автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса сушки золы гидроудаления и использование ее в строительных растворах

На правах рукописи

БОКИНОВ Дмитрий Вадимович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗОЛЫ ГИДРОУДАЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕЕ В СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРАХ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической

технологии

Специальность 05.23.05 - Производство строительных материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена на кафедре «Строительного материаловедения и специальных технологий» Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Федосов Сергей Викторович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зайцев Виктор Александрович; кандидат технических наук, доцент Сперанская Ольга Борисовна

Ведущее предприятие-

АООТ «СМУ- 4»,г.Иваново

. Защита состоится чЗ.ъ . . ..... 1998 г.

в г^.'часов в Малом конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 064.76.01 при Ивановской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 153002 , г.Иваново, ул.8 - Марта, д.20 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан « .0. . » . . . . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

адаев Н.М.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Среди множества процессов химической промышленности, производства стройматериалов и смежных отраслей важное место занимают процессы сушки дисперсных материалов. Они являются одним из основных этапов в технологии получения многих продуктов. В технологической цепи предприятий термообработка может быть как промежуточной, так и завершающей стадией. От условий ее проведения и аппаратурного оформления во многом зависят товарный вид и качество выпускаемой продукции.

В настоящее время на отечественных предприятиях производственные процессы являются сложными и громоздкими с точки зрения аппаратурного оформления. Креме того, имеются большие потери материала вследствие уноса, но самым большим недостатком является длительность производственного процесса. В связи с этим разработка интенсивных методов сушки твердых тел и аппаратуры для их осуществления является актуальной задачей.

Настоящая диссертация является продолжением ранее проведенных исследований в области разработки интенсивных методов сушки дисперсных материалов. Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов сушки сыпучих продуктов в комбинированном аппарате с закрученными потоками. В связи с истощением месторождений сырья для производства строительных материалов, в качестве объекта исследования была выбрана зола гидроудаления ИвТЭЦ - 2. Ряд специфических свойств данного продукта позволяет использовать его в производстве цемента, строительных растворов, пористых заполнителей, керамического и силикатного кирпича, а также в дорожном строительстве. Однако, более эффективное применение золы в перечисленных выше областях произвол-

стеа затруднено из-за недостаточно полного исследования свойств этого уникального продукта, к которым относятся теплофизические и физико-механические характеристики.

Научная новизна диссертации. На базе дифференциальных уравнений взаимосвязанного тепловлагопереноса составлено и решено математическое описание процессов, протекающих в сушильной установке интенсивного действия, учитывающее динамику распределения температуры и влагосодержания в частице обрабатываемого материала для малых времен процесса сушки.

Определены теплофизические свойства исследуемого материала, коэффициенты переноса теплоты и влаги, физико-механические и структурные характеристики золы.

Изучено влияние фракционированной золы на прочность строительных растворов.

Совокупность рассмотренных в диссертации вопросов теоретического и экспериментального характера может быть квалифицирована как решение актуальной научной задачи, имеющей существенное значение для разработки методов расчета процессов тепло- и массопереноса в двухфазных средах и практического применения полученных результатов в промышленности.

Практическая значимость. На базе усовершенствованной математической модели предложен метод расчета комбинированной установки с вихревым слоем для сушки дисперсных материалов. Выработаны конкретные рекомендации по использованию высушенного продукта в строительных растворах при замене части вяжущего и в качестве сырьевых компонентов в производстве других строительных материалов.

Усовершенствована конструкция аппарата для термообработки дисперсных материалов.

Автор защищает:

1. Математическую модель тепло- и массогтереноса в сферической частице для малых времен процесса сушки.

2. Результаты определения теплофизических констант обрабатываемого материала.

3. Результаты лабораторных экспериментальных исследований процессов сушки влажной золы в комбинированной установке, а также по использованию обработанной золы в строительных растворах.

4. Результаты исследований физико-механических и структурных характеристик золы гидроудаления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии н химической технологии -Химия-97» (Иваново, 1997); на I Международной конференции " Экология человека и природы " (Иваново, 1997); на научно-технических конференциях ИГАСА, 1997 г.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 4-х опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Объем работы -Ш страниц основного текста, включая ^^иллюстраций, таблиц и страниц приложений. Библиография содержит наименований.

Содержание работы.

Во введении показана актуальность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ современного состояния теории и практики термической обработки дисперсных материалов в двухфазных потоках.

Интенсификация процессов сушки в аппаратах с закрученными потоками приводит к уменьшению времени пребывания материала в аппарате без ухудшения свойств готового продукта. Методы расчетов, адекватно описывающие происходящие в таких аппаратах процессы, в настоящее время недостаточно хорошо изучены. Большинство из существующих в настоящее время математических моделей процессов сушки дисперсионных материалов в аппаратах данного типа описывают кинетику удаления только свободной влаги, или, в лучшем случае учитывают влияние теплопере-носа в дисперсионной среде на скорость удаления влаги из материала. Использование понятий "среднего влагосодержания" и "средней температуры" материала, без учета реального распределения влаги и температур по радиусу высушиваемой частицы, приводит зачастую к большой ошибке расчетов, особенно при малом времени пребывания материала в аппарате.

На основании анализа опубликованных данных сформулированы конкретные задачи диссертационной работы, заключающиеся в разработке и экспериментальной проверке математической модели процессов сушки дисперсных материалов, учитывающей реальные распределения влаги и температуры по радиусу обрабатываемой частицы при малых временах процесса.

Во второй главе излагается математическая формулировка и решение задачи тепловлагопереноса в сферической частице при граничных условиях третьего рода.

Перспективным направлением в области разработки математических моделей тепловлагопереноса является использование комбинированного подхода, развиваемого в работах научной школы профессора Федосова C.B., сущность которого заключается в совместном применении аналитических и численных методов решения. В соответствии с этим методом время всего процесса сушки представляется непрерывной цепью последовательных микропроцессов. Полагая, что перенос теплоты в частице дисперсного материала осуществляется теплопроводностью, а влаги - влаго-проводностью запишем для i-ro микропроцесса краевые задачи тегагомас-сопереноса:

at(r>T) _ a2t(r,x) 2 st(r, т)

а- _ о + _

дх дг г Эг

= а •

-+—• г

(1)

Ш(г,т) , а2и(г,т) 2 аи(гл)

* ~ о "Ь _

дх дг2 г дг

(2)

t(r,0) = to(r)

(3)

дг

(4)

(5)

U(r,0) = U0(r)

(6)

U(0, т)ф

дг

(7)

¡3 и -Т-КД, х)

=кМу)

дг

(8)

Вводя безразмерные переменные

Т(г, Ро) = ^^

©(г,Ро)

Ц(г,т)-и,

и„

и решая краевые задачи методом интегральных преобразований Лапласа, получены решения для теплообменной и массообменной задач:

Т^Ро)^1

2 г у/пРо

1СТ (С)ехр

0 о

-г у\Ъ

(Г +0

4¥о

О

хТ0(Оехр

(2 + г-С)2 4Бо

ёС [(+)~-^ехр|~(В1-1)2Ро]

4С Т0(О ехр [ (В1 -1) (2 Т ^ - С)] ейс

2 + г-С

+ (Ш-1)*

хл/Ро|ёС + ^

^о) {¿0) + \(Ро)

о ОГО

(9)

б

где:

^(Ро)=(+)

хи0(С) ехр

Ко

2у[кТм¥о (2 + 1-02

^и0(Оехр

(1+02 4Ьи Ро

ас+Гс«

о

4ЬиРо

¿С

(±)КоЧВ11П-1)ехр[(В1т-1)2

Ьи Ро] /С и0(О ехр [(В1т-1) (2 +1 - 0]ег&

о

(В1т-1)л/ЬиРо](1С;

'2 + 1-С

2л/Ьи Ро

^(0) = (±) ехр [(В! -1) (1 + г)];

а£>1(Р°"Р° } = (±) ехр [(В* -1)(1 + г) + (В1 - 1)2(Ро - Ро*)1х дРо I. J

ЭРо

2 (Ро - Ро*)(В1 -1) - (1 + г)

2д/тс (Ро-Ро*)3

ехр<

+ ' ,+(В1-1> 2л/Ро - Ро

хл/ро - Ро*

+(В1-1)2егй

(В! - 1)Л/РО-РО* + —¡¿^й

2л/ро - Ро*

- модифицированный критерий Коссовича.

(±)1

хи0(Оехр

2 г л/я Ьи Бо

(2 + г-О2 4ЬиРо

1с и (С)ехр

0 о

т

(г ТО

4ЬиРо

а^+Кх о

с

(+)^Лех1{(В}т-1)2ЬиРо]х

х}с и0(С) ехр[(В1га-1) (2*г-0\ ейс о

кл/Ьи Ро| ёС

2л/ЕиЁо 4 т '

(Ю)

Решения (9)и(10) представляют собой математическое описание тепломассопереноса в сферической частице и позволяют рассчитать поля влагосодержаний и температур в частице в произвольный момент времени.

Полученные выражения совместно с уравнениями аэромеханики потоков представляют собой математическое описание процесса сушки дисперсных материалов в аппарате с активными гидродинамическими режимами при малых временах процесса.

Третья глава посвящена экспериментальному определению теп-лофизических параметров исследуемого вещества и изучению процессов сушки дисперсных материалов в комбинированной установке с закрученными потоками. • ■ ' . - п : :

Эффективный коэффициент массопроводности определялся зональным способом по методике, предложенной профессором Рудобаш-

той С. П.. Аппроксимация результатов эксперимента позволила получить следующую зависимость для расчета эффективного коэффициента массо-проводности:

к = 1 / [ а+Ь(Ш)+с / (114) 0,5 ] (11)

где:

а = - 4,298 • 106 - 6,148 • Ю10 • ехр(- ^/17,911), Ь=1/[4,447- 10~7+9,195- 10 ~14- 3- 0,0037/Чг2], с = ( 35,657 +0,00229-V1'5 - 1,739 • Сг0'5) .

Эффективный коэффициент теплопроводности золы определялся из теплового баланса 1 - й зоны на кривой кинетики сушки с использованием температурных кривых. Зависимость X золы от средней температуры материала и его влагосодержания была описана эмпирическим уравнением:

X = ехр[а + Ь(и • 1:)0,5 + с / (и • 1;) ], (12)

где:

а = - 0,499 + 1,188 • 10"5- Ъ2 ■ Ь Ъ - 2,22 ■ 10 "7- 1г3, Ь = - 0,0467 - 7,08- 10-7^г2'5 +4,603- 10"8-гг3, с = 1 / [ - 0,166 + 570,2 / 1г 1,5 - 5188,2 / .

Учитывая, что удельная теплоемкость и плотность влажных материалов линейно зависят от влагосодержания, эффективный коэффициент температуропроводности определяли по известной формуле: а=Я/с-р .

Исследование процессов сушки дисперсных материалов проводились на лабораторной установке, представленной на рис.1 .

Принцип действия установки заключается в следующем. Влажный материал дозатором 11 через загрузочную течку 1 поступает в вихревую камеру 2 на дисмёмбратор-турбулизатор 3, на конической поверхности которого расположены лопасти, служащие для разрушения крупных агломе-

ратов продукта. При вращении лопаток дисмембратора со скоростью, превышающей тангенциальную скорость выходящего из завихрителя 4, теплоносителя, образуется высокотурбулизированный закрученный газодисперсный поток. В результате этого в центральной зоне вихревой камеры

Рис.1 Принципиальная схема сушильной установки

1 - загрузочная течка; 2 - вихревая камера; 3 - дисмембратор-турбу-лизатор; 4 - завихритель воздуха; 5 - гдзоподводящий короб; 6 - вентилятор; 7 - циклон-разгрузитель; 8 - бункер готового продукта; 9 - электрокалорифер; 10 - ротаметр; 11 - дозатор исходного продукта.

создается разрежение, облегчающее загрузку материала через течку. Е двухфазном закрученном потоке происходит высокоингенсивное удаление влаги из материала. Высушенный продукт по спиральной траектории, I режиме пневмотранспорта, поднимается в верхнюю часть вихревой камеры и через вентилятор 6 поступает в загрузочный циклон 7, где происходи! его выделение из газового потока. Готовый продукт выгружается в бункер 8, а отработанный теплоноситель выбрасывается в атмосферу.

На рис. 2, 3 представлены результаты экспериментальных исследований. Рис. 2 иллюстрирует изменение влагосодержания золы в зависимости

, от концентрации твердой фазы ( UH=0,818 кг/кг, U„=0,613 кг/кг ) .

Рис.2, Влияние расходной концентрации твердой фазы на конечное влагосодержание. U„-0.818 кг/кг; L=14.4 кг/ч . 1-150 "С; 2 - 200 °С; 3 - 250 °С и„=0.428б кг/кг; L=14.4 кг/ч 4-150 °С; 5 - 200 °С;6-250 °С

и

Рис. 3 характеризует изменение влагосодержания золы в зависимости от расходной концентрации. Из графиков видно, что. наиболее сильное влияние на качество продукта оказывает расходная концентрация и температура теплоносителя.

Рис.3. Влияние расходной концентрации твердой фазы на конечное влагосодержание.

ин=0.818 кг/кг; Ь=21.6 кг/ч 1-150 °С; 2 - 200 °С; 3-250 °С

и„=0.613 кг/кг; Ь=21.6 кг/ч 4-150 "С; 5 -200 °С;6-250 °С

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма расчета процессов сушки сыпучих веществ в комбинированной установке; проверке адекватности математического описания реальным физическим процессам, протекающим в аппарате; выдаче рекомендаций к промышленному освоению результатов исследований. . .:- ;

В диссертации приведена блбк-схема математической модели. Решение модели дает полную информацию об изменениях температур, влагосо-держаний и других параметров взаимодействующих фаз с учетом полидисперсного состава твердой фазы. В качестве примера на рис.4 приведены результаты расчета, характеризующие изменение температуры газовой фазы 12 , влажности материала и по высоте вихревой камеры. Здесь же представлены экспериментальные данные.

Совпадение результатов расчета температуры газовой фазы по высоте аппарата и влагосодержания продукта на выходе из камеры с опытными данными подтверждает адекватность математической модели реальным процессам.

Рис.4, а) Изменение фракционной влажности золы по высоте вихревой камеры. ^=150 °С; ин=81.8 %; Ь=14.4 кг/ч; 6М=0.75 кг/ч. 1 - (1=0.028 мм; 2 - <1=0.0905 мм; 3 - (1=0.1525 мм; 4 - (1=0.215 мм; 5 - (1=0.325 мм. -

Рис.4, б) Изменение фракционной температуры золы и температуры теплоносителя по высоте вихревой камеры. и„=81.8 %; Ь=14.4 кг/ч; См=0.75 кг/ч.

1 - <1=0.028 мм; 2 - (1=0.0905 мм; 3 - (1=0.1525 мм;

4 - (1=0.215 мм; 5 - (1=0.325 мм;

6 - температура теплоносителя.

Пятая глава посвящена экспериментальному определению тепло-физических характеристик высушенной золы и испытанию на прочность строительных растворов с использованием золы гидроудаления.

Для определения удельной теплопроводности использовалась экспериментальная установка, с помощью которой получали температурные кривые для разных фракций золы. Анализ полученных кривых позволяет получить зависимость теплопроводности фракционированной золы от ее температуры. Экспериментальные данные были отработаны на ЭВМ и получены следующие результаты для расчета коэффициента теплопроводности и температуропроводности золы смешанного состава:

X = 0,102 - 3,56 • 10(13) а = 2,105 • 10~8 + 1,35 • 10~9-1 (14)

Исследования по определению прочности строительного раствора с использованием "золы гидроудаления проводились с целью' выявления влияния грансостава золы на прочность образцов. Образцы строительного раствора изготовляли согласно ГОСТ 310.1-76 и подвергались испытанию на сжатие и изгиб (см. рис.5). Испытания показали, что при замене части вяжущего фракционированной золой, прочность образцов оказалась различной. Наибольшей прочностью обладают образцы, в которых присутствовала зола с наибольшей удельной поверхностью ((Зэкв =28 мкм) и содержанием диоксида кремния « 62 % .

Р

1 СЖ I

МПа

22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

у

/

\ Г*""""

к

/

1 г" —

о-

14

х - золоцементно-песчаный р-р (смесь) д - золоцеглентно-песчаный р-р. с1экв=28 мкм V - золоцементно-песчаный р-р, с1эк=90 мш о - золоцементно-песчаный р-р, с1экв=152 мш □ - золоцеглентно-песчаный р-р, с1эк=215 мш ■ - золоцеглентно-песчаный р-р, о1экв=325 мш

28 сутки

Рис. 5. Изменение прочности на сжатие строительного раствора.

Заключение.

1. Разработана математическая модель процесса сушки дисперсных материалов, учитывающая динамику распределения температуры и влагосо-держания в частице обрабатываемого материала при малых временах процесса.

2. Проведено исследование теплофизических свойств обрабатываемого продукта, на базе которого получены аппроксимационные формулы, позволяющие рассчитать эффективные коэффициенты к, X, а в зависимости от влагосодержания материала и его температуры. При больших значениях влагосодержания в начале процесса сушки наблюдается рост значения коэффициента влагопроводности, а коэффициент теплопроводности остается практически постоянными. Максимальное значение к = 98-10 ~9 м2/с , X - 0,75 Вт/м-К. При переходе во второй период сушки значения этих коэффициентов начинают уменьшаться и на выходе материала из аппарата имеют численные значения к = 3-10 6010""9м2/с , X = 0,07 ОДЗ Вт/м-К в зависимости от температурных режимов.

3. Проведено экспериментальное исследование процесса сушки золы гидроудаления, применяемой в строительной индустрии. Определены оптимальные режимы ведения процесса для достижения требуемого качества продукта. Рекомендуемые режимные параметры ведения процесса сушки:

1) 1Г=1500 С , ¡1=0,05-7-0,07 кг/кг, Ц,=82 %, Ик=3^5 %;

2) ^=1500 С , (.1=0,06-0,15 кг/кг, ин=43 % , ик=2*4 % .

4. Исследовано влияние фракционированной золы на прочность строительного раствора. Установлено, что наибольшей прочностью на сжатие и изгиб обладают образцы, в которых присутствовала зола (15 %) с наибольшей удельной поверхностью (с1Э1Ш = 28 мкм). Данная фракция имеет наибольший процент активного диоксида кремния (« 62 %), поэтому на-

блюдается резкое нарастание прочности строительного раствора. Эти растворы рекомендуется использовать в малоэтажном строительстве. 5. Исследовано изменение гранулометрического состава золы до и после стадии сушки. Установлено, что доля фракций с эквивалентным диаметром 28 мкм и 90 мкм увеличивается на 3 % за счет измельчения фракций больших размеров. Определена плотность частиц различного размера. Наименьшей плотностью обладает фракция (с!Экв = 152 мкм), которую можно рекомендовать в качестве сырьевого компонента в производстве керамзита.

Условные обозначения. 1(г,т); и(г,т) - функции, определяющие поля температур и влагосодержа-

ний в частице; а, к- коэффициенты температуро- и массопроводности, м2/с;

а, X, Р - коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2-К, теплопроводности, Вт/м-К,

массоотдачи, м/с; г-текущий радиус частицы, м; ^ -температура среды, °С;

т-время, с; Ро=а-т/Л2 - теплообменный критерий Фурье; Рои=к-т/112 - мас-

сообменный критерий Фурье; Т(Г,Ро) = - - безразмерная

и(г, х)~и

функция температуры; П(Г,Ро) =- - безразмерная функция

иР

влагосодержания; , В1т=р-11/к - теплообменный и массообмен-

ный критерии Био; К1(То) = —— — - критерий Кирпичева; q(т) - сток

ч

теплота с испаренной влагой, Вт/м2 ; с - теплоемкость материала, Дж/кг-К; i - расходная концентрация, кг/кг; G - расход, кг/ч.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бокинов Д.В., Федосов C.B., Козлов A.B., Сокольский А.И. Новый метод определения теплофизических характеристик материалов в процессе сушки. Тез.докл. Междун. конф. "Актуальные проблемы химии и химической технологии", Иваново, 1997.

2. Сокольский А.И., Бокинов Д.В., Федосов C.B., Козлов A.B. Переработка и использование отходов ТЭЦ. Тез. докл. Междун. конф. " Экология человека и природы ", Иваново, 1997.

3. Федосов C.B., Сокольский AM., Бокинов Д.В., Козлов A.B. Моделирование тепломассопереноса при сушке дисперсных материалов в аппарате с активным гидродинамическим режимом. " Ученые записки инж.-техн. ф-та ИГ АСА, выпуск I ", Иваново, 1997.

4. Федосов C.B., Сокольский А.И., Бокинов Д.В., Козлов A.B. Исследование процесса сушки золы гидроудаления в аппарате с активным гидродинамическим режимом. " Ученые записки инж.-техн. ф-та ИГ АСА, вып. I ", Иваново, 1997.