Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 7
1.1 Использование соломы в качестве топлива для коммунальной и промышленной энергетики 7
1.1.1 Использование соломы и её значение 7
1.2 Конструкции котлов для сжигания соломы 14
1.3 Гранулирование соломы, котлы и технологии для сжигания соломенных гранул и гранул из других отходов растениеводства 18
1.4 Исследование сжигания соломы в плотном слое 21
1.5 Исследование процесса сжигания соломенных гранул в кипящем слое инертного материала 26
1.6 Исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсных слоев частиц, форма которых резко отличается от сферической 35
1.7 Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования 40
2. Методика эксперимента и описание экспериментальной установки 43
2.1. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента 44
2.2 Методика исследования горения топливных гранул в псевдоожиженном слое на «горячей» модели 49
2.3 Характеристики применяемых приборов и погрешности измерения 54
3. Результаты экспериментов 56
3.1 Результаты исследования процессов псевдоожижения слоев гранул на «холодной» модели 56
3.2 Анализ статистических характеристик случайного процесса пульсаций перепада давления в слое гранул 69
3.3 Обобщение полученных экспериментальных данных. 77
3.3.1 Получение обобщающей полуэмпирической зависимости 77
3.4 Результаты исследований на горячей модели 86
4. Практические аспекты использования результатов исследования 92
4.1 Расчет стоимости производства тюков из соломы 96
4.2 Расчет стоимости производства гранул из соломы 97
4.3 Сравнительные результаты расчетов стоимости доставки гранул и тюков соломы для котельной с присоединенной нагрузкой 500 кВт 98
Основные результаты и выводы работы 101
Список использованных источников 103
Приложение А 111
- Гранулирование соломы, котлы и технологии для сжигания соломенных гранул и гранул из других отходов растениеводства
- Исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсных слоев частиц, форма которых резко отличается от сферической
- Методика исследования горения топливных гранул в псевдоожиженном слое на «горячей» модели
- Анализ статистических характеристик случайного процесса пульсаций перепада давления в слое гранул
Введение к работе
Ужесточение экологических требований к котельным установкам, высокие цены на традиционные энергоносители обуславливают интерес к использованию в качестве топлива биомассы. Ресурсы биомассы по России распределены крайне неравномерно, причем основные ее запасы сосредоточены в северных и восточных регионах с наименьшей плотностью населения и, соответственно, с меньшей потребностью в тепловой энергии, чем центральные и южные регионы. Однако, именно последние имеют наибольшие ресурсы соломы и других отходов растениеводства (лузги подсолнечника, проса, риса и т.п.), которые можно использовать для выработки тепловой энергии.
В работе проанализированы технологические и экономические аспекты использования соломы и других отходов растениеводства в качестве топлива. Показано, что из-за низкой насыпной плотности в исходном виде эти отходы как топливо использоваться не могут, а должны быть уплотнены в тюки или переработаны в брикеты или гранулы. Причем при расстоянии от места переработки соломы до места ее использования в качестве топлива более 55-57 км экономически выгодно использовать солому в виде гранул.
Анализ литературных данных показал, что сжигание соломы и подобных топлив по известным технологиям в плотном слое и кипящем слое инертного материала имеет ряд существенных недостатков:
1) низкая интенсивность горения топлива и экстремальная зависимость скорости горения от расхода дутьевого воздуха, что приводит к сужению диапазона регулирования мощности котла и ухудшению весогабаритных показателей котла,
2) не полное выгорание фиксированного углерода, снижающее КПД котла,
3) образование золо-шлаковых агломератов, затрудняющих стабильную работу топки котла.
Целью работы является: разработка технологии устойчивого и эффективного сжигания гранулированной соломы и других отходов растениеводства и связанное с этим исследование особенностей перехода в псевдоожиженное состояние слоев гранул с разным отношением диаметра гранулы к ее средней длине при комнатной температуре, а также исследование процесса воспламенения и горения гранул из соломы и других отходов растениеводства в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения.
По результатам исследования предложено сжигать соломенные и подобные гранулы в кипящем слое, сформированном самими гранулами и твердыми продуктами их горения (золой и частицами коксового остатка). Детально исследован процесс перехода полидисперсного слоя цилиндрических гранул в псевдоожиженное состояние, предложен новый метод оценки минимальной скорости псевдоожижения такого слоя, т.к. известные методы этой оценки для подобных слоев оказались непригодными.
Продолжительность горения одинаковых по массе порций агрогранул и древесных гранул в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения, близки, хотя в последних содержится в 8,76 - 19,4 раза меньше золы. Продолжительность горения порции соломенных гранул в таком кипящем слое в 3,74 - 7,01 раз меньше минимальной продолжительности горения порции резанной соломы, масса которой равна массе порции соломенных гранул. Скорость горения порции соломенных гранул в 2,5 — 4,73 превосходит максимальную скорость горения порции соломенной сечки.
При сжигании агрогранул в кипящем слое коксовый остаток имеет порошкообразную структуру, агломераты расплавившейся и спекшейся золы в нем отсутствуют. Потери топлива из-за механической неполноты сгорания при сжигании гранул в кипящем слое в 2,3 - 4,3 раза меньше этих потерь при сжигании тех же гранул в плотном слое по известной технологии.
На защиту выносятся: - полученные автором результаты исследования процесса псевдоожижения слоев биогранул, изготовленных из соломы, лузги проса и лузги подсолнечника, - полученные автором результаты исследования процесса сжигания в псевдоожиженном слое биогранул, изготовленных из соломы, лузги проса и лузги подсолнечника, - предложенный автором метод экспериментальной оценки минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя цилиндрических гранул, результаты расчетов минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя биогранул и слоя, состоящего из биогранул и частиц их коксового остатка.
Результаты исследования реализованы при реконструкции котельных муниципального предприятия «Заветинские тепловые сети» Заветинского района Ростовской области в части замены антрацита класса «семечко» на биогранулы из соломы озимых культур, что, согласно предварительным расчетам, позволит снизить затраты на топливо более, чем на 1 млн. руб. в год.
Работа над диссертацией проводилась в Тамбовском государственном техническом университете.
Настоящая работа по исследованию сжигания отходов сельскохозяйственного производства является законченной самостоятельной составной частью комплекса исследований, проводимых под руководством к.т.н., доцента Милованова А.В. и к.т.н. Исьемина Р.Л. Им, а также к.т.н., доценту Кузьмину С.Н., к.т.н. Михалёву А.В., инженерам Коняхину В.В. и Прокопчику А.П. автор выражает благодарность за помощь в работе.
Гранулирование соломы, котлы и технологии для сжигания соломенных гранул и гранул из других отходов растениеводства
Установлено, что значение Ts, найденное в экспериментах по дефлюидизации (перевод псевдоожиженного слоя в неподвижное состояние), совпадает со значениями, определенными с помощью дилатометра. Следовательно, Ts - является неотъемлемым свойством частиц и определяется химическим составом и другими характеристиками частиц. Было установлено, что Ts может быть значительно ниже температуры начала деформации золы, определенной обычными методами [35].
Диаграмма псевдоожижения при высокой температуре без образования спеков и при образовании спеков. Эксперименты по газификации соломы пшеницы, проводимые в слое песка показали [36], что агломераты в слое образуются, когда температура в слое приближается к 800С и значительная дефлюидизация наблюдается при температуре превышающей 800 - 820С. Авторы указанной работы пришли к выводу, что причиной этого явления надо считать высокое содержание соединений калия в соломе. В пилотной установке с топкой кипящего слоя также наблюдался процесс дефлюидизации [37]. Сжигание смеси соломы и древесины уменьшало агломерацию, но не исключало ее совсем. При непрерывном сжигании соломы в экспериментальной топке с кипящим слоем мощностью 150 кВт также наблюдалась агломерация и дефлюидизация, которая приводила к остановке топки 2-3 раза в месяц даже при температуре слоя ниже 700С [38]. В этой работе предложено использовать альтернативный материал слоя - окись железа - для предотвращения образования легкоплавких эвтектик. Однако, полученные в этой работе результаты представляются довольно предварительными и механизм их достижения не обсужден в деталях [28].
Проблемы с дефлюидизацией слоя при сжигании слоя наблюдаются и в том случае, если солома подается в слой в виде гранул [28]. Причем в указанной работе применялись гранулы диаметром от 1 до 10 мм; гранулы были изготовлены из соломы датской пшеницы. Основным материалом слоя служил кварцевый песок, содержащий 98,9 % Si02. Температура плавления песка была 1450 С. Эксперименты проводились с целью исследования таких параметров, как: температура слоя; коэффициент избытка воздуха; скорость газа продуваемого через слой и размер частиц материала слоя на время дефлюидизации. В каждом опыте изменялся только один параметр по сравнению с другими опытами. Температура слоя менялась в пределах 725-930 С, коэффициент избытка воздуха - 1,0 - 2,6: расход воздуха — 14-28 л/мин., эквивалентный диаметр частиц слоя - 0,275-0,46 мм. Наступление режима дефлюидизации определяли по двум параметрам: перепад давления в слое и перепад между температурой слоя у газораспределительной решетки и температурой слоя на расстоянии 2 см над решеткой. При наступлении режима дефлюидизации перепад давления в слое внезапно падает, а перепад температур - растет, что указывает на плохое перемешивание частиц в слое.
Было установлено, что на процесс дефлюидизации значительно влияет температура слоя (рисунок 1.16), в меньшей степени влияют скорость воздуха, продуваемого через слой (коэффициент избытка воздуха в слое) и средний эквивалентный размер основных частиц слоя (рисунок 1.17).
Влияние температуры слоя на процесс его дефлюидизации Было установлено, что при коэффициенте избытка воздуха в слое, равном 2, время, прошедшее от начала опыта до наступления режима дефлюидизации, увеличивается на 30 %. Увеличение среднего размера частиц основного слоя приводило к сокращению времени дефлюидизации. Как показали результаты, полученные в указанной работе, исключить дефлюидизацию не удавалось ни при каких режимах работы экспериментальной установки.
Чуть раньше или чуть позже после начала подачи гранул в слой начинали образовываться агломераты, которые на первой стадии были очень хрупкими и внутри имели черное ядро из золы. Форма агломератов была подобна форме гранул. Это означало, что агломераты образуются около горящей частицы коксового остатка соломенной гранулы. Для проверки этого предположения был изготовлен специальный контейнер, стенки которого имели 160 отверстий диаметром 2 мм. В этот контейнер помещалась гранула весом 0,5 г, а затем контейнер размещался в горячем слое инертных частиц. Контейнер помещался в слой на разное время, а затем быстро извлекался и помещался в жидкий азот для предотвращения горения. При низкой температуре слоя (720 С) большие агломераты образовывались только две минуты после размещения контейнера в слое. Агломерат имел черное ядро со множеством частиц песка на поверхности. Это означало, что частицы песка улавливаются горящей частицей коксового остатка при их столкновении. При высокой температуре (920 С) агломераты были более прочными и меньше содержали кокса. После выдерживания в слое в течении 10 мин. при температуре 920 С черное ядро в центре агломерата исчезало и агломераты становились пустыми внутри. Сами агломераты представляли собой некий расплав золы и песка с отверстиями, через которые, очевидно, происходила возгонка коксового остатка (рисунок 1.18).
Анализ агломератов показал, что они состоят из легко плавкой эвтектики К20 — S1O2, образованию которой также способствует накопление калия в слое. Как следует из рисунка 1.19, температура слоя слабо влияет на накопление калия в слое, по крайней мере, в исследованном диапазоне изменения температуры. Это означает, что калий очень в незначительном количестве испаряется при горении соломенных гранул.
Исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсных слоев частиц, форма которых резко отличается от сферической
Из анализа публикаций по тематике исследования можно сделать следующие выводы: 1) Россия обладает ежегодно восполняемыми значительными запасами отходов растениеводства. Только часть собираемой соломы может быть использована для производства тепловой и электрической энергии без ущербадля животноводства и плодородия почвы. Однако, солома имеет низкую насыпную плотность и, в отличии от древесины, примерно в 10 раз больше содержит золы, причем эта зола имеет низкую температуру плавления. Это снижает надежность работы котлов из-за шлакования топки и эффективность работы котлов из-за потерь тепла с механическим недожогом. 2) Известны два способа сжигания агрогранул: в плотном слое неподвижных друг относительно друга частиц топлива на неподвижной или движущейся колосниковой решетке и сжигание в кипящем слое инертного материала. а) Сжигание агрогранул в плотном слое имеет некоторые недостатки: низкая скорость горения топлива, экстремальная зависимость скорости горения топлива от расхода дутьевого воздуха, высокое содержание горючих в очаговых остатках. Указанные недостатки приводят к ухудшению весо-габаритных показателей котлов, сужению диапазона регулирования их мощности, снижению КПД котлов, снижению надежности работы котлов из-за проблем с удалением золы и шлака. б) Сжигание в кипящем слое инертного материала сопровождается образование золо-шлаковых агломератов, приводящих к дефлюидизации слоя, что снижает надежность работы котлов. 3) Для предотвращения дефлюидизации слоя необходимо: - увеличивать коэффициент избытка воздуха в слое, - предотвращать накапливание калия в слое, - постоянное механическое воздействие на образующиеся агломераты, особенно на первой стадии их формирования, когда они хрупкие. Это позволяет предположить, что сжигание агрогранул необходимо осуществлять в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения (золой и частицами коксового остатка). 4) В литературе отсутствуют сведения об особенностях процесса перехода в псевдоожиженное состояние частиц такого размера и такой формы, как цилиндрические гранулы; известные методы оценки скорости начала псевдоожижения не пригодны для определения минимальной скорости псевдоожижения слоев таких частиц, как крупные гранулы цилиндрической формы. Сделанные выводы позволяют сформулировать следующие задачи исследования: 1) Исследовать особенности перехода в псевдоожиженное состояние слоев гранул с разным отношением диаметра гранулы к ее средней длине. 2) Предложить метод оценки скорости минимального псевдоожижения полидисперсных слоев цилиндрических гранул. 3) Исследовать процесс воспламенения и горения гранул из соломы и других отходов растениеводства в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения. Исследованию подвергались слои гранул, изготовленных из соломы озимой пшеницы, лузги проса и лузги подсолнечника. Плотность гранул была определена пикнометрическим способом. Из-за относительно высокой пористости гранулы во избежание проникновения в гранулу воды и искажения результатов экспериментов, гранулы перед началом опыта покрывалась тонким слоем лака, а затем подвергалась сушке. При этом определялась масса как исходной гранулы, так и гранулы, покрытой лаком, что позволяло учесть изменение массы гранулы в случае впитывания ею лака. Эти гранулы имели следующее происхождение: гранулы из соломы озимой пшеницы были получены на установке, построенной по нашему проекту на производственной площадке МУП «Заветинские теплосети», с. Заветное, Заветинского района Ростовской области, гранулы из лузги проса были приобретены на ОАО «Романовский комбинат хлебопродуктов» (п. Романовка, Саратовская область), гранулы из лузги подсолнечника были приобретены на ООО «Южный полюс» (г. Кропоткин, Краснодарский край).
Изначально планировалось, что сжигание гранул будет осуществляться в специально модернизированном для этих целей жаротрубно-дымогарном горизонтальном котле с топкой псевдоожиженного слоя, расположенной в нижней части жаровой трубы. Описание такого котла дано в [57]. В этом котле поперечное сечение псевдоожиженного слоя было прямоугольным с соотношением сторон 1 : 2,5, а доля «живого» сечения воздухораспределительной решетки была равна 5 %. Эксперименты на «холодной» модели проводились в аппарате прямоугольного поперечного сечения 194 х 485 мм (отношение сторон равно 1 : 2,5) и высотой 1500 мм. Аппарат выполнен из акрилового стекла, что позволяло вести визуальные наблюдения. Аппарат опирался на воздухораспределительную решетку, которая представляла собой пластину с отверстиями. Доля «живого» сечения решетки составляла 5 %. Сверху решетка была прикрыта сеткой во избежание забивания отверстий решетки частицами слоя. Аппарат с воздухораспределительной решеткой опирался на воздухоприемную камеру, заполненную кольцами Рашига для выравнивания потока.
Воздух в аппарат нагнетался специальной воздуходувкой с напором 4000 Па. Максимальный расход воздуха составлял 1350 м /час. Расход воздуха, подаваемого под аппарат, регулировался с помощью вентиля, установленного на байпасном трубопроводе, направляющем воздушный поток в обход установки. Температура воздуха, подаваемого под установку составляла 20 — 24 С.
Скорость воздуха измерялась на выходе из аппарата термоанемометром типа Testo 405-V1. В каждом опыте проводилось не менее 50 измерений скорости воздуха. Измерение перепада давления в слое производилось с помощью дифференциального микроманометра «Testo - 525». Первичный датчик, выполненный в виде иглы от шприца с внутренним диаметром 0,5 мм и длиной 60 мм, размещался в непосредственной близости от воздухораспределительной решетки. Микроманометр был соединен с первичным датчиком пластмассовой трубкой внутренним диаметром 4 мм и длиной 200 мм.
Цифровой сигнал от микроманометра «Testo - 525» подавался на персональный компьютер, что позволяло сохранять измеренные значения перепада давления в слое. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.1, а общий вид установки - на рисунке 2.2.
Методика исследования горения топливных гранул в псевдоожиженном слое на «горячей» модели
«Горячая» модель представляла собой модель жаровой трубы упомянутого выше котла. Она была выполнена из стали толщиной 0,012 м и имела диаметр 1,0 м. Длина жаровой трубы составляла 0,45 м, площадь поперечного сечения слоя составляла 0,0675 м". В установке мог быть образован псевдоожиженный слой прямоугольного поперечного сечения с соотношением сторон 1:2,5. Доля «живого» сечения воздухораспределительной решетки установки составляла 5 %. Установка была снабжена дверкой для загрузки топлива и удаления золы и шлака. Дверка могла быть заменена огнеупорным стеклом для видеозаписи процесса горения. На выходе из установки была установлена термопара типа ХК, подсоединенная к прибору Center 306 и компьютеру, что позволяло фиксировать изменение температуры слоя через каждые 1,7 секунды. Установка была снабжена дутьевым вентилятором, который имел следующие характеристики: напор — 3 кПа, производительность - 1500 м /час, установленная мощность электродвигателя — 1,1 кВт. Скорость воздуха измерялась на входе вентилятора с помощью термоанемометра Testo 405-V1. Линейная скорость воздуха пересчитывалась в массовый расход (кг/с) и изменялась в пределах от 0,25 кг/с до 0,53 кг/с.
Внешний вид «горячей» модели экспериментальной установки приведен на рисунке 2.4, а схема «горячей» модели - на рисунке 2.5.
В реальной топке с горящими гранулами в каждый момент времени присутствуют свежие, только что поступившие в топку гранулы, гранулы, из которых выходят или уже вышли летучие вещества, зола от сжигания гранул. Поскольку гранулы в топку подаются практически непрерывно, то все стадии горения (прогрев гранул, выход из гранул летучих веществ и горение этих летучих веществ, горение частиц коксового остатка), очень трудно установить и изучить отдельные стадии горения гранул и особенности этого процесса. Поэтому, было принято решение исследовать процесс горения отдельной порции гранул. Для этого на слой горячей золы, оставшейся от сгорания порции таких же гранул, при выключенном дутьевом вентиляторе загружалась порция гранул массой 4,2 кг, обеспечивающая высоту слоя в пределах 150-250 мм. После этого включался дутьевой вентилятор и порция гранул воспламенялась. При этом непрерывно, через каждую 1 с, измерялась температура газов на выходе из топки. Поскольку топка была не водоохлаждаемой, то эту температуру в первом приближении можно было считать температурой слоя горящих гранул. При каждом значении массовой скорости воздуха для каждого типа гранул опыт повторялся 5 раз. Воспроизводимость результатов экспериментов была удовлетворительной. После завершения опыта из топки выгружалась зола, которая после остывания до комнатной температуры подвергалась анализу на содержание горючих веществ по известной методике [64].
По результатам опытов строились кривые изменения температуры газов над слоем горящих гранул от длительности наблюдения. Процессы горения в псевдоожиженном слое соломенных гранул и гранул, изготовленных из лузги проса были сопоставлены с процессом горения древесных гранул. Последние имели следующие характеристики: диаметр гранул 8 мм, кажущаяся плотность гранул -1050кг/м , содержание золы в гранулах - 0,5 %, теплота сгорания гранул -20,73 МДж/кг. Такое сравнение было необходимо, поскольку именно древесные гранулы чаще всего используются как топливо в Западной Европе и Северной Америки и их сжигание, как правило, не вызывает особых проблем.
Для сравнения особенностей горения гранул в плотном, и кипящем слое проводились сравнительные эксперименты по сжиганию гранул из соломы, лузги подсолнечника и проса в котле «Pelling — 27». Этот котел чешского производства имеет номинальную мощность 27 кВт, оборудован чугунной чашечной горелкой с нижней подачей гранул для их сжигания в плотном движущимся снизу вверх слое. Внешний вид котла представлен на рисунке 2.6.
Котел был включен в систему естественной циркуляции с емкостью объемом 200 литров и мог работать в номинальном режиме. В бункер котла загружалась порция гранул (20 кг) того или иного типа, включалась топливоподача, топливо поджигалось и котел вводился в работу. Автоматика котла регулировала подачу топлива в зависимости от температуры циркулирующей через котел воды. По окончанию сжигания порции топлива проводился отбор очаговых остатков из топки котла, которые по стандартной методике подвергались анализу на содержание горючих веществ. Здесь под очаговым остатком понимается содержимое выгреба из топки после окончания процесса горения [65]. Это содержимое содержит как минеральную часть (золу), так и горючие вещества, которые по тем или иным причинам не выгорели. рабочую массу, %. Эксперимент повторялся пять раз, воспроизводимость опытов была хорошей.
Из этого графика следует, что полное псевдоожижение гранул из лузги подсолнечника может наблюдаться как при скорости воздуха 2,1 - 2,4 м/с, так и при скорости воздуха 2,65 м/с и скорости воздуха 3,14 м/с. Для слоя гранул из лузги проса состояние полного псевдоожижения наступает при скорости воздуха равной 2,6 м/с. Для слоя гранул из соломы по приведенному графику очень трудно оценить значение скорости минимального псевдоожижения: слой становиться псевдоожиженным либо при скорости 2,4 м/с либо при скорости 3.09 м/с.
Визуальные же наблюдения показывают, что слой соломенных гранул остается неподвижным, пока скорость воздуха, отнесенная к сечению пустого аппарата, не достигнет 1,95 м/с. При этой скорости в слое вблизи стенок аппарата появляются две гетерогенные струи, в которых начинают циркулировать гранулы. Однако, эти струи не выходят на поверхность слоя. Выход струй на поверхность слоя («пробой» слоя) наблюдается при скорости воздуха равной 2,37 м/с (рисунок 3.2). Как видно из рисунке. 3.2, пробивающие слой две вертикальные воздушные струи располагаются на некотором расстоянии от торцевых стенок аппарата. Видно, что гранулы, попавшие в эти струи развернуты вдоль воздушного потока, а гранулы, расположенные вблизи этих воздушных струй, стремятся развернуться вдоль воздушного потока. В центре аппарата гранулы малоподвижны. Будем считать скорость воздуха, продуваемого через слой, при которой происходит пробой слоя и его частичное псевдоожижение, скоростью начала перехода слоя гранул из соломы в псевдоожиженное состояние.
Анализ статистических характеристик случайного процесса пульсаций перепада давления в слое гранул
Физический смысл данных, представленных на рисунке 3.24 заключается в том, что после полного перехода слоя в псевдоожиженное состояние безразмерная амплитуда пульсации перепада давления в слое перестает меняться при дальнейшем увеличении скорости псевдоожижающего агента. Это можно объяснить тем, что пока весь слой не перейдет в псевдоожиженное состояние идет постоянный прирост присоединенной массы струи или газового пузыря, образующихся в слое. Под присоединенной массой здесь понимается масса частиц, перемещаемая воздушной струей или пузырем. При схлопывании пузыря происходит резкий скачок перепада давления в слое, причем амплитуда пульсации будет тем больше, чем больше будет масса частиц, вовлеченная в движение газовой струей или пузырем. При полном псевдоожижении уже все частицы слоя вовлекаются в движение, присоединенная масса газового пузыря перестает меняться и амплитуда пульсаций перепада давления в слое не меняется при дальнейшем росте скорости воздуха, продуваемого через слой.
Резкое изменение статистических характеристик случайного процесса пульсации перепада давления в слое по мере перехода слоя в состояние развитого псевдоожижения отмечалось и другими авторами. Так, в работе [55] при исследовании пульсации перепада давления в слое, состоящем из смеси частиц катализатора крекинга нефти (диаметр частиц 30,0 - 137,5 мкм) и песка (диаметр частиц 63,5 — 460,0 мкм и 193,5 - 460,0 мкм) установлено, что при переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения происходит резкое снижение величины а.
В упомянутой выше работе [56] также отмечается, что в бинарном слое, состоящем на 33,3 % из сферических частиц силикагеля (диаметр частиц 3,09 мм) и почти сферических частиц сои (диаметр частиц 7,68 мм) при полном псевдоожижении слоя наблюдается резкое уменьшение изменения о. Согласно формуле (5) уменьшение изменения а означает и уменьшение изменения 8. Т.е., не только для цилиндрических частиц, как гранулы, но и для сферических частиц, уменьшение абсолютной величины изменения безразмерной амплитуды пульсации перепада давления свидетельствует о полном переходе слоя в состояние минимального псевдоожижения. Следовательно, предложенный в настоящем исследовании метод оценки перехода в состояние полного псевдоожижения по изменению абсолютной величины безразмерной амплитуды пульсации перепада давления от скорости газа, продуваемого через слой, может быть использован для любых полидисперсных слоев частиц.
Таким образом, при исследовании на «холодной» модели процессов перехода в псевдоожиженное состояние гранул разного диаметра, разной плотности и с разным отношением средней длины гранулы к ее диаметру установлено: 1) Псевдоожижение во всех случаях начинается с формированием воздушной струи с циркулирующими в ней гранулами и выходом этой струи на поверхность слоя. Формируется струя на некотором удалении от торцевых стенок аппарата, причем воздушный поток стремиться развернуть гранулы в самой струе и в примыкающей к струе зоне вдоль потока. Такой поворот гранул не возможен у стенок аппарата, поскольку стенки препятствуют такому движению гранул. 2) Дальнейшее увеличение расхода воздуха, продуваемого через слой, приводит к увеличению числа частиц, вовлекаемых в движение воздушными струями. Чем больше гранул вовлекается в это движение, тем сильнее струям воздуха приходиться отклонятся от торцевых стенок аппарата и от вертикальной оси, что, в конечном счете, приводит к слиянию струй в центре аппарата на высоте примерно равной половине начальной высоты слоя. 3) Слияние струй в центре аппарата приводит к образованию здесь большого воздушного пузыря (воздушной «пробки»), который периодически прорывается вверх, выталкивая находящиеся над ним гранулами и обеспечивая, таким образом, циркуляцию гранул во всем объеме слоя. 4) В случае, если отношение длины гранулы к ее диаметру не велико, как у гранул, изготовленных из лузги подсолнечника, то воздушному потоку легче развернуть эти гранулы так, чтобы они оказывали наименьшее сопротивление движению псевдоожижающего газа. Поэтому, в случае коротких гранул образуется две воздушные пробки в некоторой близости от торцевых стенок аппарата, которые, поочередно процессируя, обеспечивают циркуляцию гранул в слое. 5) Увеличение диаметра гранул с 7,0 мм до 10,0 мм практически не оказывает влияния на значение скорости воздуха, соответствующей полному переходу слоя гранул в псевдоожиженное состояние. 6) Для осуществления процесса псевдоожижения цилиндрических гранул использование воздухораспределительной решетки, обеспечивающей равномерное распределение ожижающего агента, представляется нецелесообразным, т.к. в слое формируются большие воздушные пузыри («пробки»), приводящие к образованию зон локального фонтанирования. Число этих зон для установки данных размеров зависит от отношения диаметра гранулы к ее средней длине и начальной высоте слоя. При увеличении отношения диаметра гранулы к ее средней длине и уменьшении начальной высоты слоя число зон локального фонтанирования увеличивается. Тем не менее, для топки с кипящим слоем для сжигания гранул, очевидно, должна применяться не колпачковая решетка, обеспечивающая равномерное входное распределение воздуха, а решетка, подающая воздух под слой в виде отдельных струй, формирующих в дальнейшем зону (зоны) фонтанирования. Такая решетка была применена в конструкции котла, соответствующей Евразийскому Патенту № 006130 и в конструкции «горячей» модели, на которой исследовалось сжигание биогранул 7) Значение скорости воздуха, продуваемого через слой, соответствующее началу перехода слоя гранул в псевдоожиженное состояние и полному псевдоожижению слоя, не могут быть определены по кривым зависимостям изменения перепада давления в слое от скорости воздуха, а также по кривым изменениям значения среднеквадратичного отклонения и безразмерной амплитуды пульсации перепада давления от скорости воздуха. 8) При полном переходе слоя гранул в псевдоожиженное состояние наблюдается резкое уменьшение изменения абсолютной величины приращения или уменьшения безразмерной амплитуды пульсации перепада давления с ростом скорости воздуха, продуваемого через слой, поэтому эта статистическая характеристика случайного процесса пульсации перепада давления в слое может служить для оценки скорости воздуха, соответствующей полному псевдоожижению слоя гранул.
