星型锁气阀是工业中常用的设备[1-2]，该设备运行时通过电机、减速机的传动，驱动内部等分结构的多凹槽叶轮在壳体内旋转。输送粉体时，粉体从料仓经由壳体上部入口进入叶轮的凹槽内，物料随叶轮的旋转到壳体的下部，经由出口卸出，可以按照输送系统的要求均匀、连续地向下卸料[3]。
在煤粉工业锅炉供料系统中，锁气阀的作用包括：1)输送，保证煤粉输送量达到设计值且输送曲线保持稳定；2)密封，利用迷宫格密封的原理，减少空气由高压侧向低压侧的泄露[4]。密封越好，锁气阀受到两侧压力变化影响越小，供料曲线更接近理想曲线。锁气阀通过迷宫格密封的原理起到密封作用[5]，因此在间隙一定的情况下，位于密封面范围内的锁气阀叶片数越多，则密封效果越好。受限于槽深度，锁气阀叶片数量一般不超过14。为进一步提高密封效果，通常以出口挡板的形式增加密封面覆盖范围，但是实际工程应用中发现，当两侧出口挡板遮挡宽度为60%时，锁气阀的最大供料量出现显著减小，同时锁气阀转速提高到一定值后，继续增加转速，供料量不再继续增大。拆除出口挡板后，该问题得到解决。初步判断上述现象是由于出口挡板对煤粉卸出起到了阻碍作用。本文中通过对锁气阀凹槽出料过程的实验研究，探讨各种因素对凹槽运动方向上出料分布的影响，为锁气阀出口挡板的宽度设计提供参考。
1 实验设计
1.1 装置
图1为锁气阀出口部分的结构示意图，凹槽沿着密封面进行匀速圆周运动，且每个凹槽出料规律近似，同时在设置出口挡板时，锁气阀凹槽经过出口时的水平速度分量大于总速度的95%。
图1 锁气阀结构示意图
Fig1 Schematic diagram structure of air lock valve
为便于考察，可以将图1中的结构进行简化，将锁气阀密封面展开为平面，独立制作单个凹槽，得到图2所示的实验装置。该装置使用3D打印机制作，材质为聚乳酸(PLA)，制作精度为0.1 mm。
实验装置中，1为凹槽，按照质量流量为20 t/h的锅炉供料器使用的口径为200 mm的锁气阀凹槽等比例制作；2为密封面滑板，对应锁气阀密封面；3为落料口，是直径为200 mm的圆形；4为分料器，将落料口沿凹槽滑动方向等分为10个等分落料口，每个等分落料口间距为19.3 mm，中间隔板厚度为0.8 mm；5为可拆卸接料器，分别将落入10个等分落料口的煤粉分装；6为仿照工程装置制作的出口挡板。
1—凹槽；2—密封面滑板；3—落料口；4—分料器；5—接料器；6—出口挡板。
图2 锁气阀出料实验装置
Fig.2 Experimental equipment for air lock valve discharge
实验前，使用分析天平(精度为0.000 1 g)称量定量煤粉，填充于凹槽中，保持凹槽口朝上状态，连接密封面滑板和凹槽后，将凹槽和密封面滑板整体倒置并固定在分料器上，达到图2所示的状态。
以不同的滑动速度对应锁气阀不同的转速(或锁气阀变频电机频率)。开始实验后，将凹槽按照一定速度手动沿着密封面滑板滑过落料口，该过程以每秒240 帧摄像记录。将凹槽滑过出料口的距离等分为5段，通过读取凹槽到达每段开始和结尾的时间记录并计算凹槽经过5段的速度，计算5段速度的离散系数，使用式(1)计算滑动速度的离散系数[6]。
(1)
式中：σ为速度的标准偏差，m/s；X为速度的平均值，m/s。
从结果中筛选出离散系数小于0.15的数据组作为有效数据。以该组数据X作为凹槽移动速度。凹槽在经过落料口时，在不同位置落下的煤粉经过分料器的分隔和导流，分别落入10个煤粉接料器中，使用分析天平分别称量实验前后每个接料器的质量，根据差值即可得到凹槽中煤粉出料的空间分布。
1.2 凹槽形态
实验使用3种凹槽，均为工程上较为常见的锁气阀凹槽类型。分别为平底的深槽、W型底的浅槽、U型底的浅槽，其中深槽的容积为377.3 cm3，2种浅槽的容积均为229.8 cm3，3种槽的内部长度均为200 mm，和出料口直径相同。凹槽形态如图3所示。
图3 实验用凹槽形态示意图
Fig.3 Schematic diagram of groove morphology used in experiment
2 结果与讨论
2.1 粉体流动特性
实验用煤粉取自内蒙补连塔矿锅炉房煤粉塔，属于烟煤，与煤粉工业锅炉燃烧使用的煤粉相同。煤粉的流动性对卸料阀进料、出料影响较大，因此首先对粉体特性进行分析。影响粉体流动性的因素很多，包括颗粒的种类、平均粒度、粒度分布、湿含量、颗粒形状、比表面积、密度、存储时间和颗粒间相互作用等[7]。
实验使用的粉体为煤粉，使用Mastersizer 3000粒度仪(英国Malvern公司)测量煤粉粒度分布，结果如图4所示，其中Dv10=6.74 μm，Dv50=36.4 μm，Dv90=92 μm，符合Rosin和Rammler[8]等归纳的关系式，即Rosin-Rammler分布。煤粉比表面积为325.1 m3/kg，湿度为8.7%。
图4 煤粉累计粒径分布
Fig.4 Cumulative particle size distribution of pulverized coal
常见的粉体流动性评价方法包括休止角法[9]、Hausner指数法[10]和Carr流动性指数法[11]。
流动性相关数据使用BT-1001粉体综合特性测试仪(丹东百特仪器有限公司)测量。测量结果为：休止角为52 °，崩溃角为32 °，平板角为56 °，松装密度为474 kg/m3，振实密度为797 kg/m3。
其中休止角法使用单一参数，该煤粉大于40 °按照休止角法属于颗粒规则性很差，流动性差的粉体[12]。
Hausner指数计算方法为：
(2)
式中：ρr为振实密度，kg/m3；ρa为松装密度，kg/m3。
将数据带入式(2)，得到该煤粉HR指数为1.68，属于流动性差、强团聚性粉体。
Carr流动性指数法通过对粉体的休止角、压缩率、平板角、凝集度(或均齐度)等项指标进行测定，将流动性上限定为100分，上述4项每项为7档[13]。流动性指数：
Carr=Ca+Cb+Cc+Cd，
(3)
式中：Ca为休止角分数；Cb为平板角分数；Cc为压缩度分数；Cd为匀集度分数。
根据测量数据查表[13]可得：休止角分数为12，平板角分数为15，压缩度分数为2，匀集度分数为16。带入式(3)，得到流动性指数Carr=45，介于40～59之间，属于流动性较差粉体，容易产生架桥现象。
3种评价方法的结果均表明，该煤粉属于流动性较差，容易团聚、架桥的粉体。结合煤粉粒径分布和湿度可知，占比较高的细颗粒会通过填充在粗颗粒缝隙中的形式，使得煤粉颗粒间的摩擦离增加[14]，同时细颗粒的增加强化孔隙对水气的毛细吸附，使颗粒间的液桥力增大[15]。可以初步判断该煤粉煤粉细颗粒所占比例较高，以及湿度较大是流动性较差的主要原因。
2.2 填充密度影响
使用U型底浅槽，控制其他变量，依次通过实验得到填充密度为350、400、450、500 kg/m3凹槽出料分布曲线，见图5。
图5 不同填充密度出料分布
Fig.5 Discharge distribution of different filling densities
由图可看出，填充密度为350、400、450 kg/m3时，出料空间分布高度相似，仅由于密度增加导致煤粉填充质量增加，导致曲线下方面积增加。
当填充密度达到500 kg/m3时，出料分布曲线明显向后推移。这说明实际填充密度存在一个介于450～500 kg/m3的临界值，大于该值后，凹槽经过锁气阀出口时，煤粉的的卸出速度下降。
该煤粉松装密度测量值为474 kg/m3，位于上述范围内。凹槽经过出料口时，凹槽中的煤粉失去壁面的支撑作用，开始从凹槽中卸出。该过程中，煤粉首先需要克服颗粒间相互支撑和摩擦力。粉体密度小于松装密度时，颗粒之间作用力很小，接近团聚粉体的自由落体状态。而在达到松装密度后，颗粒之间的作用力开始显著增大，破碎的难度上升，从而延缓了粉体的卸出过程，与上述现象相符。因此可以判断该临界值为松装密度。
2.3 凹槽形状
为了考察凹槽底部形状对出料分布的影响，分别取煤粉填充密度<450 kg/m3，滑动速度相近的3组浅-W型底凹槽和3组浅-U型底凹槽实验数据，分别计算每个接料器中煤粉质量的平均值和标准差，结果如图6所示。
图6 不同凹槽形状的出料分布
Fig.6 Discharge distribution of grooves of different shapes
由图可以看出，在没有达到振实密度的前提下，对于中等流动性的煤粉，凹槽底部形状对卸料过程无显著影响。
为了考察凹槽深度对卸料过程的影响，筛选出移动速度相近的的7组深凹槽实验数据和5组浅槽实验数据进行分析，分别对两者取均值和标准差，结果如图7所示。
图7 槽深度对出料的影响
Fig.7 Influence of slot depth on discharge
其中深槽组平均滑动线速度0.410 m/s，浅槽组平均滑动速度0.450 m/s。12组数据煤粉填充密度均≤450 kg/m3，可以看出，深槽和浅槽在前30%的卸料分布规律相近，而后面70%浅槽卸料量“衰减”较早。根据煤粉特性推测，在煤粉填充密度小于松装密度时，深槽中填充的煤粉可以视为上、下2层的叠加状态，下层煤粉对应图7网格状阴影面积，卸料空间分布与浅槽相似。而上层煤粉对应斜线阴影部分，时间上需要在下层煤粉落下后才能进入出料口，因此空间上就会位于落料口的后侧。
由此可以推断，在松散装填工况下，增加锁气阀凹槽深度，会使凹槽出料曲线的右侧部分平行向右上方扩张，且曲线下的阴影面积的增加值与凹槽容积的增加值相等，完全卸料所需出口宽度增加。
2.4 凹槽移动速度
为了考察凹槽移动速度，即锁气阀转速对出料分布的影响，筛选4组深槽，煤粉填充密度小于450 kg/m3，移动速度相差较大的实验数据得到图8。
图8 不同滑动速度对出料分布的影响
Fig.8 Influence of different sliding velocities on discharge distribution
由图可以看出，凹槽移动速度的增加对落料分布曲线产生2个影响，一个是曲线峰值整体依次向后移动，另一个是煤粉下落的分散程度逐渐提高。这主要是实验中凹槽中煤粉下落在时间上的分布受移动速度影响较小，因此当移动速度提高时，同一时间点下落的煤粉会在空间上向后偏移。
值得注意的是，与实验装置不同，工程中的锁气阀凹槽是在弧面上向斜下方运动，在刚进入落料口时，槽中的煤粉存在一个向下的速度分量。锁气阀转速越大则该速度分量越大，因此相比实验数据，工程中锁气阀高转速下煤粉落料分布应更向左侧集中，实际速度对落料分布的影响应小于实验结果。
2.5 出口挡板
为考察挡板的影响，在实验装置上设置宽度60 mm的挡板(见图2，遮挡宽度30%)。从深槽实验数据中筛选出移动速度相近的9组数据，其中设置挡板的6组数据，不设置挡板的3组数据，煤粉填充密度≤450 kg/m3。9组数据的滑动速度区间为(0.486±0.043) m/s，得到图9。
图9 凹槽进入侧设置挡板后的出料分布
Fig.9 Discharge distribution after baffle is set on side of groove
对比图5—7可以看出，在未设置挡板时，大部分工况下凹槽煤粉落料集中分布在前7格中，即使在移动速度较快的工况下，在第9格凹槽中煤粉也能够完全卸出，即原本出口宽度留有一定的余量。
而凹槽滑入侧挡板的加入，会将整个落料分布曲线向右平行推移，原本出口宽度的余量消失。此时若在凹槽滑出侧再设置同样宽度的挡板，就会使阴影部分的煤粉无法顺利卸出。若挡板宽度进一步增大，则阴影部分面积，或未卸出煤粉量会加速上升。
此外，实验中还发现，在设置挡板，且凹槽滑动速度较快时，未卸出的煤粉集中于出料口两侧，如图10所示。
图10 残留煤粉位置示意图
Fig.10 schematic diagram of residual pulverized coal
这是由于凹槽在水平方向上的投影呈矩形，其中煤粉均匀分布。当矩形凹槽通过圆形出料口时，凹槽从中心到两侧有效出料时间递减。当各种原因导致凹槽中煤粉无法顺利卸出时，煤粉残留总是从凹槽两侧开始出现，因此，从出料角度而言，矩形出口优于圆形出口。
3 结论
1)休止角法、Hausner指数法和Carr流动性指数法计算结果均表明，实验用煤粉属于流动性较差、容易团聚、架桥的粉体。这与该煤粉细颗粒占比较高(Dv50=36.4 μm)、湿度较大(8.7%)导致煤粉颗粒间的摩擦力增加、液桥力增大有关。
2)锁气阀凹槽填充密度为小于煤粉松装密度474 kg/m3时，填充密度对凹槽出料空间分布影响不大。当填充密度超过松装密度时，煤粉颗粒间作用力增加导致卸除速度减缓，出料分布曲线峰值明显向后推移。保证锁气阀凹槽填充密度低于煤粉的松装密度有利于煤粉顺利卸出。
3)增加锁气阀凹槽深度，会使凹槽出料曲线的右侧部分近似平行向外扩张，出料曲线下的阴影面积的增加值与凹槽容积的增加值相等。完全卸料所需出口宽度增加。使用深度较浅的凹槽有利于煤粉卸出。
4)增加凹槽移动速度会使出料曲线峰值整体向后移动，且分散度相应提高。使用较低转速有利于煤粉卸出。
5)加入出口挡板，会使落料分布曲线整体向右平移，因此对于200 mm口径的锁气阀，当出口挡板宽度>60 mm时。在高转速下可能导致凹槽内煤粉无法完全卸出。同时由于凹槽两侧的有效卸料时间少于凹槽中心，未卸出的煤粉集中于出料口两侧。
[1]王海莲.星型锁气阀专用拆卸装置的设计[J].黑龙江科技信息,2010(4):44.
[2]袁凯时,秦媛.RD高分子脱硝系统卸料阀阀芯粘料故障分析及技术改进[J].煤炭加工与综合利用,2019(4):50-51.
[3]赵理生.旋转卸料阀轴封改造[J].山东工业技术,2016(8):47.
[4]肖杰.旋转密封阀的设计研究[D].北京:钢铁研究总院,2016.
[5]林丽,刘卫华.基于FLUENT的迷宫密封机理研究[J].中国机械工程,2007,18(9):2183-2186.
[6]王宇飞.天然河道纵向离散系数研究[D].武汉:武汉大学,2017.
[7]JULIANO P,BARBOSA-C
NOVAS,GUSTAVO V.Food powders flowability characterization:theory,methods,and applications[J].Annual Review of Food Science and Technology,2010,1(1):211-239.
[8]周涛,李洪钟.粘性SiC颗粒聚团流态化特性[J].化工学报,1998,49(5):33.
[9]张勇,童杰,高霖,等.料床粉碎过程中广粒径分布物料流动性的测试方法[J].新世纪水泥导报,2019,25(1):27-30.
[10]王川红,郭晓镭,龚欣,等.粒度 、湿含量对神府烟煤煤粉流动性参数的影响[J].华东理工大学学报(自然科学版),2008,34(6):377-382,456.
[11]祁成林,冯根生,于春梅.基于Carr指数法的高炉喷煤流动特性研究[J].实验技术与管理,2016,33(8):54-58.
[12]PABLO J,BALASINGAM M,GUSTAVO V.Flow and shear descriptors of preconsolidated food powders[J].Journal of Food Engineering,2006,72(2):157-166.
[13]石常军,张大康.水泥粉体流动性的表征与应用[J].中国建材,2008(8):94-97.
[14]吴爱祥,古德生,戴兴国.含水量对散体流动性的影响[J].中南矿冶学院学报,1994,25(4):455-458.
[15]谢晓旭,沈湘林,汤雪美,等.煤粉流动特性若干影响因素的研究[J].煤炭学报,2008,33(1):86-88.