Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов удаления и пневмотранспорта золы (сыпучих сред) 4
2. Разработка теоретической модели метода пневмотранспорта золы и метода отделения транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы
2.1. Разработка теоретической модели пневмотранспорта, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации устройства, надежность эксплуатации 29
2.2. Разработка метода отделения и выброса транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы 35
Выводы 38
3. Исследование некоторых физических свойств золы с целью оптимизации режимов ее пневмотранспорта и конструкции узлов системы импульсно поршневого пневмотранспорта
3.1. Исследование влияния кажущейся вязкости, плотности и других параметров на режим пневмотранспорта 39
3.2. Исследование механизма гравитационного истечения золы из бункера для оптимизации конструкции узла удаления золы из бункера электрофильтра в транспортный трубопровод 44
Выводы 51
4. Разработка схемы удаления и режима пневмотранспорта золы от нескольких бункеров электрофильтров и измерение динамических параметров ее работы
4.1. Принципиальная схема, состав оборудования системы импульсного пневмотранспорта золы и краткое описание ее работы 52
4.2. Разработка алгоритма работы блока автоматического регулирования системы импульсного пневмотранспорта золы 56
4.3. Разработка методики определения конструктивных и динамических параметров работы системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющих ее оптимальную работу 60
4.4. Разработка единого технологического процесса (ЕТП) отбора, пневмотранспорта, временного хранения, погрузки сухой золы в авто- и железнодорожный транспорт. Результаты измерений и анализа состава золы-уноса электрофильтров Каширской ГРЭС 69
4.4.1. Методика измерений состава золы 72
4.4.2. Результаты измерений 74
4.4.3. Анализ результатов измерений 76
4.4.4. Оценка технико-экономической эффективности разработанной системы сбора и пневмотранспорта золы 85
Выводы по главе 88
Выводы по работе 89
Список использованных источников
- Разработка теоретической модели пневмотранспорта, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации устройства, надежность эксплуатации
- Разработка метода отделения и выброса транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы
- Исследование механизма гравитационного истечения золы из бункера для оптимизации конструкции узла удаления золы из бункера электрофильтра в транспортный трубопровод
- Разработка методики определения конструктивных и динамических параметров работы системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющих ее оптимальную работу
Введение к работе
Актуальность темы.
В 50-60 годы в период развития электроэнергетики большинство ТЭС проектировалось с использованием системы ГЗУ с оборудованием под завышенные запасы мощности. Это определило достаточно высокую стоимость затрат на удаление и транспорт золы на золоотвал. Сжигание твердого топлива на ТЭС определяет необходимость удаления золы из бункеров в значительных объемах (более 100 тыс. т в год), причем, в зависимости от типа сжигаемых углей и нагрузки блоков эта величина может изменяться в 1,5-2 раза, Кроме того, на золоотвалах, общей площадью около 22,0 тыс. га накоплено 1,3 млрд. т отходов с уровнем утилизации -4,3%. Уменьшить эту негативную тенденцию возможно при использовании (утилизации) сухой золы непосредственно из бункеров ТЭС, это обеспечивается сухим удалением золы из бункеров электрофильтра и ее пневмотранспортом к месту отгрузки потребителю. Существующие способы сухого удаления золы обладает значительным энергопотреблением, низким ресурсом работы узлов или высокой стоимостью внедрения на ТЭС. Это определяет необходимость разработки новых способов удаления и пневмотранспорта сухой золы, функционально связанных с работой системы узлов электрофильтра и ее отгрузкой потребителю.
Цель работы.
Целью настоящей работы явилась разработка экономичной технологии удаления и пневмотранспорта золы от бункеров электрофильтров ТЭС к месту утилизации и отгрузки потребителю. Работа выполнена и внедрена на Каширской ГРЭС.
Основные задачи исследования.
Разработка теоретической модели пневмотранспорта, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации устройства, надежность эксплуатации.
Разработка метода отделения и выброса транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы для исключения вредных выбросов в атмосферу.
Исследование влияния кажущейся вязкости, плотности и других параметров для оптимизации режима пневмотранспорта.
Исследование механизма гравитационного истечения золы из бункера для оптимизации конструкции узла удаления золы из бункера электрофильтра в транспортный трубопровод.
Научная новизна и значимость работы.
Научная новизна заключается в разработке теоретической модели пневмотранспорта, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации системы пневмотранспорта, ее надежность эксплуатации; метода отделения и выброса транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы для исключения вредных выбросов в атмосферу; в исследовании влияния кажущейся вязкости, плотности, механизма гравитационного истечения золы из бункера, анализа полученных экспериментальных данных и обобщения их в виде эмпирических зависимостей для оптимизации конструкции узла удаления золы из бункера электрофильтра в транспортный трубопровод, режимов работы системы пневмотранспорта; в разработке принципов построения схемы удаления и режима пневмотранспорта золы одновременно от нескольких бункеров электрофильтров, измерения динамических параметров работы созданной системы импульсного пневмотранспорта золы; разработке алгоритма работы блока автоматического регулирования системы импульсного пневмотранспорта золы; в разработке методики определения конструктивных и динамических параметров работы системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющих ее оптимальную работу.
Научная новизна работы защищена патентом на изобретение № 2324638. Устройство для пневмотранспорта порошкообразной среды из бункеров золоуловителей. 23.08.2006 г.
Практическое значение выполненной диссертационной работы состоит в разработке новой системы импульсного пневмотранспорта золы от бункеров золоуловителей, основные принципы которой могут быть применены на ТЭС, сжигающих твердое топливо. Внедрение этой системы на Каширской ГРЭС позволило бо-
лее, чем в 50 раз снизить расход электроэнергии на удаление золы, обеспечить утилизацию сухой золы в промышленности, уменьшить негативную тенденцию накопления золы на золоотвале.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждаются хорошей сходимостью результатов исследований с теоретическим расчетом и успешным опытом эксплуатации системы импульсного пневмотранспорта золы, внедренной на Каширской ГРЭС.
Личный вклад автора выразился в непосредственном руководстве и участии в постановке и проведении основных исследований, конструкторских разработок узлов системы импульсного пневмотранспорта золы. Автором разработаны обобщающие эмпирические зависимости, представленные в диссертации, даны основные режимные и конструктивные решения. Им выполнен анализ экспериментальных данных, на основе которого разработаны схема построения системы импульсного пневмотранспорта золы, алгоритм работы блока автоматического регулирования.
Автор защищает:
Разработку модели пневмотранспорта золы в импульсно-поршневом режиме, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации системы пневмотранспорта, ее надежность эксплуатации.
Алгоритм работы блока автоматического регулирования системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющего коммутацию измерительных элементов на бункерах электрофильтров и силосов в зависимости от режимов работы элементов системы импульсного пневмотранспорта золы.
Принцип построения схемы удаления и режима пневмотранспорта золы одновременно от нескольких бункеров электрофильтра.
Эмпирические зависимости, полученные при исследовании влияния кажущейся вязкости, плотности, механизма гравитационного истечения золы из бункера.
Методику определения конструктивных и динамических параметров работы системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющих ее оптимальную работу.
Разработка теоретической модели пневмотранспорта, обеспечивающей минимизацию потерь на трение, простоту конструктивной реализации устройства, надежность эксплуатации
Интересная конструкция и достаточно простая для выгрузки сыпучего материала из емкости приведена в питателе [20] сыпучего материала {рис. 1.17). Здесь для равномерной по сечению выгрузки материала используется сводообрушитель — поплавок, подача вытесняющего газа осуществляется через патрубок 1 в верхней полости емкости 2, поплавок 3 имеет нижнюю поверхность, соответствующую поверхности дна емкости 2.
В способе пневмотранспорта порошкообразной среды из бункера золоуловителя [21] перемещение порошкообразной среды из бункера золоуловителя осуществляют в полость наклонного трубопровода, в верхней части которого производят отвод псевдоожижающего газа, а по его длине — слив порошкообразной среды через сливные трубопроводы в систему золоудаления. При этом гидравлическое сопротивление порошкообразной среды в наклонном трубопроводе от места слива порошкообразной среды до места отвода псевдоожижающего газа должно быть меньше гидравлического сопротивления порошкообразной среды в сливном трубопроводе. Слив части порошкообразной среды из наклонного трубопровода производят ниже места ее подачи в наклонный трубопровод, а скорость псевдоожижающего газа выбирают меньше скорости витания частиц крупной фракции порошкообразной среды.
Этот способ использовался при построении системы автоматического управления электрофильтром котлоагрегата [22], в котором включение системы удаления пыли из течки бункера осуществляют по превышению установленного уровня заполнения течки бункера, а содержание пыли в дымовых газах определяют по ее концентрации в течке бункера электрофильтра. Для удаления пыли из бункера используют транспортный трубопровод, состоящий из секций. В каждой секции после псевдоожижения пыли осуществляют ее перемещение в восходящем потоке, образующемся на восходящем участке транспортного трубопровода, отвод части псевдоожижающего агента из верхней полости восходящего участка в верхнюю полость бункера и перемещение пыли по наклонному участку к следующей секции транспортного трубопровода, при этом величину установленного уровня заполнения течки бункера и эффективное сечение наклонного участка транспортного трубопровода определяют согласно расчетным выражениям.
Устройство содержит электроды в электрофильтре, размещенные над бункером 2 на высоте от течки 3, в которую на установленном уровне Н введен измеритель концентрации пыли или уровнемер 4 (сигнализатор уровня) (рис. 1.18).
Выход течки совмещен с входным отверстием восходящего участка 5 транспортного трубопровода, в верхней полости которого установлен трубопровод отвода части псевдоожижающего агента с жиклером 6, а также выполнено отверстие для перемещения пыли по наклонному участку 7 транспортного трубопровода. В нижней части восходящего участка 5 каждой секции размещены узлы 8 для псевдоожижения пыли, к которым-осуществляют подвод воздуха (псевдоожижающего агента) через электропневмоклапан 9 от источника 10 избыточного давления. Один из выходов измерителя 4 концентрации пыли подключен к приводу 11 встряхивающих элементов электродов 1 электрофильтра.
В процессе осаждения золы на электродах 1 увеличивается пылеемкость осадительного электрода (масса золы на единице поверхности). Увеличение пылеемкости электрода до предельных значений приводит к самообрушению агрегатов золы в течку бункера. Когда концентрация золы в течке превысит установленное значение, измеритель 4 формирует управляющий сигнал на начало цикла встряхивания электродов L После заполнения течки пьшью выше уровня Н размещения измерителя 4 последний формирует сигнал на включение электропневмоклапана 9 подачи воздуха для пневмотранспорта пыли (удаления) от бункера. Рис. 1.18. Схема автоматического управления электрофильтром
Автоматизация процесса пневмотранспорта порошкообразной среды связана с использованием средств измерений уровня, блоков регулирования. Рассмотрим некоторые из известных способов измерения уровня и регулирования процессов при пневмотранспорте.
В способе измерения уровня порошкообразной среды [23] осуществляется одновременно подача газа от источника избыточного давления в две трубки, введенные в порошкообразную среду, выходные торцы которых размещены на разных уровнях. При подаче газа от источника избыточного давления периодически формируют импульсы повышенного давления, а при определении уровня порошкообразной среды определяют разность перепадов давлений между полостями с газом в двух трубах при постоянной и импульсной подаче газа. Устройство, реализующее этот способ не имеет элементов, перемещающихся в абразивной среде, поэтому имеет высокий ресурс работы.
Известны также уровнемеры механического типа, например, реле уровня с гибким щупом, работающее на принципе отклонения чувствительного элемента под действием давления сыпучего материала [24], или вибрационные сигнализаторы уровня, действие которых основано на прекращении электрических автоколебаний, возникающих в усилителе при контакте упругой пластины датчика с материалом, уровень которого контролируется [25]. Пневмотранспорт золы должен осуществляться в автоматическом режиме, связанном с процессами удаления золы из бункеров и непосредственно с работой электрофильтра. В устройстве для регулирования работы N-секционного электрофильтра [26] с целью улучшения экономических характеристик при пневмозолоудалении и утилизации сухой золы используются коммутаторы /, соединенные с приводами и механизмами встряхивания соответствующих секций электрофильтра, элементы задержки, электропнев-моклапаны 3 подачи воздуха для удаления золы из бункера, уровнемеры 4, размещенные в течке бункера, схем И-5, схему ИЛИ-6, сепаратор 7 магнитных частиц (рис. 1.19).
Разработка метода отделения и выброса транспортирующего воздуха в емкостях для временного хранения золы
Временные зависимости изменения порозности позволяют утверждать, что влияние электростатической заряженности частиц золы, поступившей из бункера электрофильтра, на увеличение порозности слоя достигает 8% и ограничивается 2—3 мин. При пневмотранспорте это влияние изменится незначи тельно. Опыты показали, что пристеночный эффект для труб диаметром 80-100 мм значителен, что практически исключает влияние высоты слоя на его уплотнение. Отсюда следует, что ограничение в выборе величины D лежат за пределами реально используемых трубопроводов, а его расчетное значение необходимо определять из условий получения скоростей пневмотранспорта, определяющих низкий абразивный износ стенок трубопровода.
Проведем анализ модели пневмотранспорта золы в плотном потоке. Поток золы насыпной плотностью при ламинарном истечении поступает в трубопровод под давлением Р[. Пневмотранспорт золы при фильтрации воздуха через слой вдоль трубопровода осуществляется за счет взаимодействия потока воздуха с частицами. Чем больше глубина слоя, тем значительнее неравномерность его структуры по длине трубопровода. Поэтому, целесообразно использовать вариант пневмотранспорта при перемещении потока золы пневмо-импульсами, так как в этом случае по длине трубопровода формируется прямоток дискретной и непрерывной фаз, сопровождающихся межфазным обменом в случаях изменений режимов пневмотранспорта.
Взаимодействие воздушных струй с частицами золы вызывает их перемещение с минимальной относительной скоростью скольжения. Однородность структуры слоя при поршневых образованиях золы определяет возможность снижения скорости пневмотранспорта, повышает устойчивость фронта слоя частиц [31,32,33].
Межфазный коэффициент обмена можно теоретически рассчитать последовательно для каждого участка в слое, внутри которого длина воздушной пробки постоянна. Перепад давлений в этом случае будет определяться: В результате подачи поршневых образований золы в емкость для временного хранения, необходимо отделение воздушной фазы и ее выброс в атмосферу. Ввиду того, что при пневмотранспорте в импульсно-поршневом режиме смешение фаз воздух — зола незначительное, процесс отделения и выброса воздуха значительно упрощается, что позволяет использовать более простые устройства, чем, например, циклон, фильтр.
Рассмотрим процессы, которые происходят при поступлении поршневых образований золы с высокой скоростью в полость емкости, частично заполненной золой.
При взаимодействии между собой двухфазной среды зола-воздух возникают пульсирующие потоки воздуха, осуществляющие локальное псевдоожижение агломератов золы в полости емкости. Расчет минимальной скорости псевдоожижения можно оценить из условия равенства падения давления в неподвижном слое порозностью с0 весу слоя на единице площади поперечного сечения, т.е.:
Определение предельной скорости псевдоожижения ипр (скорости, при превышении значения которой происходит унос частиц) необходимо для исключения уноса частиц в атмосферу. Соотношение для расчета ее величины выводится из определения предельной скорости - скорости, для которой сила воздействия на частицу в направлении движения будет равной весу частицы минус выталкивающая сила псевдоожижающего воздуха. В области небольших чисел Re можно использовать формулу Стокса, которая с учетом ориентации направления движения вдоль восходящего участка трубы, размещенного под углом а примет вид: КР = РЫ (2.11) Рассчитаем ііщ, для мелких частиц золы d- 0,001 см; рт 2 г/см ; рв=1,3-10 г/см"; ц =1,8-10" пуаз; # = 981 см/с2, получим ипр = 1,2 см/с.
Сравнивая значения щ и ипр соответственно для частиц крупной и мелкой фракций золы, получим превышение щ на 1 см/с над ипр. Это означает, что при обеспечении минимального псевдоожижения крупной фракции золы будет происходить унос ее мелкой фракции. Даже, исходя из допущения, что перемещение частиц золы по объему емкости происходит в виде агломератов, величина ее уноса пропорциональна четвертой степени скорости газового по тока в расчете на свободное сечение емкости. Известно [28], что унос изменяется пропорционально корню квадратному из величины концентрации мелочи в слое, и обратно пропорционально высоте сепарационного пространства.
Исключение уноса мелких частиц можно получить при установке в крышке бункера вертикальной трубы длиной, соответствующей критической высоте сепарационного пространства.
Возможность определения этого критического значения вытекает из факта уменьшения эффективности процесса сепарации с увеличением пороз-ности и поперечного сечения псевдоожиженного слоя частиц [29]. Установлено также [34], что для псевдоожиженного слоя, состоящего из сферических частиц двух различных размеров одинаковой плотности, существует критическое значение порозности, ниже которого сепарация не наблюдается.
Для определения эффективности сепарации в вертикальной трубе, установленной в крышке бункера, были проведены экспериментальные работы по удалению из бункера сухой золы Кузнецких углей через трубу с внутренним диаметром 86 мм и отбором золы из этой трубы через патрубки, размещенные по ее длине. Эффективность сепарации оценивалась по изменению веса отмагниченных частиц в потоке золы согласно выражению:
Выбранная методика определения эффективности сепарации приближенна, однако при среднем размере магнетитовой пыли 90-100 мкм и объем-ной плотности 3700 кг/м отделение этой фракции в гравитационном поле происходит более эффективно. Кроме того, оценка степени сепарации по количеству отмагниченных частиц значительно упрощает методику экспериментов. Относительные характеристики в этом случае позволяют достаточно точно определить влияние различных факторов на сепарацию частиц. Из анализа. измерений следует, что процесс эффективной сепарации частиц начинается на длине участка трубопровода более 8 калибров. Причем увеличение скорости псевдоожижения обуславливает снижение эффективности сепарации частиц по сечению трубопровода.
Таким образом, при ограничении высоты трубы -10 калибрами трубопровода можно получить достаточно однородную структуру псевдоожижен-ного слоя, что позволяет минимизироваттъ унос легких частиц в атмосферу. Как указывалось ранее, для исключения уноса частиц из верхней полости емкости необходима установка вертикального трубопровода длиной, соответствующей критической высоте сепарационного пространства (КВСП) — высоте надслоевого пространства, необходимой для возврата частиц в слой, т.е. отделения частиц от восходящего газового потока.
Согласно проведенным- испытаниям при использовании вертикальной трубы диаметром 86 лт и длиной 6-10 калибров трубы, практически исключаются выбросы твердых частиц в атмосферу. Таким образом можно определить конструктивные параметры вертикальной трубы для выброса воздуха из емкости с накопленной и поступающей золой, причем диаметр трубы должен выбираться из условия исключения повышения давления в емкости при поступлении, например, двухфазной среды зола-воздух по нескольким трубопроводам.
В итоге мы получили основные соотношения, позволяющие определить условия пневмотранспорта по трубопроводу в импульсно-поршневом режиме и рассчитать конструктивные и динамические параметры рассмотренной системы пневмотранспорта.
Исследование механизма гравитационного истечения золы из бункера для оптимизации конструкции узла удаления золы из бункера электрофильтра в транспортный трубопровод
Возможность определения этого критического значения вытекает из факта уменьшения эффективности процесса сепарации с увеличением пороз-ности и поперечного сечения псевдоожиженного слоя частиц [29]. Установлено также [34], что для псевдоожиженного слоя, состоящего из сферических частиц двух различных размеров одинаковой плотности, существует критическое значение порозности, ниже которого сепарация не наблюдается.
Для определения эффективности сепарации в вертикальной трубе, установленной в крышке бункера, были проведены экспериментальные работы по удалению из бункера сухой золы Кузнецких углей через трубу с внутренним диаметром 86 мм и отбором золы из этой трубы через патрубки, размещенные по ее длине. Эффективность сепарации оценивалась по изменению веса отмагниченных частиц в потоке золы согласно выражению: C = LZS.IOO%, (2.12) ССР где с„ - масса отмагниченной золы при «-ом измерении; Сер - масса отмагниченной золы до восходящего участка.
Выбранная методика определения эффективности сепарации приближенна, однако при среднем размере магнетитовой пыли 90-100 мкм и объем-ной плотности 3700 кг/м отделение этой фракции в гравитационном поле происходит более эффективно. Кроме того, оценка степени сепарации по количеству отмагниченных частиц значительно упрощает методику экспериментов. Относительные характеристики в этом случае позволяют достаточно точно определить влияние различных факторов на сепарацию частиц. Из анализа. измерений следует, что процесс эффективной сепарации частиц начинается на длине участка трубопровода более 8 калибров. Причем увеличение скорости псевдоожижения обуславливает снижение эффективности сепарации частиц по сечению трубопровода.
Таким образом, при ограничении высоты трубы -10 калибрами трубопровода можно получить достаточно однородную структуру псевдоожижен-ного слоя, что позволяет минимизироваттъ унос легких частиц в атмосферу. Как указывалось ранее, для исключения уноса частиц из верхней полости емкости необходима установка вертикального трубопровода длиной, соответствующей критической высоте сепарационного пространства (КВСП) — высоте надслоевого пространства, необходимой для возврата частиц в слой, т.е. отделения частиц от восходящего газового потока.
Согласно проведенным- испытаниям при использовании вертикальной трубы диаметром 86 лт и длиной 6-10 калибров трубы, практически исключаются выбросы твердых частиц в атмосферу. Таким образом можно определить конструктивные параметры вертикальной трубы для выброса воздуха из емкости с накопленной и поступающей золой, причем диаметр трубы должен выбираться из условия исключения повышения давления в емкости при поступлении, например, двухфазной среды зола-воздух по нескольким трубопроводам.
В итоге мы получили основные соотношения, позволяющие определить условия пневмотранспорта по трубопроводу в импульсно-поршневом режиме и рассчитать конструктивные и динамические параметры рассмотренной системы пневмотранспорта.
1. Предложена теоретическая модель импульсно-поршневого пневмотранспорта сыпучего материала - золы тепловых электростанций.
2. Предложена методика расчета и выбора конструкции узлов отделения и выброса воздуха из емкостей для временного хранения золы при импульсном режиме ее подачи. 3. Исследование некоторых физических свойств золы с целью оптимизации режимов ее пневмотранспорта и конструкции узлов системы импульсно-поршневого пневмотранспорта.
Для выбора оптимального режима пневмотранспорта и конструкции устройства, его реализующего, были проведены испытания, программа которых включала определение кажущейся- вязкости слоя золы при различных значениях ее порозности, а также усилий сдвига при плавном и импульсном воздействии.
Кажущаяся вязкость (внутреннее трение) - важный параметр слоя золы, однозначно связанный с условиями ее пневмотранспорта. Это обусловило необходимость проведения измерений ее значений при свободной засьшке золы при различной степени уплотнения.
Измерение параметров для расчета кажущейся вязкости производилось с помощью стержня (ротора) с активной поверхностью, погруженной в слой золы, на который осуществлялось импульсное воздействие установленного веса.
По результатам испытаний были получены значения кажущейся вязкости» слоя; золы, изменяющиеся при различных режимах, работы котла более чем в 6 раз. Например: /ла =0,36г-с/см; ju"a = 2,2г-с/см; где: fia и ju"a — кажущаяся вязкость слоя золы тощих кузнецких углей для двух режимов работы котла (в случае //а наблюдалось значительное содержание в золе продуктов сгорания мазута).
Анализ полученных результатов показывает, что существует оптимальный режим пневмотранспорта золы (при максимальном Ah), при котором ее вязкость минимальна. Причем этот процесс наблюдается только в начальный период после засыпки золы и ее минимального уплотнения под действием гравитационных сил. Это подтверждает необходимость для пневмотранспорта золы незначительно уплотнять ее слой пневмоимпульсом.
Усилие сдвига слоя золы определялось при воздействии на слой измеряемого усилия через металлический поршень при плавном и импульсном воздействии усилия. Из результатов измерений получено, что при импульсном воздействии на слой золы необходимо усилие, по крайней мере, в 5 раз меньше, чем при плавном воздействии.
Таким образом, на основании анализа результатов испытаний можно выбрать оптимальный режим пневмотранспорта, включающий операции формирования слоя золы после незначительного уплотнения его структуры с дальнейшим импульсным вытеснением воздушным поршнем по трубопроводу [36-38].
Сила, необходимая для сдвига, зависит от площади внешней поверхности поршневого образования (поршня), абразивных свойств частиц сыпучей среды (размер частиц, форма), плотности слоя сыпучей среды. Для минимизации требуемой величины упомянутого усилия проведены работы по исследованию влияния на усилие сдвига поршня сыпучей среды длины и плотности его слоя. Усилие на сдвиг поршня сыпучей среды создавалось подачей пнев-моимпульса воздуха известными длительностью и амплитудой. Создаваемое усилие F определялось: F=S-P, (3.3) где S — поперечное сечение поршня сыпучей среды, сі/2; Р — импульсное давление воздуха. Согласно расчету на поршень сыпучей среды (в качестве сыпучей среды использовался цемент) в трубе, внутренним диаметром 200 мм можно создать в зависимости от давления импульсное усилие 300-1500 кг. В этом диапазоне и производилось импульсное воздействие на поршневые образования сыпучей среды (цемента) различной длины и плотностью слоя [39, 40]. Импульсное воздействие осуществлялось сжатым воздухом установленного давления из ресивера через прерыватель, причем время воздействия импульса давления поддерживалось постоянным для каждого опыта.
Результаты исследований отображены иг. рис. 3.1. В результате анализа полученных зависимостей определено, что на необходимое усилие сдвига поршня цемента существенно влияет его длина или площадь внешней поверхности. Полученное значительное влияние плотности слоя частиц, очевидно, обусловливается предварительным гравитационным уплотнением слоя цемента в напорной камере до момента импульсного воздействия воздухом, что при дальнейшем сдвиге и перемещении поршня как бы шлифует его внешнюю поверхность, вызывая снижение коэффициента трения о стенки трубы. При длинах поршня более 2 м значительно увеличиваются значения усилий, которые необходимы для сдвига и перемещения последних, причем разброс полученных результатов также увеличивается.
Из полученных зависимостей можно выбрать оптимальную длину поршня в зависимости от гидравлического диаметра трубопровода до 2-4 м, т.к. до этих значений характер зависимостей можно приближенно оценить как линейный. Необходимое минимальное усилие сдвига достигает 70 кг, что со-ответствует импульсному давлению 0,1 МПа на сечении поршня 75 см .
Разработка методики определения конструктивных и динамических параметров работы системы импульсного пневмотранспорта золы, определяющих ее оптимальную работу
В период открытия клапана за счет полученного виброуплотнения в зоне воздействия виброускорений, зола сливается в транспортный трубопровод. Отсюда, расход золы через входной патрубок в основном зависит от параметров виброускорений. Экспериментально установлено, что уплотнение слоя золы, а, следовательно, и ее расход зависит от величины ускорений сообщаемых колебаний. Для слоя золы, находящегося в состоянии наличия большого электростатического заряда (в период до 5-10 мин. после поступления частиц в бункер), внутренние связи малы, поэтому для ее вибровыпуска с максимальным расходом требуется меньшее значение ускорений, чем для слоя слежавшейся золы. Особенностью процесса вибровыпуска золы из бункера является возможное наличие больших масс золы над поверхностью входного патрубка. При этом импульсы, создаваемые колебаниями насадки, практически не достигают свободной поверхности массива, а затухают в слое золы за счет высокого значения порозности при ее свободной засылке (0,6-0,7). В этом случае монослои золы, входящие в контакт с поверхностью насадки, совершают периодические перемещения практически с амплитудой возбуждения. По мере удаления от поверхности насадки амплитуда колебаний монослоев уменьшается и, наконец, становится равной нулю. Вышележащие слои не испытывают на себе действие вибрации. При рассмотренных особенностях распространение вибрации происходит не по всему слою золы, а лишь вблизи выпускного отверстия входного патрубка.
Рассмотрим модель взаимодействия частиц золы в «виброожиженном» слое полости насадки.
Воздействие виброускорений через внешнюю поверхность насадки, имеющей вертикальные участки, вследствие разных по величине, а в некоторых случаях и по направлению скоростей перемещения верхних и нижних слоев среды определяют периодические деформации всей массы. В некоторых режимах верхние монослои в своем движении могут не просто отставать от нижних, а совершать более сложные перемещения. Возможны процессы, когда отдельные монослои имеют ступенчатые сдвиги по фазе. Все это свидетельствует о том, что в слое обрабатываемой золы происходят сложные пространственные перемещения слагающих его частиц и монослоев.
Рассмотренная внутренняя циркуляция в слое определяет характер процесса массопереноса и связанных с ним потерь энергии. В установившемся режиме сдвиг фаз в перемещении слоя золы и внешней поверхности насадки может иметь значительную величину.
Необходимо учитывать, что сдвиг фаз получается в перемещении как верхней, так и нижней поверхности слоя, контактирующей с насадкой. Сдвигом фаз определяются энергозатраты в процессе передачи виброускорений слою золы и запаздывания моментов отрыва среды от поверхности насадки. Процесс взаимодействия последнего со слоем золы сопровождается постоянным изменением величины действующих между ними сил. При интенсивных колебаниях нормальная реакция слоя золы периодически становится нулевой, нижний слой золы теряет контакт с поверхностью насадки и совершает свободное движение.
В режиме с подбрасыванием подслоя золы с течением времени нижний монослой, после передачи кинетической энергии вышележащим подслоям, начинает обратное движение, хотя верхние монослои могут перемещаться вверх. В этот период начинается разрыхление слоя золы - кипение. Возможен также режим, когда верхние монослои еще находятся во взвешенном состоянии, а нижний подслой при контакте с верхней поверхностью насадки получает импульс на перемещение вверх. При этом верхние и нижние монослои встречаются во взвешенном состоянии, верхний монослой при получении от нижнего импульса направленного вверх и вперед, продолжает движение, а нижний, израсходовав свою кинетическую энергию, возвращается на поверхность клапана. Происходит уплотнение нижнего монослоя золы.
Процесс виброожижения золы в значительной степени формируется под воздействием газовой (воздушной фазы). Вследствие хорошей воздухопрони цаемости слой золы оказывается подверженным большим аэродинамическим нагрузкам. Даже при интенсивных колебаниях насадки время свободного движения частиц золы вследствие действия аэродинамических сопротивлений незначительно. Аэродинамические сопротивления возникают в результате имеющегося сдвига фаз между пульсациями давления газовой среды и движением твердых частиц. Это определяет возникновение аэродинамических сил, препятствующих движению частиц золы. В пространстве между поверхностью насадки и нижним монослоем золы при подбрасывании возникает разрежение, а при падении — повышение давления по отношению к атмосферному. Уравнивание этих периодических колебаний давления в пространстве между слоем золы и поверхностью насадки достигается вследствие периодического оттока избыточного и притока недостающего количества воздуха, проходящего через поры в слое золы. Поэтому на частицы золы действует пульсирующий аэродинамический напор, направленный со сдвигом по фазе в сторону, противоположную к перемещению. Величины аэродинамических сил, действующих на частицы золы, являются функцией насыпного веса и удельной газопроницаемости, а также зависят от режима колебаний.
Создание и передача виброускорений в слое золы возможны как при закреплении кронштейна к вибратору, так и при использовании материалов и конструкции кронштейна, обусловливающих его вибрацию при ударном воздействии загружаемой порции золы.
Таким образом, конструкция узла входного патрубка, обеспечивающая гравитационное заполнение полости транспортного трубопровода, соответствующей подачи системы пневмотранспорта даже при минимальной высоте слоя золы в бункере, должна включать вертикальную насадку с выше приведенными конструктивными параметрами, размещенную на одной оси с отверстием входного патрубка и закрепленную через гибкие элементы к стенке бункера.
