微量给粉装置在沉降炉试验中的应用

微量给粉装置在沉降炉试验中的应用

1给粉量的控制沉降炉是研究煤粉燃烧最基本、最常用的试验设备之一。作者在哈尔滨电站设备综合设计研究所的沉降装置中进行了煤粉燃烧、热解和再燃还原氧化等实验。在试验过程中发现,精确控制给粉量、均匀给粉是保证试验精确可靠的关键。沉降炉给粉量很小,一般为0.5g/min～5g/min,给粉量的波动对试验结果影响非常大。在小给粉量下,做到均匀给粉和精确控制给粉量是很困难的。国内的一些高校和研究单位的沉降炉试验也遇到这个问题,只能依靠大量重复试验来保证试验对给粉稳定的要求。哈尔滨电站设备成套设计研究所的沉降炉给粉装置是在研究所的侯栋歧高级工程师的带领下自己开发的非标准设备,具有自身的特点,作者经过长期摸索总结出保证该给粉装置均匀给粉及精确控制的一些经验。2煤粉给粉量和固气混合比哈尔滨电站设备成套设计研究所先后采用流化床式和电磁振动式给粉机,给粉效果均不理想,于是针对沉降炉开发了自己的微量给粉装置,其示意图见图1。微量给粉装置由粉罐、给粉器、振动器、测压立管构成。粉罐为ϕ32mm×1mm钢管,端部由橡胶板和端盖密封,钢管和端盖为螺纹连接。给粉器为气体引射装置,在气流和振动器的共同作用下,给粉器的薄金属片之间的煤粉形成流化状态,气流携带煤粉离开粉罐。稀相气力输送粉料时,压损比和混合比有如下关系:ΔptΔpg=1+K⋅mΔptΔpg=1+Κ⋅m(1)式中:Δpt——气固两相管路沿程压降;Δpg——气相沿程压降;m——固气混合比(质量流率比);K——比例系数。在保持气体质量流率不变时,给粉量和固气混合比是一一对应的,这样,可以通过压损比来监测给粉量。微量给粉系统用改变振动器的振动频率的方法改变给粉量,给粉量增加,测压立管测得的压降增加;给粉量减小,压降减小。给粉量和压降存在对应关系,并满足上面的计算公式。微量给粉装置通过斜管微压计监测气固两相流的压降来监测给粉,调整振动器的振动频率实现给粉的连续、均匀、准确。微量给粉装置给粉前,首先清空粉罐及给粉器,然后拧开图1状态的粉罐上部端盖,用小药勺将适量煤粉加入粉罐,拧紧端盖后称量粉罐(包括给粉器)的重量,连接粉罐和测压立管,固定粉罐、振动器及测压立管,连接微压计和测压立管上的测压点,给粉风入口及输粉风入口连接气源,逐步打开气源,分别调节给粉风及输粉风的风量至合适值,然后启动振动器,通过斜管微压计监测气固两相流的压降,调整振动器的振动频率控制给粉,同时记录时间。给粉结束以后,重新称量粉罐(包括给粉器)的重量,由粉罐重量的变化及给粉时间可以计算单位时间的给粉量。沉降炉试验前,针对不同煤粉试样需要对微量给粉装置进行标定,获得试验工况要求的给粉量对应的气体流量及测压立管的压降等给粉控制参数。为保证试验给粉量的准确,试验时同样计量给粉量,掌握试验时的给粉情况。3煤粉流化区的设置试验初期给粉效果很不理想,给粉不均匀,测压立管测得的压差波动,调整振动器的振动频率无法控制压差,中止给粉时,压差无法回复到初始状态。经过反复摸索和分析发现要保证给粉装置给粉的连续、均匀和准确,就要求在给粉器2个薄金属片之间形成稳定的流化区,要求携粉气流的压力和流量稳定,同时要求测压立管不能有煤粉挂壁。因为煤粉挂壁以后,部分挂壁煤粉无规律地脱落;再挂壁,测压立管测得的压力就会出现波动,影响给粉的均匀、稳定。而且挂壁以后,管内的流通面积减小,气体流量一定的情况下,速度增加,流动阻力增大,破坏了气力输送粉料时沿程压降和输送粉量的对应关系,无法根据压差计量给粉量,挂壁严重时还将堵塞测压点或输送管路。3.1煤粉让入管的布置在给粉器区域形成稳定的煤粉流化区就要保证给粉气流压力和流量稳定,还要保证给粉气流的流量在一个合适的范围,气流流量过大,流化区不稳定;流量过小,不能输送煤粉,经过试验摸索给粉气体在0.03m3/h～0.06m3/h时比较稳定。根据试验要求,给粉量在1.2g/min左右,携粉的气体流量应在0.1m3/h左右,因此把携带煤粉的空气分为2股,一股流量为0.03m3/h～0.05m3/h作为给粉风,由图1中10给粉风入口给入,另一股为0.07m3/h～0.05m3/h作为输粉风,由图1中6输粉风入口给入。煤粉在煤粉罐内容易压实,在测压立管内容易挂壁,是因为煤粉颗粒粒度较小,颗粒之间存在附着力,颗粒之间易团聚,颗粒和输送管路壁面易附着,影响其流动性。附着力主要是分子间引力(范德华引力)导致的颗粒间引力,颗粒静电引起的引力和附着水分的毛细管力,颗粒表面不平滑引起的机械咬合力等。有些附着力我们是无法减小的,但是可以通过干燥煤粉和输送煤粉的空气来部分改善煤粉的流动性和挂壁的情况。试验前将煤粉在105℃的条件下烘干2h,对于输送的空气可在空压机出口加干燥剂干燥。采取以上2个措施后,煤粉的振实情况和煤粉在测压立管的挂壁情况明显好转。不同粒度的煤粉颗粒间的附着力不同,煤粉的摩擦特性和流动特性不同,因此不同粒度煤粉选用不同直径出粉口的给粉器和不同直径的测压立管。对于平均粒度<20μm的煤粉应选用出口直径较大的给粉器和较大直径的测压立管,否则给粉罐底部容易振实,测压立管容易挂壁。试验中粉罐的料位应该保持在合适的范围,料位过低会封不住给粉风,过高又会使底部容易振实,对于常规粒度煤粉,给粉时粉料高度应控制在给粉罐高度的1/4～2/3,对于煤粉平均粒度<20μm的煤粉,由于细粉更容易团聚、振实,粉料高度应控制在给粉罐高度的1/4～1/2。3.2流量计入口气体压力给粉系统的输粉空气是由小型无油空压机提供的,原试验系统空压机出口气体经过旁通和浮子流量计后,进入给粉装置,流量计读数时没有加以修正。虽然经过旁通,但浮子流量计入口气体压力仍较高,不加以修正,读数误差很大,而且流量计入口气体压力有明显地波动。本试验在旁通后加一容积为4L的储气罐后,流量计入口气体压力的波动明显减小,且压力明显降低。本试验还在输、给粉气体流量计入口增加压力测点,便于读数时对流量加以修正。3.3下压点下输粉风挂壁优化§3.1中对煤粉和空气采取的干燥措施同时可以减轻煤粉挂壁,§3.1中为保证给粉器附近煤粉的稳定流化将携粉空气分为2股,开始曾尝试在测压点下部引入输粉风,这样经过测压立管上部测压部分的流速较低,挂壁严重,后来改为在测压点前引入输粉风,提高气流速度,挂壁情况得到改善。此外,提高测压立管的加工精度,使测压立管尽量平直,各开孔处尽量平滑,保证测压要求和气体均匀混合的前提下,尽量减小测压立管的长度,试验时及时清理测压立管,这些措施都能使测压立管煤粉挂壁得以改善。4煤粉让粉试验重现性和压力波动的关系沉降炉试验要求精确控制给粉量,试验前必须对给粉装置进行标定,获得控制给粉量的操作参数,给粉量的控制还要保证较好的重现性。原标定时,微量给粉系统出口用烧杯接粉,测量给粉前后烧杯重量变化和给粉时间来确定给粉量。为防止煤粉飞扬,烧杯用开孔塑料布罩住,用吸尘器抑尘。携粉气体不能及时从烧杯逸出,影响测压立管出口压力,吸尘器吸入点位置对测压立管出口压力也有影响。测压立管出口压力波动对测压立管压力信号影响较大,烧杯里部分细煤粉逸出对标定结果也有影响。本次标定,通过测量煤粉罐重量和给粉时间确定单位时间的给粉量。初期试验得到的煤粉量和压损比的关系曲线,在给粉量较小时,线性较好并满足式(1),但是在给粉量较大时,曲线线性较差。通过分析发现,这种现象是由于随着给粉量增加,煤粉气流浓度增加,流动阻力增加,空气管路阻力的增加使给、输粉气流的流量明显减小,而为维持设定压差,只有增加给粉量。给粉过程中,由于输送空气的流量发生变化,无法满足式(1)的方程。本次试验在给粉时,调整给粉风和输粉风流量,保证其在设定值,这样标定得到的试验曲线有较好的线性,且满足式(1)方程。由于是非标试验,试验初期给粉标定的重现性较差,后来在储气罐和给、输粉风流量计入口前等关键位置增加压力测点,保证这些位置的状态,就能保证试验具有较好的重现性。采用以上措施以后,给粉均匀、稳定。我们对不同粒度煤粉的给粉曲线进行了标定,试验重现性也较好。图2、图3为75目以下宽筛分煤粉和平均粒度5μm煤粉的给粉标定曲线,曲线就有较好的线性,且满足式(1)方程。5微量