Метод определения дисперсного состава порошкового материала каскадом прямоточных циклонов

11. Литвинов А.Т. Эффективная очистка газов в аппаратах, использующих для выделения частиц пыли из потока центробежную силу // Журнал прикладной химии. - 1971. - Т. 44. - № 6.

- С. 1221-1231.

12. Степанов Г.Ю., Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители.

- М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.

13. Лагуткин М.Г., Баранов Д.А. Оценка действия силы Кориоли-са в аппаратах с закрученным потоком // Теоретические основы химической технологии. - 2004. - Т. 38. - № 1. - С. 9-13.

14. Старченко А.В., Бубенчиков А.М., Бурлуцкий Е.С. Математическая модель неизотермического турбулентного течения газовзвеси в трубе // Теплофизика и аэромеханика. - 1999. - Т. 6.

- № 1. - С. 59-70.

15. Иванков Н.А. Влияние геометрических и режимных параметров пылеуловителей со встречными закрученными потоками на их эффективность: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1982. - 16 с.

16. Калмыков А.В. Разработка, исследование и методика расчета совершенных конструкций прямоточных пылеуловителей // Теплоэнергетика. - 1970. - № 4. - С. 60-63.

17. Медников Е.П. Вихревые пылеуловители // Обзорная информация. Сер. ХМ-14. Промышленная и санитарная очистка газов. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1975. - 44 с.

18. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. - Л.: Химия, 1983. -143 с.

19. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М.: Наука, 1978. - 831 с.

20. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под ред. А.А. Русанова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 312 с.

21. А.с. 386309 СССР. Прямоточный циклон / А.Н. Шерстюк, В.С. Асламова и др. - Опубл. в Б.И. - 1988. - № 13.

22. Асламова В.С., Асламов А.А., Ляпустин П.К. Высокоэффективный прямоточный циклон // Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий: Матер. конф. РФФИ. - Владимир, 2005. - СД-4-5. - С. 293-295.

Поступила 12.09.2006 г.

УДК 621.928.9

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА КАСКАДОМ ПРЯМОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ

А.М. Шиляев|, В.С. Рекунов

Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: kaf_otopvent@tsuab.ru

При пылевидном сжигании мелкодисперсных твердых топлив, поведение частиц различной крупности в пыле- и золоулавливающих аппаратах неодинаково. Для обоснованного выбора и правильной оценки работы систем газоочистки необходимы сведения о дисперсном составе подлежащего улавливанию продукта. Разработана методика, позволяющая оперативно вычислять фракционный состав порошков. Проведено сравнение полученных результатов с данными дисперсного анализа, полученных другим методом. Получено устойчивое решение, показавшее, что методикой можно пользоваться при определении дисперсности пылей от 10 до 50 мкм.

При факельном сжигании измельченного твердого топлива в теплогенерирующих установках промышленных предприятий различного профиля на стадиях подготовки, пневмотранспорта пылевидного топлива, а также на участках золоочистки дымовых газов при диагностике и настройке технологического и пылеулавливающего оборудования необходим оперативный контроль фракционного состава содержащегося в газах дисперсного материала. Существуют различные методы определения дисперсного состава порошковых материалов [1, 2], однако, все эти методы требуют проведения предварительной подготовки проб порошка. На основе экспериментального исследования эффективности пылеулавливания каскадом прямоточных циклонов и анализа работы этих аппаратов разработан новый метод дисперсного анализа порошковых материалов с использованием последовательно установленных прямоточных циклонов и расшифровкой результатов пылеулавливания решением обратной коэффициентной задачи при непосредственном отборе пы-легазовой смеси от технологического оборудования.

Метод последовательно установленных проти-воточных циклонов разработан С.С. Янковским и Н.А. Фуксом [2]. Он не требует предварительного осаждения исследуемой пыли и позволяет производить дисперсный анализ порошка непосредственно при улавливании частиц из пылегазового потока. В [2] представлены номограммы выносов пыли и параметры, при которых была проведена градуировка противоточных циклонов. При пылеулавливании на других скоростях газа в циклонах или при другой плотности пыли необходима дополнительная градуировка установки и пересчет результатов опыта на действительную плотность порошкового материала, что, в свою очередь, приводит к неточности определения дисперсного состава пыли и требует дополнительного времени для получения результатов. В настоящей работе разработан метод определения дисперсного состава пыли при помощи трех последовательно установленных прямоточных циклонов, который позволяет проводить дисперсный анализ порошков при любой его плотности и без построения номограмм [3].

Суть метода заключается в следующем. Пылегазо-вый поток исследуемого порошка пропускают через каскад из трех последовательно соединенных циклонов и фильтр, и по разности весов бункеров и фильтра до и после опыта, определяется масса уловленного порошка каждым циклоном и фильтром. Предварительно определяется плотность исследуемого порошка.

Суммарный проскок пыли в каскаде КЕ123 определялся как отношение массы задержанной фильтром пыли АОтф, равной разности весов фильтра после опыта Оф2 и до опыта ОфЬ к массе пропущенного через циклон за время опыта порошкового материала, который можно принять как сумму весов порошка, уловленного каждым циклоном дОт1, дОт2, дОт3 и фильтром Д&Мф. Так что

К =-

де.

тф

дет +дет +дет +дет

Полный коэффициент проскока первого, второго и третьего циклона, установленного в каскад, определялся по формулам

де +де +де

т/- т2 т3 тф

= де + де + де + де ,

т, тг тг тф

до_ +дет дет

„ _ '"3 '"ф

е2 = до + да + да

К =_ ф

'^3-до +де

Полная эффективность пылеулавливания у-го

циклона в каскаде щ определялась из соотношения

^ = 1 -

Данные о расходной скорости пылегазового потока, плотности порошкового материала, динамической вязкости газа, диаметре прямоточных циклонов и общих эффективностях пылеулавливания прямоточными циклонами вводят в ЭВМ.

Определение фракционного состава порошка, пропускаемого через каскад двух циклонов [4], заключается в нахождении симплексным методом поиска минимума функционала /, представляющего собой сумму квадратов разностей эффективно-стей пылеулавливания

я 3

= Ц

1=1 ]=1

где д - число скоростей в эксперименте; г)р, - расчетные значения эффективностей пылеулавливания у-ми циклонами в каскаде, вычисляемые по формуле

з

= 1 Яо(5)П ЪМ,

]=1

где £0(8) - весовая дифференциальная функция распределения частиц по размерам, для описания которой используется логарифмически нормальный закон [5], справедливый для многих промышленных пылей

Яо(8) =

1

8у[2л 1 пст

(1п5-1п550 )2 21п2 ст

8 - текущий размер частиц, мкм; ст - дисперсия; 850 - масс-медианный размер частицы, мкм; К8/ -фракционный коэффициент проскока пыли у-го прямоточного циклона в каскаде, который определяется зависимостью [6]

К8= е - ^,

где Лш - опытный коэффициент, который необходимо определить. Этот коэффициент следует подбирать из условия равенства расчетного и экспериментального значения интегрального коэффициента проскока с последующим осреднением полученных результатов по всем опытным точкам; $>1к=тУ0/й0 -инерционное число Стокса; т=рт82/18/ - время динамической релаксации частиц размером 8; рт -плотность частицы; /л - динамическая вязкость очищаемого газа; ¥0, й0 - скорость потока газа и диаметр циклона соответственно.

Показатель степени числа Стокса N задавался соотношением [6]:

N = -

п +1 2(2 - п)'

где п - константа в законе сопротивления частиц

,

Ь ЯеП

где Ке8 - число Рейнольдса обтекания частицы во вращающемся газовом потоке в [6] определялось зависимостью

(

Яе5 =

18 Р Яе-БЛ3

Рт

~Л2-п

где Л- константа в законе сопротивления частиц (6); р - плотность газа; Ке=ГД/у - число Рейнольдса; V - коэффициент кинематической вязкости газа.

Анализ экспериментальных данных показал, что частицы размером более 20 мкм улавливаются циклоном практически полностью и выбор закона сопротивления для них не имеет значения, а для частиц с размерами от 5 до 20 мкм решение ур. (7) дает диапазон чисел Рейнольдса обтекания частицы Ке8 от 1 до 10, для которого коэффициент сопротивления частиц в потоке (6) можно рассчитывать при константах А=26,3 и п=0,8. Следовательно, для этих условий, согласно соотношению (5), получим 0,8 +1

N = -

2

= 0,75'

Таким образом, по опытным интегральным значениям КЪ восстанавливалась зависимость для фракционного коэффициента проскока

1"{ К8 80(8)а8>

где фракционный проскок К8, определяется по формуле (4). Значит, для каждого прямоточного циклона в каскаде необходимо определить только по одной константе Лщ, При пересчете учитыва-

£0 Ц g АШз g

Рис. 1. Схема работы каскада прямоточных циклонов

лось влияние повышенной концентрации частиц в потоке газа на эффективность пылеулавливания, имеющей место при проведении экспериментов, согласно зависимости [5]

1+1,2 -10 гвх 1Е

где К1з - экспериментальное значение коэффициента проскока при повышенной общей концентрации частиц пыли на входе в аппарат 2х, г/м3.

Работа единичного циклона может быть описана экспоненциальной зависимостью фракционного коэффициента проскока от инерционного числа Стокса [7, 8] (4). При известных опытных константах в этой формуле, каскад циклонов может быть использован как устройство для определения фракционного состава пыли.

Работу каскада прямоточных циклонов можно представить следующим образом (рис. 1). В первый аппарат каскада поступает пыль с известным распределением частиц по размерам g0(5), например, для логарифмически нормального закона распределения (3), известными величинами должны быть 550 и ст.

Масс-медианный размер для нормированной на единицу функции распределения частиц по размерам g0(S) вводится по [5]

«50 1 да 1

| go(8)d8 = Тили | go(8)d8=

0 2 «50 2

Дисперсия для логарифмически нормального закона распределения частиц по размерам может быть определена из соотношений

ст=«°или ст = «84, «16 «0

где «6 и 584 определяются по [5]

«16 «84

| g0(8)dS = 0,16 и | g0(8)dS = 0,840 0

Первый циклон в каскаде улавливает пыль с эффективностью

П = 1 -J KSjg0(ô) dS,

где KSi рассчитывается по формуле (4), при этом, в бункере первого циклона уловленная пыль должна иметь распределение &(S), а упущенная циклоном - KsMS).

При известных K^ и g0(S) можно определить gi(S) = (1 - Ksi) go(S).

Таким образом, во второй циклон поступает пыль с распределением равным KS] g0(S), а в его бункере должна находиться пыль с ра1спределением g2(S) = (1 - Ks2) Ksi g (S).

Зная распределение частиц по размерам в исходной пыли g0(S) и вид функции фракционного коэффициента проскока KS и интегральные эффективности пылеулавливания1 единичными циклонами в каскаде (4) полученные опытным путем, можно подобрать константы Лш. для фракционного коэффициента проскока каждого циклона в каскаде.

По изложенной методике составлена программа «Dispersion», которая подверглась тестированию на искусственно сгенерированных параметрах пыли. Погрешность поиска не превышала 0,1 %. Восстановленные фракционные коэффициенты проскока единичных прямоточных циклонов, установленных последовательно в каскад, и фракционный состав поступившей и уловленной отдельными циклонами пыли, показаны на рис. 2 и 3.

0,80,60,40,2 0,0 4

0 5 10 15 20 25 30 Stk

Рис. 2. Фракционные коэффициенты проскока циклонов в каскаде: 1) K* ; 2) KS; 3) Ks

э

g(S),% 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

g(S),%

0,5'

0,0-

g(S),%

0,5 •

0,0'

120 5,

мкм

Идея метода состоит в сравнении значений функции в (z+1) вершинах симплекса и перемещении симплекса в направлении оптимальной точки с помощью итерационной процедуры. В симплексном методе, предложенном первоначально, регулярный симплекс использовался на каждом этапе. Нелдер и Мид предложили несколько модификаций этого метода. В результате получился очень надежный метод прямого поиска, являющейся одним из самых эффективных, если z<6. Симплекс перемещается с помощью трех основных операций: отражения; растяжения и сжатия. Коэффициенты отражения, растяжения и сжатия рекомендуется принимать а=1, в=0,5 и у=2 соответственно. Рекомендации основаны на результатах экспериментов с различными комбинациями значений. Эти значения параметров позволяют методу быть эффективным и надежно работать в различных сложных ситуациях.

Разработанная программа «Dispersion» была использована для определения логарифмически нормального закона распределения частиц по размерам модельной кварцевой пыли с параметрами 550=26,16 мкм, ст=1,93, pm=2650 кг/м3. Параметры пыли получены методом трех последовательно установленных прямоточных циклонов диаметром 4=0,046 м с 8-ми лопаточным импеллером с углом наклона лопаток 45° к оси циклона. Время помола кварцевого песка подбиралось из условия обеспечения дисперсности получаемого порошка близкой к дисперсности золоуноса при сжигании каменных углей в пылевидном состоянии в вихревых топках тепловых станций. Результаты численных поисков представлены на рис. 4, где D(S) - интегральная функция логарифмически нормального закона распределения частиц по размерам S. D (S), %

Рис. 3. Фракционный состав поступившей и уловленной пыли. Циклоны: а) первый; б) второй; в) третий

Для описания исследуемого порошка зависимостью (3) необходимо знать две константы: 550 и ст. Значение этих величин следует подбирать в формуле (2) устремляя функционал (1) к нулю. Причем, для решения задачи, т. е. определение двух констант в логарифмически нормальном законе распределения частиц исследуемого материала по размерам, достаточно использовать два прямоточных циклона. Использование третьего пылеуловителя в каскаде повышает точность получаемого результата. Осуществить автоматически поиск можно, например, симплексным методом Нелдера-Мида [9].

75

50

25

10

/ /

/ ✓ ' • /  / ✓ s f

/ / •• / /'* </ f

/ ' JÏ

1 - 2

- 3 -- 4

— 5

10

100 S, мкм

Рис. 4. Распределение частиц по размерам модельной пыли при V, м/с: 1) 6,0; 2) 7,0; 3) 8,0; 4) 10,0; 5) параметры определены методом жидкостной седиментации

Разброс расшифрованных параметров модельной пыли объясняется невысокой стабильностью работы циклонов в лабораторном каскаде. Обратная задача, реализованная в программе «Dispersion», относится к классу некорректных, для которых условие устойчивости может не выполняться, т. е. по-

грешности в исходных данных могут привести к непропорциональному увеличению ошибки. В интервале скоростей газа в циклонах от 6,0 до 11,0 м/с при расшифровке фракционного состава порошка получено устойчивое решение, рис. 4. Данной методикой можно пользоваться при определении дисперсного состава пылей для оперативного контроля режимов работы теплоэнергетического оборудования.

Каскад трех прямоточных циклонов, используется для определения дисперсного состава твердых порошковых материалов на заводе ДСП ООО «То-млесдрев» г. Томска, для контроля за пылевыми выбросами в ООО «Сибпромвентиляция» г. Томск и для определения фракционного состава пылевых выбросов в сушильных установках ЗАО «Томский завод керамических материалов и изделий».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. - Л.: Химия, 1983. - 143 с.

3. Пат. 2273019 РФ. МПК7 G01N 15/02. Способ определения дисперсного состава порошковых материалов / М.И. Шиляев, А.М. Шиляев, В.С. Рекунов и др. Заявл. 05.10.00; опубл. 27.03.06. Бюл. № 9 (II ч) - 11 с.: ил.

4. Шиляев А.М., Рекунов В.С., Наумкин А.Б. К методу последовательно установленных циклончиков определения фракционного состава порошков // Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. 11-12 сент. 2002 г.: Секция «Создание высококачественных строительных материалов и изделий, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в стройиндустрии». - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002. - С. 87—88.

5. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под общ. ред. А.А. Русанова. - М.: Энергия, 1975. - 296 с.

6. Шиляев А.М., Рекунов В.С. Применение уравнения конвективной диффузии для расчета процесса выделения частиц пыли из турбулентного потока газа в прямоточном циклоне // XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. - Рыбинск, 2003. - С. 335-338.

7. Шиляев М.И., Дорохов А.Р. Методы расчета и принципы компоновки пылеулавливающего оборудования. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 1999. - 209 с.

8. Шиляев М.И. и др. Энергетический принцип сопоставления и компоновки пылеулавливающего оборудования. Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих отходы и мусор // Сб. научно-техн. статей. - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 1999. - С. 167-179.

9. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

Поступила 30.11.2006 г.

УДК 661.181.12:662.73/.74.001.5

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ КОТЛА БКЗ-420-140 ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВАРИАНТАМ ЗАМЕЩЕНИЯ ПРОЕКТНОГО ТОПЛИВА

А.В. Гиль, А.С. Заворин, С.В. Красильников, С.В. Обухов, А.В. Старченко

Томский политехнический университет E-mail: AG-83@mail.ru

Изложены результаты исследования топочных процессов в топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при сжигании в ней проектного топлива (экибастузский уголь) и замещающих его углей (кузнецкий Д и ирша-бородинский) на основе математических моделей прикладного программного пакета FIRE 3D. Проведен анализ полученных результатов в трехмерной интерпретации применительно к каждому виду топлива, а также сравнения полученных данных с нормативными расчетами.

Введение

Отечественным котлостроением создан типо-ряд уникальных котельных агрегатов для сжигания каменного угля Экибастузского угольного месторождения. К ним относятся котельные агрегаты БКЗ-320-140 и БКЗ-420-140, ПК-39 для энергоблоков мощностью 300 МВт, П-57 энергоблоков 500 МВт, конструирование которых базировалось на таких свойствах угля как хорошая сыпучесть, взрывобезопасность, несмерзаемость, низкая влажность и умеренная теплота сгорания [1]. Однако этот уголь имеет специфичные и существенные недостатки: большую минеральную составляющую и значительную абразивность летучей золы.

Вследствие ужесточения в России экологических норм за выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду существенно обострились негативные стороны энергетического сжигания эки-бастузского угля, что наряду с другими аспектами его использования поставило вопрос о замене экибастузского угля, сжигаемого на ТЭС России, отечественными углями.

Специфика выбора альтернативных экибастузско-му углей состоит в том, что все известные угли России имеют менее тугоплавкую золу (более шлакующую) и, соответственно, котлы для них лимитированы другими параметрами конструирования топочного устройства [2]. Поэтому при замещении экибастузского угля