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1、飞灰管道输送系统综述VKAgarwal DMills关键词：水力输送 气力输送 飞灰 发电厂 物料负荷比 能耗 地下填坑1前言管道输送系统理想地适用于输送飞灰。输送的物料完全被系统和管道封闭，因而产生粉尘的危险最小。整个输送系统可以设计成无运动机件，而这对往往是磨削性物料的飞灰特别有利。在工厂布置和运转上可以相当灵活，如能做到将多点来料喂入一公用管道内，而单根管道能向几座料斗排料。管道走向可以水平和垂直上下，利用弯管可以适应单管在任意方向的组合。本文主要针对水力和气力输送系统，按照运转参数，输送距离、飞灰流量和能耗等对潜力作比较。也考虑到特殊应用，如电厂的集灰，长距离输送和地下填坑等。2管道系
2、统管道输送系统可以分成许多不同的类型。涉及两种不同的物料移动机理和采用了两同不同类别的工作流体。这类输送系统通称“货运管道”a，将其概括如图1所示。对于飞灰的输送，由于它是惰性物料，通常水是唯一用于水力输送系统的液体，而空气则是气力输送系统唯一的气体。水力和气力管道系统早已在全世界用于飞灰输送。虽然容器管道系统发展很快，而且以很简单的管道分段方法作长距离输送，但几乎未应用于飞灰。或许它是一门正等待恰当应用的技术，但不在本文考虑。维查K阿加沃博士是印度德里印度技术学院的首席设计工程师。他深入地研究了气力输送的不同方面，并且与印度工业领域有紧密的联系，尤其在热电厂方面。阿加沃博士已经在他的实验室建
3、立了一条工业规模的气力输送试验工场。其中有两条气动滑道传送机；一条长8米，另一条长18米，用来研究物料的流态化运动输送模式。他最近主要研究印度政府于1995年建立的飞灰的安全处理和利用项目。阿加沃博士在印度技术学院取得了硕士和博士学位，在 国际刊物杂志和会议上发表了很多论文。David Mills有着30年气力输送飞灰和类似物料的经验。1973年他取得这方面的PhD学位后，一直在此领域工作，先后在伦敦Greenwich大学和苏格兰格拉斯哥Caledonian大学任教授，1997年开始他成为独立的顾问。他经常同Dr.VK Agarwal一道工作达25年，从事顾问咨询和研究，作短期讲课并合著几本有
4、关气力输送的书籍，因此是常去印度的访问学者。3输送能力任何管道输送系统的主要参数之一是空管压降。它是不输送物料时水或空气的压降。流体通过直管的压降可以按Darcy方程确定：（1）式中：压降，摩擦系数，管道长度，密度，速度，管径，此方程可同样用于水和空气。当然，水和空气在性能数值上有着很大差异。水的运动粘性系数比空气的约大15倍。因此，水流的雷诺数高于空气的，从而水的摩擦系数稍低。水的密度比空气的约大800倍。其结果，空气的输送速度高于水的，在式（1）中该项要平方。31输送流体速度输送流体速度的最小值在很大程度上取决于要输送的散料性能，如粒径、形状和密度。它也与输送用流体的密度和物料通过管道的输
5、送模式有关。管道中飞灰的悬浮流动，就空气而言最小输送流体速度一般约为15，而对水来讲则为1.5。这种10：1的相差主要是由于流体密度上有800：1的相差造成。飞灰与水之间密度差相对小，但飞灰与空气之间则相差很大。32输送流体压降式（1）可用于估算输送纯流体管道的压降，这就给出管道的参考值。这是在任何物料可以经管道输送之前所需要的压降。空气的这类数据见图2所示。33输送物料压降虽然对水力和气力输送已进行了相当数量的研究和分析，迄今仍未能将通用模型公式化用以计算粒子流通过管道的压降。装置的制造公司通常建有实验室，可以对要输送的物料进行试验，求出诸如最小输送速度，物料流量和压降等的输送数据。然后将这
6、些数换算到拟议中的设备管道上去。仅仅对清楚了解并已经取得广泛数据的物料，才有可能考虑计算机辅助设计程序，而且只应用于给定的颗粒料。利用获得图2空管数据的相同管道，输送粗粒级飞灰的实验数据见图3所示。如所预料，随管道内物料流量增加，压降也相应增加。纯流体压降线为输送数据提供下边界线，从式（1）可见这大致为平方定律关系。数据的右边在高输送流体流量上基本无限制，但可以看出因为平方定律的关系，物料流量势必随空气流量增加而降低。对于许多物料，最佳输送流体速度接近于可能的最低值，因而是一项重要参数。然而，在系统设计时，必须对此速度加上合理的余量，因为输送流体的速度如下降到物料最小输送速度以下，管道就很可能
7、堵塞。图3的上部也基本上无极限，这通常由所采用的泵或压缩机的能力决定，只要有更高压力可用就能输送更多物料。数据左边的极限表示就最小输送速度而言的最小输送边界，边界的左边通常不可能输送。水力和气力输送在这里存在最重大的差别。图3中，每条等物料流量线终结在约15的输送气速处。这些最小点连线轨迹倾斜的原因是因为空气是可压缩的。水可以作为相当不可压缩的来模型化，因而在与图3类似的图上，终结点是处于恒定的水流量值。这是基本上不考虑压力的情况。从图3可见，对于空气1bar的压降导致流量要加倍才得以保持同样的输送管道进口气速。所以气力输送的操作压力严重受限，即使有高压压缩机可供使用。世界上极少有气力输送系统
8、，以高于6bar的供气压力来输送任何物料到处在大气压力下的接收点。对于水力输送，可供使用的泵压高达150bar，这样的压力能够用来输送物料。34输送距离输送距离的换算参数大致是反比定律模型，因而在给定的管道和输送管压降下，输送距离若加倍则物料流量减半。水力输送飞灰类物料，一般能输送达100km的距离。气力输送当量距离约为1.5km。由图3可见，随着压力提高，输送流体中的物料浓度增大。按反比定律模型，更适用于输送距离的项目是可利用的压力坡度，而对气力输送这很有限。气力输送时，空气中物料的浓度通常由“物料负荷比”来表示，这就是输送物料的质量流量除以输送物料所用空气的质量流量的无量纲比值。气力输送细
9、粒级飞灰时，此物料负荷比对输送管压力坡度的大致影响见图4所示b。它指出了物料通过管道输送的压降单元。必须再加上物料的加速压降和管道的纯空气压降。纯空气压降对长管道可以占到总值的很大比例。输送距离是依据“当量长度”，它等于水平输送距离加上垂直提升和管道中的弯管等部分的修正量。气力输送系统中管道弯管的影响可以很大b。若采用5bar表压力的空气输送飞灰1.5km的距离，输送物料的压力坡度约为3mbar/m，从图4可以看到，能达到的物料负荷比很低。若输送距离相对短，比方说水力输送少于10km和气力输送100m，飞灰能以很高的浓度输送。在水力输送情况下，飞灰浓度可以达到60%左右，这就意味着使用的水大大
10、减少。在气力输送情况下，飞灰可以在物料负荷比远超过50来输送，这极为经济但只能应用于细粒级飞灰。高浓度时，细飞灰能以很低速度流化床流动模式输送，低浓度时则是高速稀相悬浮流动。35物料流量在上述的输送距离界限之内，通过管道可以达到很高的物料流量。要达到更高的物料流量就只需扩大管径：l 有代表性的水力管道系统之一是在美国亚利桑那州的Black Mesa工厂，它于1972年投产，每年将公吨煤（）送到科罗拉多河的发电厂。由此管道运送的煤用来发出1500MW的电力。将煤矿开采的煤，从最小51mm（2英寸）减小到14目（1.17mm）以下。管道内径为450mma。l 于1991年投产的离伦敦向东20km泰
11、晤士河上的船舶卸载装置，是能够由气力输送做到的代表。Castle水泥公司需要每年进口达一百万公吨的水泥。采用单一真空吸嘴以卸载，但考虑到建造单一管道会更花费，决定采用两根管道以每根将水泥输送至离开500m远的料库中d。由于船舶卸载距离相对短，即使是用真空装置也能以很高浓度输送水泥，而单一管道以低于1bar的压降达到，清楚说明其潜力。36能耗由于较高的管道摩擦系数，较快的输送速度，压力受到限制和可压缩性问题，气力输送系统的能耗远高于水力输送的。只有很短的输送距离，一般在100m以下，气力输送的能耗才接近水力输送。Black Mesa系统所需动力总计9585kW，由四座泵站（四座管道站台）中的九台
12、运行泵提供，另有额外的5420kW的备用能力a。输送煤的总距离为439km，因此对而言，这就表示约。虽然Castle水泥系统安装的总动力为3200kW，但运转只需2400kWd。将此系统约的单位电能与上述水力输送系统的比较，几乎要高出140倍。4灰处理的应用为说明管道输送系统对飞灰处理的多用性，举出以下一些用途。41灰斗集灰将燃烧煤粉发电厂内收集在众多灰斗中的飞灰运走是一项主要的设计运用。图5所示为210MW发电机组的典型布置e,f。飞灰完全封闭在管道输送系统内。虽然图5特别举真空输送系统来说明，正压输送系统同样也行。采用多座系统，管道和交叉连接，就有可能变换系统排空任何灰斗，而只要需要，不同
13、粒级的灰可以分别输送。42出厂转运通常利用正压输系统将图5所示中间贮仓的灰运走，因为输送距离一般长达0.8到1.5km。为要提供备用能力，再次采用多座输送系统。具代表性的系统示意图见图6所示f。43长距离输送水力输送早已应用于长距离输送。单级即可能达100km的距离，而利用分级则能将此距离延长更远。气力输送目前的极限是单级输送约1.5km。若要求飞灰在干态下由管道输送更长距离就必须分级，正如水力管道系统一样。对于长距离输送，改善操作并使气力输送更经济的措施是采用大大高于6bar的供气压力。若分级管道系统是按照使每一级管道的输送气速加倍来设计，则每一级管道的工作压力会随压力提高而显著增大，见表1
14、b。此表内容延伸到真空输送只是为了说明之故。举例来讲，输送管进口空气压力为31bar，直到压力下降到15bar才必需有第一次分级，对分级中的这一级管道产生16bar的工作压差。若系统排放到大气压力，则在最后一级管道进口处的压力理应为1bar，工作压力差仅为1bar。图7说明极高压力分级管道系统的后几级速度分布，在此系统中物料以稀相输送。因此，建议对于很长距离的输送系统，沿管道每一级的终端和管道的最终端处，物料应在不低于3bar的压力下排料。利用在高压力而不是大气压力下排料，最后二或三级最大管径的管道就可以省去。比较起来工作压降减少很小，使管道的设计和布置大为简单。44地下填坑在需要长距离垂直向
15、下输送物料的情况下，若仔细选择输送状态，能够产生很高的压力。将飞灰和水泥向下运送进坑道，供地下填充和坑顶支撑用就是特定的例子。在这类情况下，利用物料由于向下输送产生的压力，就可能将物料从矿井底部水平输送几千米的距离。只要在矿井中垂直下降之前的水平输送距离保持相对短，理论上就能以很低的供气压力做到。然而，这里有一个特殊问题是，所产生的压力可以高到以致在随后水平管段中的输送气速低到不足保证输送，管道就会堵塞。既然这样。为了提高输送气速，就要缩小管道直径而不是扩大。水平管段由于是在大气压排料，可按常规需要沿长度扩大管径。这种应用的管道示意图见图8所示f。通过图8所示管道的速度分布示意图见图9，自由空
16、气流量为。设垂直向下流动的最小输送气速约为和水平流动的约为。图中点线代表垂直向下流动而虚线代表水平流动。可以看出输送管进口气压约为表，故只需要容积式鼓风机供气，尽管在随后管道内部产生的压力高达约f。注意在点线和虚线速度分布线上的箭头，指出通过所用各种内径管道的实际流向。5结论管道输送飞灰具有很大的多用性。它们为飞灰提供完全封闭的环境，而且没有运动机件与所输送物料接触。可以有复杂的路径而以单根管道即能多点装载和卸载。利用弯管能做以垂直向上和向下以及水平输送。如有需要，单根管道即能适应任意方向的组合。在运转成本上，水力管道通常比气力管道输送更经济，对长距离输送则更是如此。然而输送距离短时，气力输送的投资
