煤粉物料特性

固体颗粒的粉体性质如粒径粒径分布颗粒形状颗粒密度含水率等都是影响固体颗粒的粉体力学特性（如休止角内摩擦角壁摩擦角滑动摩擦角等）颗粒群聚集特性流动特性和料斗流型的重要因素，因此有必要在研究两相流系统时全面了解固体颗粒的力学性质。干煤粉加压密相输送是干煤粉气流床加压气化的关键技术之在干煤粉加压密相实验研究的过程中发现，煤粉的粒径及粒径分布含水率及煤粉的种类等对煤粉的流动特性有着相对明显的影响，因而在研究煤粉的加压密相输送的过程中，了解各项因素对煤粉的流动特性的影响趋势非常重要。研究煤粉的流动特性主要采用试验方法，其试验方法也有多种，最常用的最直接的方法是测定煤粉的屈服轨迹，从中得出相关参数来评价煤粉的流动特性。本文利用ＪＥＮＩＫＥ剪切测试方法测定种不同煤种煤粉的抗剪切强度，得出煤粉的流动函数及其煤粉物料特性流动性参数，并研究了煤粉的含水率粒径及粒径分布表面特征等因素对煤粉流动往的影响。

研究结果表明，相同的煤种，相似粒径分布的煤粉，随着含水率的增加，其流动函数值不断减小，流动能力变差；对同一种煤的个不同粒径分布的煤粉试样的试验结果表明，随着煤粉中细粉含量韵增加，煤粉的流动函数值变小，粘性增加，流动能力变差；研究煤粉物料特性还发现，在其煤粉物料特性条件类似的情况下，煤粉表面结构的差异对煤粉的流动性也有非常显著的影响。本文的研究以兖州煤大同煤神府煤及混合煤为对象，研究各项因素包括水分煤粉的粒径分布及煤粉的种类对煤粉的粉体力学性质及流动特性的影响，对超浓相气固两相流动加压密相输送试验具有指导性意义，为煤粉的稳定安全的输送及料仓的合理设计提供可靠参数。

研究生签名：埠蚰叠导师签名：章绪论章绪论§．课题研究背景能源是人类社会赖以生存社会发展最根本的物质基础，当今世晁的可用能源主要包括化石能源（如煤炭石油和天然气）可再生能源核能等。

箍着我国现代化建设的迅猛发展，能源需求量越来越大，虽然煤炭含量比较丰富，但我国的石油天然气储量非常有限。我国（像大庆胜利等油田）出产的原油虽然含硫很低，后处理工艺较简单，是世界上公认的优质油，但是储量和开采量已经远远不能够满足我国ＧＤＰ的快速发展。为了弥补我国石油天然气的不足，与其进口，不如好好开发我国的煤炭资源，我国的煤炭资源丰富，如果把煤炭高效清洁的利用起来，可以基本缓解我国能源紧张的局面。但是煤炭中有含有大量的硫磷等有害物质，燃烧于众多的人口，按人均计算我国的煤炭资源并不富裕，因此我们更应安全有效地利用煤炭资源，以保证我国国民经济能够长期协调可持续发展。洁净煤技术正是解决这个难题的好办法！采用“以煤代油以煤制油”的办法，可以弥补我国石油天然气短缺的不足，可以把煤炭进行大规模高效气化。

大规模高效煤气化技术是发展煤基化学品生产煤基液体燃料（合成油品甲醇二甲醚等）先进的ＩＧＣＣ发电多联产系统制氢燃料电池直接煤粉物料特性还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的公共技术关键技术和龙头技术，对保障国家能源战略安全具有重要意义。但对于煤的大规模高效气化，并不是简单的与设备尺寸的大型化划等号，而是必须在有限的设备尺寸的基础上，实现大规模的粉煤的高效气化，其主要的途径是增加单位时间单位体积的处理能力和处理效率，对于高压气化，要求煤粉必须在比气化压力更高的压力下进行输送，另一方面，气流床粉煤气化技术先进工艺指标的要求，进入气化炉的粉煤中必须夹带尽可能少量的惰性气体（Ｎ。在煤粉超浓相气固两相流流动的实验过程中发现，当煤粉的含水率增加时，管道中的某些位置会出现不同程度的堵塞现象。在干煤粉加压密相实验研究的过程中，发现，煤粉的粒径及粒径分布含水率及粉体颗粒的种类等对煤粉的粉体力学性质和流动特性有着显著的影响。因而在研究煤粉的加压密相输送过程中，了解各项因素对煤粉的流动特性影响趋势非常重要，也为料仓的设计提供设计数据。

世纪年代以来，Ａｚｉｚ和Ｋｌｉｎｚｉｎｇ将粉体力学理论引入到煤粉输送的研究中，认为吸附性粉体柱塞输送存在两种壁剪切应力：一是经典壁摩擦力，为柱塞重量与滑动摩擦系数之积；其二是粉体力学壁摩擦力，可由吸附性强的Ｍｏｌａｒ应力圆决定。在模拟结果和试验结果相吻合的情况下发现，在水平管和倾斜管流动中，壁面剪切控制着煤粉的流动，煤粉与壁面的接触面处与被动应力状态，也，径向压实力大于轴向压实力川。

根据资料，以往煤粉物料特性还没有人对中国典型气化煤粉的流动特性进行专门的研究，本课题针对中国的典型气化煤粉（充州煤大同煤神府煤）和金陵热电厂的混合煤（以下简称混合煤），研究粒径粒径分布含水率表面特性的差异对粉体的力学特性（内摩擦角或内摩擦系数有效内摩擦角）粘聚力流动函数值的影响。在粉体流动特性试验中，直接得到的粉体内摩擦角和黏聚力是粉体载荷计算中的重要参数“，是判别煤的流动性能的关键指标。粉体的流动性是粉体力学性能中最主要的性能之在各种粉体操作（特别是在粉体的成型贮存和输送）中有着重要的实际意义‘’。粉体技术也有人称之为颗粒技术，煤粉物料特性作为一个独立学科是在世纪年代以后才形成的”，并在世纪～年代得到了迅速的发展。我国粉体技术形成独立完整科学体系是上世纪～年代，全国从事粉体科技的工作者，做了大量的工作，其标志是年，在中科院过程工程研究所（原化冶所）郭慕孙院士的建议下成立了“中国颗粒学会”，这对促进粉体工程学科在我国的发展起到了积极的推动作用‘。例如：能源土壤原料新材料的合理利用与回收：新结构新功能材料的生产：磨损的防止，环境治理等等都与粉体技术的发展有着极为密切的关系。粉体科学研究的是各个粉体部门中一些带有共性的基础问题，如粉体特性，粉末颗粒尺寸增大或减小，粉末颗粒间作用，粉体与介质的作用，粉体系统内热和质量转移等问题。章绪论粉体技术研究大概包括以下几个方面‘：粉体性质的研究：粉体制备技术方法及设备研究；作为制备粉体主要方法粉碎工程学科分支；粉体工程技术及其优化。其中在粉体性质研究方面主要有三方面的内容：粉体几何性能的测量，粉体颗粒的大小形状及其分布对粉体各种现象的影响至关重要，如：粉体粘附性与粉体的流动性和粉体的形状相关联，粉末颗粒的尺寸形状及分布对粉体的性能有着十分重要的影响；粉体力学，是粉体工程技术中工艺设备及装置设计的理论基础。煤粉物料特性研究单颗粒和颗粒堆积体的力学性质，如粉体的填充性摩擦性黏附性流动性偏析起拱透过性强度硬度腐蚀性等。

粉体力学在料仓设计中的成功应用，可以认为是粉体力学实用的典范；其煤粉物料特性粉末性质研究，如光电比热等物理性质，煤粉物料特性还有粉末颗粒表面特性，如吸附湿润活化催化等。本文对煤粉流动特性的研究主要是基于粉体的极限平衡状态，测定粉体的屈服轨迹，进而研究各项因素对粉体的流动函数及其煤粉物料特性各项参数的影响趋势。文中研究煤粉的流动特性时，并未考虑试验过程中煤粉出现的变形和位移，研究煤粉处于极限平衡状态时的屈服破坏阶段的各项参数值。

§．煤粉的概念和性质粉体是由大量的，基本相同，彼此之间相互接触的颗粒组成的集合体如煤粉泥土谷物水泥面粉及其煤粉物料特性各种粉料及粉状的材料。

组成粉体的颗粒可以是相同的，也可能是不相同的，颗粒之间会有空隙，其中有可能是空气水或者其煤粉物料特性某种胶结物质。煤粉是由大量的，基本相同的彼此之间相互接触的煤颗粒组成的集合体，煤颗粒之间有大量的由于颗粒表面的不平滑或颗粒之间不严密咬合而形成小空隙，空隙中由空气水分及其他某种胶结物质填充。粉体与固体不同，煤粉物料特性具有流动性，但在一定的范围内又能够保持其原有的形状，并对其挡护面能够产生压力，抵抗剪切力的能力取决于所受的压力，不能或不太能够抵抗拉力；粉体与液体又有所不同，液体比粉体具有更大的流动性，液体不能保持固定的形状，抗剪切能力比粉体更小。

§．煤粉流动性的评价方法流动性是煤粉力学性能中最主要的性能之在各种粉体操作（尤其是在粉体的成型，贮存和输送）中有着重要的实际意义。

但是，目前对于粉体的流动性煤粉物料特性还没有一个统一的定义，由于粉体操作的目的不同，其评价方法也各异，也是说，不同的评价方法煤粉物料特性适用的范围不尽相同。关于粉体流动性的评价方法主要有以下几种”：在重力作用的情况下，测定粉体从容器底部开孔流出的速度，或者测定粉体能够流出的最小孔径来评价粉体的流动性ｔｌＯ－ｌｌｉ。而对于流动性差不能从规定的容器中自由流出的粉体，则添加直径为Ｈ的玻璃微珠，以能自由流出时添加的玻璃微珠的质量百分比进行评价。

由于粉体在只受重力的作用下从静止容器底部的孔口流出的最小口径为．ｍｍ，于是又有将筛网当作空３的集合，研究筛网口径于通过筛网质量流量的关系，测定粉体在重力作用下通过筛网时的流出速度，用筛网流动性指数（筛网全通指数）Ｙ来评价粉体流动性的方法０－。，，＝ＷｄＩｐＤ７（－）ｍ其中，ｗ为单位筛网面积的质量流出速度，ｄ为粉体的粒径，ｐ为粉体颗粒的密度，Ｄ为筛网的孔径。测定搅拌粉体时的转矩或贯通一定厚度的粉体层所需要的落差来评价粉体的流动性Ⅲ’利用粉体的填充特性，测出粉体在冲击填充时的压缩度及压缩度的变化过程来定性地描述粉体的流动性ＩｌＯｌ试验结果（图．）表明［６压缩强度小的粉体的流动性较好，进行冲击填充试验前，流动性较好的粉体的堆积密度较大，随着冲击填充的进行，其堆积密度增加较慢，填充曲线的斜度较小，而流动性较差的粉体的堆积密度较小，稍加冲击后，其堆积密度迅速增大，因此在冲击初期填充曲线的斜度较大。测定粉体的屈服轨迹，利用直剪仪测定粉体在不同压力下的抗剪切强度，可以得出粉体的屈服轨迹，从中得出相关参数来评价粉体的流动性ｔ这种试验方法仪器多用ＪＥＮＩＫＥ剪切测试仪，试验结果的重现性好，使用范围较广，而且其评价指标具有明显的物理意义。§．国内外发展状况从上个世纪五十年代起，在国外，由于生产的发展，对料仓内粉状物料的流动性能要求越来越高。

美国很多单位发起并资助“松散物料重力流动”的研究课题，ＪＥＮＩＫＥ负责这一课题并取得了很大的进展，他们成功地制订出了关于粉体流动性能科学的实验方法：在塑性力学的基础上，建立了松散物料的重力流动理论。由ＪＥＮＩＫＥ和他的同事花了九年的时间，在年提出了一套完整实用的料仓设计方法，这在冶金，化工，煤炭等行业中的应用证明这种料仓设计方法是成功的。

粉粒体的流动性能在工程中的应用范围十分广泛，多年来，其他学者也一直在进行相关的研究工作，不断探讨与粉体流动特性相关的课题，研究料仓的设计方法及料仓内架拱不均匀排出鼠洞现象等各种相关闻题的解决。例如：为了防止料仓内出现鼠洞等现象，许多工厂利用充气设备如鼓风机在仓中形成的鼠洞附近充入气体，来破坏粉体的粘性结构，使排料顺畅。ＪａｉｎＡｍｉｔｎ”对来自Ｂｉｌａｓｐｕｒ的煤进行试验，含水率在某一范围之内，随着含水率的增加，煤粉的流动函数不断减小，流动能力变差。从图卜中可以看出，以冲击为主的粉碎机生产的粉体［］的流动性较好，而以研磨为主的粉碎机生产的粉体［］的流动性最差，这是从研磨粉体的方法上来比较粉体的流动佳。通过对原煤粉煤及其煤粉物料特性的不同粒径分布的煤粉进行的试验，发现粉体的内摩擦角和粘聚力也随着含水率的变化而变化，变化曲线如图－：从图卜中可以看到，随着含水率的增加，煤粉的粘聚力先是不断增加，当煤粉中的水分达到饱和后，粘聚力又开始下降，直到最小，此时，煤颗粒间已经不存在粘聚力；随着含水率的增加，煤粉的内摩擦角有不断减小的趋势。

他们利用长江流域规划章绪论办公室科学院为砾石土剪切试验而设计的一台型直剪仪（如图卜，剪切盒直径为毫米，包括上下盒，高为毫米，剪切行程为毫米，利用装有油压表的千斤顶加设载荷，以便掌握试验载荷及其变化的情况。

根据前人的研究资料，众多学者从粉体的角度对众多的粉体的流动性进行了研究，比如水泥面粉砂类碳酸钙粉食盐粉煤灰土和一些针对性的煤粉，但针对典型气化煤种煤粉的研究却相对较少，尤其在于煤粉的气化当中，煤粉的密相输送和储存是生产中相当重要的环节，准确了解气化煤种的流动特性，对煤粉的稳定输送和安全储章绪论存及料仓的合理设计旺”起着非常重要的作用。

而以往料仓的设计基本上是依靠经验，因此，作者在前人的基础上对我国典型气化煤种煤粉（兖州煤大同煤神府煤）和金陵热电厂的混合煤种（以下简称混合煤）的流动特性及各种因素对流动特性的相关参数的影响规律进行了具体研究。§．本文的研究内容我国的煤炭资源丰富，但石油天然气却相对的匮乏，为了有效利用我国的煤炭资源，解决我国石油天然气不足的现状，我国正在自行研究开发粉煤气化技术，为了使粉煤气化的规模达到大型化，在煤粉输送过程中，使用加压密相输送系统，实现高压下的高气固比的煤粉输送。然而在超浓相气固两相流流动系统中，粉体性质如粒径大小粒径分布颗粒形状颗粒密度含水率等是影响其粉体力学特性（休止角内摩擦角壁摩擦角滑动摩擦角等）颗粒群聚集特性和其料斗流型的重要因素。在实际的煤粉超浓相气固两相流流动的实验过程中，当煤粉的含水率增加时，管道会出现不同程度的堵塞现象，影响正常的输送。本文在国家重点基础研究发展计划“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”项目的资助下，以气流床粉煤气化工艺为背景，利用ＪＥＮＩＫＥ剪切测试仪，以中国的典型气化煤粉（兖州煤大同煤神府煤）和混合煤为研究对象，研究粒径粒径分布含水率表面特性的差异对粉体的力学特性（内摩擦角或内摩擦系数有效内摩擦角）粘聚力流动函数值的影响。ＪＥＮＩＫＥ剪切测试仪是定载荷单面剪切试验装置，这种剪切装置比较简单，特别适合低负荷的试验，在粉体试验中这种方法使用得较多，也比较适合室内测试使用。

本章首先对粉体流动性能的测试方法进行了总体介绍，接着详细介绍了ＪＥＮＩＫＥ剪切测试仪，详细介绍了ＪＥＮＩＫＥ剪切测试仪的使用方法和所测得试验数据的处理方法等。