秸杆类生物质颗粒气力悬浮特性的试验研究

论文总字数：18332字

摘 要

：本文以典型的秸杆类生物质粉末为主要研究对象，建立秸杆类生物质颗粒的气力输送测量装置，对物料颗粒的悬浮特性进行研究。通过高速摄影采集物料颗粒的运动图像，并结合数字图像识别技术，对其运动过程中运动状态以及相关物理量进行检测。通过减少背景噪声、背景分离以及图像的二值化处理得到单帧图像的运动状态，以颗粒得到像素面积和相对位置作为联合识别特征，实现了对生物质颗粒在连续两帧图像间的跟踪，从而计算出其运动速度。同时，对计算得出的运动速度进行物理验证。运用控制变量法，从物料种类、物料堆积形态、物料高度这三个不同维度研究不同气力输送条件的悬浮特性。试验结果表明，在管径为65mm的条件下，较为合理的输送速度为最小悬浮速度的120%-150%。本实验通过测量与计算寻找出较为适合的输送速度，为生物质颗粒与煤粉混合输送系统的设计供合理的依据。

关键词：生物质颗粒，气力输送，悬浮速度，图像处理

A STUDY ON THE SUSPENSION CHARACTERISTICS

OF BIOMASS PARTICLES

03011125 Ziyi Zhang

Supervised by Yong Lu

Abstract：In this thesis, using biomass particles as main study object, a straw biomass particles measuring equipment is built to study material properties of the suspended particles. Collecting the move status of material particles by camera, we use digital image recognition technology to detect motion during its movement. By using technique to reduce background noise, binary processing, we can obtain pixel area and the particle circularity as co-recognition feature, to realize the track of biomass particles between two successive frame images, so that its velocity can be calculated. Finally, with dimensional analysis, velocity of biomass particles is verified. Using control variable method, change the type of material, material buildup shape, material height to get pneumatic conveying condition of suspension characteristics, so that we can provide a suitable conveying speed for conveying system design with reasonable basis.

Key words: Biomass particles, pneumatic transmission, pickup velocity, image processing

目 录

1 绪论 ………………………………………………………………………………1

1.1 开发生物质能源的目的和意义 ………………………………………………1

1.2 我国生物质能源的利用与发展…………………………………………………1

• 1. 气力输送的研究现状……………………………………………………………2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 ……………………………………………2

2 颗粒气力输送的技术原理…………………………………………………………4

2.1 气力输送的分类 …………………………………………………………………5

2.2 管道内单颗粒悬浮机理 …………………………………………………………6

• 1. 颗粒的运动阻力与悬浮速度计算 ………………………………………………6

2.4 输送速度的确定 …………………………………………………………………7

3 生物质颗粒气力输送装置的设计与构建…………………………………………8

3.1 气力输送系统的设计 ……………………………………………………………8

3.1.1送风速度的确定 ………………………………………………………………8

3.1.2管径的计算………………………………………………………………………9

3.1.2其它参数的确定…………………………………………………………………9

3.2 试验装置选型及构建 ……………………………………………………………9

3.2.1送风系统…………………………………………………………………………9

3.2.2除尘装置 ………………………………………………………………………10

3.2.3测量系统………………………………………………………………………11 4 生物质颗粒气力悬浮速度的试验研究 …………………………………………11

4.1颗粒气力悬浮特性的图像处理方法……………………………………………11

4.1.1图像处理的基本理论 …………………………………………………………11

4.4.2视频图像的采集与预处理 ……………………………………………………12

4.4.3颗粒的识别 ……………………………………………………………………12

4.2颗粒悬浮的空间分布及速度探究………………………………………………13

4.2.1 生物质颗粒的空间分布………………………………………………………13

4.2.2生物质颗粒悬浮速度的探究 ………………………………………………14

4.3影响生物质颗粒悬浮速度因素的探究 ………………………………………14

4.3.1 不同条件下生物质颗粒悬浮速度的测定 ………………………………… 16

4.3.2 实验结果及结论 …………………………………………………………… 18

5 总结与展望 ………………………………………………………………………21

致谢 …………………………………………………………………………………22

参考文献（References） ……………………………………………………………23

秸杆类生物质颗粒气力悬浮特性的试验研究

1. 绪 论

1.1开发生物质能源的目的和意义

为缓解全球变暖的趋势，当今人们的关注点之一就是各种减排技术。其中，将煤粉中掺杂生物质形成一种混合燃料以供电厂发电的技术，被欧美等国大力提倡，并大力开发。该技术不但能充分利用化石燃料性能比较稳定，燃烧热值高等优点，而且由于燃烧时生成的CO₂来源于生物质，属于“零排放”或“中性排放”。推广共燃技术，开发改造现有的煤粉电站，将生物质秸杆颗粒替代部分煤粉作为燃料，从而实现CO₂减排，是当前能源热门研究方向之一。

我国的农业占比较大，每年有超过7亿吨的生物质废弃物产出，可折合为3.5亿吨标准煤。开发和利用生物质能源，对减少二氧化碳排放，实现资源再利用以及保障国家能源的稳定有着很重要的意义。通过研究生物质与煤粉混燃技术，将促进生物质能源的利用与商业化，有利于我国经济的发展与社会和谐。

生物质具有密度小，能量密度较为分散的特点，如果仅仅对生物质进行燃烧不但耗能大，发电效率也不是很明显。将煤粉中掺杂生物质形成一种混合燃料以供电厂发电的技术得到了较好的效果。该技术较为廉价，且可以在原有电厂设备上进行升级改造，不需花更多的费用在设备上，并实现大量生物质的高效利用，提高发电效率。

目前在丹麦、美国等地区利用生物质发电已被广泛的应用，收到了较为理想的经济效益。

1.2 我国生物质能源的利用与发展

在我国，对生物质能源的开发利用与某些国家相比起步比较晚。但是，随着近年来国家对其的重视，不断的对此种能源进行开发与研究，已经取得了比较理想的效果。总体说来，我国对生物质能源的主要利用在于两个方面。一是作为燃料提供热能或发电，二是利用转化技术，将生物质液化气化或是加工成其他化工产品。《可再生能源中长期发展规划》指出，到2020年，生物质发电装机量将达到3000万kW，生物液体燃料达到1000万吨，沼气年利用量到达5000万吨，生物质能利用量占到一次能源消费量的4%^[1]。未来生物质能源将成为我国能源结构的组成部分之一，如何大规模高效利用值得深入地探究^[2]-[4]。

1.3 气力输送的研究现状

气力输送技术源于十九世纪初，指借助气体的能量（动能或压力）使颗粒状物料按照事先设计好的路线进行连续输送的一种运输方式，已被广泛运用于发电，制药，食品等行业。按输送速度，可分为稀相输送和密相输送。

Cui.H对多种颗粒的气固两相流流动特征进行了研究,提出气固两相流系统中,物料的性质决定了固体的流动状态,且一般是由稀相输送平缓过渡到流态化密相输送^[5]。M. Zulfiqar对煤粉和玻璃珠在水平玻璃管中的流动特征进行了研究，并对颗粒的流动方式进行了总结:悬浮流、分层流和沙丘流、气固问歇流和低速流动 ^[6]。后来E. Doroodchi提出了生物质和煤粉混合时的输送特性^[7]。输送气流速度对气力输送系统的设计有着关键的影响。Francisco J. Cabrejos等人分析研究了固体颗粒在水平气动输送中的悬浮和跳跃机制。他们以实验的方式来确定水平气动输送中最小的输送速度。文章提出了一种测定最小输送速度的实验方法。固体颗粒在管道中运动被分为不同的阶段，包括初始的悬浮状态、碰撞以及下落阶段。在实验中，使用了不同种类的粒子，来研究它们形状、密度、尺寸对悬浮速度以及跳跃机制的影响^[8]。

1.4 本文的研究目的和主要研究内容

在燃烧时，常采用气力输送的方法对燃料进行输送。对于生物质颗粒，由于其尺寸和密度与煤粉有着较大的差异，其适用的物理模型与煤粉相比有着较大的差异。因此，输送速度以及一系列相关参数无法通过现有的资料来直接获取。

从理论研究方面来看，气力输送是一个复杂的多相流动过程，物料颗粒在输送管内的运动，与管内气流状态与分布、颗粒与管内碰撞摩擦有关。在输送时，管道内既有滚动也有悬浮，同时还发生固体颗粒与颗粒、固体颗粒与壁面的碰撞和摩擦，固体颗粒自身的旋转还会产生升力，完全考虑这些情况进行纯理论计算研究是复杂的一个过程。在此方面，仍有许多问题亟需解决。如，生物质物料在管道中被气流带走的过程中，固体颗粒间碰撞以及与管壁间的碰撞，会导致部分颗粒破碎并导致管道的磨损。这种现状在高速运动时比较明显。降低输送速度可缓解这一问题，但也导致了流动不稳定等问题。确定合适的输送气流速度，对气力输送系统的建造有着重要的意义。

输送气流速度对气力输送系统的设计有着关键的影响。在稀相系统中，最低传送速度的确定是输送系统设计的关键步骤。过高的输送速度将导致能源成本升高，而且会带来固体降解、管道侵蚀、管道压降增加等一系列问题。另一方面，过低或过高的传输速度都会导致系统工作不稳定，或是由于沉积、堵塞使系统完全瘫痪。

本课题组设计了一套密闭式物料输送系统，可进行密相输送的相关实验。颗粒在管道中的运动状态受到颗粒的速度，管径，流量，管道材质等条件的影响。通过高速摄影采集物料颗粒的运动图像，并结合数字图像识别技术，对其运动过程中运动状态以及相关物理量进行检测^[9]-[11]。通过减少背景噪声、背景分离以及图像的二值化处理得到单帧图像的运动状态，以颗粒得到像素面积和相对位置作为联合识别特征，实现了对生物质颗粒在连续两帧图像间的跟踪，从而计算出其运动速度。根据量纲分析法的原理，用控制变量法对颗粒质物体在不同条件下的运动速度进行测量，确定颗粒的最小悬浮速度^[12]。本文将考虑各种因素对颗粒悬浮速度的具体影响，分析多条件下颗粒物体的运动状态，掌握气动输送下生物质颗粒的悬浮特性。从而寻找出较为适合的输送速度，为生物质颗粒与煤粉混合输送系统的设计供合理的依据。

2、 颗粒气动输送的技术原理

2.1气力输送的分类

物料在输送管道中的流动状态较为复杂，根据管道中气流速度大小以及物料量，物料的运动状态可以分为两大类：一是悬浮流，物料颗粒受到高速气流动压的推动而运动；二是栓流，物料颗粒依靠气流的动压或静压被推动^[10]。

目前常见气力输送系统可分为四种，分别为：压力式气力输送系统、机械式气力输送系统、高压式气力输送系统以及脉冲式气力输送系统^[10]。

按被输送物料的浓度来划分，可分为稀相输送与浓相输送。一般说来，输送浓度小于30kg/kg时，为稀相输送。当浓度大于30kg/kg时，属于密相输送。固气比是体现输送系统中固体物料浓度的一个重要参数，它指固体的质量流量与输送气体的质量流量之比。下面对这两种输送方式的特点和优势进行说明。

1. 稀相输送。当气流速度较大时，颗粒开始飞出，空隙率增大，固体颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相。此方式不适合长距离运输，以及运输量大的场合。
2. 密相输送。此输送方式具有低速低压连续的特点。试验证明，其输送消耗功率与空气速度的平方成正比，摩擦算是与输送速度的2-3次方成正比。使用此方式有助于减少静电荷，比较节能，且终端料气分离比较容易。

本实验中采用的气力输送方式为密相输送。

2.2 管道内颗粒悬浮机理

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