； 第四，避免了灰场对地下水的污染； 第五，不存在灰管的结垢及腐蚀方面的问题； 第六，系统自动化程度高，所需运行人员较少： 第七，设备简单，占地面积小，便于布置： 第八，输送线路选取方便，布置灵活； 第九，便于较长距离的集中、定点输送。 但是，气力输狄方式普遍存在以下不足： 第一，与机械输狄输狄方式相比，动力消耗较大，管道磨损严重； 第二，输送距离与出力受到一定限制； 第三，对于正压气力输灰技术，若运行中维护不当，易对周围工作环境造成粉尘污 染； 第四，对运行检修人员的技术素质要求较高； 第五，对输送粉煤灰的粒度和湿度有一定限制，不宜输送粗大和潮湿的灰。 华北电力大学硕士学位论文 气力输灰技术种类繁多，其分类方式也有很多种： 最常见的分类方式是依据输送压力的不同将气力输灰技术分为正压系统和负压系 统两大类型。其中正压气力输灰技术包括常见的大仓泵正压输送技术、气锁阀正压气力 输灰技术、小仓泵正压气力输灰技术，及新近出现的双套管紊流正压气力输灰技术和脉 冲气刀式栓塞流正压气力输灰技术。需要注意的是，虽然“空气斜槽一气力提升泵系统” 的气源压力也是正压，但其输送设备、系统结构及布置等均与上述正压输灰技术不尽相 同，它是一种不同于上述系统的特殊的气力输送方式。 依据输送压力种类的不同，可将气力输灰技术分为动压输送和静压输送两大类。其 中动压输送指气流使物料在输送管内保持悬浮状态，颗粒依靠气流动压向前运动：静压 输送指粉料在输送管内保持高密度聚集状态，并在前后气流静压差的推动下向前运动。 动压输送的典型代表是大仓泵正压气力输送技术，脉冲气刀式栓塞流正压气力输灰技术 则属于静压输送。 根据粉体在管道中的流动状态，气力输灰技术又可分为悬浮流输送、集团流输送、 部分流输送和栓塞流输送等。例如，大仓泵正压气力输灰技术属于悬浮流输送，小仓泵 正压气力输灰技术和双套管紊流正压气力输灰技术介于集团流输送和部分流输送之间， 脉冲气刀式气力输送技术属于栓塞流输送，等等。 林朝扶，凌浩翔【8 】分析了火电厂目前应用的气力输灰技术的特点和运行方式，研究 发现：气力输灰系统的选择应首先考虑其可靠性，包括系统输送原理、设计、设备质量、 阀门及吹堵装置的可靠性；而压缩空气用量是系统最重要的经济指标。孙芸生，钱为群 等【9 】也对比了常见的气力输灰系统，并得出结论：在输送距离和电除灰器狄斗下方空i b j 许可的情况下，用正压气力除狄集中并输送系统较为理想，投资也低；在既要厂内输送， 又要厂外输送的较长距离除灰系统中，选用机械集中、正压气力输送系统方案优于其他 方案。总之在选择气力输灰系统时，应根据工程具体条件，综合性地通过技术经济比较 后选择最合适的输送系统和相应的设备。 针对气力除灰系统运行参数的优化研究方面， b e h e r as n e h a s i s 等 1o 】借助f l u e n t 软 件模拟并计算了多组气力输灰过程的压降情况，研究发现浓相气力输灰能在同样的能耗 情况下达到更长的运输距离_ 引。a q a r w a l v k 等在同一管道内进行了6 0 组输狄试验， 对所获数据进行分析后得出结论：采用低速空气输送粉煤灰能降低系统压降【l3 1 ，然后他 们研究了煤质变化对气力输狄过程的影响【i4 i ，测定不同煤质条件下输狄管道的压降数据， 并设计出一种能同时输送不同品质粉煤狄的输灰系统【i5 1 。d a s p k 和m e l o y j r 1 6 贝0 研究 了管道弯头对气力输狄系统的影响。 我国投入使用的气力输狄系统在运行中普遍出现的问题包括：管道堵塞、前后电场 出力无备用和阀门频繁损坏等【i7 - 2 0 , 这些都会影响到气力输灰系统的安全性和经济性。 原永涛和蔡丽红【2 i 】分析了造成气力输灰管道磨损和堵塞的原因和处理方法，并介绍了几 类能有效降低磨损及堵塞的输狄管道。s t a n o j e v i c m 和r a d i c d 等【22 j 研究了热电厂操作 条件变化对热电厂粉煤狄气力输送系统的影响，赵军等1 2 3 j 也研究了气力输狄系统的运行 4 华北i 乜，j 人字坝j 二学位论又 控制。 1 2 3 机械输灰技术发展现状 机械输送系统一般由卸灰阀、刮板输送机、斗式提升机、储灰罐及各类运输工具等 组成，在燃煤电厂发展早期被广泛应用。该系统原理简单、运行方便灵活，适应性强， 运用广泛，但相比气力输送和水力输送系统设备费用较高。 1 3 输灰技术优化选择软件开发的可行性 国内外现行的灰渣输送技术主要分为水力、气力和机械三大类，火电厂一般选用其 中的两种或三种来构成灰渣输送系统，但是至今仍缺乏行之有效的输送技术选择和优化 方法。此外，针对火电厂灰渣输送技术的经济适用性的分析研究较少，多停留在定性分 析层面，未见对技术选则具有参考价值的定量分析。由于各种输灰技术的应用成本都可 从理论计算能耗等角度核算出一综合可比性经济指标，所以在软件平面上确定其计算模 型并进行比较是可行的。 1 4 本课题的主要研究工作 ( 1 ) 广泛阅读资料，深入了解国内各种灰渣输送技术的特点和应用现状； ( 2 ) 分析各种灰渣输送技术的经济适用性，并在此基础上确定各种灰渣输送技术的综合可 比性经济指标； ( 3 ) 研发火电厂灰渣输送技术选择优化软件，针对火电厂实例进行输狄技术选择优化研 究。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章粉煤灰的输送特性和应用特性分析 2 1 粉煤灰的理化性质 粉煤灰的物理和化学性质直接影响到输灰方式的选择和其综合利用，因此粉煤灰的 理化性质研究对输灰技术的优化选择意义重大。 2 1 1 粉煤灰的物理性质 粉煤灰的物理性质主要指粉煤灰的颗粒形状、粒度分布、密度、孔隙率、密实度、 黏附性、磨蚀性等物理指标。 2 1 1 1 粉煤灰的形态特征： 粉煤灰中大部分颗粒是无定形玻璃体和含量不等的碳，结晶相以莫来石和石英为 主，此外还有少量的磁铁矿、方解石、长石、金红石、赤铁矿等。 我国粉煤灰颗粒的一般矿物组分情况见表2 1 。 表2 1 我国粉煤灰矿物组分的大致分布 矿物名称 碳莫来石 石英一般玻璃体磁性玻璃体 分布值( ) 1 2 2 3 61 1 3 3 0 63 1 1 5 94 2 2 7 2 80 2 1 0 平均值( ) 8 22 0 76 45 9 74 5 注：一股玻瑙体包括多孔玻璃体和衢实玻瑙体：磁性玻璃体指含有磁铁矿和赤铁矿的富铁玻璃珠。 粉煤狄颗粒按其形态特征可分为四种：球形颗粒、不规则多孔颗粒和不规则颗粒、 漂珠。 ( 1 ) 球形颗粒 由硅铝玻璃体组成，表面比较光滑且呈圆球形，有的球形颗粒中有微小的o 【一石英和 莫来石析晶。 当经过高温区时间较长且燃烧温度较高时，或者当温度不是很高但煤粉颗粒高熔点 物质含量少、低熔点物质含量多时，都很容易形成熔融体。熔融体在较大的表面张力作 用下很容易形成球形，若此时该熔融体迅速冷却，即形成球性玻璃体。 ( 2 ) 不规则多孔颗粒 这种颗粒分两类：一类也是由熔融的硅铝玻璃体组成，另一类为多孔碳粒。 当经过高温区时间较短、燃烧温度低于形成球形玻璃体的温度，且颗粒中含有较多 的高熔点物质时，煤粉颗粒不能完全熔融，且此时颗粒的表面张力较小，不容易形成圆 球形颗粒。碳在燃烧过程中形成气体并逸出，使熔融体体积急剧膨胀并形成多孔，冷却 后即形成多孔玻璃体。 ( 3 ) 不规则颗粒 这类颗粒有两部分组成：一部分是玻璃碎屑，另一部分是晶体矿物的颗粒及碎片。 晶体矿物主要指石英、莫来石、磁铁矿、赤铁矿等，还有少量碎屑状的碳粒。 ( 4 ) 漂珠 1 # 北电力大学坝士学位论义 这类颗粒比重很轻( 小于1 ) ，若不注意收集，会随水漂走流失，造成浪费。它是制 造保温或耐火材料的上好原料。 2 1 1 2 粉煤灰的粒度分布 粒度是粉煤灰的基本物理参数之一，是对其颗粒“大小”的度量，与粉煤灰的其他许 多物化性质都有密切的联系。粉煤灰作为大量固体颗粒的集合体，其整体粒度大小取决 于每一个单一颗粒粒径的分布。 燃煤电厂对粉煤灰粒径表述有两种：一种是斯托克斯粒径，利用液体沉降分级仪或 b a c h o 粒度分级仪测定；另一种是筛分径，利用气流筛分机或机械筛分机测定。因为筛 分径代表几何尺度，继而决定粉煤灰活性、直接影响以其为原料的水泥和混凝土的性能， 所以国家按筛分径对粉煤灰的品位等级做出了严格的规定，见表2 2 。 表2 - 2 粉煤灰质量指标的分级( g b j1 4 6 9 0 ) 淤 4 5 9 m 方孔筛的筛余累 烧失量需水量比三氧化硫 粉煤灰等级计分布率 is 1 2茎5 9 5s 3 i iq 0 s 8s 1 0 5s 3 i i i9 5 三1 5s 1 1 5s 3 斯托克斯径则被广泛应用于研究颗粒运动特性的技术领域中，如研究颗粒在大气、 烟道、除尘器、输灰管道中的输送、扩散、悬浮、沉降和迁移等运动规律及其阻力特性， 以及除尘设备、管道的设计等。 粉煤狄具有相当宽广的粒度分布域，要想准确表达其粒度的分布特征，必须借助一 些分布参数，常用的有以下几种： ( 1 ) 质量频率分布( 分散度) 指按照不同粒径段将粉煤狄划分为若干粒径组，不同组类灰样质量称为组频数，试 样的总质量称为全频数，某粒径组组频数占全频数的百分比称为组频率，每个粒径组的 组频率的综合即为该灰样的质量频率分布。 ( 2 ) 累计分布率 分为筛上累计分布率和筛下累计分布率两种。筛上累计分布率指大于某粒径的狄样 质量占总质量的百分比；筛下累计分布率指小于某粒径的狄样质量占总质量的百分比。 f 3 ) 粒度分布特征径 指利用某一特定参数来定量表示狄样的粗细程度，常用的特征径有平均径、众径、 中位径、标准差，它们都是通过对粒径分布数据进行统计处理得到的。特征径的优点在 于仅需比较一个数值就可量化评价粉料粗细程度，但仅从某一特定角度进行统计评价， 难免存在片面性。 在粉煤狄的粒度分析中，最常用的特征径是中位径，即筛上累计分布率或筛下累计 分布率为5 0 u 寸对应的粒径。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 3 粉煤灰的密度 粉煤灰是由无数微细固体颗粒聚合在一起形成的松散物质，它在颗粒之间及颗粒表 面的孔隙中充满了气体，如果再将其吸附的水分考虑在内，则成为复杂的气、固、液三 相混合体。而且粉煤灰中不同颗粒的粒度、比表面积、形状等均有很大不同，灰体松散 性和孔隙率也就不同，所以相同质量的粉煤灰，其体积会因孔隙率不同而存在极大差异。 粉煤灰粒度越细，比表面积越大，孔隙率就越高，体积也越大，密度也就越小。即使同 一种粉煤灰，也会因所处环境温度、压力不同而密度不同。 根据工程用途的不同，一般将粉煤灰密度划分为以下几类： ( 1 ) 堆积密度( 又称容重或松散度) 指粉煤灰松散堆积状态下，其质量与堆积体积之比。 粉煤灰的堆积密度大多在5 0 0 8 0 0 k g m 3 之间变化，其堆积密度是灰斗、灰库设计 需要考虑的主要参数之一。 ( 2 ) 真密度 指粉煤灰质量与其固体颗粒净体积之比。 颗粒净体积不包括颗粒间和颗粒表面孔隙中的气体体积。因为颗粒表面孔隙中气体 与颗粒间附着力很强，常规液体浸泡法不能将之排除，目自订有效的方法是真空法和煮沸 法。粉煤灰的真密度一般在1 8 2 4 c m 3 之间波动。 ( 3 ) 气化密度 当灰层在气化风作用下处于气化状态时，体积膨胀、孔隙率大大增加，此时单位体 积粉煤灰的质量称为气化密度。从理论上来说，当风量达到使狄层充分流态化的临界气 化风量时，粉煤灰孔隙率达到最大，此时气化密度最小；当气化风量为零时，气化密度 等于堆积密度。同等气化风量下，气化效果好坏还取决于粉煤灰的粒度、湿度、温度和 灰层厚度等因素，因此，工程设计中气化密度应通过实测确定。 2 1 1 4 粉煤灰的孑l 隙率和密实度 当粉煤灰处于自然堆积状态时，其含有的气体体积与其堆积体积之百分比为孔隙 率；其颗粒体积与堆积体积之比为密实度，二种呈互补关系。 2 1 1 5 粉煤灰的粘附性 粉煤灰颗粒与颗粒之间相互粘结( 又称粘着或自粘) ，或颗粒与其他固体表面之白j 粘结( 附着) 的现象称为粘附。 粉煤灰的粘附力从微观上可分为三种类型：分子力、静电力和毛细粘附力。 影响粉煤灰粘附性的因素很多，对于相同母料的粉煤狄颗粒，其粒径越小、比表面 积越大、颗粒形状越不规则、含水率越高、浸润性越好，则粘附性越强。 2 1 1 6 粉煤灰的磨蚀性 指粉煤狄在流动过程中对器壁或管壁的磨损能力，主要决定于其自身硬度指标，同 时还与狄的其他物理特性及气体流速、含尘浓度等因素有关。 粉煤狄的硬度在输灰工艺设计中的重要性在于：它关系到固体的物理强度，是选择 华北l 乜力大学硕士学位论文 输灰设备设计所需的结构材料时必须考虑的因素。同时，研磨或筛分粉煤灰时设备所需 功率也同样取决于粉煤灰的硬度。 2 1 2 粉煤灰的化学性质 我国粉煤灰中k 2 0 、n a 2 0 、c a o 、s 0 3 含量偏低，熔融矿物总量( 指m g o 、f e 2 0 3 、 c a o 、k 2 0 、n a 2 0 ) 也偏低，烧失量偏高。我国粉煤灰的化学成分见表2 3 。 表2 3 我国粉煤灰的化学成分分布( ) 由表2 3 可见，粉煤灰的化学成分主要为氧化铝和氧化硅，二者总含量超过6 0 。 国内外研究学者多根据含钙量的多少将粉煤灰分为低钙型和高钙型两类。燃用烟煤和无 烟煤时多得低钙型粉煤灰；燃用次烟煤和褐煤时多得高钙型粉煤灰。上述二者并无明显 界限，一般将c a o 含量大于8 者视为高钙型粉煤灰。 2 2 粉煤灰的输送特性 2 2 1 粉煤灰的水力输送特性 2 2 1 1 浆体流变特性分析 对于管道内浆体流动过程来说，其流变方程的一般形式为： 一窘卅引 协， 式中r 距管道中心距离为r 处的剪应力( n m 2 ) 。 则： r 心 2 l ( 2 - 2 ) 式中尸管道两端压差( p a ) 。 则管壁处剪应力为： r p ” 2 ( 2 3 ) 由( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 可得： r r 丁w ( 2 4 ) 而通过管道的流量为： q = r 2 7 r w ( r ) 办 ( 2 剐 积分后可得： 9 卅咐廊一万r ，2 挚办 ( 2 - 6 ) 因为管壁处浆体流速为零，上式第一项为零，再将式( 2 1 ) 和式( 2 4 ) 代入整理 后可得： 羔2 扣j r 协7 ， 由以上原理分析并针对工程试验数据( 北京电力建设研究所提供) 进行研究后可得 出以下结论： ( 1 ) 灰浆在低浓度时为牛顿体， 厂( 丁) ：竺旦 厂( r ) ：三 ，代入式( 2 7 ) 得： 时为宾汉体， 刁 ，代入式( 2 7 ) 并化简后得： 浓度为2 2 7 时出现的宾汉极限剪切力为) 8 v 丁w 2 一d ；而在高浓度 8 v4 r w2 7 7 石+ j 。( 在浆体体积 ( 2 ) 灰浆黏度随温度升高而下降，与水的粘度特性关系相似。这是因为液体粘性力主 要取决于液体分子问的引力，温度升高时，分子问距变大，引力减小，因此粘性下降。 当温度在1 0 2 6 。c 范围内时，灰浆粘度在7 7 1 0 一5 2 3 1 0 5 9 s c m 2 之间波动，变化很 小，因此实际应用中可不考虑温度对浆体粘度的影响。 2 2 1 2 浆体沉降特性 水力输狄过程属于两相流动，粉煤狄颗粒需要流体的紊动来保持悬浮状态，浆体的 整个沉降过程一般可分为四个区段： a 絮凝加速区：低浓度浆体比高浓度浆体中明显，当浆体重量浓度大于2 0 以后， 用肉眼基本观察不到； b 均匀沉降区：沉速稳定，一般将此段沉降速度作为浆体的特征沉降速度； c 过渡区：此段浆体沉降速度减小； d 密实段：此段浆体密度为四区段中最大值，此时沉降过程为一压缩过程，沉降速 度极慢。 对整个沉降过程进行研究，分析后可得浆体沉降过程的影响因素主要有： ( 1 ) 浓度。流体中若同时存在许多固体颗粒，则其中每一个颗粒的沉降过程都要受到 周围其它颗粒的干扰，这种干扰主要体现在以下几点：当一颗粒发生沉降时，必然引 发周围水流的运动。而存在的其它颗粒相对于液体而言是不易变形的，它们将阻碍附近 水流的自出流动，这就增加了液体的粘滞性；固体颗粒在沉降过程中，颗粒问存在的 相互作用力使得每一个颗粒的沉降速度都减慢，且浆体浓度越高，这种互相作用越明显， 颗粒的沉降速度越小；颗粒的存在使浆体的密度增大，从而加大了每个颗粒所受浮力， 使其沉降速度减小。 ( 2 ) 化学活性物质。粉煤狄中有许多化学活性物质，且其中的很多成分都溶于水，并 华北电力大学坝士学位论文 且溶解后对灰水性质有很大影响，这种影响体现在两方面：一方面，粉煤灰颗粒在灰水 混合物中起絮凝剂作用；另一方面，粉煤灰颗粒的加入增大了水的粘性。两种作用随粉 煤灰浆体重量浓度的变化情况是：稀浆( 浆体重量浓度小于3 0 ) 时，絮凝剂作用占优 势，此浓度区间内，沉降速度变化率较小；浓浆( 浆体重量浓度大于3 0 ) 时，增大灰 水粘性的作用占优势，此浓度区间内，沉降速度变化率较大。 2 2 1 3 浆体稳定性 指粉煤灰浓浆沉降层保持一定流动性的能力。研究发现粉煤灰浓浆在密实段仍保持 一定的流动性，这种特性是浓浆状态下所特有的。 粉煤灰浆体的稳定性取决于浆体的浓度和粉煤灰颗粒的粒度。浆体浓度越高、粉煤 灰颗粒粒度越小，浆体稳定性越好。 综上所述，粉煤灰水力输送特性总结如下： ( 1 ) 粉煤灰粒径大部分处于1 0 l o o g m 之间，颗粒以细颗粒为主，而细颗粒多为球 形颗粒，以杜兰特理论为依据，可将其看做伪均质混合物，能产生离析现象，高流速状 态( 紊流输送) 下可将这种复杂两相流体简单视为均质流体； ( 2 ) 在低浓度下，浆体重度小，粉煤灰颗粒受到的浮力小，易沉降；而浓度高时，浆 体重度大，粉煤灰颗粒受到的浮力大，难沉降，因此提高浓度不仅提高了单位h , 寸f n j 输狄 量，还使输送过程更容易，所以火电厂粉煤灰水力输送多选择浓浆输送系统； ( 3 ) 从流变特性上进行分析后发现，粉煤灰浆体浓度低时为牛顿体，浓度高时为宾汉 体，呈非牛顿性，其显著特点是粘度随浓度增加而急剧增大，这意味着输送过程的能耗 也将急剧升高； ( 4 ) 粉煤灰的水力输送应在输送能耗和输送量二者的综合权衡基础上选择适当的狄 浆浓度，实际应用中浓度区间多控制在3 0 4 0 之间。 2 2 2 粉煤灰的气力输送特性 2 2 2 1 粉煤灰气力输送的悬浮机理 水平输灰管道中气流对粉煤灰颗粒的推力为水平方向，此外颗粒还受到竖直向下的 重力作用。从理论上来分析，上述两种作用力是不能使粉煤狄悬浮的。而实际输送过程 中，粉煤狄颗粒在某种悬浮力作用下沿管道悬浮前进，这种悬浮力的来源如下： 紊流时气流垂直向上的分速度，对粉煤狄颗粒产生的气动悬浮力： 对于输灰管底部的粉煤狄颗粒而言，其上部流速高，静压小；下部流速低，静压大， 因此对粉煤灰产生的静压差悬浮力； 粉煤狄颗粒在各种因素作用下沿时针方向向前作旋转运动，引起周围气体产生环 流。此环流与水平气流流场进行叠加，因颗粒上部环流速度方向与输送方向相同，使得 粉煤灰颗粒上部流速增大，压力降低；而因为颗粒下部环流速度方向与输送气流方向相 反，粉煤狄颗粒下部流速减缓，压力增大，结果气流对粉煤狄颗粒产生向上的升力，此 即马格努斯效应； 某些粉煤灰颗粒具特定形状并处于有迎角的方位，气流对颗粒的推动力在垂直方向 上产生的向上分力； 粉煤灰颗粒问或粉煤灰颗粒与输灰管壁碰撞而获得的反弹力在垂直方向上产生的 向上分力。 2 2 2 2 粉煤灰气力输送的流动特性【2 6 】 粉煤灰气力输送中的气固两相流受两相的物理性质、操作条件和过程环境的影响， 呈现多种多样的流型【2 7 2 9 1 。以水平输送为例，随输送气体速度和物料量的变化，大体可 分为悬浮运动和集团运动两大类。其中悬浮运动可分为均匀流、管底流、疏密流等；集 团运动则可分为集团流、塞状流、部分流。 当输灰管道内气流速度很快且物料量很少时，粉煤灰颗粒基本接近均匀分布，且在 输送气流中呈完全悬浮状态前进，此时为均匀流。此时若气流速度有所减小，物料量 有所增多时，作用于粉煤灰颗粒上的气流推力也相应减小，颗粒移动速度减慢，因为颗 粒间可能发生碰撞，部分颗粒逐渐下沉至接近管底，物料分布变密，但所有物料仍维持 前进状态，此时的流型成为管底流。当气流速度继续变小时，颗粒呈层状沉积在管底， 此时气流及一部分粉煤灰颗粒在沉积层的上部空间通过，带动沉积层表面颗粒向前滑 移。当气流速度更低或物料量更多时，大部分粉煤狄颗粒失去悬浮能力，停滞在管底， 甚至在局部区域发生堆积成为疏密流。气流通过堆积物料上部狭窄通道时速度变快，又 将堆积层上部颗粒吹走，粉煤灰颗粒呈现时走时停的现象。 悬浮运动的粉煤灰颗粒数目增多时，速度不同的颗粒间相互碰撞的机会也增多，速 度快的小粉煤狄颗粒追击碰撞速度慢的大粉煤狄颗粒，致使颗粒总体速度减慢，产生速 度较缓的粉煤灰颗粒体群。因此，粉煤狄颗粒体群越密集，其速度就越慢，逐步形成集 团流。集团流运动时堆积物料的上部被气流吹掉而向前流动。塞状流则在粉煤灰集团前 后空气压差作用下强行流动。浓相时还会形成部分流，这是一种过渡现象，多在输送管 径过大或集团流上部颗粒被吹走的情况下发生。实际输送中，粉煤狄的实际流动状态一 般是上述几种形式混合、交替出现。 2 2 2 3 粉煤灰气力输送的阻力特性【3 0 对于具有几百米甚至上千米的火电厂气力输狄系统而言，水平输灰管道的长度远远 大于垂直输灰管道。所以本论文在探讨气力输狄系统特性时，仅考虑水平输灰管道中的 情况。 1 水平输灰管中粉煤狄颗粒群的运动方程 ( 1 ) 在水平输灰管中取，段狄气混合体，分析该管段中颗粒群的受力情况。 a 气动推力r 只= e 4 成掣 ( 2 - 8 ) 式中乙s 绕流阻力系数； 华北电刀入字坝j ：字位论又 4 ，段粉煤灰颗粒群的总迎风面积； 成气体密度； 心气流速度； k 粉煤灰颗粒群速度。 b 管壁对粉煤灰颗粒群的阻力， 。= 峨彳= 五- - d 7p v 2 - ( 2 9 ) 式中刖乙z 段压差； 以粉煤灰阻力系数； d 管径； a 输灰管的横截面积； 成悬浮状态下粉煤灰颗粒群的密度。 ( 2 ) 水平输灰管中粉煤狄颗粒群运动微分方程的建立 悬浮分散状态下粉煤灰颗粒群密度p ，为： 旷警古2 芳 式中 g n7 匕单位长度输灰管内的粉煤狄质量，k g ； 矿单位长度输灰管的容积。 将( 2 1 0 ) 代入( 2 - 9 ) 得： f f 飞九s 输送状态下的c 为： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 1口t2 l j i 万一 ( v - v ) d , p a k 2 ( 2 1 2 ) 若用悬浮沉降状态下的l ”来代替，则： c ，：c ，( 上l ) e = c ，( j l ) 8 一v ( 2 1 3 ) 此外，当粉煤灰颗粒群处于悬浮状态时，气动悬浮力与颗粒群所受的重力相等，即： c ，4 成荽：蝼， z 1 0 ( 2 1 4 ) 华北电力大学硕l ：学位论文 所以 q m ga i 争意 她 a s p 、专 代入式( 2 - 8 ) 得： r ：g 堑，( 芏羔) 2 一 鬈哆 至此可以建立水平输灰管道中粉煤灰颗粒群的运动微分方程， m s = f h f j 将前述关系式代入上式得： ( 2 1 6 ) 据牛顿第二定律得： ( 2 1 7 ) 生g d tc v n ) 2 - l 长 池 对于以等速气流推动颗粒群均匀加速的加速段，其流场为定常流场，只存在位变加 生：v 生 速度，即d t 5 d ，因此上式可改写成： 吉k 等= c 半广l 笳 他 此式为研究水平管加速段距离，与气流速度、颗粒群速度等参数关系的基本微分方 程。 ( 3 ) 水平输灰管中颗粒群的运动方程 由前述内容已知，火电厂输灰管道中绕流雷诺数及其对应的阻力系数通常处于斯托 克斯流态情况，即r e 1 ，足= 1 。 将k = 1 代入式( 2 1 9 ) 得： 三、，生一生立一监 g 5 d 2 9 0 ( 2 2 0 ) 可写成： 洲：生 芝垡蔓 = gk k 一只匕一 ( 2 2 1 ) 因为初始条件为：匕20 ，f _ 0 ，所以积分结果为： ，：上 土l n 堡幽一l n 型二堑： 2 9 x 。y2 v 一匕( 】，+ 1 ) v 。 。 ( 2 2 2 ) 其中：= 五1 ：，2 9 d ，y2 , 1 + 4 v x 2 2 2 4 粉煤灰气力输送的压力损失 输灰管内空气和粉煤灰所消耗的一切能量都是由输送空气流的压力能量来提供的。 在进行输灰系统设计时，正确掌握输灰量同所需输送动力，及掌握好灰气比和各种压力 损失之问的关系是至关重要的。在水平悬浮式输送中，气固两相流压力损失的确定，须 遵守以下原则： a 将气力输灰过程的气固两相流视为一种特殊流体，存在摩擦阻力和局部阻力，所 引起的压力损失，分别服从达西定律和局部损失定律； b 在确定输送气流的压力损失时，忽略物料所占截面面积和容积，按单相流体的压 力损失来算； c 气固两相流的总压力损失等于输送气流的各项压力损失与粉煤灰颗粒群运动所附 加的各项压力损失之和： d 气固两相流的总压力损失由粉煤灰颗粒群加速压力损失、摩擦压力损失、悬浮提 升压力损失及局部压力损失所组成。 因为相对于长距离输送的气力输灰系统而言，水平输送管长度远远大于垂直输送管 长度。因此，在理论计算中，可忽略垂直输送管长度，在不考虑弯管和变径管等部件的 局部损失的基础上，气力输狄管压损主要由气固两相流的加速压损、摩擦压损和颗粒群 悬浮压损组成： ( 1 ) 气固两相流的加速压损印，”n ： 此项压力损失产生于加速段，消耗于输送气流和粉煤灰颗粒群的启动与加速中。当 颗粒群刚进入输送管道时，初速度很小，经过加速段以后，气流速度和粉煤灰速度分别 达到最大值心和k 。假设使两者加速至最大值所需压力差为印一，能据功能原理，单位 时问内输送气流供给的功应等于气流和粉煤灰颗粒群增加的动能，即： 衄m 彳屹2 弘i 屹2 + 扛k 2 ( 2 - 2 3 ) 将灰气混合比心代入式( 2 2 3 ) ，得： z ，p ，。= 2 ，r 。，( ；吾 2 f k 孚 。2 2 ：， ( 2 ) 气固两相流的摩擦压损印w ， 设管道长度为，据达西公式，得纯气流的摩擦压损印n ，为： 卸n ，2 以古见等 ( 2 - 2 5 ) 且据达西公式，颗粒群的附加摩擦压力损失印，为： 2 以古成孚2 心专五五l 成了v a 2 ( 2 - 2 6 ) 则气固两相流的压力损失印为： 卸珂2 ( 1 + 万& 百vj 化五l 心i 2 ( 2 2 7 ) ( 3 ) 粉煤灰颗粒群的悬浮压力损失： 设保持粉煤灰物料悬浮所需的气流压差为呱，粉煤灰颗粒群悬浮速度为v 。根据 功能原理，单位时间内，输送气流供给作悬浮消耗的能量应等于粉煤灰颗粒群在没有气 流作用下的重力做功，即： 却s f a v a = g 堑d 1 - ，h v s ( 2 2 8 ) 悬浮压力损失a p s l 为： 舰，= s 堑讲羔= g p 1 r 。d 1 立 ： a v 匕 v ( 2 - 2 9 ) 准确计算上述各项压力损失是气力输灰系统工程设计中最关键和最重要的任务。应 该注意到，上述气固两相流的各项压损计算公式都含有固气速度比k7 心这一重要参数， 所以，两相流固气速度比的精确分析与研究对气力输灰系统优化设计具有重要意义。 2 2 2 5 粉煤灰气力输送特性【3 l 】 ( 1 ) 水平输狄管道内压力分布可分为三个区：入口区、过渡区、充分发展区； ( 2 ) 在入1 5 1 区，水平输送管道内的粉煤灰和气流速度沿管道中心对称分布，但进入充 分发展区后，粉煤灰和气流速度分