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煤粉堆积角的实验研究

Wei Wang, Jiansheng Zhanglowast;, Shi Yang, Hai Zhang, Hairui Yang, Guangxi Yue

Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, PR China

关键词：堆积角、煤粉、颗粒大小、水分含量

摘要

关于不同尺寸和不同含水量的煤粉的堆积角的实验研究。三种不同的测量方法，自由基堆法，固定基堆法和滑动法。对数据进行单向和双向分析方差。结果表明，颗粒尺寸小于150mu;m的煤粉的堆积角在30–50◦范围。粉煤的流动性的特征是一些内聚性或真正的凝聚力。含水量的增加会增大堆积角从而降低粉末的流动性。然而，粒度效应是分叉的。低于临界尺寸时，颗粒尺寸的减小降低流动性;而高于临界尺寸，颗粒尺寸的减小增加了流动性。我们发现临界尺寸的值强烈地取决于粉末密度。此外，堆积角对粒径的依赖可能与Geldart的粒子分类有关。临界尺寸转折点在Geldart分类图中的A组和B组之间的边界上。基于实验结果，颗粒尺寸与含水量之间没有明显的交叉相互作用。通过自由基堆法和固定基堆法测量的堆积角接近的，但两者都显着更小比通过滑动方法测量的。

合理设计煤粉的存储和运输系统对工厂操作和安全性重要依赖于对煤粉流动行为的理解。据发现堆积角定义为角度自由表面相对于散装固体堆的水平面的倾斜有助于表征粉末和颗粒的流动行为材料（Carr，1965a，b; Zhou，Xu，Xu，＆Zulli，2002）。到目前为止，大量的实验研究表明，对生物质的堆积角（Chowdhury，Sarker，Bala，＆Hossain，2001; Kanawade，Bhosale，＆Kadam，1990; Hauhouot-OHara，Brusewitz和Zou，1999; Heleji＆Zhou，2008）发现堆积角的增加是随着颗粒尺寸和含水量的增加而增加。同时有争议报告了关于粒度的影响的结果平均尺寸小于100mu;m的玻璃珠（Wong，2000，2002），和球形和多孔FCC（流态化裂化催化剂），角和非多孔氧化铝三水（Geldart，阿卜杜拉，Hassanpour，和哲学，2006）。煤粉颗粒通常为几十微米并且具有宽范围的含水量。因此，难以根据现有研究得出明确的结论。因此，使用了三种方法进行了一系列的实验来确定煤粉颗粒的堆积角与不同的颗粒尺寸和含水量的等级的关系。

1. 实验
   1. 煤粉样品制备

将从发电厂获得的煤粉的样品颗粒分成从0至150mu;m的不同尺寸的6组，间隔为25mu;m。 通过筛摇床测量粒度。 基于以前的研究（Liang，Zhao，＆Chen，

2007），粉煤中的内部含水量对其流动性影响不大，因此仅考虑外部含水量的影响，而MC是指外部含水量。

在三个含水量水平下制备测试样品，无水分（含水量= 0％），低含水量（含水量lt;5％），高含水量（含水量gt; 5％）。 第一个样品在烘箱中干燥，第二个样品在空气中干燥。 为了实现高含水量水平，将样品铺在大容器中，并将一定量的水雾喷洒在表面上。在以所需的含水量水平制备样品之后，将它们保存在塑料袋中。 表1显示了测试样品的平均粒度和含水量。

图1.测量自由基堆的堆积角（a）和固定基堆的堆积角（b）示意图

表一.

测试粉煤样品的水分含量（％湿度基准）。

1.2堆积角的测量方法

采用称为自由基堆法，固定基堆法和滑动法的三种相对标准的方法来测量煤粉样品的堆积角。对于前两种方法，如图1所示。将测试粉末完全填充在距离地面一定距离安装的小水箱中。然后将样品粉末排出在罐底部打开的孔，并在地面上形成锥形堆。堆的跨度角定义为测试样品的堆积角。对于自由基起球方法，在圆盘上形成堆，对于固定基堆方法，在圆盘上形成。我们的试验发现，直接测量堆积角是很困难的。取而代之，我们可以根据测量的基底直径d和堆的高度h计算堆积角：

类似于Train（1958）所使用的，对于滑动方法如图2所示，将样品粉末装入具有正方形横截面的容器中。 滑动AoR定义为从水平面的旋转角度到粉碎时的角度煤粉开始滑动。

图2.滑动堆积角测量示意图

对不同尺寸的粉煤和含水量进行测量。 为了评价含水量，颗粒大小及其与堆积角的相互作用的影响，使用统计分析软件SPSS对测量数据进行双向方差（ANOVA）。 Tukey的真实显着性差异（HSD）用于确定在样品处理和测量方法之间的粒度和含水量的差异在alpha;= 0.05水平使用SPSS。此外，使用单因素方差分析及其方法来评价测量方法的效果。

2.结果和讨论

2.1含水量，颗粒大小及其相互作用的影响

表2显示了三个含水量的粉煤堆积角和六个平均粒度。可以看出，堆积角显著依赖于粒度和含水量。

单因素方差分析的结果表明，堆积角与含水量显著变化，P lt;0.05，与粒径无显着差异，Pgt; 0.05。 P是描述因子的影响程度的概率值。 当Pgt; 0.05时，影响是微不足道的。 然而，双因素方差分析表明，具有不同含水量和颗粒大小的所有堆积角的P值低于0.05，即P lt;0.05。 此外，具有低含水量的堆积角显着小于具有高含水量的堆积角。

如图3所示，AoR和MC之间的关系近似为线性。 较小颗粒的MC效应比较大颗粒的MC效应更明显，特别是当使用自由基堆和固定基堆方法时。 在MC和粒径之间没有发现显着的交叉相互作用，Pgt; 0.05。

图4描述了通过自由基堆法测量的与固定基堆法含水量和低含水量的粉煤相比，堆积角与颗粒尺寸的变化相比的含水量游离石英砂的堆积角。结果很有趣。对于细粉末，堆积角随着快速增加由于细粉末之间的强颗粒间力（Seville，Willett，＆Knight，2000）。一般来说，堆积角的形成归因于颗粒间力，相互作用力和粉末的重力之间的平衡。当颗粒小时，颗粒之间的颗粒间力变得主导使得颗粒不再表现为个体，而是作为粘性基团。当粒子足够大时，粒子间力将不再在堆积角上起主导作用，并且粒子表现为单个粒子。

以上结果实际上是表征粉体流动性的重要。如果根据文献报道的数据和本研究在Geldart分类图（Geldart，1973）上绘制密度（通过比重瓶测量的当前数据）和粉末的平均直径，我们可以发现另一个有趣的现象：具有不同变化趋势的数据的堆积角与粒径一致地除以A组和B组之间的边界线。如图5所示，在左手边边界线堆积角随着粒径的增加而减小;而在右手边，堆积角随着粒径的增加而增加。结果表明，堆积角通常被称为粉末的固定性质，也与流体化强烈相关，A组中的粒子和B组中的粒子之间的主要区别可以表征是否颗粒间力颗粒是重要的或主导的。这预计将通过未来的更多实验来验证。

表2.

通过三种不同的方法测量六种不同颗粒尺寸a和三种不同含水量的粉煤的平均堆积角（˛◦）

a 对于所有水分含量的粒度，比较所有水分含量的粒径。

b 对于所有颗粒尺寸的粒度，比较所有颗粒尺寸的含水量。

a．自由基堆法测量堆积角 b.固定基堆法测量堆积角 c.滑动法测量堆积角

图3.通过三种不同的方法测量具有不同尺寸的粉煤的堆积角与含水量的变化。（a）自由基堆法，（b）的固定基堆法和（c）滑动法

图4.具有平均粒度的堆积角的变化（自由基堆法）

图5. 文献数据和现有数据在Geldart的分类图中

2.2．测量方法的效果

单因素方差分析显示粉煤的试验方法（P lt;0.05）中堆积角不同（表2）。 自由基堆法和固定基堆法堆积角接近（Pgt; 0.05），但都显着小于滑动堆积角。当颗粒变小时，差异增大。这是因为对于以前的测量方法，颗粒和周围空气之间存在大的相互作用力。因此，通过前两种方法测量的堆积角可以低于理论值。

2.3．通过堆积角表征煤粉的流动行为

实验结果表明，颗粒尺寸小于150mu;m的粉煤的堆积角在30-50°范围内。因此，这些粉末被分为一些内聚性或真实内聚性（Carr，1965a，b，1970; Raymus， 1985）。由于较大的堆积角表明粉末的流动性较弱，含水量的增加将降低流动性。然而，粒度效应是分叉的。低于临界尺寸时，颗粒尺寸的减小将降低流动性，并且高于临界尺寸粒径的减小将增加流动性。临界尺寸的值很大程度上取决于粉末密度，如图5所示。

3.结论

煤粉堆积角的实验测量通常在30-50◦的范围内，表明煤粉流动行为的表征具有一定的内聚性或真正的内聚性。通过自由基法和固定基法测量的堆积角接近，但都显着小于通过滑动法测量的。通常，较大的含水量将导致较大的堆积角，并因此导致近似线性趋势的较弱的流动性。粒度效应是分叉的。有了增加颗粒尺寸，对于小颗粒，堆积角降低，因此流动性增加; 当颗粒大于临界值时，堆积角增加，因此流动性降低。 临界值强烈地取决于粉末密度。 在粒度的影响和含水量的影响之间没有显着的相互作用。

发现堆积角对粒径的依赖性可能与Geldart的粒子分类有关。 转折点处的临界尺寸位于Geldart分类图中A组和B组之间的边界线周围。 由于用于发电厂的粉煤的颗粒尺寸超过A组和B组的边界，因此测量它们的堆积角将是正确描述它们在不同类别中的流动性的必要和适用的方式。

致谢

国家基础研究计划资助中国（2010CB227006）和国家高技术研发计划（2009AA05Z216）。

参考文献

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Geldart, D., Abdullah, E. C., Hassanpour, A., Nwoke, L. C., amp; Wouters, I. (2006). Characterization of powder flowability using measurement of angle of repose. China Particuology, 4, 104–107. Hauhouot-Orsquo;Hara, M., Brusewitz, G. H., amp; Zou, Y. (1999). Technical notes: Angles of repose of ground marigold petals as a function of particle size, moisture content, and flow enhancer. Applied Engineering in Agriculture, 15(4), 319–322.

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Kanawade, L. R., Bhosale, B. W., amp; Kadam, M. S. (1990). Effects of moisture content on certain selected physical properties of pulse seeds. Journal of Maharashtra Agricultural Universities, 15(1), 60–62.

Liang, C., Zhao, C. S., amp; Chen, X. P. (2007). Flow characteristics and Shannon entropy analysis of dense-phase pneumatic conveying of variable moisture content under high pressure. Chemical Engineering and Technology, 30(7), 926–931.

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