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关于新型煤粉流量调节阀性能研究

    在化工、冶金、发电等诸多工业过程中,对于均相介质,多采用调节阀来调节控制其质量流率,以满足各自工艺的需求。但是在气固两相系统中,特别是固相浓度较高时,采用普通调节阀控制流量,会因为流道截面的突然变化,引起流动不稳定,甚至出现堵塞现象。所以在高浓度(40~400kg/m3)固体粉料的气力输送时,固体流量的调节一般采用改变输送压差或改变输送气量的方法来实现[3-5]。然而这种调节方式不但调节幅度有限,而且在调节过程中会引起固相浓度的较大变化,难以满足工艺需求。例如在先进的干煤粉气流床气化工艺中,煤粉气力输送的浓度高达400kg/m3,其流量操作范围在50%~120%之间,因此,如何实现煤粉流量的平稳调节,成为干煤粉气化技术工业化面临的课题之一。国内引进的Shell煤气化装置上均采用进口阀门调节煤粉流量。为此,华东理工大学配合合肥通用机械研究院,开展了新型煤粉流量调节阀的开发研制工作。

    本文介绍了在工业输送规模的煤粉密相输送实验装置中,三种不同结构阀芯的煤粉流量调节阀性能的测试比较结果,展示出该调节阀具有良好的综合性能和工业化应用前景。

    1 实验部分

    1.1 实验介质

    实验以煤粉为介质、压缩空气做气源,得出的煤粉相关物性如表1所示。煤粉平均粒径为27μm,为极细颗粒物质,煤粉颗粒不会因为输送过程碰撞磨损而导致粒径变化太大。

表1 煤粉物性

    1.2 实验流程与煤粉流量调节阀

    本实验装置是一个如图1所示的循环封闭系统。

图1 实验系统结构图

    实验装置包括煤粉流量调节阀、喷嘴、发料罐、接料罐、输送管道和返煤管道以及相关的流量、质量、压力等测试仪器。煤粉流量调节阀安装在输送管竖直段和水平段连接处,从空气分配器引出二路气体,进入发料罐的气体称之为输送气,进入阀门的气体称之为调节气,每路气体的气量都通过气体质量流量控制器进行控制。实验系统中各压力、流量的测量数据均采用计算机数据采集系统进行实时采集。在未安装煤粉流量调节阀时,肖为国在该管径实验装置上进行了煤粉密相输送实验研究,结果表明煤粉输送量达到4842~7951kg/h。

    本实验采用型号为40CPC-16的阀门,在保持阀门主体结构不变的情况下,测试研究了三种不同的阀芯结构。三种阀芯的节流面积与阀门开度的关系式分别为:

    式中:y为节流面积,mm2;x为阀门开度,%。

    实验过程中保持输送气量不变,分别研究阀门开度、阀门调节气对煤粉输送特性的影响。

    2 阀门实验结果

    对于粉煤气化的气力输送系统,工业上主要关注的是煤粉能否在低能耗的情况下稳定、连续地输送到气化炉内,并且根据装置运行状况,在一定范围内实现煤粉流量的灵活调节。从煤粉流量、输送稳定性、阀门压降三方面研究阀门的综合性能。

    2.1 阀门开度对煤粉输送的影响

    2.1.1 煤粉流量

    该调节阀主要是通过改变阀门开度即通道节流面积来改变煤粉流量的。由于阀芯的最大节流面积小于输送管道截面积,即使阀门全开,也不同程度地表现出限流作用。表2给出了在相同输送条件下,不同阀芯的阀门全开时煤粉流量与未安装阀门输送时的煤粉流量的对比。

表2 煤粉流量对比

由表2可知,根据阀芯结构的不同,阀门全开时的煤粉流量占未安装阀门煤粉流量的比例为90%~96%。图2给出了煤粉流量随阀门开度的变化。

图2 煤粉流量随阀门开度的变化

    由图2可以看出,总体趋势是随着阀门开度减小,煤粉流量降低。尽管将阀芯一、阀芯二节流面积与阀门开度设计为线性关系,但煤粉流量与阀门开度关系较为复杂。在阀门开度分别为40%~100%、60%~100%范围内,煤粉流量变化程度不大,分别仅为94%和93%。只有当阀门开度调至40%以下,即节流相对面积较小时,煤粉流量的调节才表现出较为有效。这一方面展现出不同于均相流动系统的高浓度气固两相流复杂的流动特性,另一方面狭窄的阀门调节范围将给工程操作带来不便。为了满足工艺需求,对阀芯结构进行了优化设计,提出阀芯三的特殊结构,并对其性能进行了综合测试研究。表3给出了使用三种阀芯,分别在不同的阀门开度下煤粉流量的具体数值以及流量变化率。在阀门开度为20%~100%范围调节时,三个阀芯对应的流量变化范围分别为79%~93%、51%~90%和50%~96%。可见阀芯三表现出最佳的流量调节性能。

表3 煤粉流量变化率

    实验过程中还关注了煤粉输送固气比变化。所谓输送固气比是指固体的质量流量与输送气体的体积流量(或质量流量)之比,是体现输送系统中固体物料浓度高低的一个重要参数,也是决定输送方式、输送能力与输送经济性的一项重要指标。图3给出了三种阀芯下固气比随煤粉流量的变化。

图3 固气比随煤粉流量的变化

    由图3可以看出,同一阀芯,随着煤粉流量的增大,输送固气比近似呈线性增大;在相同煤粉流量下,三种阀芯阀门输送时的固气比大致相等,表明阀芯结构的改变对输送固气比基本上没有影响。

    2.1.2 输送稳定性

    工业上一方面期望煤粉流量调节阀能适度、灵活地调节煤粉流量;另一方面要维持输送过程稳定,从而确保气化炉安全平稳运行。实验过程中,为了对输送过程的稳定性有一个量化的比较,采用了对压力波动信号求“均方根/平均值(std/mean)”的方法来计算整个输送过程中稳定段的压力波动的情况。

    图4给出了水平管上随节流面积变化的std/mean值。


图4 随节流面积变化的std/mean值

    图4中:std为样本标准差,它描述了样本值关于平均值是怎样变化的,其值越大,表明偏离均值的幅度越大;mean为时间序列的压力数据的总体平均值;std/mean值越大,其压力脉动越大、稳定性越差。

    由图4可以看出,在相等节流面积下,阀芯三输送时压力信号的std/mean值最小,说明了阀芯三输送稳定性最好。但总体趋势上,压力信号的std/mean值随节流面积的减小而增大,说明了阀门虽然依靠降低开度限制了煤粉流量,但是输送稳定性逐渐变弱。

    2.1.3 阀门压降

    管道的阻力特性是气力输送技术研究的一个重要方面。管道设置煤粉流量调节阀,必然会增大煤粉输送阻力,消耗输送能量。图5给出了阀门压降随阀门开度的变化。

图5 阀门压降随阀门开度的变化

    由图5可以看出,阀门压降随阀门开度的减小而增大。在相同的阀门开度下,阀芯二压降高于阀芯一压降,这是因为处在同一开度下,阀芯二的节流面积小于阀芯一的节流面积。因此,在同一开度下,阀芯二阻力高于阀芯一阻力。表4给出了三个阀芯在不同开度下阀门压降与水平管单位管长压降对比。

表4 阀门压降与单位管长压降对比

 

    结合表2和表4可以看出,阀门开度变小,虽然其调节流量的幅度增大,但是阀门压降也会增大。在阀门处于全开的情况下,阀芯三阀门压降最小,仅相当于水平管单位管长压降3倍,结合图4可以看出,此时阀芯三输送稳定性也最好。

    2.2 阀门调节气对煤粉输送的影响

    阀门调节气的作用是防止煤粉在阀门调节过程中沉积在阀腔内,以致阻碍阀芯运动。

    图6给出了不同调节气气量下煤粉流量与阀门开度的关系。

图6 煤粉流量与阀门开度的关系

    由图6可以看出,在保持其它操作参数不变的情况下,调节气气量占输送气量的比率由9%增大到17%时,煤粉流量相差不大,最大变化幅度小于3%。这说明调节气气量对固体流量的影响弱于对气体流量的影响。

    3 结束语

    本文在工业输送规模的煤粉密相输送实验装置上,对新型煤粉流量调节阀的综合性能进行了研究。其主要结论是:不同阀芯结构的阀门对煤粉流量限流作用不同。阀芯一、阀芯二及阀芯三全开输送时,煤粉流量分别相当于未安装阀门输送时煤粉流量的93%、90%以及96%;不同阀芯结构的阀门对煤粉流量调节作用不同,在阀门开度为20%~100%范围调节时,三个阀芯对应的流量变化范围分别为79%~93%、51%~90%和50%~96%。不同阀芯结构的阀门对煤粉输送固气比基本没有影响,同一阀芯,随着煤粉流量的增大,输送固气比近似呈线性增大。不同阀芯结构的阀门对煤粉输送稳定性影响不同,在相等节流面积下,阀芯三输送稳定性最好;同一阀芯,随节流面积的减小,输送稳定性变弱;相对于阀芯一、阀芯二来说,阀芯三为优选的阀芯结构,其对煤粉流量输送稳定性最好、调节范围最宽。