автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Разработка энергоэффективных систем сбора и пневмотранспорта золы из бункеров электрофильтров тепловых электростанций с повышением ее утилизационных качеств

На правах рукописи

Большаков Валерий Петрович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ СБОРА И ПНЕВМОТРАНСПОРТА ЗОЛЫ ИЗ БУНКЕРОВ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ПОВЫШЕНИЕМ ЕЕ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ

Специальность 05.14.01. - «Энергетические системы и комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена в ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"

Научный руководитель член-корр. РАН, профессор

Волков Эдуард Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Гаврилов Анатолий Филиппович

кандидат технических наук., доцент

Чернов Сергей Львович Ведущая организация: ОАО "Фирма ОРГРЭС"

Защита состоится декабря 2004 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 222.012.01 в ОАО "ЭНИН им. Г. М. Кржижановского" по адресу 119991 г. Москва ГСП-1, Ленинский проспект, 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"

Реферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.э.н. Денисов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие топливно-энергетического комплекса предусматривает значительное увеличение доли выработки электрической энергии за счет сжигания на тепловых электростанциях (ТЭС) твердого топлива, что неизбежно приведет к образованию и накоплению еще более значительных масс отходов золы и шлака (ЗШО).

Только на наиболее крупных электростанциях России ежегодно улавливается и транспортируется в отвал более 3 млн. т. зольных уносов после сжигания высокометаморфизованных углей Кузбасса и антрацитов Донбаса.

От сжигания же всех видов твердого топлива на ТЭС ежегодно образуется свыше 100 млн. т золошлаковых отходов, которые накапливаются в отвалах. Общая площадь земли, занятой под отвалы, составляет около 35 тыс. га (отчужденных от сельскохозяйственного оборота).

На отвалах ТЭС к настоящему времени складируется свыше 1,5 млрд. т. золошлаковых отходов.

В 50-60 годы, в период наращивания мощностей теплоэнергетики, большинство ТЭС оснащались системой совместного гидрозолошлакоуда-ления с оборудованием завышенного запаса мощности. Это предопределило высокую стоимость затрат на удаление очаговых остатков в золоотвалы и ныне существующие негативные экологические последствия.

Внедренные впоследствии на целом ряде ТЭС способы сухого (пневматического) золоудаления характеризуются значительными энерго- и ма-териалоемкостями, относительно низким ресурсом работы отдельных узлов, высокой стоимостью внедрения, незначительной востребованностью золы-уноса потенциальным потребителем.

Уровень утилизации (переработки и использования) в чашей стране с 1990 г. составляет всего лишь 3-11% от годового выхода золоотходов, что обусловлено малой товарной кондиционностью самой золы, нестабильностью ее характеристик, в то время как за рубежом от достигал уже к началу 1980 г. 55,75 и 78% (соответственно в Бельгии, ФРГ и Франции).

Масштабы ежегодных выходов ЗШО (более 100 тыс. тонн золы на крупной ТЭС) требуют разработки более экономичных способов их транспортировки, а экологическая обстановка в зоне ТЭС - минимизации их гидротранспортного сброса в золошлакоотвалы.

Направленность представленной прикладной научно- исследовательской, инженерно-технологической и конструкторской работы на решение подобного рода задач обусловливает ее значимость и актуальность.

Цель работы. Целями настоящей работы являлись:

- Анализ комплекса энерготехнологических факторов, определяющего физико-механические свойства золы-уноса;

- Разработка, испытание и внедрение эффективной системы пневматического сбора, транспортирования и сепарации

непосредственно в топливно-технологическую систему парогенератора ТЭС), обеспечивающей снижение энерго- и материальных затрат, повышенный ресурс работы входящего в нее оборудования, и способствующей повышению утилизационных показателей (товарной ценности) золы-уноса.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи:

1. Анализ совокупного влияния систем организации поставок энергетического угля на ТЭС, подготовки и подачи пылевидного угля к горелоч-ным устройствам, режимов сжигания в топке котлоагрегата, золоулавливания и сброса в бункер (горизонтального электрофильтра) на диапазон изменений физико-механических свойств золы-уноса.

2. Анализ физико-механических и технологических свойств золы-уноса ТЭС (сжигающих малореакционные угли АШ, Т, СС), влияющих на ее "пневмотранспортабельность", сепарационные и утилизационные возможности.

3. Анализ современного состояния работ по технологии высоконапорного низкоскоростного пневмотранспорта с высокой концентрацией дисперсной фазы, включая поршневую и волновую ее модификации.

4. Обоснование выбора эффективной (по энерго- и материалозатратам) технологической схемы пневмотранспорта золы-уноса из бункеров электрофильтра промышленного котлоагрегата ТЭС (для магистралей различной протяженности, производительности и периодичности работы).

5. Разработка и испытание комбинированной модели пневмотранспорта в плотном слое, позволяющей осуществлять передачу золы-уноса на короткое расстояние в сочетании с ее аэродинамической сепарацией (вариант "аэрогорок").

6. Модернизация и испытание магнитосепарационного устройства по выделению магнитной фракции из золы-уноса. Оценка эффективности устройства по глубине извлечения, производительности и энергозатратам.

7. Разработка и испытание одного из основных узлов системы пневмотранспорта, - малогабаритного питателя-дозатора.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

1. Проведен комплексный анализ физико-механических свойств золы-уноса и их обобщенных характеристик, влияющих на режимы и показатели ее пневмотранспорта.

2. Определен возможный диапазон изменения физико-механических свойств золы-уноса, влияющих на ее "пневмотранспортабельность", обусловленный комплексом факторов, относящихся к звеньям обобщенной

технологической системы "Поставщик энергетического угля - генератор золы-уноса - бункер электрофильтра".

3. Проведено обобщение результатов расчетных и экспериментальных работ по всему комплексу вопросов, связанных с характеристиками высоконапорного, низкоскоростного пневмотранспорта при высокой массовой концентрации дисперсной фазы и, соответственно, низкими расходами воздуха.

4. Проведено обоснование выбора рабочих вариантов технологических схем пневмотранспорта, отвечающих производственным условиям их эксплуатации в ограниченной зоне действующего оборудования электрофильтра котлоагрегата ТЭС и отличающихся протяженностью материало-проводов.

5. Проведено исследование возможности вывода из золы-уноса отдельных ее компонентов, отличающихся повышенным утилизационным потенциалом, в режимах аэродинамической и магнитной сепарации.

Разработана модель пневмотранспорта, а также методика расчета конструктивных и динамических параметров секций аэрогорок, которая позволила осуществлять инженерный расчет конструкции системы для установленных режимов эксплуатации электрофильтров парогенераторов ТЭС.

Получены экспериментальные данные по эффективности аэродинамической сепарации частиц по длине секции аэрогорок. На их основании выбраны оптимальные размеры каналов сепарации.

Проведены исследования по магнитной сепарации магнитных фракций золы-уноса.

Показана возможность выделения из потока сухой золы магнетитовой ее фракции (5-10%) с содержанием железа (в оксидном выражении через Fe2O3) более 60%.

При таком уровне железосодержания эта фракция золы становится конкурентоспособным сырьем для металлургической промышленности, повышая экономические и экологические показатели ТЭС.

6. Разработаны модели дозаторов (питателей) установки для импульсного транспортирования золы-уноса, характеризующиеся:

- оригинальной схемой подвода в напорную камеру несущего воздуха, обусловившей возможность резкого снижения габаритов питателя по сравнению с известными образцами;

- надежным режимом запуска установки, предотвращающим вредный разгон первого и последующего поршней в материалопроводе.

7. Разработана методика инженерного расчета модели питателя.

8. Проведены испытания модели дозатора (питателя) на материало-проводах относительно короткой протяженности ^1=18 м; 1^—50 м и диаметром Дт=68 мм) с золой-уносом непосредственно из бункера работаю-

щего электрофильтра котлоагрегата при различном соотношении масс золы-уноса и воздуха.

Научная новизна работы защищена следующими патентами на изобретения: №2209171 "Устройство для пневмотранспорта порошкообразной среды из бункеров золоуловителей"; №2209415 "Способ определения по-розности кипящей порошкообразной среды"; №2215939 "Устройство для автоматического регулирования подачи горючей смеси в горелки котлоаг-регата"; №2198737 "Устройство для автоматического управления работой электрофильтра"; №2198738 "Устройство для регулирования работы N секционного электрофильтра".

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждаются хорошей сходимостью результатов натурных экспериментальных исследований с расчетными результатами и успешным опытом эксплуатации систем, внедренных на ОАО "Черепетская ГРЭС".

Практическое значение выполненной диссертационной работы.

1. Сформирована информационная инженерно-техническая база, способствующая квалифицированной эксплуатации и последующей модернизации установок эффективного пневмотранспорта сыпучих материалов, используемых в топливной системе ТЭС.

2. Конкретизировано влияние отдельных факторов технологической системы "Поставщик топлива - генератор золы-уноса - бункер электрофильтра", способствующее целенаправленному совершенствованию звеньев этой системы и повышению стабильности физико-механических свойств золы-уноса.

3. Разработана методика инженерного расчета системы пневмотранспорта "аэрогорки", которая позволила осуществлять выбор и расчет конструктивных и динамических параметров этой системы.

4. Для повышения текучести золы-уноса при ее удалении из бункера разработан и внедрен на Черепетской ГРЭС узел электровибрационного псевдоожижения массива золы-уноса в зоне течки.

5. Разработана методика инженерных расчетов малогабаритного дозатора.

6. Изготовлена и испытана конструкция малогабаритного дозатора, использованного в системе импульсного пневмотранспорта золы-уноса из бункеров электрофильтров котлоагрегатов Черепетской ГРЭС, характеризующаяся малыми энерго- и материалоемкостями, включая низкий расход воздуха. Внедрение этой системы обеспечило снижение энергозатрат за 1 месяц сравнительно с системой гидрозолоудаления на 65 105 кВт ч. и со схемой, состоящей из эжекторов и камерных насосов на

7. Модернизирована и исследована конструкция сепаратора сухой золы, позволяющая осуществлять выделение магнитных компонентов золы-

уноса с содержанием железа (в - эквиваленте) выше граничного

уровня, после которого возможно их использование в металлургической промышленности. В составе сухой золы содержание только магнетитовой пыли может превышать 10%, что определяет соответствующий уровень утилизации сухой золы.

8. Получена возможность повышения уровня утилизации сухой золы за счет низкой стоимости внедрения и эксплуатации разработанной системы пневматического сбора и транспортирования золы-уноса.

Личный вклад автора выразился :

- в проведении аналитических исследований и формировании информационной инженерно-технической базы по закономерностям высоконапорного, низкоскоростного пневмотранспорта;

- в непосредственном руководстве и участии в конструкторских разработках оригинальных узлов системы сухого золоудаления, постановке и проведении основных испытаний.

Автором даны основные конструкторские решения, разработаны режимные параметры испытаний, получены обобщающие эмпирические зависимости, представленные в диссертации. Им сформулированы основные положения, заложенные в инженерно-конструкторские решения малогабаритного дозатора и материалопровода, схемы сбора золы-уноса по одноименным полям электрофильтров, повышающей ее утилизационные качества, в модернизацию технологической схемы магнитного сепаратора, обеспечивающую повышение выделения магнитных компонентов из золы-уноса.

Автор защищает:

1. Модель пневмотранспорта и методику расчета конструктивных и динамических параметров секции аэрогорок.

2. Эмпирические зависимости по эффективности сепарации частиц на длине секций аэрогорок.

3. Вариант инженерного способа расчета ориентировочных параметров малогабаритного дозатора.

4. Модернизированный вариант модели высоконапорного низкоскоростного, высококонцентрационного импульсного пневмотранспорта сыпучего материала (в частности, золы-уноса).

5. Результаты испытаний действующей модели промышленного масштаба, полученные при транспортировке золы-уноса, принятой непосредственно из бункера электрофильтра, подтверждающие эффективность разработанной модификации импульсного пневмотранспорта.

Публикации по работе. По результатам выполненных работ, рассматриваемых в диссертации, автором опубликовано 6 статей и получено 5

патентов на изобретения. Основные положения диссертации изложены в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы. Положения, изложенные в настоящей диссертации, представлялись и обсуждались на технических заседаниях ОАО "Че-репетская ГРЭС", совещании "Энергосбережение в регионах России 2003 г.", ноябрь 2003 г., ВВЦ; на секции Ученого совета ОАО "ЭНИН им. Г.М.Кржижановского" (апрель 2004 г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Комплексный анализ физико-механических свойств золы-уноса. Системный анализ факторов, обусловливающих их нестабильность.

В первом разделе гл. I рассмотрены основные физико-механические свойства золы-уноса, влияющие на процесс пневматического транспортирования.

Рассмотрены вопросы об определении энергозатрат на транспортировку порошковых материалов в плотном слое экспериментальным путем и так называемом "коэффициенте пневмотранспортабельности", характеризующим сыпучие материалы по этому показателю (см. приложение I).

Сопоставление физико-механических свойств золы-уноса с другими материалами, выстроенными по этому показателю в классификационный ряд, позволило ориентировочно оценить его значение для золы-уноса, что важно при сравнительном анализе экспериментальных результатов по пневмотранспорту, полученных для других материалов.

Изложены результаты анализа экспериментальных работ и наблюдений по газонасыщению и электризации частиц порошкообразных материалов при их движении в воздушных потоках, взаимодействии между собой и со стенками каналов, приводящей к резкому повышению их текучести.

Сделан вывод о возможности реализации повышенного потенциала текучести золы-уноса (за счет газонасыщения и электризации частиц) путем форсировки вывода ее из бункера и устранения факторов, снижающих уровень ее электризации.

На основании анализа течения газопорошковой смеси в каналах сложной конфигурации (сужения, повороты) сделан вывод о необходимости повышения текучести золовой массы в бункере перед перепуском ее по подобным каналам с использованием известных аэрационных и электровибрационных устройств.

При определении факторов, обусловливающих нестабильность физико-механических свойств золы-уноса, была рассмотрена энерготехнологическая система, блоки которой определяют качества поставляемого энергетического угля, режимы подготовки пылевидного угля к сжиганию, режи-

мы сжигания угля и формирование свойств золы-уноса в зоне ее улавливания в электрофильтре и сброса в бункер.

Указаны возможные направления усовершенствования этой системы для повышения стабильности свойств золы-уноса и ее утилизационных качеств.

Во втором разделе гл. 1 дан подробный анализ результатов экспериментальных работ, посвященных исследованию характера движения сыпучего материала в поршневом режиме. Он содержит следующие положения:

- о механизме передачи по поршню прикладываемого к нему усилия;

- о характере страгивания поршня в зависимости от темпа нарастания давления p=at, и его коэффициенте линейности а, определяющем интенсивность темпа (в диапазоне а==1-20-104 н/м2-с);

- о возможности самопроизвольного возникновения поршневого режима при попытках перемещения материала в плотном слое с повышенным значением массовой расходной концентрации

- о поведении материала на переднем и заднем фронтах поршня;

- о зависимости степени стабильности поршней от физических свойств сыпучего материала (степени его связности); высокая стабильность присуща высокой степени связности;

- о причинах переуплотнения сыпучего материала при его пневматическом перемещении в виде длинных поршней;

- о распределении статического давления по длине поршня и его изменение во времени;

- о влиянии пульсаций давления в межпоршневом промежутке на стабильность течения (они могут приводить как к делению поршня на части, так и к закупорке трубопровода);

- о распределении скорости и плотности материала по поперечному сечению трубы и вдоль поршня;

- об условиях, способствующих делению поршня на отдельные части;

- о тенденции сохранения целостности поршня (эффект саморегулирования структуры, — деления и обратного восстановления).

Анализ результатов экспериментальных работ позволил также получить достаточно полные сведения, характеризующие сопротивление трения при поршневом режиме движения и, в том числе, зависимость сопротивления трения от концентрации дисперсного материала в поршне, скорости его движения и диаметра трубопровода, а также провести оценку величины потерь давления за счет внутреннего трения сыпучего материала в поршне, выяснить влияние физико-механических свойств транспортируемого материала на суммарный коэффициент сопротивления.

Экспериментальные данные свидетельствуют:

- об увеличении сопротивления с возрастанием величины объемной концентрации материала в поршне и диаметра транспортного трубопровода;

(Увеличение насыпной плотности, так же как и рост диаметра, повышая удельное давление материала на стенки трубопровода, обусловливают рост касательных напряжений);

- об уменьшении сопротивления трения при возрастании скорости;

- об относительно небольшой доле потерь давления за счет внутреннего трения (в интервале скоростей 4-10 м/с она составляет около 10%, что обусловлено слабым движением слоев относительно друг друга);

- об уменьшении этих потерь с возрастанием скорости за счет вырав-иивания скорости материала по поперечному сечению поршня.

Зависимость коэффициента сопротивления Хт от физико - механических свойств отражено множителем А, входящим в обобщенную его зависимость от параметров течения и определяемым опытным путем. В зависимости от свойств материала его величина меняется (для исследованных материалов, при равенстве скоростей материала и воздуха) примерно в два раза.

Исследования зависимости касательных напряжений трения х от крупности частиц показали снижение с ростом крупности частиц, что объясняется уменьшением молекулярных сил притяжения, увеличением фильтрации воздуха в пристеночной области (где повышается пористость газопорошковой смеси), создающим условия для воздушной смазки.

При существенном снижении размера частиц могут возрасти силы адгезии, препятствующие эффекту проскальзывания частиц по стенке и создающие условия для перехода на иной механизм пристеночного взаимодействия, определяемый уже аутогезионными силами (внутреннего трения).

Выявлена существенная зависимость трения от влажности материала, которая тесно связана с его удельной поверхностью, а, следовательно, с крупностью частиц.

К основной причине, вследствие которой с увеличением влажности растут касательные напряжения, отнесено наличие сил молекулярного притяжения пленочной жидкости, увеличивающего коэффициент внутреннего трения и связность материала.

В результате анализа расчетных и экспериментальных результатов сделан вывод, что устойчивые и наиболее эффективные режимы транспортирования достигаются обычно в тех случаях, когда скорости несущей среды и транспортируемого материала совпадают, что может иметь место, когда фильтрация воздуха через поршневые массы материала максимально ограничена.

Уровень фильтрации может быть снижен за счет понижения их пористости весьма существенно влияющей на фильтрационные потери напора несущего газа (см. рис. 1).

Влияние колебания коэффициента пористости на величину потерь напора газового потока ДР (процесс фильтрации)

Юо— средняя приведенная скорость газа Рис. 1.

Исходя из этих положений сделан вывод, что при организации течения золовой массы от бункера ко входу транспортирующего трубопровода необходимо предусмотреть устройство, способствующее снижению е в условиях новой движущей силы (существенно превышающей гравитационную в зоне "бункер - напорная камера").

Определено, что подбор поршневой массы (т.е. длина поршня), при которой фильтрация, и следовательно, скорость воздуха будут ограничены, а режим течения приближен к эффективному, должен быть скорректирован опытным путем (учитывая специфику физико-механических характеристик материала).

Обобщение всех рассмотренных выше положений привело к выводу, что в зависимости от протяженности транспортной магистрали возможна эффективная организация пневмотранспорта сыпучего материала в двух импульсных режимах, отличающихся уровнем массовой расходной концентрации ц. Первом - поршневом, с возможным самопроизвольным делением поршня и даже последующим переходом на волнообразование с максимальной величиной ц>150. Втором (при протяженной магистрали, более 50 м) — регулярном поршневом, при строго периодической подаче транспортируемого материала и сжатого воздуха в такой массе и с таким периодом (тактом) во времени, чтобы обеспечить устойчивый и управляемый режим транспортирования (при массовой расходной концентрации, отвечающей необходимому времени вывода золы-уноса из бункера), но лежащей в диапазоне оптимальных значений ц=40-60.

В третьей части 1-ой главы рассмотрены основные закономерности пневмотранспорта сыпучих материалов в режимах: обычного заторможенного плотного слоя (фазы) и волнового (дюнного).

В приложении III приведены данные по разработкам крупногабаритных камерных питателей пневмоустановок.

2. Разработка методики инженерного расчета системы сбора и пневмотранспорта золы с использованием секций - аэрогорок.

На основе использования принципа псевдоожижения разработана система пневмотранспорта золы-уноса по ломанной траектории вертикальной плоскости трассы, включающей восходящие и ниспадающие потоки транспортируемого материала при их пористости, несколько превышающей уровень псевдоожижения (система "аэрогорок") (рис. 2-1).

Секции аэрогорок

1 - бункер; 2 - трубопровод для воздуха; 3 - восходящий участок ;

4 - наклонный участок; 5 - вер тикальный участок ; 6 - жиклёр сброса воздуха.

Рис. 2-1.

Псевдоожиженное состояние и продвижение поршня сыпучего материала осуществляется за счет подачи сжатого воздуха в зоне нижнего основания восходящего участка трассы.

Скорость продвижения поршня выбрана в диапазоне 0,1-0,2 м/с и конкретизируется, исходя из заданного времени опорожнения бункера.

Для предотвращения процесса последующего расширения воздуха и снижения пористости транспортируемого материала в верхней зоне восходящего участка проводится его фильтрационный сброс.

Получены основные соотношения, позволяющие определять условия пневмотранспорта по секциям аэрогорок и рассчитать их динамические и конструктивные параметры.

Эффективное сечение трубопровода от бункера (для обеспечения расчетного значения расхода золы) определено, используя известную эмпирическую корреляцию (Джонс и Дэвидсон) для истечения твердых частиц при dн|d>A0•.

где - коэффициент расхода;

- соответственно эффективный диаметр отверстия (наклонного трубопровода) и усредненный диаметр частиц, см; - ускорение свободного падения, см/с2; р" - объемная плотность золы в восходящем участке трубы, г/см3 (определяемая экспериментальным методом "отсечки" столба, заполнившего -этот участок);

- эффективное сечение отверстия, см2;

- длина вертикального участка трубы, см.

Расчет минимальной скорости псевдоожижения осуществлен из условия равенства падения давления в неподвижном псевдоожиженном слое порозностью весу слоя (на единицах площади поперечного сечения и его высоты), т.е.:

Используя уравнение Козени для определения напора в неподвижном слое пои ламинарном оежиме, получим:

Для упрощения расчетных соотношений, определяющих параметры зоны перелива золы-уноса в ниспадающий участок "аэрогорок", выбран конструктивный прием оценки уровня давления в этой зоне: по весу (высоте ) удерживаемого вертикального столба транспортируемого материала над зоной перелива, включаемого в расчетные соотношения.

Соотношение для определения сечения нисходящего участка секции в зависимости от объемной плотности потока и его длины получено из ре-

е

-Г = 0-*оХРг-Ак»

//соза-(1-£■(,)

, (здесь — динамическая вязкость воздуха).

шения уравнений потерь давления на преодоление статического напора столба частиц в псевдоожиженном слое секции аэрогорки:

После решения этого уравнения относительно при Ьв = ¿я = Ь, получено:

На рис. 2-2 построены графики зависимости изменения диаметра верхнего отверстия нисходящего участка трубы <1И от уровня золы на вертикальном участке ДДг, из анализа которых можно оптимизировать конструкцию аэрогорки.

Ы,

Рис. 2-2.

Так, при р" =1,0 г/см3 и 2 = 20 т/час увеличение Д£д от 20 до 60 см определяет возможность уменьшения с1н от 8,5 см до 6,5 см.

Для определения предельной скорости псевдоожижения ипр, учитывая небольшие значения числа Ке, использована формула Стокса которая с учетом ориентации направления движения вдоль восходящего участка трубы, размещенного под углом а, имеет вид:

При ламинарном режиме формула Лева для определения потерь давления имеет вид:

где </> —коэффициенг формы частицы, <р=0,67; //=1,8 • 10~4. Для Ь =150 см получим =0,6 кг/см2.

Для определения эффективности сепарации на восходящем участке секции были проведены экспериментальные работы при сборе из бункера сухой золы Кузнецких углей через секцию с внутренним диаметром трубопровода 86 мм и отбором золы в несколько патрубков, размещенных по высоте восходящего участка. Эффективность сепарации оценивалась по изменению веса отмагниченных частиц в потоке золы согласно выражению:

где - масса отмагниченной золы при -ом измерении;

Сср - масса отмагниченной золы до восходящего участка.

Выбранная методика определения эффективности сепарации приближенна, однако при среднем размере магнетитовой пыли 90-100 мкм и плотности 3700 кг/м3 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 полученных зависимостей следует, что процесс эффективной сепарации частиц начинается на длине восходящего участка более 8 калибров трубопровода. Причем увеличение скорости псевдоожижения обусловливает снижение эффективности сепарации частиц по сечению трубопровода.

Основными достоинствами анализируемой системы являются: высокая надежность, определяемая исключением возможности осаждения частиц на наклонных участках;

■ низкое давление воздуха для пневмотранспорта 0,6 кг/см2); низкие скорости пневмотранспорта и, следовательно, высокий ресурс работы;

сравнительно низкая себестоимость системы.

Однако, принимая во внимание ограничение по длине пневмотранспорта этой системой (до 30 м) необходима разработка энергоэффективной системы пневмотранспорта на расстояния, большие на порядок.

3. Разработка и испытание модели установки импульсного высоконапорного пневмотранспорта золы.

В третьей главе работы изложены положения инженерно-конструкторского подхода к выбору и разработке технологической схемы установки и ее основных, ведущих узлов, определяющих специфику ее работы.

Варианты модели установки разработаны на основании положений аналитического раздела работы (п. 2.2), где изложено обоснование выбора эффективной технологической схемы пневмотранспорта золы-уноса из бункера электрофильтра, и с учетом специфики режимов работы основного оборудования (электрофильтра парогенератора и свойств и состояния массива золы-уноса в бункере) и реальной протяженности транспортной магистрали (на первом этапе, - относительно короткой до 50м).

Основными функциональными блоками установки являются: дозатор, блоки ввода золы и воздуха в дозатор, транспортирующая магистраль, отсечные клапаны и аппаратура измерения параметров (датчики давления и температуры).

При разработке функциональных блоков решены следующие задачи:

- минимизации их габаритов,

- обеспечение вывода транспортируемой массы из зоны низкого давления в зону высокого давления;

- обеспечение повышенных скоростей при осуществлении этого перевода (обусловливающих расширение диапазонов производительности установки);

- обеспечение допустимого темпа разгона поршней, превышения которого переводит низкоскоростной поршневой режим в высокоскоростной режим газовзвеси; обеспечение минимального значения пористости поршня при входе его в материалопровод;

- обоснование выбора и обеспечение соотношения расходов транспортируемой золы-уноса и воздуха несущего;

- ориентировочной оценки режимных и конструкционных параметров дозатора (его уровня засыпки; величины и темпа повышения давления) и материалопровода (скорости транспортирования и удельной нагрузки);

- обеспечения предотвращения выхода на аварийный (завальный) режим и ускоренного способа ликвидации локального завала в материало-проводе;

- обеспечения надежных режимов частых запусков функционирования и останова процесса пневмотранспортирования (зависящего от надежного выбора аппаратуры переключения потоков материала и несущего воздуха и системы синхронизации их срабатывания).

Задача минимизации габаритов установки при ее размещении в зоне действующего энергосилового оборудования разрешена в результате разработки малогабаритного импульсного питателя (дозатора).

Вопрос согласования (выравнивания) давления в бункере и дозаторе в момент ввода в него золы-уноса решен за счет синхронизации работы отсечных клапанов.

Для повышения скорости вывода золы-уноса из бункера может быть увеличен уровень ее текучести за счет снижения темпа ее дегазации и падения потенциала электризации, при использовании подогрева воздуха, включая дополнительное аэрирование (повышения б) массы золы-уноса в зоне течки бункера.

Для предотвращения нештатного разгона первого поршня под повышенным начальным перепадом давления и обеспечения его плавного разгона с целью упрощения управления пусковым режимом был избран конструктивный вариант ограничения темпа разгона за счет поджатая выходного сечения напорной камеры дозатора.

Отношение диаметров дозатора и материалопровода /^принято равным 0,25. В практике вертикального восходящего пневмотранспорта с заторможенным сплошным потоком оптимальной считается величина 0,30,35, обеспечивающая пористость потока на 4-11% превышающую пористость насыпного неподвижного слоя.

В соответствии с данными аналитического раздела (п. 1.2), ориентировочный максимальный уровень засыпки ограничен для уровня рабочего избыточного давления Рр:=0,05 МПа высотой Нмах=0,25 м; для Рр=0,2МПа - НМах:=1,2 м (для Б» 105 м2/м3; с1ср=60 мкм). Важность учета влияния величины на рабочие параметры напорной камеры обусловлено тенденцией перехода на более тонкий уровень помола углей, из-за снижения их качества и, соответственно, увеличением значений для более тонкодисперсной золы-уноса.

Стремление минимизировать пористость поршневого образования при входе его в материалопровод обусловлено целесообразностью приближения скорости воздуха и скорости всего поршнеобразования, к снижению: скорости скольжения (Ув-ит) (уровня фильтрации), расхода воздуха и потерь давления по тракту (см. рис. 1-1, ДР = /(е)). Достигнутое снижение расхода воздуха обусловит также меньшее увеличение скорости поршня в конце трубопровода и уровня его расширения (увеличения длины) и, как итог - дополнительное снижение необходимого перепада давления на транспортирование материала.

Следует подчеркнуть, что принятие подобного конструктивного решения, увеличивающего перепад давления в напорной камере, было также связано с необходимостью компенсировать то запланированное повышение пористости в зоне течки бункера, которое обеспечивало повышение текучести; снижения псевдовязкости дисперсного потока при прохождении каналов между бункером и напорной камерой, имеющих весьма сложный пространственный профиль, выбор которого диктовала ограниченность располагаемого пространства для монтажа оборудования.

Задача выбора соотношения масс золы и несущего воздуха (его параметров), пропускаемых через дозатор решался на основании оценок мак-

симальной производительности осадительных электродов на первых полях электрофильтра (с учетом возможной максимальной зольности угля и выхода золы-уноса после его сжигания).

Исходя из рекомендаций аналитического раздела приближенной к оптимальной величине является приведенная скорость воздуха Упр«4,5 м/с.

Предотвращение выхода на аварийный режим обеспечивалось ограничением уровня засыпки напорной камеры дозатора (величины ).

Принятый ускоренный способ ликвидации аварийных завалов основан на секционировании участков магистрали с возможным их временным перекрытием, последующим периодическим насыщением сжатым воздухом и резкой разгерметизацией выводного конца участка, - ударное расширение воздуха разрушает структуру завала.

В качестве аппаратуры переключения потоков выбраны отечественные клапаны, удовлетворительно зарекомендовавшие себя при работе с запыленными потоками.

Алгоритм синхронизации их срабатывания согласован с режимами работы осадительных электродов электрофильтра и уровнем сбрасываемых золовых масс в бункер.

Фрагмент технологической схемы установки представлен на рис. 3-1.

В работе обоснован и изложен инженерный метод расчета параметров разработанного варианта системы пневмотранспорта, основанный на ряде рекомендаций и следующих допущениях:

- процесс расширения несущего воздуха принят изотермичным, что оправдано относительно малыми значениями перепада давления в тракте его подачи и расхода воздуха;

- продвижение поршня псевдоожиженного дисперсного материала осуществляется при условии фильтрации несущего воздуха близкой к нулю, что оправдано пониженным уровнем его пористости е;

- низкий уровень фильтрации делает возможным принятие постоянными порозности поршня Б и его длины Ьп ;

- использование перепада давления в тракте ниже критического обусловливает незначительное увеличение скорости поршня в конце относительно короткого материалопровода

- принятыми равными скорости движения центров масс поршней транспортируемого материала и несущего воздуха;

- коэффициент сопротивления трения суммарного поршня аэросмеси постоянен вдоль материалопровода, что допустимо при малом изменении скорости поршня и концентрации материала Ем-

1 - напорная камера ; 2,3,4 - манометры ; 5 - уровнемер золы ;

6, 7 - вентили ; 8 - ресивер.

Рис. 3-1.

Согласование конструктивных размеров тракта подачи золы-уноса от течки бункера до напорной камеры проведено по заданному диапазону производительности . Использованы соотношения гидравлического режима истечения, где скорость истечения пропорциональна корню квадратному из высоты слоя золы в бункере. Это обосновано псевдоожиженным состоянием золы после сброса с осадительных электродов электрофильтра и дополнительными аэрационными и вибрационными воздействиями. В расчет введены поправочные коэффициенты, связанные с потерей гидростатического напора на местные сопротивления в тракте и учитывающие перепад давления "бункер-напорная камера" при заполнении последней. В расчете принята величина пористости ниспадающего потока золы Емн =0,6, что соответствует объемной плотности ру «800 кг/м3.

Конструктивные параметры напорной камеры (объем и конфигурация) разработаны с использованием рекомендаций проанализированных работ, относящихся к оптимальным параметрам поршней (начальной скорости и размерам), к целесообразности обеспечения минимального уровня фильтрации (снижению уровня пористости вводимой в тракт золы), к ограничению темпа повышения давления на входе в материалопровод для пусковых режимов.

Исходя из заданной производительности пневмотранспорта Qm , выбранного значения скорости ит и порозности поршня £т (сниженной по сравнению с £мн с учетом коэффициента компрессии), определено сечение материалопровода Sm и его диаметр Dm

Конструктивные параметры ресивера, подводящих воздухопроводов и напорной камеры (дозаторы) рассчитаны по исходным данным, включающим: уровень давления и температуры в ресивере, необходимую расходную массу воздуха; скорость подачи воздуха в напорную камеру.

Исходный уровень давления в ресивере Рр определен по перепаду давления между ресивером и выходом из материалопровода, рассчитанному по величине АРТ , соответствующей расчетному значению Ux (и полученной ранее по экспериментальной зависимости, см. рис 2.2) с учетом потерь давления на местные сопротивления в тракте подачи воздуха:

Момент очередного открытия отсечного клапана на тракте ввода золы соответствует моменту падения давления в напорной камере до давления, близкого к давлению в конце материалопровода Хрк-

Момент очередного открытия клапана воздушного ресивера определяет сигнал датчика уровня золы в напорной камере.

Продолжительность одного такта импульсной подачи золы и воздуха соответствует сумме времен наполнения напорной камеры (до заданного уровня, контролируемого датчиком) и снижения давления в ресивере от первоначально заданного до давления на выходе из транспортирующего трубопровода

Тракт подачи воздуха от магистрали станционного компрессора к ресиверу рассчитан на последующее поднятие давления в ресивере за время Дт„, не превышающее время полного заполнения напорной камеры золой Ахн тах

Результаты испытаний определяющих блоков установки (бункер -дозатор-транспортирующая магистраль) показали, что в согласованном режиме работы с осадительными электродами электрофильтра достигнуты следующие показатели работы (см. рис. 3-2) в заданном гидродинамическом режиме: при импульсном избыточном давлении в напорной камере рн<0,6 ати, внутреннем диаметре транспортирующего трубопровода Дт=68 мм и его длинах Li= 18ми Ьг=50м в зависимости от соотношения габаритов воздушного и материального (золового) поршней получена производительность установки в диапазоне G=9-H6 т/ч и удельной нагрузке при расходной массовой концентрации на уровне

M ч

ц=85-ь110

Таким образом подтверждена правильность принятых инженерно конструкторских решений, обусловленных специфическими свойствами золы-

уноса и условиями согласованной работы установки в энерготехнологической системе парогенератора ТЭС.

Зависимость скорости твердой фазы и'т, усредненной вдоль трассы, от заданного перепада давления АР

Д,\7 - эксперимент,--расчетная зависимость.

Рис. 3-2.

4. Разработка комплексных схем сбора и пневмотранспорта золы и решение задач подготовки к ее утилизации, оценка технико-экономической эффективности разработанной системы сбора и пневмотранспорта золы

Проведен анализ схем размещения бункеров электрофильтров на территории ТЭС, показавший, что для сбора и удаления золы целесообразно использовать системы пневмотранспорта, обеспечивающие меньшие энергозатраты на расчетной длине транспортного трубопровода.

Определено, что при транспортной длине £тр=5-10 м целесообразно использование 2-3 секций "аэрогорок", с помощью которых осуществляется также суммирование потоков золы в напорную камеру.

Для пневмотранспорта на существенно большие расстояния использованы импульсные напорные камеры.

Реализуя положение о повышении эффективности работы ТЭС через увеличение степени утилизации золы-уноса, разработана модернизированная схема магнитной сепарации промышленно ценной компоненты золы-уноса, — магнетитовой пыли, содержание которой может достигать 12%, а возможный объем ее востребования считается неограниченным.

На созданном двухсекционном магнитном сепараторе были проведены исследования и выбран оптимальный режим сепарации, которые показали возможность выделения из потока сухой золы магнетитовой пыли с содержанием ИегОз более 60%, что выше граничного уровня, после которого конкурентоспособно использование магнетитовой пыли в промышленности.

Сравнение энергозатрат импульсного поршневого пневмотранспорта с пневмотранспортом при меньших величинах загрузки транспортирующего трубопровода показали его наименьшую энергоемкость.

В результате оценки технико-экономической эффективности получено, что разработанная система удаления и пневмотранспорта золы позволяет снизить расход электроэнергии за 1 месяц на Черепетской ГРЭС в 19 раз сравнительно с известной, состоящей из эжекторов и камерных насосов, т.е. более чем на 8-105 кВт-ч.

При учитывании стоимости 11 камерных насосов, составляющих известную систему золоудаления, снижение затрат при внедрении разработанной системы золоудаления достигает 6600 тыс. руб.

Сравнительно с системой гидрозолоудаления экономия электроэнергии за 1 месяц составляет 65-105 кВт-ч.

Выводы по диссертационной работе

1. Проведен комплексный анализ физико-механических свойств золы-

уноса и их обобщенных характеристик, влияющих на режимы и показатели ее пневмотранспорта и утилизационные качества.

2. Определен возможный диапазон изменения физико-механических свойств золы-уноса, влияющих на ее пневмотранспортабельность, обусловленный комплексом факторов, относящихся к блокам рассмотренной энерготехнологической системы. Указаны возможные направления совершенствования блоков этой системы для повышения стабильности свойств золы-уноса и ее утилизационных качеств.

3. Проведено обобщение результатов расчетных и экспериментальных работ по комплексу вопросов, связанных с характером течения двухфазных потоков в импульсном поршневом и волновом режимах. Сформулирована информационная инженерно-техническая база, способствующая ква-

лифицированной эксплуатации и последующей модернизации установок эффективного пневмотранспорта сыпучих материалов, используемых в топливной системе ТЭС.

4. Разработана модель пневмотранспорта, а также методика расчета конструктивных и динамических параметров секций аэрогорок, которая позволила осуществлять инженерный расчет конструкции системы для установленных режимов эксплуатации.

5. Разработана методика и проведены исследования эффективности сепарации частиц по длине секции аэрогорки, по результатам которых выбраны оптимальные размеры восходящего участка секции.

6. На основании данных аналитического раздела работы обоснован выбор модели импульсного поршневого пневмотранспорта золы-уноса, обеспечивающей эффективный крупнотоннажный вывод золы-уноса из бункера электрофильтра в импульсном поршневом режиме через трубопровод малого диаметра.

7. Разработан инженерный метод расчета малогабаритного питателя-дозатора.

8. Разработана модель питателя-дозатора, проведены ее испытания при выводе золы-уноса из бункера электрофильтра действующего парогенератора ТЭС.

9. Разработаны комплексные схемы удаления и пневмотранспорта золы, позволяющие за счет совместного использования секций аэрогорок и напорных камер, снизить расход воздуха на ~ 10%.

10. Представлена схема компьютерного контроля за процессами удаления и пневмотранспорта золы, которая позволяет получать экспресс-информацию о работе узлов системы, а также о расходе золы через бункера электрофильтра.

11. Проведены исследования по сепарации сухой золы для расширения возможностей ее утилизации, которые показали возможность выделения из потока сухой золы магнетитовой пыли (5 -¡-10%) с содержанием

более 60%, что выше граничного уровня, после которого возможно использование магнетитовой пыли в промышленности.

12. В результате оценки технико-экономической эффективности получено, что разработанная система удаления и пневмотранспорта золы позволяет снизить расход электроэнергии за 1 месяц на Черепетской ГРЭС в 19 раз сравнительно с известной, состоящей из эжекторов и камерных насосов, т.е. более чем на 8 -105 кВт-ч.

При учитывании стоимости 11 камерных насосов, составляющих известную систему золоудаления, снижение затрат при внедрении разработанной системы золоудаления достигает 6600 тыс. руб.

Основное содержание диссертации и з

кациях:_

л г

1. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В. Комплексное удаление сухой золы из бункеров электрофильтров и ее накопление для расширения возможностей утилизации. Электрические станции. № 3, 2003. с. 25-30.

2. Устройство для автоматического управления работой электрофильтра. Пат. РФ № 2198737. МКИ6 ВОЗСЗ/68. Большаков В.П., Гаврилов Е.И., Ермаков В.В.

3. Устройство для регулирования работы К-секционного электрофильтра. Пат. РФ № 2198738. МКИ6 ВОЗСЗ/68. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В.

4. Устройство для пневмотранспорта порошкообразной среды из бункеров золоуловителей. Пат. РФ № 2209171, МКИ7 Б65в53/16, Гаврилов Е.И., Большаков В.П., Ермаков В.В.

5. Устройство для автоматического регулирования подачи горючей смеси в горелки котлоагрегата. Пат. РФ № 2215939 МКИ7 223Ш/08. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В.

6. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В. Пневмотранспорт золы ТЭС в плотном слое, сепарация и утилизация ее магнитной фракции. Известия Академии наук. Энергетика 2003, № 2. С. 64-70.

7. Способ определения порозности кипящей порошкообразной среды. Пат. РФ № 2209415, МКИ7 в01Ш5/08. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В.

8. Волков Э.П., Большаков В.П., Ермаков В.В. Система удаления золы в плотном слое от бункеров электрофильтра и сепарация ее магнитной фракции. Энергетик 2004, № 7.

9. Большаков В.П., Ермаков В.В. Перспективные методы сепарации сухой золы ТЭС для ее утилизации з современных технологиях. Энергетик. 2004 г. № 9, с. 20-21.

10. Большаков В.П., Ермаков В.В., Кунтулов Б.М. Поршневой пневмотранспорт золы электрофильтров ТЭС. Теплоэнергетика 2004, № 12. С. 41-44.

11. Большаков В.П., Ермаков В.В. Высокоэффективная система удаления и пневмотранспорта золы от бункеров электрофильтров. Тезисы доклада на 1-ой специализированной тематической выставке "Экология в энергетике" — 2004 г.

Подписано в печать '.¡¡>лк Тир. -¡СС П.л. .¡ ,5"

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

461