文丘里管结构对高浓度煤粉流动特征及压差特性的影响

刘剀，陆海峰，郭晓镭，刘一，潘响明，龚欣

（华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海市煤气化工程技术研究中心，上海 200237）

引 言

文丘里管作为测量元件在气固流动领域具有广泛的应用。典型代表是用于电厂煤粉流量测量[1-3]。粉煤气化工艺中，文丘里管由于其收缩-扩大的特殊结构，煤粉通过它时能产生较大阻力，因此常将其作为阻力部件用于煤粉进入气化炉之前的循环标定[1]。Shell 粉煤气化技术即是这一典型代表。同时，文丘里管直接引入输送管线中，可大大降低煤粉流量，满足小流量的工艺要求，这一技术被Guo 等[4]在中试现场采用。然而，由于缺少对高浓度气固两相流在文丘里管内的流动特性的认识，对应于不同规模装置的煤粉流量和气化炉压力，结构参数变化如何影响煤粉流经文丘里管的流动特征以及压差特性还不得而知。

过去的30年，Lee 等[1]、Payne[3]、Shaffer 等[5]、Doss[6]、王文琪等[7]、Azzopardi 等[8]、Giddings 等[9-10]对文丘里管的结构参数影响进行了一系列研究。对于收缩角，选择过大可能降低流动的阻碍，选择过小可能增加收缩段的压力损失，Lee 等[1]建议收缩角小于美国机械工程师学会（ASME）确定的单相流测量设计标准10.5°。气固混合物在喉段上的运动形式很少会被关注。王文琪等[7]指出，当喉段长度较长时，颗粒在喉段的加速更充分，有利于流量的稳定测量。对于节流比，一般认为它越小，压差比越大，文丘里管压力损失越高，大部分研究者（Z＜1.6 kg·kg-1）集中在节流比为0.4～0.7。最后对于扩张段，普遍认为颗粒经过喉段后的速度较快，迅速逃逸出文丘里管出口。王文琪等[7]指出，扩张段压差很小，流动具有不稳定的特征。Payne[3]指出，对于相同粒径的颗粒，文丘里管总压差与扩张角的关系随气速不同而不同。较小的气速下，出口角度降低，总压差减小；较大的气速下，出口角度似乎对总压差影响不大。而当出口角度变得很小时，管壁摩擦变得重要，扩张段摩擦损失增大。Azzopardi等[8]和Giddings 等[9-10]也在各自的系统内得到类似的结论。对比多位研究者的系统，扩张角大多集中在4°、3°和1°。然而，他们大多采用文丘里管测量电厂煤粉流率，研究体系多为常压、稀相的气固两相流，与本研究体系（系统压力高至1500 kPa，体积固气比高至600 kg·m-3）存在较大区别，但其设计依据仍值得参考。

对高压、高浓度煤粉流过文丘里管的研究鲜有报道。Lu 等[11]在低压系统（＜100 kPa）内通过引入附加压差法建立了煤粉流经文丘里管的压差模型，并依托模型分析了不同结构下文丘里管的整体阻力特性。Liu 等[12]在高压系统内进行了高浓度煤粉流经文丘里管的实验，实验揭示了颗粒与颗粒、颗粒与流道边壁的碰撞以及摩擦，颗粒与气体之间复杂而剧烈的动量交换使得煤粉流经文丘里管后产生了较大的阻力损失，两相流压强、速度变化较大，各段流动形式极为复杂。然而Liu 等的研究只限于一种文丘里管结构，高压、高浓度特点下结构变化后煤粉存在对文丘里管内气流场的效应还不明确，迫切需要开展这方面的实验研究，揭示结构参数变化对煤粉流经文丘里管的流动特征及其压差特性。

本研究通过搭建的实验平台，以一种文丘里管结构为基础，变换多种结构，进行了高压、高浓度煤粉流经不同文丘里管的系列实验研究。实验结果描述了煤粉流经文丘里管的流动特征，通过调控进入文丘里管的气固初始输送特征参数全面揭示了煤粉流经不同文丘里管的流动特征，同时通过对大量实验数据的分析、整理获得了高压、高浓度煤粉流经不同文丘里管的压差特性，最后通过对比不同节流比对输送系统的影响进一步认识了文丘里管在输送系统中的作用。

1 实验部分

1.1 实验介质

本研究以压缩空气或高压N2为输送载气，以北宿烟煤为输送介质，煤粉基本物性数据见表1。

本实验的煤粉属Geldart C 类粉体，容易团聚[13]。同时颗粒粒径较小，而且比表面积大。由于煤粉高度的非球形和粗糙性，在变截面流场内对输送载气的跟随性比同样尺寸的球形颗粒好，其运动极易受流场压力变化影响，也会受流场速度变化影响。另外，本系统采用span 定义煤粉的粒径分布宽度[14]，span 值为3，大于1，说明较大颗粒与较小颗粒粒径差随平均粒径的相对变化大，煤粉具有宽粒度分布。不同粒径煤粉受到的气动阻力不同，煤粉对流场的影响复杂多变，只能通过实验研究其影响规律。

表1 北宿烟煤物性参数Table 1 Physical properties of Beisu coal

图1 高压高浓度煤粉流经文丘里管系统Fig.1 Schematic diagram of gas-coal mixture through Venturi system under high pressure and concentration

图2 文丘里管结构Fig.2 Schematic diagram of Venturi structure

1.2 实验装置与流程

实验平台为安装文丘里管的高压下的粉煤密相气力输送系统，具体流程如图1所示，主要由气源、发料罐、接料罐、管线、文丘里管、阀门、测量仪器、除尘器、DCS 监测控制和数据采集系统等单元组成。

文丘里管安装在竖直上升管线，为不锈钢材质，由收缩段、喉段、扩张段3 部分组成。表2为文丘里管结构参数。如图2所示，在文丘里管上游、下游以及内部分别布置测压点，依次标记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7测量文丘里管沿程压力，在P1-P2、P2-P4、P4-P5设置压差传感器测量文丘里管各段压差，P1-P5表示文丘里管总压差，各测点位置的距离单位为mm。本系统采用的文丘里管结构参数见表2。

表2 文丘里管结构参数Table 2 Structural parameters of Venturi

如表2所示，在本系统内，以1#文丘里管为基础结构，分别增设2 个收缩角（2.5°和9°）、2 个扩张角（2.5°和13°）、2 个节流比（0.55 和0.7）以及2 个喉段长度（23d和80d），以此研究结构参数变化对文丘里管流动特征以及压差特性的影响。

表3 本系统运行参数的实验范围Table 3 Experimental ranges of system operating parameters

本系统属于典型的高压高浓度煤粉输送系统，系统内布置了压力传感器、固体质量流量计等测量仪器，详细的操作方法和测量手段可以见丛星亮 等[15-16]的工作。运行参数实验范围以及文丘里管特征参数实验范围见表3和表4。确定这些特征参数的方法与龚欣等[17]和董卫宾等[18]工作中的方法相似。与Cong 等[15]类似，给出质量固气比表示文丘里管系统内的煤粉浓度（不随压力、位置变化）。同时在高压系统内考虑气体压缩性，采用体积固气比更能给出煤粉颗粒存在对文丘里管流动的影响，因此以下分析中将体积固气比近似为煤粉浓度，以分析煤粉流经文丘里管的流动特征以及压差特性。

表4 煤粉流经文丘里管特征参数的实验范围Table 4 Experimental ranges of Venturi characteristic parameters

2 结果与讨论

2.1 高浓度煤粉流经文丘里管流动特征

高浓度煤粉流经文丘里管的流动特征可以通过文丘里管内的压力分布给出。图3给出了典型的煤粉流经文丘里管的压力分布。同时按照文丘里管各部分的结构形式不同，煤粉流经文丘里管的流动划分为4 部分，分别为收缩段、喉段、扩张段、流出扩张段，并依次标记为①、②、③、④。

由图3可以看出，煤粉混合物流经文丘里管时，沿程各测压点压力依次衰减，而且在各段衰减程度不一。以图3工况为例，气固混合物经过文丘里管收缩段，压力从进口的705 kPa 衰减至喉段进口的465 kPa，其次在喉段压力衰减161 kPa，最后在扩张段后压力衰减101 kPa。各段压力衰减比例依次为53%、34%、13%。当煤粉混合物逃逸出文丘里管 出口，流经文丘里管出口第2 个测压点P6时，压力还有小幅度的回升，即使是到达文丘里管下游P7处，流动仍然未稳定，静压一直上升。

图3 煤粉流经文丘里管的压力分布特征Fig.3 Pressure distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

典型煤粉流经文丘里管的压力分布特征与煤粉在文丘里管内的压差损失机理紧密相关。煤粉混合物首先流经收缩段，由于流道收缩，气体加速并带动颗粒加速，同时加速的颗粒与颗粒相互间以及与壁面的碰撞作用使得在收缩段静压下降明显。煤粉混合物继续流经喉段后，颗粒由于惯性能在刚进入喉段时保持一定速度，但本系统采用的是细颗粒煤粉（平均粒径42 μm），大部分煤粉颗粒还是能很快响应气体流场。随着在喉段流动发展，气体持续加速颗粒，两相产生动量交换，高速的煤粉混合物同时产生煤粉-煤粉、煤粉-壁面的摩擦和碰撞作用，使得煤粉混合物流经喉段的静压下降明显，喉段表观气速有所增大，煤粉浓度有所下降，如图4和图5所示，这也区别于Doss[6]、Azzopardi 等[8]对于稀相以及气相在喉段的气体速度基本不变的研究。由于缺少收缩段流道收缩时较强的加速颗粒效应，喉段的压力损失相对收缩段较小，因此气体速度、煤粉浓度变化也相对收缩段较小。煤粉混合物继续进入扩张段，气体速度迅速减小，而颗粒还能继续保持其速度逃逸出扩张段[6,10]。但不可否认的是，由于高压下两相间的动量交换作用更强，同时由于煤 粉在扩张段的浓度仍然较高，颗粒间的相互作用以及与壁面的作用依然剧烈，使得在扩张段内也会出现从压力回复到压力损失的过渡。当输送量较高时，扩张段压力变化迅速从压力回复变为压力损失[10]。因此，当煤粉混合物流经扩张段时，气体密度持续降低，煤粉浓度持续下降。煤粉流出扩张段，由于在扩张段气体的减速程度也远大于固体颗粒[6-10]，导致煤粉混合物流出扩张段后迅速减速至气体速度，造成静压一直上升，气体密度因此增大，气体速度减小，煤粉浓度增大。

图4 煤粉流经文丘里管体积固气比分布Fig.4 Volumetric loading ratio distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

图5 煤粉流经文丘里管表观气速分布Fig.5 Superficial gas velocity distribution characteristic for gas-coal mixture flow through Venturi

2.2 不同结构对高浓度煤粉流经文丘里管流动的影响

2.2.1 沿程流动参数分布 保持相近的初始流动参数（进口气速、进口体积固气比接近），对比不同结构参数变化后文丘里管沿程流动参数分布特征。同时采用量纲1 化处理，图中的各点压力为沿程压力与进口压力（P/P1）的比值。

图6给出了典型的煤粉流经不同结构参数的文丘里管沿程量纲1 化压力分布。同时表5给出了比较这些分布时对应的进口条件。由于不同节流比下的进口压力差别较大（进口压力335～1010 kPa），为更清晰地给出节流比变化带来的流动特性差异，不进行量纲1 化，直接给出了不同节流比下文丘里管沿程压力分布。

表5 不同结构参数的量纲1 化压力分布的进口条件Table 5 Inlet conditions of non-dimensional pressure distribution characteristic for different structural parameters

由图6可以看出，除节流比外，不同结构参数虽然在各段压力分布程度不尽相同，但总体压力分布趋势接近。不同节流比下，虽然压力分布总体趋势仍然相似，但在文丘里管各段却大不相同。由图6可以看出，相比其他3 个结构参数，节流比对文丘里管内的压力分布影响最为显著。

2.2.2 压差特性 为更清晰与全面地分析不同结构参数对文丘里管内流动特征的影响，同时流动特征又与压差特性紧密相关，以下给出不同实验条件下各结构参数的压差特性，以更好地揭示不同结构参数对文丘里管内流动的影响。比较的方法是保持进口气速相同（4.5 m·s-1），通过不断增加煤粉浓度来比较不同结构参数下各结构序列的相应段压差以及总压差。

（1）收缩角 图7给出了不同收缩角的收缩段压差及总压差。可以看出，随进口体积固气比增大不同收缩角下的收缩段压差及总压差都增大。2.5°的收缩段压差最大，9°和5°的收缩段压差接近。由于收缩段压差并不主导总压差，对于本收缩角范围内的改变，总压差变化不大。

图6 不同结构参数的量纲1 化文丘里管沿程压力分布特征Fig.6 Non-dimensional pressure distribution characteristics along Venturi for different structural parameters

图7 不同收缩角的收缩段压差及总压差Fig.7 Convergence section and total length pressure drop in different convergence angles

分析产生上述结果的原因，2.5°收缩角系列的文丘里管在收缩段压力衰减最大。5°的文丘里管压力衰减略大于9°，两者接近。Payne[3]曾指出，收缩角减小，压差比增大。这是由于，收缩角减小，流动长度增加，颗粒响应气体速度的程度增强。在本 体系中，收缩角从5°减小至2.5°，收缩段长度大幅增加约52 mm，近1 倍，煤粉颗粒可加速时间变长，与流道摩擦的长度增大，因此2.5°压力损失最大。而从9°减小到5°，收缩段长度只增加了13.7 mm，而且较大的角度在一定程度上会使煤粉颗粒对管壁的撞击增强。Shaffer 等[5]曾建议，为减小煤粉颗粒对管壁的冲击，测量稀相气固流量的文丘里管收缩角度应小于ASME 为纯气相设计的10.5°。本体系中，5°和9°的收缩段压差差别接近，一定程度上可能是由于对管壁的冲击在煤粉浓度较高时作用更明显，抵消了由于9°收缩段长度较小而带来的煤粉颗粒随气体加速的压力损失减小的缘故。

图8 不同扩张角的扩张段压差及总压差Fig.8 Diffuser section and total pressure drop in different diffuser angles

（2）扩张角 图8给出了不同扩张角的扩张段压差及总压差。可以看出，扩张段压差及总压差都随进口体积固气比增大而增大。2.5°和13°的扩张段压差接近，8°的扩张段压差最小。由于扩张段压差占总压差比例较小，在本研究扩张角变化范围内扩张角改变对总压差的影响很小。

分析产生上述结果的原因，当扩张角从8°减小至2.5°时，流动长度明显增长，摩擦损失增大，扩张段压力损失增大。Azzopardi 等[8]曾指出，当扩张角特别小时，管壁摩擦变得重要，扩张段压差增大。当扩张角从8°增大至13°时，扩张段压差增大。这可以理解为，煤粉颗粒与气体动量交换的时间变短，颗粒减速的程度降低。Payne[3]、Azzopardi 等[8]指出，对于小粒径颗粒，当扩张角不是很小（＞3°）时，扩张段压差随出口角度增大而增大。本研究的结果与他们的结论类似。

（3）节流比 图9给出了不同节流比下的文丘里管压差特性。在图9(d)中增加了直管压差（节流比为1），以作对比。与流动特征规律相似，节流比变化显著改变了高浓度煤粉流经文丘里管的压差特性。节流比变小，各段压差以及总压差明显增大。

这可以解释为，煤粉混合物首先进入收缩段，节流比增大后，流道长度明显减小，煤粉颗粒受到气体加速的时间变短，同时高浓度下煤粉间的作用以及煤粉与管壁的碰撞因流道长度减小而减弱，因此节流比为0.7 的收缩段压差较小。随后煤粉进入喉段，大节流比的喉径较大，喉段气速较低，煤粉与管壁以及煤粉间的碰撞、摩擦作用大大降低，喉段压差明显降低。进入到扩张段，节流比为0.4 的扩张段压差明显大于其他2 个节流比系列，这可能是由于小节流比下喉段出口压力仍然很高，煤粉流经扩张段内的气体密度仍然很高，颗粒阻力系数降低，颗粒更容易被气体加速，颗粒间的动量交换更加频繁[19]。虽然煤粉流经喉段出口的颗粒速度已很高，但仍能进一步受到气体加速的作用。反观大节流比，由于在扩张段进口的气体密度较低，煤粉基本不受气体加速影响，加之流道变短，煤粉更快地流过扩张段，因此扩张段压差较低。王文琪等[7]在低压、稀相气固流经文丘里管时发现扩张段压差很小。本体系下，大节流比下的扩张段进口的压力较低，气体与固体的动量交换更少，与王文琪等类似，因此也出现了相同的扩张段压差特性。同时，由于小节流比的扩张段长度最长，喉段出口速度最大，因此煤粉流经扩张段的摩擦、碰撞作用最大，扩张段压差明显增大。Payne[3]曾指出，当扩张段长度较长时，摩擦损失变得重要，扩张段体现为明显的压力损失。

（4）喉段长度 图10给出了不同喉段长度下的文丘里管压差特性。由图10可以看出，随体积固气比增大，喉段压差以及总压差增大，而且喉段长度越大喉段压差越大。由于喉段压差只占总压差 的一部分，并不主导总压差，因此在本体系喉段长度变化范围内，喉段长度增大后，对总压差的改变不大。

图9 不同节流比的各段压差及总压差Fig.9 Each section and total pressure drop in different diameter ratios

图10 不同喉段长度的喉段压差及总压差Fig.10 Throat section and total pressure drop in different throat lengths

这是由于480 mm 喉段长度的喉段最长，煤粉与管壁以及煤粉间的摩擦、相互作用更强，因此其喉段压差最大。王文琪等[7]、Shaffer 等[5]曾指出，对于长喉段长度的文丘里管，煤粉流经具有流动损失，故而需减少喉段长度。

图11 不同结构的文丘里管总压降与固相动量通量的关系Fig.11 Relationship between total pressure drop and solid momentum flux in different Venturi structures

稀相流量测量过程中，喉段长度无特殊说明，比较各研究者的实验体系，喉段长度大多采用0.5d或1d，最大不超过10d。而在本研究过程中采用的喉段长度远大于稀相，这是因为一方面采用长喉段长度时煤粉颗粒在高速运动下的流动损失更大，达到“降压”的效果，另一方面煤粉颗粒进入喉段后加速更为充分，流动更为稳定。王文琪等[7]和吴占松等[2]分别通过实验和数值模拟的方式也认为喉段长度的适当增大有利于增大测量的稳定性。对比本研究体系结果表明，延长喉段长度确实能增加喉段压力损失，但对总压降增长不大，因此可适当减小喉段长度。同时文丘里管内部由于高浓度两相流的冲击，需采用费用较高的耐磨材料内衬。缩短喉段长度也能减少耐磨材料的使用，降低工业成本。

2.3 高浓度煤粉流经不同结构文丘里管的压降经验方程

Geldart[20]曾引入固相动量通量（GpUg），用来建立密相输送过程中煤粉起始加速的压降以及流经弯管的压降。采用上述思想，图11给出了一定固相动量通量的煤粉流经不同结构的文丘里管所产生的压降，以进一步量化不同结构参数对文丘里管流动的影响。

由图11可以看出，不同结构参数下文丘里管总压降随固相动量通量增大而增大。一定固相动量通量下，节流比改变文丘里管总压降最为显著。其他结构参数下，文丘里管总压降改变不大。

依托本实验系统的大量实验数据，以文丘里管总压降为等式左边，以节流比、收缩角、扩张角、长径比、固相动量通量为等式右边，通过数据拟合获得本系统内不同结构下的煤粉流经文丘里管的压降经验方程，如式(1)所示。相关系数R2=0.96。

将式(1)进行化简，得到本系统内不同结构下的煤粉流经文丘里管的压降经验方程的最终形式，如式(2)所示。

图12给出了采用式(1)计算得到的文丘里管总压降与实际压降对比。由图12可以看出大部分实验点的计算偏差在30%以内，说明本研究获得的不同结构下煤粉流经文丘里管的压降经验方程具有较好的适应性。

图12 不同结构文丘里管总压降的实验值与计算值的比较Fig.12 Comparison of experimental and calculated total pressure drop for different structures of Venturi

3 结 论

高压、高浓度煤粉流经基础结构的文丘里管时，流动特征表现为内部压力、体积固气比沿程衰减，而且在各段衰减程度不一，在收缩段压力衰减程度最大，其次是在喉段，最后是扩张段。本研究通过新增8 个文丘里管结构分析了结构参数（收缩角、扩张角、节流比、喉段长度）对高浓度流动特征以及压降特性的影响，得到如下结论。

（1）不同结构参数下文丘里管沿程量纲1 化参数分布的总体变化趋势仍与基础结构的相似，但是各段压力变化程度不尽相同。随煤粉浓度增大，总压差及相应段的压差增大。

（2）节流比影响文丘里管的压差最直接。节流比减小，文丘里管总压差增大，扩张段的压差显著增大。收缩角、喉段长度、扩张角的改变对总压差影响不大。2.5°收缩角的收缩段压差最大，本体系下5°和9°的收缩段压差基本接近。8°扩张角的扩张段压差最小。80d喉段长度的喉段压差最大。

（3）通过引入固相动量通量获得了本系统内的煤粉流经文丘里管的压降经验方程。绝大部分实验点的计算偏差在30%以内，方程计算效果较好。

符 号 说 明

D——输送管径，mm

d——喉径，mm

dp——颗粒粒径，μm

Gp——煤粉质量通量，kg·m-2·s-1

Gs——煤粉输送量，kg·h-1

Lt——喉段长度，mm

Mg——输送气量，kg·h-1

MC——煤粉湿含量，%

P——测压点压力，kPa

ΔPc——收缩段压差，kPa

ΔPd——扩张段压差，kPa

ΔPS——输送压差，kPa

ΔPT——文丘里管总压差，kPa

ΔPT,cal——文丘里管总压差计算值，kPa

ΔPt——喉段压差，kPa

SA——比表面积，m2·g-1

span——粒径分布宽度

Ug——表观气速，m·s-1

Z——体积固气比，kg·m-3

Z′——质量固气比，kg·kg-1

β——节流比

θ1——收缩角，（°）

θ2——扩张角，（°）

ρb——堆积密度，kg·m-3

ρp——颗粒真实密度，kg·m-3

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