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0引言
在化工、冶金、發電等諸多工業過程中，對于均相介質，多采用調節閥來調節控制其質量流率，以滿足各自工藝的需求。但是在氣固兩相系統中，特別是固相濃度較高時，采用普通調節閥控制流量，會因為流道截面的突然變化，引起流動不穩定，甚至出現堵塞現象。所以在高濃度(40～400kg/m3)固體粉料的氣力輸送時，固體流量的調節一般采用改變輸送壓差或改變輸送氣量的方法來實現[3-5]。然而這種調節方式不但調節幅度有限，而且在調節過程中會引起固相濃度的較大變化，難以滿足工藝需求。例如在先進的干煤粉氣流床氣化工藝中，煤粉氣力輸送的濃度高達400kg/m3，其流量操作范圍在50%～120%之間，因此，如何實現煤粉流量的平穩調節，成為干煤粉氣化技術工業化面臨的課題之一。國內引進的Shell煤氣化裝置上均采用進口閥門調節煤粉流量。為此，華東理工大學配合合肥通用機械研究院，開展了新型煤粉流量調節閥的開發研制工作。
本文介紹了在工業輸送規模的煤粉密相輸送實驗裝置中，三種不同結構閥芯的煤粉流量調節閥性能的測試比較結果，展示出該調節閥具有良好的綜合性能和工業化應用前景。
1 實驗部分0
1.1 實驗介質
實驗以煤粉為介質、壓縮空氣做氣源，得出的煤粉相關物性如表1所示。煤粉平均粒徑為27μm，為極細顆粒物質，煤粉顆粒不會因為輸送過程碰撞磨損而導致粒徑變化太大。
表1　煤粉物性

1.2 實驗流程與煤粉流量調節閥
本實驗裝置是一個如圖1所示的循環封閉系統。

圖1　實驗系統結構圖
實驗裝置包括煤粉流量調節閥、噴嘴、發料罐、接料罐、輸送管道和返煤管道以及相關的流量、質量、壓力等測試儀器。煤粉流量調節閥安裝在輸送管豎直段和水平段連接處，從空氣分配器引出二路氣體，進入發料罐的氣體稱之為輸送氣，進入閥門的氣體稱之為調節氣，每路氣體的氣量都通過氣體質量流量控制器進行控制。實驗系統中各壓力、流量的測量數據均采用計算機數據采集系統進行實時采集。在未安裝煤粉流量調節閥時，肖為國在該管徑實驗裝置上進行了煤粉密相輸送實驗研究，結果表明煤粉輸送量達到4842～7951kg/h。
本實驗采用型號為40CPC-16的閥門，在保持閥門主體結構不變的情況下，測試研究了三種不同的閥芯結構。三種閥芯的節流面積與閥門開度的關系式分別為：

式中：y為節流面積，mm2；x為閥門開度，%。
實驗過程中保持輸送氣量不變，分別研究閥門開度、閥門調節氣對煤粉輸送特性的影響。
2 閥門實驗結果
對于粉煤氣化的氣力輸送系統，工業上主要關注的是煤粉能否在低能耗的情況下穩定、連續地輸送到氣化爐內，并且根據裝置運行狀況，在一定范圍內實現煤粉流量的靈活調節。從煤粉流量、輸送穩定性、閥門壓降三方面研究閥門的綜合性能。
2.1 閥門開度對煤粉輸送的影響
2.1.1　煤粉流量
該調節閥主要是通過改變閥門開度即通道節流面積來改變煤粉流量的。由于閥芯的**節流面積小于輸送管道截面積，即使閥門全開，也不同程度地表現出限流作用。表2給出了在相同輸送條件下，不同閥芯的閥門全開時煤粉流量與未安裝閥門輸送時的煤粉流量的對比。
表2　煤粉流量對比

由表2可知，根據閥芯結構的不同，閥門全開時的煤粉流量占未安裝閥門煤粉流量的比例為90%～96%。圖2給出了煤粉流量隨閥門開度的變化。

圖2　煤粉流量隨閥門開度的變化
由圖2可以看出，總體趨勢是隨著閥門開度減小，煤粉流量降低。盡管將閥芯一、閥芯二節流面積與閥門開度設計為線性關系，但煤粉流量與閥門開度關系較為復雜。在閥門開度分別為40%～**、60%～**范圍內，煤粉流量變化程度不大，分別僅為94%和93%。只有當閥門開度調至40%以下，即節流相對面積較小時，煤粉流量的調節才表現出較為**。這一方面展現出不同于均相流動系統的高濃度氣固兩相流復雜的流動特性，另一方面狹窄的閥門調節范圍將給工程操作帶來不便。為了滿足工藝需求，對閥芯結構進行了優化設計，提出閥芯三的特殊結構，并對其性能進行了綜合測試研究。表3給出了使用三種閥芯，分別在不同的閥門開度下煤粉流量的具體數值以及流量變化率。在閥門開度為20%～**范圍調節時，三個閥芯對應的流量變化范圍分別為79%～93%、51%～90%和50%～96%。可見閥芯三表現出**的流量調節性能。
表3 煤粉流量變化率

實驗過程中還關注了煤粉輸送固氣比變化。所謂輸送固氣比是指固體的質量流量與輸送氣體的體積流量(或質量流量)之比，是體現輸送系統中固體物料濃度高低的一個重要參數，也是決定輸送方式、輸送能力與輸送經濟性的一項重要指標。圖3給出了三種閥芯下固氣比隨煤粉流量的變化。

圖3　固氣比隨煤粉流量的變化
由圖3可以看出，同一閥芯，隨著煤粉流量的增大，輸送固氣比近似呈線性增大；在相同煤粉流量下，三種閥芯閥門輸送時的固氣比大致相等，表明閥芯結構的改變對輸送固氣比基本上沒有影響。
2.1.2　輸送穩定性
工業上一方面期望煤粉流量調節閥能適度、靈活地調節煤粉流量；另一方面要維持輸送過程穩定，從而確保氣化爐安全平穩運行。實驗過程中，為了對輸送過程的穩定性有一個量化的比較，采用了對壓力波動信號求“均方根/平均值(std/mean)”的方法來計算整個輸送過程中穩定段的壓力波動的情況。
圖4給出了水平管上隨節流面積變化的std/mean值。

圖4　隨節流面積變化的std/mean值
圖4中：std為樣本標準差，它描述了樣本值關于平均值是怎樣變化的，其值越大，表明偏離均值的幅度越大；mean為時間序列的壓力數據的總體平均值；std/mean值越大，其壓力脈動越大、穩定性越差。
由圖4可以看出，在相等節流面積下，閥芯三輸送時壓力信號的std/mean值最小，說明了閥芯三輸送穩定性**。但總體趨勢上，壓力信號的std/mean值隨節流面積的減小而增大，說明了閥門雖然依靠降低開度限制了煤粉流量，但是輸送穩定性逐漸變弱。
2.1.3 閥門壓降
管道的阻力特性是氣力輸送技術研究的一個重要方面。管道設置煤粉流量調節閥，必然會增大煤粉輸送阻力，消耗輸送能量。圖5給出了閥門壓降隨閥門開度的變化。

圖5 閥門壓降隨閥門開度的變化
由圖5可以看出，閥門壓降隨閥門開度的減小而增大。在相同的閥門開度下，閥芯二壓降高于閥芯一壓降，這是因為處在同一開度下，閥芯二的節流面積小于閥芯一的節流面積。因此，在同一開度下，閥芯二阻力高于閥芯一阻力。表4給出了三個閥芯在不同開度下閥門壓降與水平管單位管長壓降對比。
表4　閥門壓降與單位管長壓降對比


結合表2和表4可以看出，閥門開度變小，雖然其調節流量的幅度增大，但是閥門壓降也會增大。在閥門處于全開的情況下，閥芯三閥門壓降最小，僅相當于水平管單位管長壓降3倍，結合圖4可以看出，此時閥芯三輸送穩定性也**。
2.2 閥門調節氣對煤粉輸送的影響
閥門調節氣的作用是防止煤粉在閥門調節過程中沉積在閥腔內，以致阻礙閥芯運動。
圖6給出了不同調節氣氣量下煤粉流量與閥門開度的關系。

圖6　煤粉流量與閥門開度的關系
由圖6可以看出，在保持其它操作參數不變的情況下，調節氣氣量占輸送氣量的比率由9%增大到17%時，煤粉流量相差不大，**變化幅度小于3%。這說明調節氣氣量對固體流量的影響弱于對氣體流量的影響。
3 結束語
本文在工業輸送規模的煤粉密相輸送實驗裝置上，對新型煤粉流量調節閥的綜合性能進行了研究。其主要結論是：不同閥芯結構的閥門對煤粉流量限流作用不同。閥芯一、閥芯二及閥芯三全開輸送時，煤粉流量分別相當于未安裝閥門輸送時煤粉流量的93%、90%以及96%；不同閥芯結構的閥門對煤粉流量調節作用不同，在閥門開度為20%～**范圍調節時，三個閥芯對應的流量變化范圍分別為79%～93%、51%～90%和50%～96%。不同閥芯結構的閥門對煤粉輸送固氣比基本沒有影響，同一閥芯，隨著煤粉流量的增大，輸送固氣比近似呈線性增大。不同閥芯結構的閥門對煤粉輸送穩定性影響不同，在相等節流面積下，閥芯三輸送穩定性**；同一閥芯，隨節流面積的減小，輸送穩定性變弱；相對于閥芯一、閥芯二來說，閥芯三為優選的閥芯結構，其對煤粉流量輸送穩定性**、調節范圍最寬。
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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設備有限公司