Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 16
1.1. Сжигание в кипящем слое 16
1.2. Неравномерность распределения топлива в псевдоожиженном слое...22
1.2.1. Процесс перемешивания твердых частиц в псевдоожиженном слое 22
1.2.2. Организация подачи топлива в топку с кипящим слоем 25
1.3. Мероприятия по улучшению перемешивания в слое и снижению потерь теплоты с механической неполнотой сгорания 38
1.3.1. Существующие способы улучшения перемешивания и снижения потерь теплоты с механической неполнотой сгорания 38
1.3.2. Изменение гидродинамического режима псевдоожижения воздействием на профиль скорости газа над воздухораспределительной решеткой 42
1.3.3. Внутренние устройства в топках с кипящим слоем для создания направленного движения с целью интенсификации теплообмена, уменьшения уноса и увеличения равномерности распределения топлива. 48
Выводы 51
Глава 2. Поисковое сжигание осадков сточных вод в низкотемпературном кипящем слое и постановка задач исследований 53
2.1. Экспериментальная установка 53
2.2. Результаты сжигания осадков очистных сооружений в экспериментальной установке с кипящим слоем 56
Выводы и постановка задач исследований 59
Глава 3. Методика исследования направленного движения дисперсного материала в кипящем слое 61
3.1. Экспериментальная установка 61
3.2. Методика проведения опытов и обработка результатов видеосъемки .64
3.3. Определение погрешностей эксперимента 71
Глава 4. Изучение направленного движения дисперсного материала на опытной установке 80
4.1. Экспериментальные исследования влияния конструктивных и режимных факторов на направленное движение в канале 80
4.2. Исследование рассеяния топлива при направленном движении в канале 110
Выводы 117
Глава 5. Моделирование направленного движения топлива в топке с кипящим слоем и оценки возможного выгорания топлива 119
5.1. Исследование влияния размеров топки и температуры на циркуляцию топлива в кипящем слое 119
5.2. Оценки сжигания топлива в свободном кипящем слое и при создании направленного движения материала 125
Выводы 139
Глава 6. Использование подачи материала через клиновидный канал в топках котлов ТЭС 141
6.1. Рекомендации по использованию подачи топлива через клиновидный канал в топках котлов ТЭС 141
6.2. Рекомендации по организации сжигания осадков сточных вод в кипящем слое 144
6.3. Процесс обезвреживания пестицидов в кипящем слое 145
6.3.1. Методы обезвреживания пестицидов и их состав 145
6.3.2. Расчет процесса обезвреживания пестицидов в кипящем слое 151
Выводы 154
Заключение. 156
Библиографический список 163
Приложения 178
- Мероприятия по улучшению перемешивания в слое и снижению потерь теплоты с механической неполнотой сгорания
- Результаты сжигания осадков очистных сооружений в экспериментальной установке с кипящим слоем
- Методика проведения опытов и обработка результатов видеосъемки
- Исследование рассеяния топлива при направленном движении в канале
Введение к работе
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы. Правительством Российской Федерации определены основные направления развития инновационной программы энергетики России на период до 2020 года [1,2]. Одним из приоритетных направлений является расширение ресурсной базы электроэнергетики и повышение региональной обеспеченности топливом за счет освоения эффективного экологически чистого сжигания канско-ачинских и низкосортных углей восточных районов России в котлах тепловых электрических станций с использованием технологии сжигания угля в кипящем слое. В технической политике РАО «ЕЭС России» [3] внедрение парогазовых установок с использованием технологии кипящего слоя на тепловых электрических станциях задано как одно из наиболее прогрессивных технических решений, которое должно применяться в инвестиционных программах РАО "ЕЭС России".
Непрерывный рост цен на газ и мазут приводит к необходимости увеличения доли твердого топлива в топливном балансе Единой энергетической системы России. Кроме того, региональные органы исполнительной власти стремятся с переходом на сжигание местных твердых топлив повысить энергонезависимость регионов и увеличить занятость населения в его добыче. РАО «ЕЭС России» в своей технической политике [3] называет одной из целей малой энергетики уменьшение энергетической зависимости регионов от завозимых извне топливно-энергетических ресурсов за счет вовлечения в структуру топливного баланса регионов местных топлив, в том числе, отходов различных отраслей промышленности (лесной, деревообрабатывающей, пищевой и других).
Переход на сжигание не предусмотренных при создании ТЭС местных топлив обычно требует либо дорогостоящей реконструкции оборудования, либо полного перехода к другой технологии сжигания. Это вызвано низким
10 качеством большинства местных твердых топлив (высокая влажность,
зольность и низкая теплота сгорания). Качественно сжечь некондиционное
твердое топливо в камерной пылеугольной топке зачастую не представляется
возможным также вследствие нестабильного горения и повышенных
выбросов оксидов азота и серы. Технология кипящего слоя позволяет
надежно сжигать такие топлива, кроме того, появляется возможность
экологически безопасного огневого обезвреживания различных вредных
отходов. В будущем тепловые электрические станции должны представлять
собой комбинированные энергоустановки, позволяющие получать
электрическую энергию и теплоту; иметь возможность работы на топливах
различного качества и отходах, обеспечивать возможность уничтожения
вредных веществ и даже получать не характерные для ТЭС продукты. Кроме
того, энергетическая стратегия России предусматривает реконструкцию
части районных отопительных и промышленных котельных в тепловые
электрические станции малой мощности. Котлы с кипящим слоем давно
используются на тепловых электрических станциях и в котельных за
рубежом, но в России пока не получили заметного распространения.
Развитие технологии кипящего слоя тормозится наличием определенных
технических проблем, одной из которых является сложность обеспечения
требуемого для полного сгорания времени пребывания подаваемого
горючего материала в объеме кипящего слоя, обусловленная
несовершенством существующих способов загрузки топлива. Этот же вопрос
встает при использовании кипящего слоя в различных отраслях
промышленности: строительной, пищевой (сушка и перемешивание
материалов), химической (проведение химических реакций) и других. Одним
из возможных средств решения этой проблемы является управление
загрузкой используемого материала, то есть организация вынужденного
направленного движения этого зернистого материала в глубинные зоны
топки (камеры) с кипящим слоем.
Цель диссертационной работы заключается в выборе способа подачи материала (например, топлива) в кипящий слой топки парового котла ТЭС или котельной. В связи с этим решались следующие задачи: создание на модели направленного движения материала в глубь слоя при размещении в слое вертикального канала из наклонных пластин; изучение влияния конструктивных и режимных факторов на направленное движение и определение оптимальной конструкции канала; разработка рекомендаций для организации процесса сжигания местных низкокачественных топлив и горючих отходов (осадков сточных вод) для котлов малых ТЭС и котельных, а также попутного обезвреживания высокотоксичных пестицидов.
Научная новизна основных положений работы заключается в следующем.
1. Определены условия для управления временем пребывания топлива в
объеме кипящего слоя с помощью установки вертикального клиновидного
канала, состоящего из нескольких ярусов наклонных пластин.
2. Экспериментально установлены основные конструктивные и
режимные факторы, оказывающие наибольшее влияние на направленное
движение дисперсного материала: ширина канала; величина зазора между
пластинами одного ряда; количество ярусов пластин; соотношение площадей
горизонтального сечения канала и свободного слоя; высота кипящего слоя;
объем порции подаваемого топлива; вертикальное расстояние между
ярусами; скорость псевдоожижения; размеры частиц слоя и топлива.
Получены зависимости влияния этих факторов на скорость направленного
движения дисперсного материала.
3. Получены экспериментальные данные о влиянии конструктивных и
режимных факторов на рассеяние угля в канале. Определено, что на
рассеяние не оказывают заметного влияния следующие факторы: угол
наклона пластин канала и объем загружаемой порции материала, а
наибольшее влияние на рассеяние оказывает изменение ширины канала.
12 4. Предложены расчетные графические зависимости для определения
степени выгорания топлива в клиновидном канале при различных значениях
объема порции топлива, размера её частиц, числа ярусов пластин канала.
Получены расчетные графические зависимости, позволяющие оценить
степень выгорания топлива в кипящем слое при его направленном движении
и в свободном слое.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается достаточно большим объемом исследований; рассмотрением влияния каждого фактора на процесс направленного движения; экспериментальными данными, полученными на цилиндрической и плоской холодной установках приборами современного уровня; низкой величиной погрешностей определения параметров; использованием методик компьютерной обработки экспериментальных результатов.
На защиту выносятся:
Результаты изучения процесса управления движением зернистого материала в кипящем слое.
Результаты экспериментального изучения влияния конструкции канала на движение зернистого материала в кипящем слое.
Результаты экспериментального изучения влияния режимных факторов на направленное движение частиц.
Рекомендации по сжиганию в кипящем слое местных низкокачественных топлив, а также различных отходов на примере осадков сточных вод.
Результаты расчета обезвреживания пестицидов в предтопке котла с кипящим слоем.
Практическая полезность работы заключается в том, что на основании проведенных экспериментов разработаны рекомендации по организации эффективного сжигания топлив в котлах с кипящим слоем для тепловых электрических станций и котельных. Результаты исследований использованы для повышения эффективности сжигания в кипящем слое
13 различных низкосортных топлив и отходов. Даны рекомендации,
позволяющие эффективно обезвреживать в топке высокотоксичные
пестициды.
Реализация результатов. Результаты работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ОАО «Бийский котельный завод». Предполагается использование результатов работы при проектировании ОАО «БиКЗ» новой конструкции топки с кипящим слоем для котлов тепловых электрических станций производительностью от 3 до 20 тонн пара в час.
Предприятием «Уральский Водоканалпроект» результаты работы использованы при выполнении проекта по утилизации (сжиганию в топке с кипящим слоем) осадков сточных вод очистных сооружений г. В.Пышма (Свердловская область). Результаты рассматриваются также министерством природных ресурсов Свердловской области как один из возможных вариантов обезвреживания пестицидов, периодически обнаруживаемых на складах и сельхозугодьях в сельской местности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на 1-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика ", г.Москва, 15-18 апреля 2002 г.; 12-й Международной выставке-семинаре "Уралэкология. Техноген. Металлургия", г.Екатеринбург, 27-29 марта 2002 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной энергетики», посвященной 70-летию кафедры Тепловых электрических станций УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург, 20-22 ноября 2002 г.; V Минском международном форуме по тепло- и массообмену, г. Минск, 24-28 мая 2004 г. Основные положения диссертации опубликованы в 40 печатных работах.
14 2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, включая результаты, защищаемые в диссертации, описана структура диссертации.
В первой главе показаны преимущества технологии кипящего слоя. Сделан обзор использования котлов с кипящим слоем в энергетике России и мира. Приведен анализ основных проблем, возникающих при использовании технологии кипящего слоя, и существующих путей решения этих проблем. Рассмотрены способы подачи топлива в кипящий слой. Отмечено, что использование направленного движения позволит уменьшить унос, уменьшить выделение теплоты над слоем при горении пыли и летучих и увеличить равномерность распределения топлива по объему слоя. Проведен анализ существующих способов воздействия на циркуляцию частиц в кипящем слое изменением гидродинамического режима и установкой внутрислоевых устройств.
Во второй главе представлены результаты экспериментального сжигания осадков сточных вод в свободном кипящем слое. Проанализированы основные проблемы сжигания осадков сточных вод в кипящем слое. Сформулированы цель и задачи работы на основании анализа последних достижений в рассматриваемой области и результатов поискового сжигания осадков сточных вод.
В третьей главе приведено описание экспериментальной установки для изучения направленного движения зернистого материала, методики проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных. Проведено обоснование выбранных для экспериментов режимных и конструктивных параметров. Выполнена оценка возникающих в эксперименте погрешностей.
В четвертой главе сформулированы основные условия реализации управляемого движения частиц, определено влияние на это движение различных факторов: режима псевдоожижения, ширины установки, объема
15 подаваемой порции топлива, геометрических характеристик канала,
размеров частиц.
В пятой главе диссертации представлены расчеты выгорания топлива в кипящем слое при создании управляемого движения. Расчеты основаны на экспериментальных данных, приведенных в четвертой главе. Получены зависимости, позволяющие оценить увеличение эффективности сжигания в кипящем слое при создании направленного движения. Произведена оценка уменьшения уноса при подаче топлива через верхнюю часть канала, по сравнению с подачей на поверхность свободного слоя.
В шестой главе представлены рекомендации по использованию подачи материала (топлива) через клиновидный канал в топках котлов для тепловых электрических станций, сжигающих местные и низкокачественые виды топлив. На основе экспериментальных данных и полученных расчетных зависимостей произведен выбор конструкции клиновидного канала. Проведена оценка возможного эффекта от использования направленного движения при сжигании осадков сточных вод. Изложены условия для безопасной утилизации пестицидов. Представлены результаты расчета сжигания пестицидов в предтопке с кипящим слоем.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В диссертации представлены результаты работы, выполненной в исследовательской лаборатории кафедры тепловые электрические станции. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Бергу Б.В., научному консультанту доценту, к.т.н. Микуле В.А., сотрудникам кафедры ТЭС и ПТЭ, содействовавшим выполнению работы, инженеру Осипову П.В. за помощь в проведении экспериментов. Автор особенно признателен доценту к.т.н. Богатовой Т.Ф. оказавшей неоценимую помощь и поддержку на всех этапах работы.
Мероприятия по улучшению перемешивания в слое и снижению потерь теплоты с механической неполнотой сгорания
В [11] представлены различные способы снижения потерь с уносом. Например, в топке опытного котла была увеличена высота слоя до 5 метров, таким образом, увеличилось время пребывания частиц в слое (и эффективность их выгорания). При скорости 1 м/с это обеспечило минимальный унос, но создало слишком большие затраты на собственные нужды. Кроме того, из-за большого размера пузырей на выходе из слоя увеличились динамические выбросы угля при схлопывании пузыря (механизмы образования динамических выбросов изучены в работах [74-78]).
Наиболее эффективным способом снижения потерь с уносом является создание локальных контуров циркуляции материала слоя [28,79,80]. В [79] приведены результаты сжигания в установке с клином, наклонной пластиной, закрывающей часть воздухораспределительной решетки. При скорости псевдоожижения 2 м/с, температуре 1073К, угле наклона пластины 60 градусов образуется устойчивый контур циркуляции. Хотя уже в 60-х годах появились конструкции сушилок с кипящим слоем, в которых было организовано принудительное управляемое перемещение кипящего слоя -установки с движущимися перегородками, с перемещающимися емкостями, с движущейся лентой [6], но они не нашли широкого распространения в энергетике из-за ненадежности работы механической части при высоких температурах. Вынужденная циркуляция материала может быть организована за счет пневмоподвода топлива в слой через переднюю и заднюю стенки топки [72]; за счет горизонтальных струй воздуха над ВРР [36, 80] или за счет упорядоченного перемещения слоя вдоль камеры [28, 80].
В [28] приводятся результаты экспериментов по организации направленного перемещения материала с целью уменьшения неравномерности распределения топлива. Для этого была введена дополнительная подача воздуха через горизонтальные сопла в решетке. Установка представляла собой кольцевую камеру, образованную коаксиальными цилиндрами диаметром 145 и 250 мм. Направленное перемещение слоя электрокорунда фракций 140 и 450 мкм организовывалось двадцатью соплами, расположенными равномерно вдоль средней окружности камеры. Устья сопел располагались горизонтально на высоте 10 мм от перфорированной решетки, через которую подавалось дополнительное количество воздуха для предотвращения залегания материала слоя в пространстве между соплами. Скорость направленного перемещения слоя измерялась по визуальной засечке времени полного оборота поплавкового датчика - целлулоидного шарика диаметром 40 мм в кольцевой камере. Направленное перемещение слоя наблюдалось при высоте слоя от 20 до 100 мм. При высоте слоя 100 мм картина псевдоожижения ничем не отличается от обычной. Организация направленного движения топлива позволила создать равномерное распределение горючих в слое по длине камеры при локальной загрузке топлива и обеспечить приемлемый уровень потерь с q3 только для низкого незаторможенного слоя. В [80] предлагается создать направленное движение путем организации перетока (вместе с недогоревшим топливом) из конца одной камеры в начало другой с добавлением топлива в месте перетока и возвращения инертного материала по второй камере в начало первой. На рис. 1.12, 1.13 показаны распределения концентраций топлива по длине камеры сгорания и изменение химического недожога при различной интенсивности направленного движения слоя. Видно, что при отсутствии направленного движения инертного материала (Ре=0) при W 0,\ в слое наблюдается значительная неравномерность распределения топлива по длине топки. При этом площадь слоя, которую может обслуживать один питатель составит менее 1 м [80] (при скорости Необходимая скорость циркуляции инертного материала для обеспечения допустимых значений химического недожога составит около 1 м/с при длине топки 10 м.
Проблема неравномерного распределения твердой и газовой фазы в кипящем слое, а, как следствие, и возникновение значительного недожога, возникает и при сжигании жидкого топлива [36,81]. Причем, при сжигании жидкого топлива несгоревший углерод существует, в основном, в виде сажи, с которой практически невозможно бороться организацией рециркуляции или установкой специальной камеры дожигания. Для предотвращения появления сажи необходимо исключительно равномерное распределение топлива и воздуха по сечению кипящего слоя [82].
Для улучшения перемешивания топлива и воздуха при раздельном вводе фирмой Дебора Флюидайзед Комбасшен Лимитед применен воздушный короб под наклонной газораспределительной решеткой, разделенный на три секции с независимыми подводами воздуха. Дополнительно над кипящим слоем подается горизонтальная струя воздуха [83]. За счет этого материал слоя и газы интенсивно циркулируют в объеме слоя. Дополнительное перемешивание газов обеспечивается за счет пережима топки на выходе из кипящего слоя. Установка для сжигания нефтеотходов имела сечение 1,8x0,9 м. Температура слоя поддерживалась на уровне 800-900 С, высота слоя 0,76 м, коэффициент избытка воздуха 1,2. Топливо подавалось в слой по трубам без сопел и распылителей. Данных по качеству горения в работе не представлено.
Для интенсификации разноса топлива за счет его перемешивания с материалом слоя в [81] предлагается несколько вариантов. В первом способе часть материала выводится из кипящего слоя, охлаждается и смешивается с топливом. Полученная смесь подается в камеру сгорания.
Результаты сжигания осадков очистных сооружений в экспериментальной установке с кипящим слоем
Для экспериментов использовались осадки очистных сооружений г.В-Пышма, получаемые в результате следующей технологии. Сточные воды г.В-Пышма проходят очистку в песколовках, первичных вертикальных отстойниках, двухъярусных отстойниках, аэрофильтрах и вторичных вертикальных отстойниках. Осадки со всех перечисленных устройств размещаются на иловых площадках, здесь идет их естественная сушка. Накопление осадка приводит к ряду проблем: отчуждаются большие площади для размещения осадка (иловые площадки); при его разложении в атмосферу выделяются углекислый газ (приводящий к «парниковому эффекту») и газообразные продукты, обладающие неприятными запахами, кроме того, осадок инфекционно опасен. Очистка сточных вод по такой технологии осуществляется во многих городах России, поэтому общий объем складированного осадка - огромен. По стандартной методике были определены свойства осадков с иловых площадок таблица 2.1. Данный осадок с иловых площадок обладает теплотой сгорания на сухую массу в два раза более низкой, чем подобные осадки, отобранные из различных фильтров и отстойников [100]. Это, по-видимому, объясняется окислением части органических соединений в составе осадка при продолжительном нахождении их на открытых иловых площадках. Возможно, что при использовании для механического обезвоживания пресс-шнеков, подобных тем, что применяются в пищевой промышленности, можно получить остаточную влажность осадков, имеющих изначально большую теплоту сгорания, до 30-40 %, при этом Qf увеличится до 10500-8000 кДж/кг.
Однако в настоящее время отсутствуют работоспособные пресс-шнеки для осадков очистных сооружений, поэтому для опытов по сжиганию были выбраны осадки с иловых площадок (с более низкой теплотой сгорания, но с меньшей влажностью). Из таблицы 2.2 видно, что во всех экспериментах наблюдалось падение температуры слоя при сжигании осадка сточных вод, то есть попытка обеспечить устойчивое горение только за счет теплоты, выделяемой осадком, не удалась. Поэтому проводилось совместное сжигание осадков и сжиженного газа, результаты этой серии экспериментов приведены в таблице 2.3. Как видно из таблицы 2.3, наибольший расход осадка (23 кг/ч) наблюдался в режиме 4, при этом выделяемая теплота на 65 % обеспечивалась за счет сгорания осадка и на 35 % - от сжигания сжиженного газа. Анализ золы, унесенной из топки (режимы 1-6 и 7-8, табл.2.3) и уловленной в циклоне, показывает, что содержание горючих в ней составляет 2,5-5 %, а потери с механическим недожогом #/=0,8-1,2 %. Большее значение q4 соответствует коэффициенту избытка воздуха в топке ав=1,12, a меньшее-ав= 1,29. Соотношение количеств золы, оставшейся в слое, уловленной в циклоне и унесенной из установки, составило 75, 20 и 5 % соответственно, т. е., в основном, накопление золы идет в кипящем слое. Оценки теплового баланса кипящего слоя [101,102] показывают, что процесс сжигания осадков может быть автотермичным при влажности их 50-67 % в зависимости от состава и способа сжигания осадков. Этой влажности соответствует низшая теплота сгорания на рабочую массу 3758-7529 кДж/кг. Оценочный расчет теплового баланса кипящего слоя [101,102] проводился из следующих предположений: 1) теплота от сжигания топлива целиком выделяется в объеме кипящего слоя; 2) теплота от сгорания топлива и физическая теплота воздуха расходуются (за исключением потерь q , q4, qi) на нагрев золы до температуры кипящего слоя (900 С), а также на нагрев избытка воздуха. Результаты сжигания осадков в кипящем слое показывают, что теплоты от сгорания только осадков недостаточно для поддержания необходимой температуры слоя. Одна из причин кроется в особенностях циркуляции частиц топлива в кипящем слое. Визуальные наблюдения показали, что в надслоевом пространстве происходит горение летучих, то есть часть теплоты топлива выделяется вне слоя. Для оптимизации сжигания осадков необходимо обеспечить условия, при которых максимальная часть теплоты топлива выделялась бы в слое. Выводы На основании проведенных экспериментов по сжиганию в кипящем слое осадков сточных вод можно сделать следующие выводы. 1. Теплоты от сгорания осадков недостаточно для поддержания и сохранения необходимой температуры слоя. 2. Для оптимизации сжигания осадков необходимо обеспечить условия, при которых максимальная часть теплоты топлива выделялась бы в объеме слоя. 3. Экспериментальные данные подтверждают сделанные в главе 1 выводы о необходимости увеличения времени пребывания сжигаемого топлива или горючих отходов в глубинных зонах кипящего слоя, а также о необходимости разработки способа управления этим временем.
При утилизации осадка сточных вод это даст возможность сократить объем дополнительно вводимого топлива, которое добавляется для поддержания горения и температуры слоя. На основании анализа литературных данных и результатов опытного сжигания осадков сточных вод сформулированы основные задачи исследования: разработать способ управления временем пребывания топлива в объеме кипящего слоя. исследовать влияние различных (конструктивных и режимных) факторов на характер этого направленного движения. провести оценку горения в кипящем слое при создании направленного движения и без него. разработать на основании результатов исследований рекомендации по конструированию достаточно несложных и недорогих устройств для создания направленного движения зернистого материала в кипящем слое в целях управления временем пребывания топлива в объеме кипящего слоя.
Методика проведения опытов и обработка результатов видеосъемки
Процесс движения порции угля записывался видеокамерой. Полученная видеозапись обрабатывалась на компьютере по следующей схеме: оцифровывалась при помощи платы нелинейного видеомонтажа MirovideoDC 10+; оцифрованная видеозапись обрабатывалась в покадровом режиме (в программе «Autocad»), либо в пакетном режиме в программе «SIAMS Photolab». Для определения масштаба изображения при обработке использовалась сетка (с ячейкой 100x100 мм), которая была нанесена на лицевую стенку установки. Съемка производилась на видеокамеру в формате НІ8. Для обеспечения равномерного освещения источники света были установлены с двух сторон (рис.3.3). Для большинства экспериментов был выбран размер порции угля объемом 100 мл. Это объясняется тем, такой объем порции позволяет, при выбранном способе исследования и размерах установки, более просто и точно определять требуемые параметры, а, следовательно, получить меньшую погрешность. В экспериментах с порцией объемом 50 мл происходило слишком быстрое размывание угля в слое, и возможности метода обработки данных не позволяли использовать такие данные. На рис. 3.4 изображены площади вертикального поперечного сечения порции угля в первом ярусе пластин (полученные с видеоизображения лицевой стенки установки) для порций с исходным объемом 0=50 мл и Ко=100 мл (уголь черное пятно).
При использовании порции угля объемом 150 мл происходило растягивание порции на всю высоту канала, что усложняло определение требуемых характеристик (времени движения, скорости,...). Важным фактором, влияющим на наличие направленной циркуляции, является расположение направляющих пластин по отношению к уровню слоя. Для обеспечения устойчивой циркуляции необходим правильный выбор высоты слоя вне канала и скорости псевдоожижения таким образом, чтобы выполнялись два условия: 1) происходило периодическое забрасывание слоя снаружи канала в пространство между верхним ярусом пластин; 2) уровень слоя вне канала должен быть выше, чем нижний край первого (верхнего) яруса пластин канала. По визуальным наблюдениям оптимальным уровнем псевдоожиженного слоя относительно пластин верхнего яруса является уровень 0,1-0,5 от высоты пластин, считая от низа этих пластин. Для обработки изображений отбирались только те эксперименты, в которых в клиновидный канал попадала большая часть (более 60%) из загруженной порции угля, поскольку в некоторых режимах часть загружаемого в канал угля попадала в свободный слой. При обработке изображений определялись следующие параметры порции угля: время движения с момента подачи в канал - т, вертикальная скорость движения - v; площадь вертикального сечения (далее по тексту - площадь порции) - S; периметр вертикального сечения - Р, рассеяние угля при его движении по каналу. Данные по изменению площади и периметра вертикального сечения порции угля использовались для оценок рассеяния порции при её движении по каналу.
Основной сложностью при обработке видеоизображения является точность выделения границ порции топлива. Эта точность ограничена максимальным разрешением съемки, которое составляет 720x540 точек и частотой кадров от 25 кадров в секунду (без сжатия) до 15 кадров в секунду (со сжатием). Также влияние на качество кадра и четкость границ метки оказывает принцип работы алгоритма сжатия JPEG. Описание методики обработки данных в программе Autocad: Данная программа использовалась для измерения площади и периметра порции угля. Для этого в программе Virtualdub захватывался нужный кадр видеоизображения. Кадр вставлялся в Autocad, вручную обрисовывались границы порции угля и стандартными средствами программы определялись площадь и периметр нарисованной фигуры.
Исследование рассеяния топлива при направленном движении в канале
Помимо скорости направленного движения не менее важным фактором является рассеяние угля в канале. Для улучшения сгорания угля необходимо равномерное рассеяние при его движении в канале. Кроме того, необходимо добиться условий, при которых весь загруженный уголь проходит канал. Поскольку было принято, что горения внутри порции угля не происходит, а горят лишь частицы, отделившиеся от порции, и частицы, которые находятся на её поверхности, то рассеяние определялось по изменению площади и периметра вертикального сечения порции угля. Для оценки изменения рассеяния проведена серия экспериментов по измерению площади (5) и периметра (Р) вертикального сечения порции.
Для узкого канала (1,=100 мм; 4=100 мм; а=15; 3 яруса) во всем диапазоне интервала W изменения S и Р практически не происходит, то есть форма порции сохраняется до её выхода из канала, рассеяние происходит только при выходе порции из третьего яруса.
Изменение угла установки пластин а в узком канале (Z=100 мм; 4=100 мм) не приводит к увеличению рассеяния. Во всем диапазоне изменения а площадь и периметр поперечного сечения порции угля остаются практически неизменными в первом и втором ярусах. Заметные изменения S и Р происходят только в третьем ярусе. Максимальное изменение S в третьем ярусе наблюдается при а=10 (уменьшение S на 30-40 %). При увеличении а, начиная с а=20, порция сильно растягивается при движении по каналу (увеличение Р), естественно, что чем больше угол а, тем меньше эффективная ширина канала /, тем сильнее увеличение периметра поперечного сечения порции.
При изменении начального объема загружаемой порции Vo площадь и периметр её поперечного сечения (S и Р) практически не изменяются. На рис.4.20-4.22 показано изменение площади и периметра порции угля при изменении ширины канала и различных углах наклона пластин. На характер направленного движения угля оказывает влияние соотношение эффективной ширины канала (/) (уменьшающейся при увеличении а) и размера порции угля. Влияние этого соотношения становится заметным, когда эффективная ширина канала становится меньше ширины поперечного сечения порции. В этом случае неожиженная часть кипящего слоя, которая находится на наклонных пластинах, оказывает тормозящее действие, и порция растягивается по каналу. Наименьшее рассеяние для Z, 100 мм наблюдается при 1,=150 мм; сс=35 и L=225 мм; а=35, при этом происходит сильное растягивание порции (рис.4.20 а,б, 4.21 а,б). При 1=250,275 мм; а=25 и /=250 мм; а=35 рассеяние происходит равномерно по всему каналу. В остальных случаях рассеяние происходит преимущественно в третьем ярусе. Видно, что при постоянном угле наклона пластин увеличение ширины канала приводит к увеличению равномерности рассеивания. На рис.4.23, 4.24 показано отклонение формы вертикального сечения порции от круга, имеющего ту же площадь, при её движении по каналу, где Р — периметр вертикального сечения порции угля, мм; Рэкв—Р/Ркр - отклонение формы порции угля от круга, мм; Ркр - периметр круга с площадью, равной площади вертикального сечения порции угля, мм. Максимальное растягивание порции наблюдается преимущественно в 3 ярусе (рис.4.23 а,б,г, 4.24 а,б,г,д).
Увеличение вертикального расстояния между осями пластин А приводит к более быстрому рассеиванию угля из-за увеличения зазора между первым и вторым ярусом пластин, больше угля уходит из канала в сторону между ярусами. При Z=200 мм и А=175 мм после первого яруса из канала уходит весь уголь.
По результатам проведенных экспериментальных исследований направленного движения дисперсного материала можно сделать следующие выводы:
1. Основные условия реализации направленного движения: в клиновидном канале должен реализовываться подвижный режим - установившееся направленное движение материала; через канал должны проходить пузыри; высота слоя должна быть близкой к уровню верхнего края плистин, чтобы часть материала слоя при фонтанировании забрасывалась в верхний ярус канала. Последнее условие можно выполнить изменением либо высоты слоя, либо положения канала, относительно верхнего уровня слоя.
2. Характер движения угля по каналу - неравномерный, при этом максимумы скорости, даже при одинаковых условиях проведения эксперимента, находятся на различных участках канала. Основным фактором, влияющим на скорость направленного движения, является объем воздушной фазы, покидающей канал через щели между ярусами. Величина этого объема в основном определяется размером и количеством пузырей, выходящих из канала. Чем больше размер пузыря (или пузырей), покинувшего канал, тем выше скорость опускного движения угля на отдельном участке канала.
