DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.043

高压密相石油焦和无烟煤的混合输送特性

胡驾纬，沈骝，梁财，陈晓平，徐贵玲，赵长遂

(东南大学 能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京，210096)

摘 要：

压力可达4.0 MPa的高压密相气力输送实验台上分别进行石油焦和无烟煤的输送实验及不同质量配比的石油焦和无烟煤混合输送实验，揭示在不同的总输送差压下粉体物性及操作参数对流动特性和输送稳定性的影响规律。研究结果表明：在相同的输送条件下，相同粒径的石油焦的输送量远小于无烟煤的输送量，且石油焦的输送稳定性比无烟煤的输送稳定性差；保持相同的输送条件，混合物料的输送量和输送稳定性均优于石油焦的输送量和输送稳定性，但比无烟煤的差；随着混合物中无烟煤质量比例的提高，气力输送的输送量增大，但输送稳定性未得到显著提高。

关键词：

气力输送；石油焦；输送特性；混合输送；

中图分类号：TQ536          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)07-2501-06

Dense-phase pneumatic conveying characteristics of blendings with petroleum coke and anthracite

HU Jiawei, SHEN Liu, LIANG Cai, CHEN Xiaoping, XU Guiling, ZHAO Changsui

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control Ministry of Education,

School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: Dense-phase pneumatic conveying experiments of the petroleum coke, anthracite and these two kinds of powder blending were carried out at pneumatic conveying system with pressure up to 4.0 MPa. The effects of powder properties and operation parameter on flow characteristics and conveying stability were analyzed and compared. The results show that the petroleum coke has smaller mass flow rate and worse conveying stability than the anthracite with the similar particle size and conveying condition. The conveying characteristics of blendings of the petroleum coke and anthracite improve gradually compared with the petroleum coke. With the increase of mass proportion of the anthracite in the blendings, the mass flow rate increases correspondingly, while the conveying stability almost remains unchanged.

Key words: pneumatic conveying; petroleum coke; conveying characteristics; blendings conveying

石油焦是原油经蒸馏将轻质油分离后，重质油再经热裂的过程转化而成的产品。随着我国经济的高速发展，原油需求总量的持续增加以及环境问题对汽油品质的要求，高硫石油焦产量将不断增加。为了充分利用高含碳量的石油焦，同时避免石油焦直接燃烧产生有害气体，采用气流床气化技术使石油焦的清洁利用成为可能。石油焦气化技术主要分为石油焦单独气化和石油焦催化气化2种，为克服石油焦气化活性低的缺点一般采用原煤作为催化剂同石油焦共同气化的技术^[1-6]。高压密相气力输送作为干煤粉气流床大规模气化过程加压入炉的关键技术之一，近年来得到了越来越广泛的应用，相关研究已经取得了显著成果，获得了不同的物料种类、粒径分布以及物料含水率等因素对输送特性的影响规律^[7-11]。然而，这些研究大多针对单一粉体物料的输送，关于石油焦及石油焦和原煤的混合物料输送的研究较少^[12-14]。本文作者在东南大学自主搭建压力可达4.0 MPa的高压密相气力输送实验台上进行了石油焦和无烟煤的输送实验并比较两者的输送特性，发现两者的差异性较大。研究了不同质量配比的石油焦和无烟煤混合输送的输送特性，对于石油焦气化技术的研究具有一定的参考价值。

1  实验系统

实验采用的气力输送实验系统如图1所示。实验系统可分为料罐、压力及风量调节系统、输送管道、测量系统和数据采集系统。料罐包括2个容积均为0.6 m³上出料式料罐和下出料式料罐，在实验过程中2个料罐互为发送罐和接收罐，可通过阀门的开闭进行调节。实验载气为氮气，由表压高达12 MPa的高压氮气瓶提供，氮气瓶中的氮气充入缓冲罐中，缓冲罐压力可高达4.6 MPa。从缓冲罐引出3路风，分别为流化风、冲压风和补充风。流化风从底部进入发送罐中，使发送罐中管道入口附近的物料局部流态化；充压风从顶部进入发送罐，维持发送罐的压力；补充风在发送罐出口进入管道中，以调节固气比和输送稳定性。实验系统中的输送管道总长为32 m，管道内径为10 mm。压力、差压和质量的测量由传感器完成并传输到数据采集系统。压力传感器、差压传感器和称重传感器的测量精度分别为0.050%，0.075%和0.100%，数据采集系统的采样频率为50 Hz。

图1  气力输送实验台系统图

Fig. 1  Schematic diagram of pneumatic conveying system

2  实验物料

实验物料为安徽淮北无烟煤和江苏金陵石油焦，每种物料均有粗、细2种，单种物料的粉体物性如表1所示。从表1可以看出：石油焦和无烟煤的密度相差较大，且同种物料的1号和2号粒径相差也较大；无烟煤2号和石油焦2号的平均粒径相近，可作为相同粒径的物料进行比较。图2所示为这2种物料的表面微观形貌的扫描电镜图(SEM)。由图2可以看出：无烟煤颗粒表面组织致密，石质感较强，没有明显的孔隙，而石油焦颗粒呈坚硬的片状颗粒，在片状石油焦颗粒表面有形状不规则的小颗粒附着。4种物料的全水质量分数接近且均小于3%，全水质量分数对输送特性的影响可以忽略不计。

为研究无烟煤和石油焦的混合输送特性，本实验配制3种混合物料，分别为物料A、物料B和物料C。3种混合物料的成分及混合比例如表2所示。其中，物料A是由2种粗物料(无烟煤1号和石油焦1号)按质量比1:1配制，物料B和C是由2种细物料(无烟煤2号和石油焦2号)分别按质量比1:1和1:3配制。

3  实验结果与讨论

3.1    单种物料输送特性

输送质量流量G_s和输送总差压Δp是气力输送过程中的重要参数，G_s表示单位时间内的管道输送物料的质量，Δp表示发送罐和接收罐间的压力差。图3所示为几种单一物料的质量流量随输送总差压的变化规律。由图3可知：随着输送总差压Δp的增大，同种物料的质量流量G_s逐渐增大。在气力输送过程中，输送总差压即为整个输送过程的动力源，总差压提供了物料和载气的两相流克服阻力的基本动力。在输送过程中载气的动能和势能转化为物料的动能并克服流动的阻力，总差压越大，单位时间内物料获得的能量越大，故质量流量越大。在总压降相同的条件下，输送量由小到大顺序为：石油焦1号，石油焦2号，无烟煤1号，无烟煤2号。实验结果表明：对于同种物料，粗物料的输送量总是小于细物料的输送量。这是由于粗物料在各个管段的压降均比细物料的大^{[9, 15]}，导致粗物料输送过程中的阻力大于细物料的输送量，使得粗物料的输送量较小。对于粒径相同的物料，无烟煤的输送量要大于石油焦的输送量，主要有2方面的原因：首先，无烟煤的密度要大于石油焦的密度，即在相近的体积流量下无烟煤的质量流量必定大于石油焦的质量流量；同时，2种物料的流动性差异较大，这主要是由2种物料的表面特性差异导致的，表面相对粗糙的石油焦要比无烟煤的黏附性大，在输送过程中，会在输送管壁上形成1层外壳(如图4所示)，导致石油焦的流动阻力更大，输送量较小。

图3  不同单种物料输送量比较

Fig. 3  Comparison of various materials on mass flow rate

图4  输送过程中在管壁上形成的石油焦层

Fig. 4  Petroleum coke adhered on conveying pipe wall

不同物料的输送量差异较大，输送过程中的稳定性不同。表征气力输送工程中输送稳定性的方法很多，本文用质量流量的标准差系数(coefficient of variation, K_CV^[16-17])进行稳定性分析，K_CV越小表示输送过程的稳定性越好。K_CV可以根据式(1)进行计算：

                         (1)

其中：K_s为质量流量信号标准差；G_m 为质量流量平均值。

相同粒径不同种类物料的K_CV与总输送差压的关系如图5所示。从图5可知：随着输送差压的增大，同种物料的K_CV不断减小，即稳定性不断增强。这是由于输送差压越大，物料所具有动能与势能越大，其输送过程的稳定性也越强。在相同的输送差压下，石油焦的稳定性比相同粒径的无烟煤的稳定性差，这主要是由2种物料的流动性差异引起的，石油焦在管内的流动性较差，导致石油焦在管内输送时的压力信号波动较大，使得流动不稳定。另外，由于石油焦的表面附着有片状物且结构不够致密，在输送过程中有小颗粒、片状物从石油焦表面脱落，附着在管壁上，形成含有石油焦的黏附层(见图4)。输送过程中形成的黏附层会增大两相流流动阻力并引起粉体层滑移过程中粉体层迁移，导致输送过程的不稳定。

图5 不同物料稳定性对比

Fig. 5  Comparison of different various materials on coefficient of variation (K_CV)

3.2  单种物料与混合物料的输送特性

图6所示为石油焦1号、混合物料A和无烟煤1号3种物料的输送量对比。从图6可以看出：混合物料的输送量随差压增大而逐渐增大，这与同种物料输送量的变化规律相同。在按1:1的质量比掺入无烟煤1号后，石油焦1号的输送量显著增大，这是由于表面特性相对光滑的无烟煤的加入，改善了石油焦的流动特性，管壁黏附现象明显减轻。纯石油焦物料输送过程中5~6个工况后管壁形成较厚的黏附层较为严重，输送过程极不稳定甚至出现堵管现象^[17]；相比石油焦，混合物料输送过程中管壁黏结现象较轻，管壁黏附层形成较慢，因此混合物料的输送量和输送稳定性得到显著提升。在相同的输送差压下，混合物料的输送量大于石油焦1号的输送量但小于无烟煤1号的输送量。图7所示为单种物料与混合输送的标准差系数对比。从图7可以看出：按质量比1:1混合后的物料A的输送稳定性也介于石油焦1号和无烟煤1号的输送稳定性之间。石油焦添加无烟煤后，输送管壁上的黏附现象减弱，输送阻力降低，输送量显著增大，输送稳定性得到显著增强。

图6  单种物料与混合输送的输送量对比(粗颗粒)

Fig. 6  Comparison of petroleum coke, anthracite and blending on mass flow rate(coarse particles)

图7  单种物料与混合输送的标准差系数对比(粗颗粒)

Fig. 7  Comparison of petroleum coke, anthracite and blending on K_CV (coarse particles)

3.3  不同比例的混合物料输送特性

与无烟煤混合后，石油焦的输送量及输送过程的稳定性得到改善，但是物料A中石油焦与无烟煤的质量比为1:1，质量比恒定，无法判断加入无烟煤对石油焦输送特性的影响。为了更好地研究混合物料的输送特性与混合物料中两者比例之间的关系，使用2种不同质量配比的物料B和C同较细颗粒的无烟煤2号及石油焦2号进行对比实验。

图8所示为按不同质量比混合时细颗粒物料的输送量比较。从图8可以看出：石油焦2号中掺入少量无烟煤2号(质量比为3:1)时，其质量流量与单种物料石油焦2号的质量流量相差不大，而当石油焦2号与无烟煤2号按质量比1:1混合组成物料C时，输送量得到明显提升。主要原因是石油焦的流动性较差，单种石油焦物料在管内输送时与管壁间的压损较大，而加入无烟煤后流动性得到改善，混合物料的流动性较单种物料更好，但在无烟煤质量分数较小时效果不明显。

图9所示为4种物料的稳定性比较。从图9可以看出：随着总压降的增大，4种物料的输送过程均趋于稳定，但掺入无烟煤2号后石油焦2号的输送稳定性并未得到显著改善，其输送过程的质量流量标准差系数(K_CV)仍较大，与石油焦2号的K_CV相近，但大于无烟煤2号的K_CV，表明输送稳定性与石油焦2号与无烟煤2号的质量比没有明显的关系。这一现象可能是混合物料中2种物料的混合不均匀导致的。

图8  不同质量比的物料混合输送量对比(细颗粒)

Fig. 8  Comparison of blendings with different quality ratios on mass flow rate(fine particles)

图9  不同质量比的物料混合标准差系数(K_CV)对比(细颗粒)

Fig. 9  Comparison of blendings with different quality ratios on K_CV (fine particles)

4  结论

1) 在相同输送条件下，同粒径的石油焦输送量比无烟煤输送量小，且石油焦的输送稳定性比无烟煤差的输送稳定性。

2) 在石油焦中加入无烟煤后，在相同的输送总差压下，石油焦的输送量得到提高，且随着混合物中无烟煤质量分数的增加，石油焦的输送量增大。

3) 在相同输送条件下，混合物料输送过程的稳定性相比较于石油焦并未得到显著改善，混合物料的输送过程稳定性还有待进一步研究。

参考文献：

[1] MURTHY B N, SAWARKAR A N, DESHMUKH N A, et al. Petroleum coke gasification: a review[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2014, 92(3): 441-468.

[2] . Release of alkali metal, sulphur and chlorine species during high-temperature gasification and co-gasification of hard coal, refinery residue, and petroleum coke[J]. Fuel, 2014, 126: 62-68.

[3] 张保申, 刘鑫, 周志杰, 等. 微波活化对石油焦气化特性的影响[J]. 石油学报(石油加工), 2011, 27(4): 555-560.

ZHANG Baoshen, LIU Xin, ZHOU Zhijie, et al. Effect of microwave activation on the characteristics of petroleum coke gasification[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Scetion), 2011, 27(8): 555-560.

[4] NEMANOVA V, ABEDINI A, LILIEDAHL T, et al. Co-gasification of petroleum coke and biomass[J]. Fuel, 2014, 117: 870-875.

[5] 盖希坤, 毛建卫, 杨瑞芹, 等. 石油焦气化反应的研究进展[J]. 浙江科技学院学报, 2013, 25(6): 435-440.

GAI Xikun, MAO Jianwei, YANG Ruiqin, et al. Research progress of petroleum coke gasification reaction[J]. Journal of Zhejiang University of Science and Technology, 2013, 25(6): 435-440.

[6] 纪丽媛, 黄胜, 吴诗勇, 等. 原煤与石油焦共气化反应特性[J]. 石油学报(石油加工), 2014, 30(3): 493-500.

JI Liyuan, HUANG Sheng, WU Shiyong, et al. Co-gasification characteristics of petroleum coke and coal[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2014, 30(3): 493-500.

[7] 龚欣, 郭晓镭, 代正华, 等. 高固气比状态下的粉煤气力输送[J]. 化工学报, 2006, 57(3): 640-644.

GONG Xin, GUO Xiaolei, DAI Zhenghua, et al. High solids loading pneumatic conveying of pulverized coal[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2006, 57(3): 640-644.

[8] 沈湘林, 熊源泉. 煤粉加压密相输送实验研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(24): 103-107.

SHEN Xianglin, XIONG Yuanquan. Experimental study on dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(24): 103-107.

[9] 周云, 陈晓平, 梁财, 等. 煤粉平均粒径对高压密相气力输送的影响[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(26): 25-29.

ZHOU Yun, CHEN Xiaoping, LIANG Cai, et al. Effect of mean particle size of pulverized coal on dense phase pneumatic conveying at high pressure[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(26): 25-29.

[10] 付飞飞, 许传龙, 王式民. 密相气力输送中气固两相流动特性多源信息分析[J]. 化工学报, 2012, 63(10): 3070-3079.

FU Feifei, XU Chuanlong, WANG Shimin. Multi-sensors integration for flow characterization of dense phase pneumatic conveying of coal powder[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2012, 63(10): 3070-3079.

[11] CHEN Xiaoping, FAN Chunlei, LIANG Cai, et al. Investigation on characteristics of pulverized coal dense-phase pneumatic conveying under high pressure[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2007, 24(3): 499-502.

[12] HE Chunhui, CHEN Xianmei, WANG Jianhao, et al. Conveying characteristics and resistance characteristics in dense phase pneumatic conveying of rice husk and blendings of rice husk and coal at high pressure[J]. Powder Technology, 2012, 227(9): 51-60.

[13] 王建豪, 贺春辉, 倪红亮, 等. 不同配比生物质粉与煤粉混合物的高压密相气力输送压降实验研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(23): 112-118.

WANG Jianhao, HE Chunhui, NI Hongliang, et al. Experimental study on dense phase pneumatic conveying of pulverized blending of biomass and coal at high pressure[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(23): 112-118.

[14] PAHK J B, KLINZING G E. Comparison of flow characteristics for dilute phase pneumatic conveying for two different plastic pellets[J]. Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers, 2008, 39(2): 143-150.

[15] 谢灼利, 张政. 颗粒物性对水平气力输送管中颗粒浓度分布影响的数值模拟[J]. 计算机与应用化学, 2005, 22(3): 178-182.

XIE Zhuoli, ZHANG Zheng. Numerical study of effect of particle properties on particle phase volume fraction in a horizontal pneumatic conveying pipe[J]. Computers and Applied Chemistry, 2005, 22(3): 178-182.

[16] XU Guiling, CHEN Xiaoping, LIANG Cai, et al. Effect of operating conditions and powder properties on pneumatic conveying characteristics of top discharge blow tank[J]. Chemical Engineering & Technology, 2012, 35(35): 1998-2006.

[17] LIANG Cai, SHEN Liu, XU Pan, et al. Influence of carbonaceous powders on flow characteristics of dense-phase pneumatic conveying at high pressure[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 58(4): 121-130.

(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-07-31；修回日期：2015-09-31

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB227002)；国家自然科学基金资助项目(50906011) (Project (2010CB227002) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(50906011) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：梁财，副教授，博士生导师，从事高压、浓相气力输送、洁净煤燃烧等研究；E-mail: liangc@seu.edu.cn

摘要：在自主搭建输送压力可达4.0 MPa的高压密相气力输送实验台上分别进行石油焦和无烟煤的输送实验及不同质量配比的石油焦和无烟煤混合输送实验，揭示在不同的总输送差压下粉体物性及操作参数对流动特性和输送稳定性的影响规律。研究结果表明：在相同的输送条件下，相同粒径的石油焦的输送量远小于无烟煤的输送量，且石油焦的输送稳定性比无烟煤的输送稳定性差；保持相同的输送条件，混合物料的输送量和输送稳定性均优于石油焦的输送量和输送稳定性，但比无烟煤的差；随着混合物中无烟煤质量比例的提高，气力输送的输送量增大，但输送稳定性未得到显著提高。