Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

На правах рукопису

УДК 662.93

05.14.06-технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТОПКИ КИПЛЯЧОГО ШАРУ З МЕТОЮ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ТРАНСПОРТУВАННЯ МАТЕРІАЛУ

Прядко Наталія Сергіївна

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної механіки Національної академії наук і Національної космічної агенції України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Коваленко Микола Дмитрович Інститут технічної механіки НАН і НКА України, завідувач відділом термогазодинаміки енергетичних установок, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Павленко Анатолій Михайлович Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпродзержинськ

кандидат технічних наук, доцент Потапов Борис Борисович, Національна металургійна академія України, професор кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпроперовськ

Провідна установа: Інститут вугільних енерготехнологій НАН України та Міністерства палива та енергетики України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться " 15 " 03 2005 р. о 12 30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України, за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної Академії України, пр. Гагаріна 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

Автореферат розісланий "26" 01 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03, доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

Анотації

Прядко Наталія Сергіївна. Удосконалення топки киплячого шару з метою газодинамічного транспортування матеріалу. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика.- Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена розробці потокового методу спалювання вугілля низького гатунку у киплячому шарі. На підставі проведеного аналізу існуючих подових решіток встановлено, що для створення киплячого потокового шару необхідно використовувати лопатно-щілинну решітку. Проведено удосконалення нової подової решітки лопатно-щілинного типу, завдяки якому процес кипіння проходить стійко, без коливань і зміни напрямку переміщення часток у струмені, що підвищує ефективність киплячого шару. Розроблено спосіб спалювання вугілля низького гатунку в киплячому потоковому шарі з газодинамічною вигрузкою золошлакових відходів. Визначено основні гідродинамічні параметри шару і виведено залежність зміни порозності у вертикальному шарі від геометричних параметрів решітки. Розроблено математичну модель киплячого потокового шару на основі застосування рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка відносно пальної складової часток вугілля, показано можливість проведення чисельно-аналітичного моделювання процесу зменшення концентрації пальної складової у частках виділеного робочого тіла. Виконана перевірка на адекватність отриманого теоретичного рішення дозволяє зробити висновок про те, що розроблена модель рекомендується як базова при розрахунку процесів у киплячому потоковому шарі.

Розроблена лопатно-щілинна подова решітка має наступні дослідно - установлені переваги в порівнянні з відомими решітками: поворотні газодинамічні лопатки, що обтікаються, встановлені в подовжніх щілинах решітки, дозволяють управляти процесами засипання, рівномірно розподіляти тверде паливо вздовж решітки при засипанні і зливати тверді продукти спалювання; на решітці відсутні застійні зони і, отже, зони шлакування; решітка має малий гідравлічний опір у порівнянні з відомими решітками і дозволяє значно зменшити перепад тиску в початковий момент формування киплячого шару шляхом подачі твердого палива у повітряний потік, що підіймається; дає можливість створювати киплячий потоковий шар; лопатно-щілинна решітка дозволяє реалізувати будь-який різновид псевдоожиженного шару: киплячий, зважений та фонтануючий, що істотно полегшує запуск топки котла з киплячим шаром. Режим киплячого потокового шару стійкий у широких діапазонах зміни швидкості повітря і маси твердого палива. Розроблено розрахунково-експериментальну методику визначення основних гідродинамічних параметрів киплячого потокового щару і виведено коефіцієнти подібності для розрахунків моделі системи "решітка та киплячий шар", що дозволили виробити рекомендації щодо реконструкції технологічного устаткування з метою переводу його на режим спалювання низькосортного вугілля в киплячому шарі. У результаті досліджень елементів технологічного устаткування запропоновано технологічну схему спалювання низькосортного вугілля в КПШ, що включає безпосереднє спалювання часток вугілля у топці з їх прямування над спеціально створеною газорозподільною решіткою, уловлювання часток, що не згоріли, циклоном шнекового типу, і повернення їх на остаточне спалювання у топку, та очищення димових газів після циклона за допомогою емульгатора. подовий щілинний вугілля

Ключові слова: решітка, паливо, вугілля низького гатунку, киплячий шар, потокови шар, циклон, емульгатор, технологічна схема.

Pryadko Natalya Sergeevna. Improving of a fluidized bed fence for gasdynamic motion of material.- Manuscript.

Thesis of Phi. D. in technical sciences on the speciality 05.14.06 - technical thermal physics and power industry. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2004.

This thesis is devoted to development of the flow method for lower-grade coal burning in fluidized bed. Analysis of the known coal burning grates has shown the necessity of using the vane-slot grate to create of flowing fluidized bed. The new vane-slot grate modification has been developed and the method of lower-grade coal burning in flowing fluidized bed with ash-and-slad gasdynamic removal has been proposed. The main hydrodynamic characteristics of grate and bed over it were determined. The offered mathematical model of flowing fluidized bed was based on the Kolmogorov-Fokker-Plank's equation solution. The possibility of the numerical-analytical simulation of the decrease of the coal combustible fraction in this type of a fluidized bed was shown. The hydrodynamic similarity factors are defined in order to use the cold model results for full-scale device.

The new improved vane-slot grate has experimentally proved fixed advantages: turning of the movable vanes allows to control coal loading and unloading process, it provides an even coal distribution over the grate, allows to create the flowing fluidized bed, to produce various types of fluidized bed. This grate has low hydraulic resistance, has no dead and slagged zones.

The process flowsheet of lower-grade coal burning in flowing fluidized bed has been proposed. It includes the direct incineration of coal particle in flowing fluidized bed over the vane-slot grate, catching the unburned coal particles by the screw type cyclone, returning them into the furnace and the final cleaning of the flue gas after the cyclone using the emulsifier. The recommendations for improvement of the technological devices were proposed.

Key words: grate, fuel, lower-grade coal, fluidized bed, flowing fluidized bed, cyclone, emulsifier, process flowsheet.

Прядко Наталья Сергеевна Усовершенствование топки кипящего слоя с целью газодинамической транспортировки материала.-Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика.- Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена разработке поточного метода сжигания низкосортных углей в кипящем слое. На базе анализа существующих подовых решеток установлено, что для создания кипящего поточного слоя необходимо использовать лопаточно-щелевую решетку. Проведено усовершенствование новой подовой решетки лопаточно-щелевого типа, благодаря которому процесс кипения проходит устойчиво, без колебаний и искажения направления перемещения частиц в струе, что повышает эффективность кипящего слоя. Разработан способ сжигания низкосортного угля в кипящем поточном слое с газодинамической выгрузкой золошлаковых отходов. Определены основные гидродинамические параметры кипящего поточного слоя. На основе применения уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка разработана математическая модель кипящего поточного слоя. Показана возможность проведения численно-аналитического моделирования процесса уменьшения концентрации горючего составляющей в частицах выделенного рабочего тела. Проверка на адекватность полученного теоретического решения позволила сделать вывод о том, что данная модель может быть рекомендована в качестве базовой при расчете процесса сжигания угля в кипящем поточном слое.

Экспериментально установлено, что разработанная лопаточно-щелевая подовая решетка по сравнению с известными обладает следующими преимуществами: поворотные аэродинамически обтекаемые лопатки, установленные в продольных щелях решетки, позволяют управлять процессами засыпки, равномерно распределять твердое топливо по длине решетки при засыпке и сливать твердые продукты сгорания; организовывать кипящий поточный слой; на решетке отсутствуют застойные зоны и, следовательно, зоны шлакования; решетка имеет малое гидравлическое сопротивление; решетка позволяет значительно уменьшить перепад давления в начальный момент формирования кипящего слоя путем подачи твердого топлива в восходящий воздушный поток; лопаточно-щелевая решетка без каких-либо дополнительных доработок позволяет реализовать любую разновидность псевдоожиженного слоя, что существенно облегчает запуск топки котла с кипящим слоем. Режим кипящего поточного слоя устойчив в широких диапазонах скорости вдуваемого воздуха и массы твердого топлива.

Разработана расчетно-экспериментальная методика определения основных гидродинамических параметров слоя и выведены коэффициенты подобия для расчетов по модели системы "решетка плюс кипящий слой", выработаны рекомендации по реконструкции технологического оборудования с целью перевода его в режим сжигания низкосортного угля в кипящем слое. Предложена технологическая схема сжигания низкосортного угля в КПС, включающая непосредственное сжигание частиц угля в топке с их движение над специально созданной газораспределительной решеткой, улавливание несгоревших частиц циклоном шнекового типа и возврат их на дожигание в топку и окончательную очистку дымовых газов после циклона с помощью эмульгатора.

Ключевые слова: решетка, топливо, низкосортный уголь, кипящий слой, поточный слой, циклон, эмульгатор, технологическая схема.

Загальна характеристика роботи

Стан проблеми. Україна має у своєму розпорядженні достатні запаси вугілля в порівнянні з іншими видами палива. Проте сучасному стану паливно-енергетичного комплексу України властиві негативні риси: погіршення якості вугілля за рахунок підвищення його зольності; необхідність використання мазуту або газу для стабілізації вигоряння вугілля; погіршення стану устаткування теплових електростанцій (ТЕС) без багаторічної модернізації. У таких умовах перспективним напрямком розвитку теплоенергетики є розробка нових технологій спалювання у киплячому шарі, що мають свої значні переваги щодо економічних і екологічних характеристик. Ці технології розробляються і застосовуються у усьому світі. Проте досвіду роботи з високозольним вугіллям практично немає.

Актуальність теми обумовлена необхідністю створення нових технологій спалювання твердого палива, що дадуть можливість підвищити ефективність і поліпшити екологічні показники роботи ТЕС, дозволять спалювати низькосортне вугілля, здійснити реконструкцію застарілих енергоблоків на діючих ТЕС без будівництва нових.

Існуючі методи спалювання вугілля низького гатунку в киплячому шарі (КШ) забезпечують високу екологічність процессу. Проте технологія спалювання в КШ також має свої недоліки: можлива зашлакованність решітки, нестійкість процесу, недостатня ефективність і ін. Тому було запропоновано створення киплячиго потокового шару (КПШ) з газодинамічним транспортуванням матеріалу, що дозволяє обминути ці труднощі КШ. Особливість КПШ полягає в застосуванні особливої конструкції газорозподільної подової решітки, що надає можливість створити подовжнє просування часток палива над решіткою і газодинамічне транспортування золошлакових відходів. Таким чином, вирішуються проблеми зашлакованості решітки, вигрузки золошлакових відходів і керування киплячим шаром.

Для визначення найбільш раціональних конструктивних та технологічних параметрів пристроїв необхідно вивчити процеси, що визначають характеристики КПШ. Для досягнення цієї мети варто мати у своєму розпорядженні експериментальні данні і методики визначення параметрів процесу. Висококонцентрований двухфазний потік у КШ відрізняється складною структурою. Закономірності теплообміну і вигоряння палива в таких системах визначаються насамперед гідродинамікою. Тому об'єктом дослідження обрані гідродинамічні параметри процесу в КШ. Для реалізації повного циклу спалювання вугілля низького гатунку в КШ необхідно підвищити ефективність роботи циклонів для уловлювання часток і повернення їх у топку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана у відділі термогазодинаміки енергетичних установок Інституту технічної механіки НАН і НКА України відповідно до робочих планів фундаментально-пошукових тем №201 "Дослідження термогазодинамічних процесів высокоентальпійних керованих газових потоків стосовно до проблеми підвищення економічності і екологічності теплових двигунів і енергетичних установок" № д/р 0196V009385 (1996-2000 рр) (рішення бюро відділення механіки від 7.12.1995 р, протокол №6), №291 "Дослідження шляхів підвищення ефективності використання енергії газового потоку і механізмів керування багатофазними потоками" № д/р 0102U01751 (2002-2005рр) (рішення бюро відділення механіки від 12 березня 2002р) і пошукової теми №279 "Пошукові і прикладні дослідження енергоустановок і технологічного устаткування з метою підвищення їхньої економічності й екологічних характеристик" № д/р 0100U001835 (2001-2005 рр) (рішення Вченої Ради ІТМ НАНУ і НКАУ від 2.11.2000р., протокол №7).

Ціль роботи і задача дослідження. Основна мета досліджень - удосконалення технологічного процесу спалювання низькосортного вугілля за рахунок поліпшення гідродинаміки топки з киплячим шаром і газодинамічним транспортуванням золошлакових відходів. Для досягнення її необхідно вирішити такі задачі:

розробка удосконаленої лопатно-щілинної подової решітки, що дозволяє підвищити усталеність, рівномірність киплячого шару та горизонтальне просування його з боку завантаження палива у бік розвантаження;

розробка методики експериментальних досліджень параметрів киплячого потокового шару (КПШ) над удосконаленою решіткою, визначення основних гідродинамічних характеристик цього шару і решітки;

розробка рекомендацій щодо удосконалення технологічного процесу спалювання низькосортного вугілля в КПШ, а також методики розрахунку проектних параметрів гідродинамічних процесів і елементів технологічного устаткування.

Об'єкт дослідження - топка з киплячим шаром і газодинамічним транспортуванням попелошлакових відходів.

Предмет дослідження - киплячий шар над газорозподільчою подовою решіткою.

Методи дослідження. Було використано чисельно-аналітичні і експериментальні методи для визначення параметрів киплячого шару та елементів технологічного обладнання. Створення математичної моделі киплячого потокового шару базувалось на аналітико-чисельному рішенню рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка. Експериментальні дослідження моделей решіток, циклонів і емульгаторів проведені на стенді експериментальної бази ІТМ НАНУ і НКАУ.

Наукова новизна отриманих результатів.

На основі аналізу гідродинамічних властивостей киплячого шару в обмеженому обсязі над лопатно-щілинною решіткою із нахиленими на кут 30150 лопатками і зміні швидкості повітря, що вдувається скрізь решітку, в діапазоні 3080 м/c виявлено явище подовжнього переміщення шару над решіткою і запропоновано новий спосіб створення киплячого шару з газодинамічним транспортуванням золошлакових відходів.

У киплячому шарі над сопловою і лопатно-щілинною решіткою при завантаженні палива до 10% експериментально встановлено існування диффузорного ефекту, що веде до нестійкості КШ, і запропоновано рішення щодо його усунення.

Використовуючи чисельне моделювання киплячого шару з газодинамічним транспортуванням матеріалу установлені необхідні умови процесу, що забезпечують потрібну якість спалювання часток вугілля розміром 1-6мм: кут нахилу лопаток 8-120 при живому перетину решітки 20%.

Експериментально встановлена залежність ступеню уловлювання виносу попелу та палива з киплячого шару апаратами шнекового типу від їх геометричних та режимних параметрів при швидкості потоку на вході 315м/с та запиленості потоку 4070%.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що запропонована удосконалена конструкція подової решітки лопатно-щілинного типу і спосіб спалювання низькосортного вугілля в КПШ, утворюваному цією решіткою, що відтворено у двох патентах України. Запропоновані рішення щодо удосконолення золоуловлювача шнекового типу з горизонтальною віссю дозволили удосконалити конструкцію, що призвело до підвищення ступеню уловлення часток вугілля до 95%.

Результати дисертаційної роботи були використані ДКБ "Південне" при розробці лопатно-щілинної решітки для реконструкції котла ПК-14-3 Карагандинської ТЕС (із метою переходу її на спалювання вугілля в киплячому шарі) та при розробці технічної документації на створення золоуловлювача-зворотника для Карагандинської ТЕС.

Розроблені методики дозволяють виконувати розрахунки щодо чисельного дослідження гідродинамічних параметрів псевдоожиженого і киплячого шару. Матеріали теоретичних та експериментальних досліджень відповідних нових та модернізованих решіток, створенні методики дозволяють при обмеженому числі вхідних параметрів виконати вибір раціональних параметрів процесу створення киплячого шару для спалювання низькосортного твердого палива.

Особистий внесок здобувача.

У статтях, опублікованих автором, відбитий особистий внесок у розробку наукових результатів. Автор брав участь у плануванні, організації і проведенні експериментів на стендах ІТМ НАНУ і НКАУ "Киплячий шар", "Циклон" і "Емульгатор". Теоретичні дослідження, опрацювання даних, отриманих у ході експериментальних досліджень, а також узагальнення результатів проведені автором самостійно. Автором розроблено: методика визначення гідродинамічних параметрів лопатно-щілинної решітки і киплячого шару над нею[1]; методика визначення гідродинамічної подібності системи "решітка та КШ" [2]; методика розрахунку умов підвищення ефективності роботи циклонів шнекового типу для створення киплячого шару [3], математична модель киплячого потокового шару [4]. Запропоновано модернізацію нової лопатно-щілинної подової решітки та розроблено спосіб спалювання вугілля над нею, що дозволяє розділити процес завантаження палива і розвантаження шлаку у часі і просторі [9,10]. Розроблено технологію іспитів на моделі топки з псевдоожиженним шаром [5] та циклонів шнекового типу з горизонтальною віссю [8]. Виконано дослідження двох типів решіток: соплової та лопатно-щілинної, визначені їх недоліки і переваги [6], проведено аналіз необхідних етапів процесу спалювання вугілля низького гатунку в киплячому потоковому шарі та запропоновано технологічну схему процесу з використанням розроблених елементів устаткування [7].

Експериментальні дослідження, що ввійшли до дисертаційної роботи, виконані безпосередньо здобувачем за участю співробітників відділу термогазодинаміки енергетичних установок ІТМ НАНУ і НКАУ та ДКБ "Південне". Результати опубліковані в співавторстві з ними [5-8].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи доповідались на Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії" (Львів, жовтень 2001), на II Міжнародному симпозіумі "Безпека життєдіяльності в ХХI сторіччі" (Дніпропетровськ, січень 2002 р.), на Міжнародній конференції "Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ" (Донецьк, червень 2002), на Всеукраїнській науковій конференції "Математичні проблеми технічної механіки" (Дніпродзержинськ, червень 2003 р.)

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 10-х наукових працях, у тому числі: у двох патентах України, у восьми статтях у науково-технічних журналах, що входять у відповідний перелік ВАК.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг роботи 190 стор., у тому числі обсяг основного тексту 149 стор., 5 окремих сторінок малюнків і таблиць, 9 сторінок - список використаних джерел із 110 найменувань і 32 сторінок - 26 додатків. Дисертація містить 46 малюнків і 16 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про використання одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та публікації.

У першому розділі проводиться аналіз технологій спалювання низькосортного вугілля в КШ, різних видів подових решіток, що відіграють важливу роль при створенні КШ і КПШ. Традиційний киплячий шар має серйозні недоліки, що перешкоджають його широкому використанню: шлакування подової решітки веде до зниження усталеності горіння і, взагалі, до загасання процесу горіння; необхідність установки апаратів для уловлювання часток попелу та вугілля на виході газів із КШ, особливо при широкому гранулометричному складі твердого палива; зниження ефективності КШ через постійне перемішування часток палива, що надійшли знову, і часток шлаку, що утворилися; виділити, а потім відгрузити попел і шлак із змішаного КШ практично неможливо. Багато недоліків традиційного КШ пояснюються особливостями організації робочого технологічного процесу спалювання твердого палива по методу сполучених фаз. Особливості гідродинаміки і технологічного процесу в топках із КШ показали необхідність просторового розподілу процесу безупинного завантаження палива і розвантаження шлаку з тим, щоб усунути їх перемішування й організувати безупинний потоковий технологічний процес.

Запропоновані раніше подові решітки (похилі, вібруючі, що обертаються й ін.) для організації КПШ були досить складні у керуванні і не одержали широкого поширення, хоча сприяли поліпшенню структури КШ, усували завали і застійні зони часток палива над решіткою. Розгляд моделей, що описують процес спалювання твердого палива в КШ, показав, що вони виходять із різних особливостей КШ, найбільш істотних для досліджуваного явища - гідродинаміки, теплообміну, хімічних реакції.

Проведенний аналіз показав необхідність провести комплексне дослідження параметрів потокового КШ, технологічного процесу спалювання твердого палива низького гатунку і створити математичну модель, що описує особливості киплячого потокового шару. Це визначило мету і задачі дослідження, що наведені в загальній частині дисертації.

В другому розділі наведені результати розробки нових подових решіток і дослідження утворюваного ними КПШ. Розроблена нова конструкція газорозподільної решітки лопатно-щілинного типу, а також експериментальна модель цієї решітки та її дослідно-промисловий зразок для котла ПК-14-3 Карагандинської ТЕС. Первинна лопатно-щілинна решітка, створена разом із ДКБ "Південне" мала достатньо переваг перед відомими типами решіток.

Проте в ході вивчення особливостей розвитку КПШ над подовою решіткою було виявлено диффузорний ефект. Він полягав у злитті на деякій відстані від зрізу щілин двох плоских струменів у один, що прилягав до поверхні котла. Усе паливо з обсягу над одною щілиною періодично перекидалося повітрям в об'єм над іншою щілиною і там відбувався процес кипіння. Це порушувало усталеність і рівномірність процесу кипіння.

Автором була запропонована удосконалена конструкція лопатно-щілинної подової решітки. Завдяки установці розділювальної стінки 3 у модифікованій газорозподільчій решітці потік із циліндричного каналу 2 потрапляє у несиметричний об'єм над гострою крайкою центрального тіла 1. Розширяючись він не з'єднується зі струменем із сусіднього каналу. Періодичне несиметричне прилипання струмінів до стінки топки у цьому випадку не спостерігається, що виключає коливання потоку часток палива.

Створення описаної вище подової решітки лопатно-щілинного типу [9] дало можливість вирішити задачу удосконалення відомого засобу спалю-вання палива шляхом уведення нових технологічних операцій, які дозволили здійснити поділ у просторі процесів завантаження палива в топку і вигрузки згорілих шлаків за рахунок подовжнього просування палива.

Це призводить до підвищення ефективності горіння. Запропоновано спосіб спалюванння палива у киплячому шарі шляхом подачі окислювача (повітря) через канали лопатно-щілинної подової решітки, оформлений як патент України [10]. Цей спосіб відрізняється тим, що потік повітря спрямовують вертикально до стабілізації киплячого шару, потім потік спрямовують убік місця розвантаження шлаку для його переміщення і висипання, паралельно з цим у топку засипають нове паливо, що просувається, сгораючи, до місця зсипання. Перевагою винаходу є підвищення якості горіння палива, поділ у просторі процесу завантаження палива у топку і розвантаження згорілих шлаків за рахунок подовжнього просування палива, що досягається режимом поворотів лопаток у каналах для подачі окислювача. Процес засипання палива, горіння його і розвантаження шлаків розділено у просторі, але він може не перериватися у часі.

У рамках одновимірної теорії руху окремої частки шару були визначені основні параметри КПШ: межа існування шару (швидкість вітання, критична швидкість), висота і розподіл порозності киплячого шару по його висоті у залежності від геометричних параметрів камери та решітки. При цьому на відміну від відомих досліджень Тодеса О.М. і ін. авторів, враховувалося, що потік окислювача вдувається під деяким кутом .

Математична модель процесу спалювання вугілля в потоковому КШ створюється з використанням теорії імовірності і функціонального аналізу. Процес переміщення часток вугілля вздовж решітки при спалюванні являє собою досить складний вертикальний і подовжній рух, що носить хаотичний і випадковий характер, тому його можно розглядати як випадкове блукання при дифузії та броуновському русі. Концентрація пальної складової часток певного розміру в елементарному об'ємі над подовою решіткою визначена як кількісна міра для оцінки матеріального складу робочого простору і суміші часток у ньому. У загальному випадку склад у точці буде залежати не тільки від координат , але і від часу , тому що у топці над газорозподільною решіткою частки безупинно рухаються і склад їх у кожній точці змінюється. Розгляд усіх сил, що діють на виділений об'єм призводить до диференціального рівняння типу Колмогорова-Фоккера-Планка, що чисельно розв'язувалися Тихоновим О.М., Рубінштейном Ю.Б., Пожидаевим В.Ф. Ця концентрація є функцією, що зменшується вздовж математичного очікування траекторії блукання . Траекторія спрямована від початкового положення частки в об'ємі топки до місця сгорання частки або до місця перетину з вертикальною площиною камери, де відгружається паливо. Блукання часток розглядається у виділеному шарі з радіусом перетину , який дорівнює абсолютному відхиленню у рухомій системі координат від траєкторії детерминового руху часток. Цей шар є місцем блукання всього класу часток данної характеристики крупності вздовж решітки.

Загальне аналітичне рішення рівняння випадкового блукання часток щодо концентрації пальної складової часток

отримано за таким співвідношенням:

,

де - значення концентрації пальної складової часток у момент руху у точці траєкторії блукання , - коефіцієнт дифузії, м 2/с; - коефіцієнт сносу, що відповідає результуючій складовій швидкості частки, м/с. Суміш неоднорідна за своїми фізичними характеристиками.

Для кожного класу (або фракції) записуємо рівняння випадкового блукання у робочому об'ємі зі своїми умовами проходження часток через шар до кінця області існування КПШ.

Досягнув точки , частка з імовірністю відбивається від границі шару та повертається до процесу блукання, або з імовірністю сгорає, тобто виходить із процесу блукання. Тоді гранична умова для даної задачі - це зважена сума

.

З визначеної граничної і початкової умови зберігання мас знаходимо значення двох невизначених коефіцієнтів загального рішення .

Маючи значення концентрації пальної складової часток в кожній точці топкового обсягу знаходимо залишкове утримання пальної речовини в частках із характеристикою (крупністю) при заданому фракційному складі вугілля у вигляді:

.

В останню формулу входять конкретні геометричні параметри решітки і технологічні параметри процесу, що дозволяє використовувати отримані залежності для прогнозування результатів технологічних процесів спалювання і вибору оптимальних конструктивних параметрів техно логічного устаткування. Показано зміну залишкового утримання пальної складової в частках для різних класів крупності (d діаметр часток) при зміні параметру безрозмірного часу перебування над решіткою (значеннядля різних кривих дорівнює: 1-100, 2-50 та 3-20). Показана можливість проведення чисельно-аналітичного моделювання процесу зменшення концентрації пальної складової в частках виділеного робочого тіла. Виконана перевірка на адекватність отриманого теоретичного рішення. Порівняння з експериментальними даними досліджень решітки топки ПК-14-3 Карагандинської ТЕС дозволяє зробити висновок, що дана модель може бути рекомендована як базова при розрахунку процесу спалювання вугілля в КПШ.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням моделей подових решіток і КПШ над ними. Досліди соплової і лопатно-щілинних решіток проводилися на експериментальному стенді "Киплячий шар".

Це установка нагнітального типу з вентилятором 1, камерою тиску 2, моделлю воронки топки 3 і змінною моделлю решітки 4, отвором для засипання імітатора вугілля 5, збірником імітатора 6, вимірювачами статичного і повного тиску 7, засобами для спостереження (фотоапарат, відеокамера, телевізор) 8. Проведення експерименту складалося у завданні визначеного режиму КШ і одночасно у виміріюванні всіх необхідних параметрів.

Досліди на стенді починали з імітатора масою 10кг, потім збільшували її послідовно на 10 кг, доводячи до 90 кг, одночасно регулювали подачу повітря через отвори решітки. У якості імітатора використовували частки поліетилена діаметром 0,003м, циліндричні шматки гуми діаметром 0,0045м і висотою 0,01м, зерна пшениці. Матеріал (суміш), у цілому, мав насипну і дійсну щільності 630 і 1130кг/м 3 відповідно.

Таблиця 1 Характеристики досліджуваних подових решіток

Характеристика	Соплова	Лопатно-щілинна
Довжина (м)	1,95	1,95
Кількість отворів	148 сопел	2 щілини, 144 лопатки
Площа решітки (м 2)	0,301	0,301
Площа живого перетину (м 2)	0,0116	0,0666
Відносна площа живого перетину (%)	3,85	22,2

У ході експериментальних досліджень решітки із сопловими отворами були виявлені зони розрідження на горизонтальній поверхні решітки. Це сприяє утворенню і збільшенню "мертвих зон" на решітці, що у промислових умовах може призвести до посилення шлакування. Численні досліди з лопатно-щілинною решіткою показали, що весь імітатор, введений в об'єм холодної воронки моделі, вступав у процес кипіння. "Мертві зони", тобто зони, зайняті нерухомим імітатором, не спостерігалися. Навіть після припинення дуття всі поверхні моделей решітки і холодної воронки були чистими від імітатора. Імітатор крізь подовжні щілини провалювався в короб, установлений під решіткою.

Проведені експерименти дозволили визначити залежність розріженя на поверхні соплової решітки від витрати повітря та висоти утворення КШ від швидкості повітря, що вдувається, і маси завантаженого у нього імітатора. Із збільшенням швидкості повітря в щілинах решітки висота шару зростає. При створенні КШ із суміші імітатора (поліетилен і гума в співвідношенні 3:2) було помічено, що висота КШ поліетилену в такій суміші зменшується у порівнянні з висотою кипіння тільки поліетилену. Очевидно, частки гуми (як більш інертні в порівнянні з частками поліетилену), створюючи КШ на висотах, менших висот кипіння часток поліетилену, перешкоджають останнім вільно підніматися вгору. Помічене явище може бути позитивно використане при спалюванні низькосортного вугілля в КШ. Було визначено, що коефіцієнт гідравлічного опору лопатно-щилинної решітки складає =0,12-0,22, що значно нижче аналогічних показників інших випробуваних решіток.

Лопатно-щілинна решітка дозволяє значно зменшити перепад тиску в початковий момент формування КШ при подачі твердого палива у вхідний повітряний потік.

Вперше лопатно-щілинна газорозподільча решітка крім керування кількістю киплячого матеріалу і висотою КШ (як соплові решітки) дає можливість за рахунок нахилу лопаток надавати киплячому шару поступальну швидкість переміщення вздовж решітки. Експериментально було створено модель киплячого потокового шару.

Для цього на стенді було встановлено удосконалену модель лопатно-щелинну решітку розподільча стінка якої поділила об'єм камери на дві частини.

У цих частинах лопатки нахилялись у різні боки під одним і тим же кутом. Імітатор загружався спочатку у першу частину воронки та переміщувався вздовж решітки. У кінці решітки відбувався поворот шару імітатора вздовж відбивних пластин потоком повітря і весь імітатор продовжував рухатись під дією повітря через отвори решітки по другій частині воронки до початку решітки. На початку решітки процес повороту шару повторювався. Таким чином було здійснено усталений режим кипіння з горизонтальним просуванням шару вздовж лопатно-щілинної решітки по замкненому контуру за рахунок нахилу лопаток з однієї та другої сторони решітки в протилежних напрямах. Цей факт доказує можливість утворення киплячого потокового шару необхідної довжини над лопатно-щелинною решіткою з газодинамічним транспортуванням часток палива та шлаку вздовж решітки.

Система керування поступальним переміщенням КШ виявилася дуже гнучкою й ефективною. Швидкість поступального переміщення повинна вибиратися, виходячи з часу повного спалювання часток вугілля при їх кипінні і поступальному русі, тобто виходячи з часу руху часток, що горять, над решіткою. Примусова злива КШ імітатора виконувалась шляхом повороту лопаток у щілинах у напрямку зливу.

Розроблена лопатно-щілинна решітка без яких-небудь додаткових доробок дозволяє реалізувати такі різновиди псевдоожиженого шару: киплячий шар, зважений шар і фонтануючий шар. Режим псевдоожиження стійкий у широких діапазонах витрат повітря та властивостей твердого палива. Для проведення узагальнення даних проведених експериментів із розрахунку гідродинамічних параметрів КШ виведено коефіцієнти подібності із рівняння зберігання енергії для киплячого шару

,

де питома енергія киплячого потоку, тобто потужність, що витрачається на псевдоожиження; - питома кінетична енергія повітряного потоку в щілинах решітки; - питома кінетична енергія повітряного потоку надшарового простору; - коефіцієнт витрат, що враховує всі особливості процесу в локальних зонах, що залежать від конструктивних властивостей решітки, режимів дуттєвих пристроїв, характеристик палива і т.д.

Враховуючи, що , і підставляючи значення всіх розмірів, одержуємо співвідношення для швидкості повітря в щілинах натурної решітки

.

Аналогічний вираз одержано для моделі решітки. У проведених експериментах були визначені геометричні пропорції моделі і натурної решітки (). Приймаючи припущення: рівність швидкостей часток шару в моделі і натурних умовах (), чисельні значення коефіцієнтів витрат для моделі і натурних умов: =1,5, =1,85 і знаючи з теплового розрахунку котла ПК-14-3 і умов дослів моделі решітки значення тиску і температури повітря в каналах решітки, знайдено кінцеве значення коефіцієнта гідродинамічної подібності

.

Отримані коефіцієнти дозволяють визначити висоту натурного КШ. Знайдено, що натурний киплячий шар масою 600 кг при швидкості в живому перетині решітки =100м/с моделюється киплячим шаром імітатора масою 9,34 кг при швидкості повітря =79,6м/с у живому перетині моделі лопатно-щілинної решітки.

Виходячи з аналізу наведених вище розрахунків натурної системи "решітка плюс киплячий шар" і економії енергетичних витрат на створення киплячого шару вугілля були розроблені рекомендації щодо реконструкції котла ПК-14-3 із метою переводу його у режим спалювання низькосортного вугілля в киплячому шарі.

Розроблено розрахунково-експериментальну методику визначення основних гідродинамічних параметрів киплячого потокового шару. Проведено її експериментальне дослідження на стенді "Киплячий шар" при аналізі роботи створеної подової решітки нового типу і розроблено рекомендації щодо поліпшення її конструкції.

У четвертому розділі наведено дослідження елементів циркуляції недогару й очищення димових газів із метою створення технологічної схеми процесу спалювання низькосортного вугілля в КПШ. Технологія спалювання високозольного вугілля у КПШ містить інтенсивну внутрішню і зовнішню циркуляцію часток, за рахунок руху часток у киплячому шару уздовж подової решітки, уловлювання часток, що не згоріли, циклоном і повернення їх для догорання у топці. Таким чином, дрібні частки вигорають за один прохід, частки більшого діаметру уловлюються встановленими на тракті димових газів гарячими циклонами великого діаметра і повертаються на догорання. Це відбувається доти, поки розмір часток не стане меншим розміру фракції, що виноситься.

Таким чином, важливою частиною пристрою з КПШ є циклон шнекового типу, що дозволяє створити циркуляцію часток твердого палива. Було розглянуто попилоуловлювачі, що являють собою два співвісно розташовані круглі циліндри з кільцевим зазором між ними. До зовнішнього циліндра знизу кріплять конус. Торці зовнішнього циліндра закривають фланцями, а торці внутрішнього циліндра лишають відкритими. Двохфазний потік (димовий газ із твердими частками попілу) подають

у кільцевий зазор циклону по дотиковій до кола зовнішнього циліндра в його верхній частині. Потік, прямуючи в кільцевий зазор циклону, закручується, частки попілу під дією відцентрових і гравітаційних сил гальмуються і випадають із потоку газу в конічну частину циклона. Очищений димовий газ попадає з циклону через його внутрішній циліндр в атмосферу. Для повного очищення газу від шкідливих домішок і залишків попілу та палива використовується емульгатор, після якого очищений газ випускається в атмосферу. Моделі були випробувані на стенді "Циклон", який створено на базі стенда "Киплячий шар". Він включає, зокрема, бункер для попілу 1, шнек 2, камери для моделей циклона 3, бункер для збору твердих часток 4 і бак з водою 5 для очищення двуфазного потоку від твердих часток, що залишилися. У якості твердої фази було використано попел від спалювання вугілля АШ на Придніпровській ГРЕС. Досліди моделей проведені при температурі попілу, що співпадає з температурою навколишнього середовища (t=20-250) і при температурі попілу з електрофільтрів (t= 100-1100). Крім того, були проведені досліди на відсіві Рибальського гранітного кар'єру. Розміри часток цього відсіву від 0,4 до 1,0мм.

У ході дослідів визначалася працездатність, ефективність і коеффіцієнт гідравлічного опору циклонів. Було досліджувано три моделі циклона, що відрізнялися розташуванням і розмірами вікон, внутрішніми діаметрами. У результаті візуальних спостережень у ході дослідів, проведених на шнекових циклонах, і розрахунків було встановлено, що двуфазний потік при натурних швидкостях (= 2,5; 6; і 10 м/с) утворював завали часток перед входом у циклон, причому розміри їх прямо пропорційні розміру швидкості потоку. Тому було удосконалено моделі циклонів із введенням вікон, що відводять золу, і експериментально відпрацьовувано геометричні параметри усіх конструктивних елементів. Було доопрацьовано вікна, через які відбувалося видалення часток попілу, визначене їх найкраще розташування. У результаті проведених робіт ефективність роботи моделі циклона збільшилася до 95%. Це дозволило рекомендувати застосування даних золоуловлювачів у технологічному циклі спалювання вугілля низького гатунку в КПШ для уловлювання недожога і повернення його в топку для остаточного спалювання.

Проведені досліди моделі елемента фільтруючого емульгатора показали, що його ефективність у найбільшій мірі визначається швидкістю попілоповітряного потоку, питомою витратою води і типом завихрювача. При цьому отримані кількісні оцінки підвищення ефективності емульгатора зі збільшенням швидкості потоку, питомої витрати води.

У результаті проведених досліджень було розроблено технологічну схему спалювання низькосортного вугілля в КПШ, що включає три етапи: безпосереднє спалювання часток вугілля у киплячому потоковому шарі з газодинамічним транспортуванням вугілля уздовж подової лопатно-щілинної решітки нового типу; уловлювання часток у золоуловлювачі-мультициклоні з завихрювачем шнекового типу і повернення їх на остаточне спалювання у топку над подовою решіткою під шар грудкового вугілля, що надходить, щоб запобігти передчасний їх виніс; тонке очищення димових газів у емульгаторі.

На базі експериментально-розрахункових досліджень елементів технологічного устаткування розроблено практичні рекомендації для проектування подових решіток, золоуловлювачів. Проаналізовано конструкції і технологічні процеси при роботі подової решітки для Карагандинської ТЕС, сформульовано рекомендації щодо підвищення ефективності її роботи.

Основні результати і висновки

1. Розроблено новий спосіб організації киплячого шару з газодинамічним транспортуванням золошлакових відходів і удосконалено подову решітку лопатно-щілинного типу, що забезпечує стійкий киплячий шар.

2. У результаті досліджень удосконаленої подової решітки отримані нові дані відносно:

робочих процесів дуттєвих пристроїв і подової решітки;

параметрів КШ при різних режимах дуття і положеннях направляючих лопаток;

впливу параметрів і пристрою решітки на рівномірність і усталеність КШ, гідродинамічний опір решітки і КШ, початковий період формування КШ і ін.

Показано, що стійкий КШ реалізується при рівномірній подачі повітря у топку як через вертикально встановлені лопатки решітки, так і нахилені убік розвантаження шлаків. При цьому можливо одночасно робити завантаження нових порцій палива і розвантаження золошлакових відходів.

3. Проведені експериментальні дослідження гідродинамічних параметрів удосконалених подових решіток і утворюваного над ними КПШ підтвердили високі технологічні характеристики решітки:

відсутність застійних зон і зон шлакування;

усталеність і рівномірність КШ;

можливість керування подовжнім рухом КШ над решіткою;

можливість створення киплячого потокового шару над решіткою;

порівняно малий гідравлічний опір решітки (=0,12-0,22);

4. У киплячому шарі над сопловою і лопатно-щілинною решіткою при частковому завантаженні палива (до 10%) експериментально встановлено існування диффузорного ефекту, що веде до нестійкості КШ, і запропоновано рішення щодо його усунення.

5. Вперше експериментально для киплячого шару в обмеженому обсязі над лопатно-щілинною решіткою із нахиленими на кут () лопатками і зміні швидкості повітря, що вдувається скрізь решітку, в діапазоні м/c виявлено подовжнє переміщення шару над решіткою. Експериментально доведена можливість створення киплячого потокового шару

6. Розроблений комплекс методик розрахунку параметрів лопатно-щілинної подової решітки нового типу дозволяє розрахунковим шляхом визначати проектні гідродинамічні параметри решітки і потоку в топці над подовою решіткою.7. На основі статистичних методів і аналітичного рішення рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка створено математичну модель КПШ і методику визначення його гідродинамічних параметрів. Показана можливість проведення чисельно-аналітичного моделювання процесу зменшення концентрації пальної складової в частках виділеного робочого тіла. Розв'язано задачу масштабування і виведено коефіцієнти подоби, що дозволяють використовувати результати іспитів, одержані на холодній моделі, для обчислення параметрів шару на натурних устроях для спалювання вугілля в КПШ.8. Отримано результати про залежність ефективності уловлювання виносу з киплячого шару апаратами шнекового типу від геометричних параметрів корпусу та шнеку, розташування і форми вікон, що виводять золу. Запропоновано методику визначення газодинамічних і геометричних параметрів шнекового циклона, що базується на узагальненні дослідних даних, отриманих у процесі відпрацьовування циклона в модельних умовах на стенді "Циклон".

7. На підставі аналізу результатів експериментальних досліджень моделей емульгаторів, проведених на стенді ІТМ "Емульгатор", відзначено доцільність застосування пристроїв у технологічному процесі спалювання вугілля для очищення димових газів.8. На основі узагальнення результатів досліджень удосконаленої подової решітки, циклона шнекового типу, емульгатора для очищення димових газів розроблено новий спосіб спалювання вугілля у киплячому потоковому шарі. Запропоновано основні ланки і положення нової технологічної схеми спалювання низькосортного вугілля в КПШ, що включає безпосереднє спалюваня часток вугілля у топці в КПШ із їх рухом над спеціально створеною подовою решіткою, уловлювання часток, що не згоріли, циклоном шнекового типу і остаточне спалювання їх і застосування емульгатора для очищення димових газів після циклона.

Основні публікації за темою дисертації

1. Прядко Н.С. Методика определения параметров подовой решетки и псевдоожиженного слоя над ней //Системные технологии.-Дн-ск.- 2002.-№1(18).-С. 26 -31.2.Прядко Н.С. Методика расчета параметров системы "псевдоожиженный слой плюс решетка" //Техническая механика, 2002.-№2.- С. 116-120.3.Прядко Н.С. Исследование параметров потока в осевых шнековых завихрителях // Вісник ДонНУ.-2002.-Серія А, №1.- С.205-210.

4. Пожидаев В.Ф., Прядко Н.С., Ветров А.А. Математическое моделирование процесса сжигания угля в поточном кипящем слое//Системные технологии.-Дн-ск. 2004.-№1(30).-С.41-46.5. Коваленко Н.Д., Борисенко С.В., Прядко Н.С., Кулаков А.Н., Малый Л.П., Быковченко Г.И., Звонов Л.И. Экспериментальные исследования характеристик топки для сжигания твердого топлива в фонтанирующем слое // Вісник НДУ.-2002.-Т.5, №1.- С.103-108. 6. Коваленко М.Д., Борисенко С.В., Прядко Н.С., Кулаков А.Н., Малый Л.П., Быковченко Г.И. Подовая решетка для сжигания угля в псевдоожиженном слое//Системные технологии.-Дн-ск.- 2001.-№6(17).-С. 77-81.

7. Коваленко М.Д., Борисенко С.В, Прядко Н.С., Малый Л.П., Быковченко Г.И. Новые технологии при сжигании низкосортного угля в кипящем поточном слое// Техническая механика, 2004.-№1.- С.150-154. 8. Коваленко Н.Д., Кулаков А.Н., Прядко Н.С. Экспериментальные исследования моделей циклона шнекового типа //Техническая механика 2002.-№1.- С.126-132.

9. Пат. 58077 А України. МКИ F23 Н 9/10. Подова решітка / М.Д. Коваленко, Н.С. Прядко. - Заявлено 17.09.2002; Опубл. 15.07.2003, Бюл. №7.-2с.10. Пат. 58077 А України МКИ F23 Н 9/10. Спосіб спалювання палива у фонтануючому прошарку / М.Д. Коваленко, Н.С. Прядко - Заявлено 17.09.2002; Опубл. 15.07.2003, Бюл. №7.-1с.

Размещено на Allbest.ru

...