高浓度煤粉在文丘里管内流动机理与规律研究

High concentration pneumatic conveying is an important component for the entrained-flow gasification of pulverized coal. Problems such as how to calibrate the solid flowmeter accurately and feed the gasifier steadily can be well solved by installing venturi in the conveying pipeline. However, it is very difficult to study on gas-solid flow characteristics through the venturi, let alone under the situation of high pressure (1-4MPa) and high concentration (400-500kg/m3). Segmented idea will be adopted in this project and the characteristics of high concentration pulverzied coal flow through the venturi will be revealed by the investigation on effects of solid loading ratio, venturi structure, material properties and so on. On the base of analyzing pressure drop, pressure distribution and particle concentration distribution inside the venturi, the flow mechanism of gas-solid through the variable cross-section can be obtained and the model of venturi pressure drop can be also developed. The fundamental research in this project will benefit the gas-solid flow theroy, and provide the scientific proof for veturi design in the entrained-flow gasification of pulverized coal.

煤粉浓相气力输送是气流床粉煤加压气化工艺的重要组成单元。通过在煤粉输送管线上设置文丘里管，有效实现了高压、高浓度下煤粉流量计的准确标定和向气化炉的稳定投料。此类文丘里管涉及变截面通道内高压（1-4MPa）、高浓度（400-500kg/m3）气固两相复杂流动，国内外相关基础研究尚属空白。本项目采用分段研究思想，从系统压力、固气比、文丘里管结构、煤粉与载气物性等方面开展文丘里管内高浓度煤粉流动机理与规律研究。通过研究文丘里管的分段压降、沿程压力分布、整体压降特性以及各段煤粉浓度分布特征，揭示文丘里管内气固两相及其与壁面边界的相互作用机理，掌握高浓度煤粉在文丘里管内的流动规律，并建立压降模型。通过本项目的研究，将进一步丰富气固两相流领域的基础研究成果，为气流床粉煤气化系统的文丘里管设计提供科学依据。

本项目以气流床粉煤气化工艺为背景，通过开展高浓度煤粉流经文丘里管的机理与规律研究，以实现入炉煤粉的准确计量、流量的稳定控制，保障气化炉安全、稳定、长周期运行。项目首先研究了变截面通道内气相与颗粒相的运动特性。高浓度煤粉流经文丘里管时，在收缩段因流道截面逐渐变小，静压能转化为动能，气体带动颗粒加速，机械能降低；在喉段静压能降低，气体速度增加，煤粉浓度下降；在扩张段因流动截面积变大，气体动能减小，气体速度迅速降低，并带动颗粒减速；对于高浓度气固混合物，传统文丘里管的压力回复区从扩张段推迟到出口下游区域。其次，项目研究了文丘里管结构对高浓度煤粉流动的影响。发现，高压高浓度煤粉流经文丘里管时，压力沿程衰减，且在各段衰减程度不一，收缩段衰减程度最大，其次是在喉段，最后是扩张段。通过分析文丘里管的压差和灵敏性，获得了优化设计的依据，收缩角约为8°，扩张角约为7°，节流比范围约为0.22~0.6，长径比约为36.7。再次，对比了安装文丘里管前后输送系统的差异性，文丘里管能够实现对煤粉流量的调节与控制，满足小流量工艺的要求，还具有抗干扰能力和提升管线压力的特性，利用文丘里管的阻力特性，可在其上游管道中有效建立高压、高浓度的煤粉循环输送条件，实现煤粉流量计的高压标定和验证，以及煤粉向高压气化炉的稳定投料。最后，项目借助附加压降法和压降比法，分别建立了文丘里管压降模型表达式，能够较好地预测文丘里管压降。文丘里管压降与气体质量流量成正指数关系，与固气比呈现较好的线性关系。文丘里管压降与喉径成正指数趋势变化；收缩角的影响次之，文丘里管压降随收缩角的增大而减小，喉段长度的影响最弱，即便长度成倍数增长时，文丘里管压降的增加趋势也相对平缓。流出系数和灵敏度系数分别是流体力学无量纲数雷诺数和斯托克斯数的函数。配合标定实验可将文丘里管应用于密相气力输送系统固相流量测量，测量偏差在±20%。项目研究有助认知高浓度气固两相流在变截面管道内的运动特性，丰富气固两相流的基础理论，为应用于气流床粉煤气化工艺的文丘里管设计提供了科学依据，也为密相气力输送系统的固相流量测量提供了一种行之有效的方法。