Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1. Объект исследования 7
1.2. Расчет бункеров 15
1.3. Побудители сыпучих материалов в бункерах 18
1.4. Питатели сыпучих материалов 27
1.5. Основные положения механики насыпных грузов 29
1.6. Расчет прогрева плотного слоя материала и газа 39
1.7. Нагрев тел сферической формы с фазовым переходом 40
1.8. Способы борьбы с налипаниями и провисаниями сыпучих материалов в бункерах 43
1.9. Выводы по главе и постановка задачи исследования 45
Глава 2. Математическое моделирование прогрева одиночной частицы угля из шламов в плотном слое 47
2.1. Прогрев частицы угольного шлама при Bi < 0,1 47
2.2. Прогрев частицы угольного шлама при Bi > 0,1 48
2.3. Методика расчета температурного поля слоя угольных шламов 50
2.4. Расчет гиперболической поверхности 53
2.5. Выводы по главе 57
Глава 3. Экспериментальное исследование сыпучести угольного шлама 59
3.1. Методика проведения эксперимента и описание экспериментальной установки 59
3.2. Анализ полученных экспериментальных данных 63
3.3. Выводы по главе 72
Глава 4. Расчетное исследование сыпучести шлама с учетом его прогрева в бункере 74
4.1. Исследование температурного поля прогреваемого слоя угольного шлама 74
4.2. Исследование температурного поля материала в прогреваемом слое угольного шлама 91
4.3. Закономерности, полученные при исследовании прогрева слоя угольного шлама 101
4.4. Выводы по главе 113
Глава 5. Инженерная методика расчета бункеров для угольных шламов котла БКЗ 210-140 ТЭЦ-ПВС ОАО «Северсталь» 114
5.1. Расчет конструктивных параметров бункера 114
5.2. Расчет параметров прогрева прогреваемого слоя материала 121
5.3. Пример расчета бункера для котла БКЗ 210-140 ТЭЦ-ПВС ОАО «Северсталь» 122
5.4. Выводы по главе 126
Заключение 127
Литература 128
Приложения 141
- Способы борьбы с налипаниями и провисаниями сыпучих материалов в бункерах
- Методика расчета температурного поля слоя угольных шламов
- Методика проведения эксперимента и описание экспериментальной установки
- Исследование температурного поля материала в прогреваемом слое угольного шлама
Введение к работе
Запасы шлама коксохимического производства, которые скопились на ОЛО «Северсталь», достигают громадных размеров. Этих запасов хватит более чем на 30 лет, если использовать их в качестве энергетического топлива ТЭЦ-ПВС и ТЭЦ-ЭВС ОАО «Северсталь».
Состав шламов существенно влияет на работу системы пылеприготовления: колебания влажности шламов, возникающие в процессе эксплуатации, приводят их к зависанию в бункерах сырого угля. Поэтому с целью обеспечения бесперебойной работы котлов необходимо исследовать свойства влажного шлама, который содержит также большое количество минеральной части в виде глины, с целью разработки рекомендаций, обеспечивающих бесперебойное снабжение котлов топливом. Для этого необходимо разработать технологию подготовки шлама к сжиганию в существующих системах пылеприготовления.
Целью работы является исследование теплообмена влажного угольного шлама в бункере сырого угля и разработка методики теплового расчета бункера.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель прогрева частиц угля из шламов в плотном слое. На основе реализации математической модели с учетом
результатов экспериментальных исследований установлен характер влияния параметров слоя на время его прогрева.
2. На основе экспериментальных исследований установлены
зависимости:
- времени высыпания угольного шлама из бункера от влажности,
размера и формы выпускного отверстия и угла наклона боковой стенки
бункера;
- угла обрушения шлама от влажности и зольности.
3. Путем реализации математической модели с учетом полученных
экспериментальных данных получены критериальные уравнения,
устанавливающие зависимость времени прогрева слоя от влажности,
зольности, высоты слоя и температуры греющего газа.
Практическая значимость.
Разработана инженерная методика теплового расчета внутренних поверхностей бункера сырого угля.
Выполнен тепловой расчет конструкции бункера сырого угля системы пылеприготовления, устраняющей зависание шлама.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами проведенных зксперимеїїтов и опытными данными других авторов.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения обсуждались на XXXIII конференции молодых
специалистов (Череповецкий военный инженерный институт
радиоэлектроники, 2005 г.); III Международной научно- технической
конференции «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию
регионов» ( Вологодский государственный технический университет, 2005);
V Международной научно- технической конференции «Прогрессивные
процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец,
2005); Международной научно- технической конференции
«Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005), IV Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Нижний Новгород, 2005).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из ПО наименований и приложений. Объем диссертации 144 страницы текста, включая 4 страницы приложений, 58 рисунков. По теме диссертации опубликовано 6 статей.
Способы борьбы с налипаниями и провисаниями сыпучих материалов в бункерах
Пропускная способность бункеров, опорожняемых при каждом открытии затвора (например, дозировочных), характеризуется временем их опорожнения to, с. Для нормального вида истечения где G0 — емкость бункера, т; V0 — объем бункера, м3, ум- объемная масса насыпного груза, т/м , со- площадь отверстия истечения, м . Объем сыпучего материала в бункере определяется по формуле где F — площадь поперечного сечения бункера, м", Н — высота бункера между вершиной конуса загрузки сыпучего материала в бункер и выгрузки из пего, м, V, и V2 — верхний и нижний объемы, не заполненные сыпучим материалом и ограниченные поверхностью материала, ссыпающегося под углом естественного откоса, и стенками бункера в зависимости от места расположения загрузочного и разгрузочного устройства и формы бункера, м3. Давление на стенки и дно бункера тем больше, чем меньше внутреннее трение сыпучего тела. Коэффициент внутреннего трения значительно колеблется для одного и того же материала, и величина его очень зависит от пористости сыпучего тела, влажности и многих других факторов. Формулы расчета бункеров получены на основе проведенных Янсеном [38] опытов и предложенной им теории давления зерна в них. При подаче сжатого воздуха в нижнюю часть загруженной модели бункера дополнительное давление на дно будет тем больше (при прочих равных условиях), чем выше сопротивление фильтрации воздуха вышележащих слоев сыпучего материала.
Давление на стенки бункера по периметру на одном уровне в процессе загрузки и разгрузки неравномерно; давление высоко в конечном периоде загрузки и в начальном периоде разгрузки бункера и превышает на 100% среднюю величину. Эта неравномерность зависит от расположения канала истечения, зоны наибольшей фильтрации воздуха, степени уплотнения в процессе загрузки и многих других факторов. Однако использование для разгрузки сжатого воздуха значительно улучшает процесс истечения материала из бункера, исключает сводообразование даже при малых размерах выпускных отверстий.
Напряжения сжатия в стенах бункеров, опирающихся непосредственно на фундаментную плиту и имеющих проемы для прохода, транспортеров и др., следует определять без учета проемов; дополнительные напряжения сжатия в стене бункера вблизи проемов следует определять исходя из предположения, что сжимающее усилие, приходящееся на стену бункера в пределах проема, передается равномерно на примыкающие к проему стены бункера на длину не более 50 см от проема. 1.3 Побудители сыпучих материалов в бункерах
Известно, что при истечении сыпучих материалов возможно сводообразование. На образование сводов в сыпучих материалах влияют как характеристики самого материала, их изменение во времени, так и параметры бункеров. Предотвращение сводообразований возможно за счет правильного выбора конструкции бункера и применения побудителей сыпучих материалов, которые обеспечивают поддержание материала в хорошосыпучем состоянии.
Давление вышележащих слоев сыпучего материала оказывает влияние на степень подвижности материала при его истечении из бункеров. Наилучшим является постоянное давление на дно бункера или на материал в питателях. Для получения установившегося давления Е.Б. Карпин [44] рекомендует выбирать угол наклона стенки бункера к вертикали в 52,4 10 рад (30).
Стабилизаторы рекомендуется устанавливать у выходного отверстия бункера (рис. 1.6, а). Они воспринимают давление вышележащих слоев и создают постоянное давление в нижней части бункера. Рис. 1.6. Стабилизаторы давления материала (а) и форма установки пластины (б) [36].
Исследования Руссо [37] позволили установить: чтобы избавиться от действия изменяющегося столба материала, находящегося в бункере, на материал в питателе, т. е. получить постоянное давление в нижней части бункера, необходима специальная форма выходного отверстия бункера (рис. 1.6, а/ Она должна быть такой, чтобы кромки отверстия бункера находились на одной вертикальной прямой, а питатель был смещен относительно оси бункера.
Методика расчета температурного поля слоя угольных шламов
С целью устранения зависаний материала в бункерах и прилипания его к стенкам бункеров в литературе [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] рассматривается ряд конструктивных предложений, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки. Изобретения относятся к хранению и перегрузке трудносыпучих .материалов и могут быть использованы как в строительной промышленности, так и в теплоэнергетике.
Известен способ выгрузки трудносыпучих материалов из бункеров, использующий возвратно- поступательное перемещение боковых стенок бункера в процессе выгрузки и заключающийся в том, что во время выгрузки боковым стенкам сообщают колебательное движение, способствующее поступлению сыпучего материала к выходному отверстию. Недостаток этого способа состоит в том, что колебательное движение боковых стенок бункера вызывает уплотнение в сужающейся части бункера, так как не все количество материала успевает выйти из бункера из-за плохих сыпучих свойств.
Другой известной конструкцией является загрузочный бункер для храпения сыпучих материалов, содержащий корпус с выпускным отверстием и виброрассекатель. Конструкция этого бункера характеризуется простотой и технологичностью, отсутствием механических приводов. Недостатком является размещение упругих элементов непосредственно в сыпучей части слеживающегося материала и, следовательно, невысокая эффективность сводообрушения в зоне разгрузочного отверстия.
Рассматривается также изобретение, предназначенное для разбучивания и очистки бункеров с закладочными материалами. Устройство содержит привод и соединенный с ним рабочий орган, закрепленный на валу и проходящий через бункер. Отмечается недостаток, заключающийся в том, что очистка бункера производится при полном его освобождении от материала. С целью повышения эффективности сводообрушения предлагается бункерное устройство, включающее корпус бункера и установленные внутри него вертикальные полые штанги. На свободных концах штанг смонтированы герметичные полости и жесткие стержни, закрепленные на наружной поверхности полостей. Жесткие стержни приводятся в движение и совместно с полостями обрушивают свод.
При длительном хранении трудносыпучих материалов в бункерах в результате давления вышележащих слоев на нижележащие появляются такие явления, как слеживаемость, самоуплотнение и сводообразование. Целью рассмотренного [8] изобретения является уменьшение слеживаемости материала и ликвидации сводообразования. Поставленная цель достигается тем, что в бункере, содержащем расположенную по оси опорную трубу и укрепленные на ней полые конусные элементы, сообщенные с системой подачи сжатого воздуха, смонтирована дополнительная труба с возможностью вращения, а по периметру патрубка расположены сопла, обеспечивающие скорость истечения воздуха, равную скорости звука.
Целью всех изобретений является улучшение качества сыпучести материала и уменьшение его сводообразования. Анализ литературных данных показывает, что известна методика расчета бункеров, расчета давления насыпных грузов на стенки и дно бункеров, расчета питателей сыпучих материалов. Кроме того, известна методика расчета прогрева неподвижного слоя кусковых материалов потоком газа. В данном случае необходимо объединить эти методики, поскольку одни позволяют рассчитать только конструкцию устройства, а другие описывают процесс теплообмена, не учитывая геометрические параметры слоя. Также известна методика расчета нагрева тел сферической формы с фазовым переходом. Необходимо применить ее к данным условиям. Для исследования теплообмена при движении влажных сыпучих материалов необходимо: - разработать математическую модель прогрева одиночной частицы угля в плотном слое; - изучить исследование сыпучести угольного шлама с учетом его прогрева в бункере; - провести расчетное исследование оптимальной кривой боковой стенки бункера, наполненного угольным шламом; - исследовать влияние влажности и зольности на сыпучесть угольных шламов; - разработать инженерную методику расчета бункеров для угольных шламов.
Методика проведения эксперимента и описание экспериментальной установки
Объектом исследования является бункер, топливо - угольный шлам. Бункер является частью общей технологической схемы подготовки угольного шлама к сжиганию (рис. 1.1).
Общая технологическая схема подготовки угольного шлама к сжиганию (1-шламонакопитель; 2-обогатительная фабрика; 3-вагон со шламом; 4-разгрузочное устройство; 5-ленточный транспортер; 6-бункер для сырого угля; 7-мельница для размола топлива; 8-эксгаустер; 9- топка котла; 10-золоуловитель; 11-дымосос; 12-дымовая труба; 13-подача дымовых газов на нагрев угольного шлама; 14-отбор газообразных продуктов сушки шлама; 15-вентилятор).
При разработке бункерных устройств необходимо установить [36] вид материала для их изготовления, величину давления насыпных грузов на стенки, геометрию бункеров. Рассмотрим материалы для изготовления бункеров, которые упоминаются в литературе. Бункеры изготовляют из металла, железобетона, дерева и комбинированных материалов. Металлические бункеры обладают сравнительно небольшой массой, их опоры занимают мало места; изготовляют их на заводах индустриальными методами с последующей сборкой стандартных частей на месте установки. Эти бункеры достаточно долговечны при хранении сухих грузов, эксплуатация их дешевле других бункеров. Однако они подвержены коррозии при хранении влажных грузов. Коррозия не только ускоряет износ бункера, но и увеличивает коэффициент трения насыпного груза о стенки, что может затруднить разгрузку бункера. Железобетонные бункеры пригодны для хранения сухих и влажных материалов. Эти бункеры долговечны, но, как правило, дороже и тяжелее металлических. Железобетонные бункеры малопригодны для хранения горячих материалов, так как бетон дает трещины вследствие тер.мических деформаций. По конструкции железобетонные бункеры делятся на монолитные, сборные и смешанной конструкции. Монолитные бункеры возводят в общей опалубке и применяют преимущественно на железобетонных эстакадах и в железобетонных зданиях. Деревянные бункеры сравнительно недолговечны (например, срок службы их на погрузке угля составляет восемь-десять лет) и требуют частого ремонта. Комбинированные бункеры представляют собой сочетание отдельных конструкций, изготовленных из различных материалов. Например, железобетонный корпус бункера соединяют с металлическим днищем, каменный или кирпичный корпус с металлической армировкой сочленяют со сборным железобетонным днищем. Деревянные бункеры для уменьшения износа часто выстилают внутри стальными листами. Наибольшее давление на стенки бункеров оказывают насыпные грузы, близкие по свойствам к жидкости. Давление сыпучих грузов на стенки бункеров зависит от сил внутреннего трения и сцепления частиц груза (рис. 1.2 и рис. 1.3). При расчете давления сыпучих грузов на стенки бункеров исходят из следующих предпосылок: -сыпучий груз состоит из частиц столь малых, что размерами их по сравнению с размерами бункера можно пренебречь и рассматривать сыпучим груз как сплошную среду; -между частицами груза могут существовать силы трения, максимальное значение которых пропорционально нормальному давлению; -между частицами груза могут возникнуть силы сцепления, не зависящие от нормального давления. Давление на дно бункеров насыпных грузов (Р, Па), по свойствам близких к жидкостям (аэрированные, избыточно увлажненные грузы),-находят по формуле P = nA-K-h-j, (1.1) где пл — коэффициент динамичности, К — коэффициент бокового давления, h - высота вертикальной стерши, м,у- коэффициент внутреннего трения. Фактическая вместимость бункера для насыпных грузов зависит не только от его геометрической формы и размеров, а также от угла естественного откоса ос,, (рис. 1.4, в), образующегося при насыпании материала в бункер.
Исследование температурного поля материала в прогреваемом слое угольного шлама
Исследования Руссо [37] позволили установить: чтобы избавиться от действия изменяющегося столба материала, находящегося в бункере, на материал в питателе, т. е. получить постоянное давление в нижней части бункера, необходима специальная форма выходного отверстия бункера (рис. 1.6, а/ Она должна быть такой, чтобы кромки отверстия бункера находились на одной вертикальной прямой, а питатель был смещен относительно оси бункера.
Р. Квапил и Т. Танака [47,110] установили зависимость между размером пластины и высотой установки ее в цилиндрической емкости с плоским дном и центрально расположенным выпускным отверстием.
При заданном размере выпускного отверстия а и угле естественного откоса сыпучего материала Р влияние установки пластины на движение материала в емкости зависит от размера пластины b и высоты ее установки Н над выпускным отверстием (рис. 1.6, б). При истечении материала из емкости под пластиной образуется коническая свободная поверхность, ограниченная с одной стороны пластиной, а с другой — двумя плоскостями, проходящими под gp, а толщина движущегося слоя материала Н„ между свободной поверхностью и плоскостью BR (рис. 1.6, б), ограничивающей возможный остаток материала в емкости, II н =tf/2cosP. Некоторые исследователи [13, 16, 71] считают, что нарушение процесса истечения из емкости материалов с размером частиц 200 мкм, обладающих даже хорошими сыпучими свойствами, происходит в результате образования зоны пониженного давления в слоях, расположенных над отверстием. Понижение давления происходит за счет эжектирующего действия частиц сыпучего материала, которые при своем движении увлекают воздух и создают перепад давления воздуха между объемом, вмещающим этот материал, и объемом, в который он поступает. Это вызывает встречную циркуляцию воздуха через отверстие, нарушая нормальное истечение. Разрежение в емкости тем больше, чем мельче частицы, так как с уменьшением размера частиц увеличивается их эжектирующая способность, а газопроницаемость слоя м териала уменьшается. Для устранения этого явления необходимо соединять область, лежащую над отверстием, с атмосферой.
В процессе работы питателей бункеры могут испытывать встряхивающие и вибрационные воздействия. Эти воздействия, как правило, повышают объемную массу, превращая сыпучий материал в псевдотвердое тело. Для предотвращения этих явлений и улучшения сыпучести материала применяют побудители. В качестве побудителей используют механические -рыхлители, помещенные внутри бункера; вибраторы, устанавливаемые на стенках или внутри бункера; аэрационные рыхлители. Побудители устанавливают в бункерах для предотвращения соодообразования и улучшения истечения сыпучего материала.
Действие механических побудителей основано на перемешивании или смещении материала для уменьшения сил сцепления между отдельными частицами и для нарушения равновесия свода материала в бункере. Механический побудитель представляет собой вал с лопатками, вращающийся с окружной скоростью, равной скорости питателя, и рыхлящий материал при вращении. Побудители этого типа отличаются простотой и малой энергоемкостью по сравнению с побудителями других типов. Наиболее простым механическим устройством является мешалка с горизонтальным валом. Количество, форма и расположение на валу лопастей или штырей, а также режим работы зависят от размера воронки и характеристики материала.
Для уменьшения энергоемкости побудителя соседние лопасти, расположенные на валу по винтовой линии, можно располагать на некотором расстоянии одна от другой по длине вала. Это расстояние должно быть не более размера сводообразующего отверстия, определяемого по формулам для выходного отверстия бункера.
По ориентировочным подсчетам А.Н. Новикова [77], мощность, необходимая для вращения в бункере цемента одной лопасти шириной 160 мм с радиусом 800 мм при коэффициенте трения металла о материал 0,1 и частоте вращения 40 об/мин, равна 1 кВт.
В зависимости от конкретных условий работы конструкции побудителей различны, однако принцип их работы, несмотря на многообразие, одинаков. Для предотвращения зависания мелкого влажного угля можно применять шнековое устройство, которое представляет собой двухвитковый вертикальный конусный шнек, помещенный в зону образования свода.
