автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка метода расчета процесса разделения частиц в многополочном классификаторе для систем приготовления пылеугольного топлива ТЭС

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Элементы дисперсного анализа.

1.2. Развитие техники классификации материалов.

1.3. Характеристики процесса классификации.

1.4. Экспериментальные исследования.

1.5. Теоретическое исследование процессов классификации.

Глава 2. ДИФФУЗИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ В ПРОФИЛИРОВАННЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ КАНАЛАХ.

2.1. Стационарное уравнение диффузии в безразмерном виде.

2.2. Расчет коэффициента диффузии и функции разделения для пассивных примесей.

2.3. Расчет коэффициента диффузии и функции разделения для инерционных частиц с учетом концентрации в потоке.

Глава 3. РАСЧЕТ КРИВОЙ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУШНО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО КЛАССИФИКАТОРА С ЛОПАТОЧНЫМ РОТОРОМ.

3.1. Определение функции разделения в поле центробежных сил.

3.2. Теоретическое определение граничного размера и параметра стохастичности кривой разделения.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ В ВОЗДУШНО-ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

КЛАССИФИКАТОРАХ. РАЗДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В КАСКАДАХ.

4.1. Описание экспериментального стенда и методики измерений.

4.2. Результаты экспериментальных исследований воздушно-центробежного классификатора с лопаточным ротором.

4.2.1. Определение оптимального количества лопаток и диаметра выводного патрубка.

4.2.2. Экспериментальное определение кривой разделения.

4.3. Каскадный процесс разделения. Мультиплицирование ступеней классификации.

Глава 5. О МЕХАНИЗМЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ВО МНОГОПОЛОЧНОМ

КЛАССИФИКАТОРЕ И О ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УГОЛЬНОЙ пыли топочного

ХОЗЯЙСТВА ТЭС.

5.1. Метод расчета классификатора с перечистными полками.

5.2. Расчет фракционного состава угольной пыли для топочного хозяйства ТЭС.

5.3. Оценка гидравлического сопротивления многополочного классификатора.

ВЫВОДЫ.

Материалы в мелкораздробленном или, как говорят, мелкодисперсном состоянии находят широкое применение в различных промышленных технологиях. Это пылеугольные смеси при сжигании топлива на тепловых электростанциях, цементные составы в производстве строительных материалов, пищевые продукты (мука, кофе и др.). Можно привести многочисленные примеры использования дисперсных материалов в химических технологиях. Сказанное обусловливает постоянный интерес исследователей к изучению процессов и аппаратов переработки дисперсных материалов, то есть к процессам их получения, транспортировки, дозирования и т.п. Одним из важных элементов технологии переработки мелкодисперсных материалов является процесс выделения из полидисперсной смеси материала частиц определенного диапазона размеров. Этот процесс называют фракционированием или классификацией дисперсных материалов. Потребность в проведении процесса классификации дисперсных материалов связана с тем, что полезные свойства вещества в мелкодисперсном состоянии проявляются наиболее эффективно только в том случае, если частицы материала имеют определенный диапазон размеров. Действительно, процесс горения угольной частицы существенно зависит от ее размера, размером частиц определяется и марка цемента. Обычно при уменьшении размера частиц повышаются потребительские свойства продуктов, соответственно возрастает и их цена, поскольку все процедуры получения, фракционирования, выделения из потоков частиц все более мелких размеров требуют, в свою очередь, и более высоких энергетических затрат.

В настоящей работе предметом рассмотрения являются научные и технические аспекты процесса классификации дисперсных материалов. 7

Необходимость приложения дальнейших усилий в направлении совершенствования техники классификации, как будет показано ниже, связана со все более широким использованием дисперсных материалов в новых технологиях, так и тем обстоятельством, что до настоящего времени методы расчета классификационных процессов фактически основаны на теоретических представлениях о гидродинамике дисперсных систем примерно 30-х годов, что в современных условиях является совершенно недостаточным. При анализе литературных источников были выделены отдельные этапы становления техники классификации полидисперсных материалов и развития теоретических представлений о процессах разделения частиц, которые и явились основой для структурирования разделов обзора.

Первая глава настоящей диссертационной работы состоит из следующих пяти параграфов, в которых рассматривается современное состояние вопроса о процессе разделения материала в мелкодисперсном виде:

ВЫВОДЫ

1. Изучение процессов разделения материалов в порошкообразном состоянии является актуальной и важной задачей в системе пылеприготовления. Однако, проведенный анализ опубликованных отечественных и зарубежных работ показал, что эта проблема исследована недостаточно и требует дальнейшего изучения.

2. Разработана диффузионная математическая модель расчета процесса разделения частиц в профилированных каналах ротационных классификаторов, которая может служить основой для разработки технического расчета таких аппаратов. Впервые показано совместное влияние профиля сепарационной зоны, инерционности и расходной концентрации частиц на кривую разделения и на среднее значение коэффициента диффузии для инерционных частиц.

3. В рамках стохастического подхода с использованием больцмановского распределения для концентрации частиц в поле массовых сил получена простая зависимость для расчета функции разделения в ВПК с лопаточным ротором. Впервые теоретически получены выражения для расчета граничного размера частиц и параметра стохастичности, который отвечает за качество разделения. Этот параметр для ВЦК с лопаточным ротором оказался величиной постоянной.

4. Проведено экспериментальное исследование процесса разделения в воздушно-центробежных классификаторах с лопаточными роторами. Впервые установлено, что работа конкретного ВЦК и его разделительные характеристики (граничный размер и эффективность разделения) определяются некоторыми, так называемыми, гипотетическими (ожидаемыми) кривыми разделения. Для нахождения

128 этих кривых разработан метод теоретического расчета и алгоритм экспериментального определения.

5. Выявлено влияние конструктивных параметров и способа организации процесса разделения на кривую разделения конкретного типа ВПК с лопаточным ротором. В процессе эксперимента получены асимптотические зависимости для определения функции разделения в области размеров 3{1 и ¿>)1.

6. Расчеты кривой разделения в многоступенчатом аппарате показали, что важную роль играет первая ступень разделения. Расчеты кривой разделения для трех- и четырех ступеней показали, что в сравнении с двумя ступенями существенного улучшения процесса классификации не происходит. Это позволило рекомендовать предложенную конструкцию двухроторного ВЦК в качестве оптимальной.

7. Показано, что метод расчета, разработанный для воздушно-центробежных классификаторов с лопаточным ротором, с успехом может быть применен и для расчета процессов разделения в многополочных классификаторах. Установлено, что для получения требуемых параметров угольной пыли, используемой в топочном хозяйстве ТЭС, достаточно двух - трех секций разделения.

8. Результаты исследований использованы для разработки воздушно-центробежного классификатора с лопаточным ротором в соответствии с договором с КТИ Научного приборостроения СО РАН. Протокол испытаний разработанного ВЦК прилагается.

129

1. Коузов H.A. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов.- Л.: Химия, 1974.- 280 с.

2. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1988.- 256 с.

3. Котляр H.H. Механические классификаторы.- Свердловск Москва: ГНТИЛ по черной и цветной металлургии, 1945.- 179 с.

4. Женишек H.H. Ротационные пылеотделители.- М.: ГИЛ по стр., арх. и строит, материалам.- 1958,- 67 с.

5. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. -М.: Энергия, 1974,- 170 с.

6. Барский М.Д. Фракционирование порошков, М.: Недра, 1980.- 327 с.

7. Nagel R. Klassifizierung der Windsichter Staub - Reinhalt- Luft, 1968. -Bd.28, N 6.

8. Барский Л.А., Плаксин И.Н. Критерии оптимизации разделительных процессов.- М.: Наука,1967.- 118 с.

9. Барский М.Д., Ревнивцев В.И., Соколкин Ю.В. Гравитационная классификация зернистых материалов.- М. Недра, 1974,- 232 с.

10. Обогащение и фракционирование природных песков для бетона гидравлическим способом/ В.Г.Волков, И.М.Елшин, А.И.Харин, М.И.Хрусталев. -М.: Стройиздат,1964.- 163 с.

11. Gotte А., Engel О. Untersuchung zur Tragfähigkeit der Luft bei der Windsichtung// VDI Zeitschrift.- 1958.- Bd. 100, N 4.- S. 147-150.

12. Енякин Ю.П. Исследование поведения частиц жидкой фазы при сжигании мазута во встречных соударяющихся струях // Теплоэнергетика,- 1970,- № 7.- С.21-24.130

13. Новиков М.Д., Мигай B.K. Влияние неравномерности расходов воздуха на взаимодействие встречных струй// Теплоэнергетика.- 1970,- № 9.- С.74 -75.

14. Кайзер Ф. Зигзагообразный сепаратор воздушный сепаратор нового типа. - Труды европейского совещания по измельчению материалов.- М.: Стройиздат, 1966.- С.552-567.

15. Wolf К., Rumpf Н. Uber die Sichtwirkung einer ebenen spiralförmigen Luftströmung//VDI-Zeitschrift.-1941. -Bd.85, N27.

16. Rumpf Y., Raiser F. Der Mikroplex Spiralwindsichter, eine neue Einrichtung zur Scharfen Kerntrennung// Fette und Seifen, Anstrichmittel.- 1954,- N3.

17. Шиляев М.И. Гидродинамическая теория ротационных сепараторов. Томск: Изд-ние томского университета, 1983.- 233 с.

18. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. К расчету центробежных классификаторов порошкообразных материалов // Теоретические основы хим.технологии.-1980,- Т. 14, №5.- С.784-786.

19. Зверев Н.И., Ушаков С.Г. Экспериментальное исследование центробежной сепарации пыли // Теплоэнергетика.- 1970.- № 7.- С.25-27.131

20. Фрайман P.C., Сыркин В.Г., Волков B.JI. Выделение тонкодисперсных фракций порошка в серии циклонов // Химическая промышленность.-1961.- № 7.- С.50-52.

21. Trompf K.F. Neue Wege für Beurteilung der Aufbereitung von Steinkohle. -Gluckauf.- 1937.-N73.- S.125-131.

22. Mayer F.W. Allgemeine Grundlagen. V.-Kurven Aufbereitungs - Technik. Teil 1, 1967, N 8, S.429-440; Teil 2, 1967, N 12, S.673-678; Teil 3,1968, N 1, S. 14-23 .

23. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков.- М.: Химия, 1989.- 160 с.

24. Колесников A.A. Исследование двухроторного воздушного классификатора // Теплофизика и гидродинамика технологических процессов,- Томск,1989.- С.131-141.- (Межвуз.сб. научн.тр./ТПИ).

25. СССР, МКИ b 7/08. Ротационный классификатор/ М.И.Шиляев, А.А.Колесников, Л.В.Титов.- № 4427818/31-03; Заявл. 25.02.88; Опубл. 28.02.90, Бюл. № 8.132

26. Molerus О., Hoffman H. Darstellung vonWindsichtertrenn kurven durch ein stochastisches Modell // Chem. Eng. Techn.- 1969.- B.41, N 5-6.- S.340 -344.

27. Шиляев М.И., Колесников A.A. К расчету процесса разделения частиц в гравитационном классификаторе // Физическое и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов. Томск: Изд-во ТПИ, 1990.- С.86 - 91.- (Межвуз. нучно-техн. сб./ ТЛИ).

28. Турбулентные течения газовзвеси/ А.А.Шрайбер, Л.Б.Гавин, В.А.Наумов,В.П.Яценко.- Киев: Наукова Думка, 1987.- 240 с.

29. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Колесников A.A., Квеско Н.Г. О разделении дисперсных материалов в роторных пневмоклассификаторах // Актуальные вопросы теплофизики: Энергетика и экология.133

30. Новосибирск: ИТ СОАН СССР, 1991.- С.96 100. - (Сб.научн.тр./ ИТ СОАН СССР).

31. Фукс H.A. О вертикальном распределении частиц, взвешенных в турбулентном потоке // ЖТФ. 1952,- Т.32, вып.2. - С.255 - 257.

32. Петренко A.JI. Стохастическая модель классификации полидисперсных смесей частиц / Том.ун-т.- Томск, 1988.- Деп. в ВИНИТИ, № 5365-В88 от 4.07.88.

33. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Колесников A.A. О зоне сепарации при разделении порошковых материалов в воздушно-центробежных классификаторах (ВЦК) // Сибирский физико технический журнал.-1991.- Вып.1.- С. 96- 100.

34. Сакипов З.Б. Теория и методы расчета полуограниченных струй и настильных факелов.- Атма-Ата: Наука, 1978.-203 с.

35. Шваб В.А. К вопросу обощения полей скорости турбулентного потока в циклонной камере // ИФЖ.- 1963.- Т.4, № 2.-С. 102-108.

36. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй,- М.: Наука, 1984.-716 с.

37. Шиляев М.И., Беляев С.А. Процессы разделения частиц порошковых материалов в воздушно-центробежных классификаторах// Интенсификация процессов переработки сыпучих материалов.- Иваново: ИХТИ, 1987.- С.23-27.

38. Molerus О. Stochastisches Modell der Gleichgewichtsichtimg // Chemie/ big/ Technik.- 1967,- Bd.39, N 13.- S.792 796.

39. Кочин H.E., Кибель И.А., Розе H.B. Теоретическая гидромеханика. 4.1/ Под ред. И.А.Кибеля.-М.: Гос. изд.-во физ.-мат. лит., 1963.- 583 с.

40. Теплотехнический справочник. Под общ. Ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд. 2-е, перераб.-М: Энергия, 1976. -896 с.134

41. Меу К. The cascade impactor: an instrument for semling coarse ayerosols// J. Sci. Instrum.- 1945.- V.22, N 18.- PP.187-195.

42. Шиляев М.И., Боберь Е.Г. Аэродинамика турбулентного течения газа с частицами между вращающимися дисками // Сибирский физико-технический журнал.-1992.-Вып.6.-8-14 с.

43. ПротодьяконовИ.О., Люблинская И.Е.,Рыжков А.Е. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость твердое тело. - Л.: Химия. - 1987. - 336 с.

44. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Бульба Е.Е. Экспериментальное исследование разделения дисперсного материала в воздушно-центробежном классификаторе // Изв.вузов.Строительство. -№ 12. -1994.-С. 82-86.

45. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М-Л: Гос. Энергетическое изд-во, .-1960.-464 с.

46. Котельные и турбинные установки энергоблоков К 73 мощностью 500 и 800 МВт. Создание и освоение / Сост.: Н.Ф.Комаров, Г.И.Моисеев, Р.А.Петросян, и др.;Под общей редакцией В.Е.Дорощука и В.Б.Рубина. -М.: Энергия, 1979. 680 с.

47. Хзмалян Д.М., Кагаян Я.А. Теория горения и топочные устройства. Под ред. Д.М. Хзмаляна. Учеб.пособие для студентов высш. учеб. заведений. -М.; Энергия, 1976.- 488 с.

48. Левит Г.Т. Пылеприготовление на тепловых электростанциях. М.: Энергоатомиздат,1991.-384 с.

49. Маслов В.Е. Пылеконцентраторы в топочной технике. М.: Энергия, 1977,- 206 с.

50. Волковинский В.А. и др. Системы пылеприготовления с мельницами -вентиляторами. М.: Энергоатомиздат, 1990.- 272 с.135

51. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов. (Нормативные материалы).-JI.: ЦКТИ.-1971.-Вып.32.-309 с.

52. Колесников A.A. Моделирование пневмоклассификации порошков. Диссертация канд.техн.наук,- Томск,1990.-117 с.

53. Шиляев М.И., Бульба Е.Е. Диффузионная модель процесса разделения чатстиц в ротационном классификаторе // Сибирский физико-технический журнал.-1993.-Вып.4.- С. 67-71.

54. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Бульба Е.Е. О расчете кривых разделения воздушно-центробежных классификаторов с лопаточным ротором.-Томск, 1994,- С. 12-13.-(Материалы межд. семинара / ТГУ).

55. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Бульба Е.Е. Экспериментальное исследование разделения порошковых материалов в воздушно-центробежном классификаторе с лопаточным ротором,- Томск, 1994.- С. 13.- (Материалы межд. семинара / ТГУ).

56. Шиляев М.И., Дорохов А.Р., Бульба Е.Е. Расчет кривой разделения двухступенчатого воздушно-центробежного классификатора // Теплофизика и аэромеханика,- 1995.-Т.2.-№2.-С. 129-132.

57. Бульба Е.Е. К вопросу о мультитшицировании полидисперсного материала в воздушно-центробежных классификаторах.- Томск, 1995.-С. 18. (Тезисы докладов/ТПУ).

58. Шиляев М. И., Дорохов А.Р., Бульба Е.Е. Определение кривой разделения воздушно-центробежного классификатора с лопаточным ротром // Теплофизика и аэромеханика.-1996.- Т.3.-№3.- С. 23-27.

59. Шиляев М.И., Бульба Е.Е. Метод расчета многополочного классификатора для системы подготовки угольной пыли в топочном хозяйстве ТЭС.-Томск: Изд-во ТПУ, 1998.- С. 122-123.136

60. Количественные результаты испытаний представлены в таблице экопериментальных даикнх прилагается .

61. По даннш испытаний определены следующие значения параметров:производительность по исходному продукту GVn/ « 10 »12 кг/час;граничный размер а 8 шш«

62. При определении использовалась методика восстановления кривой разделения ВЦК по исходным экспериментальным данным.1. Учщт, жттш дотшШ*

63. Испытанны!! классификатор обеспечивает получение технических результатов в соответствии с требованиями ТЗ и „¡онот быть реко.-девдо-гаан для дальней него использования.1. ЛОТОМ

64. Председатель комиссии ц.К.Сяршшжова (¿41. Л.Б.Касторский