Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 9
1.1. Основные требования к сепараторам пылесистем ТЭС 9
1.2. Основные конструкции сепараторов 10
1.2.1. Гравитационные сепараторы 11
1.2.2. Центробежные сепараторы с неподвижной зоной сепарации 16 .
1.2.3. Центробежные сепараторы с вращающейся зоной сепарации 20
1.2.5. Инерционные сепараторы 24
1.3. Оценка эффективности процесса разделения сепаратора 26
1.4. Прогнозирование дисперсного состава продуктов разделения 34
1.4.1. Гравитационные сепараторы 35
1.4.2. Центробежные сепараторы 38
1.5. Постановка задачи исследования 41
Глава 2. Организация экспериментальных исследований 43
2.1. Схема экспериментальной установки 43
2.2. Выбор варьируемых параметров 50
2.3. Построение кривых разделения 53
2.4. Выводы по главе 65
Глава 3. Расчетно-экспериментальное исследование процесса разделения угольной пыли в динамическом сепараторе
3.1. Влияние конструктивных и режимных факторов на характеристики разделения сепаратора
3.2. Влияние снижения эффективности разделения на характеристики сепаратора
3.3. Выводы по главе 83
Глава 4. Разработка новой конструкции динамического сепаратора ... 84
Основные результаты работы 93
Список литературы 94
Приложения 104
- Центробежные сепараторы с неподвижной зоной сепарации
- Оценка эффективности процесса разделения сепаратора
- Выбор варьируемых параметров
- Влияние снижения эффективности разделения на характеристики сепаратора
Введение к работе
Начиная с 80-х годов XX века до настоящего времени, теплоэнергетика России базируется на использовании в качестве топлива преимущественно более дешевого и легко сжигаемого природного газа. За отмеченный период существенно сократилось количество исследовательских и проектных работ по созданию новых видов пылеприготовительной техники. Б последнее время значительно повысилась цена топочных мазутов и природного газа, увеличились экспортные поставки природного газа. Эти обстоятельства создают предпосылки к увеличению доли твердого топлива в топливном балансе России.
Отставание России в разработке высокоэффективного пылепригото-вительного оборудования машиностроительные заводы пытаются компенсировать копией иностранных образцов оборудования, обладающих по рекламным материалам лучшими характеристиками. В частности, единственный в России крупный изготовитель оборудования для измельчения углей на ТЭС ОАО «Тяжмаш» оснащает свои мельницы статическими сепараторами пыли типа ТКЗ-ВТИ, конструкция которых была разработана более 50 лет назад. В настоящее время ОАО «Тяжмаш» предполагает перейти к выпуску динамических сепараторов, близких по конструкции к сепараторам ведущих в этой области фирм «Бабкок» и «Леше». Однако, представленные в рекламных проспектах данные о характеристиках разделения таких сепараторов ограничены и не отражают влияния режимных параметров применительно к условиям работы пылесистем ТЭС.
Целью работы является получение характеристик разделения динамического сепаратора, оценка диапазона регулирования и выбор конструктивных параметров элементов зоны разделения, обеспечивающих получение пыли с заданным дисперсным составом.
Для достижения этой цели в процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:
проведены стендовые исследования модели динамического сепаратора с различным конструктивным оформлением вращающейся корзины и предвключеыного завихрителя;
для каждого из вариантов конструкции сепаратора получены зависимости характеристик разделения от режимных параметров и определены диапазоны, внутри которых обеспечивается высокая эффективность разделения;
экспериментально выявлена и расчетным путем подтверждена возможность возникновения ограничения в тонкости готовой пыли и определены условия появления ограничения;
предложена новая методика построения кривой разделения сепаратора, в меньшей степени подверженная влиянию дисперсного состава мельничного продукта;
предложена новая конструкция сепаратора, обеспечивающая высокую эффективность разделения при более широком диапазоне регулирования границы разделения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
получены новые экспериментальные данные о характеристиках разделения угольной пыли в динамическом сепараторе с пред включенным направляющим аппаратом;
выявлена возможность возникновения ограничения в дисперсном составе готовой пыли вследствие монотонного снижения эффективности разделения при уменьшении граничного размера разделения;
получены новые данные о влиянии профиля скоростей газа в зоне разделения динамического сепаратора на его характеристики.
Практическую значимость работы составляют:
- зависимости границы и эффективности разделения динамического
сепаратора от конструктивных и режимных параметров;
новая методика построения кривой разделения сепаратора, обладающая меньшей зависимостью от дисперсного состава мельничного продукта, и. ее программное обеспечение;
рекомендации по выбору параметров конструкции динамического сепаратора для получения пыли с требуемым дисперсным составом;
новая конструкция динамического сепаратора, обладающая более широким диапазоном регулирования и защищенная патентом на полезную модель № 53590 от 27 мая 2006 года.
Автор защищает:
- экспериментальные данные о характеристиках разделения угольной
пыли в динамическом сепараторе с предвключенным направляющим аппа
ратом;
- результаты исследования причин возникновения ограничения в
тонкости готовой пыли при снижении эффективности разделения сепара
тора;
результаты исследования влияния профилей газа в зоне разделения динамического сепаратора на характеристики разделения;
методику и программное обеспечение построения кривой разделения сепаратора;
- новую конструкцию динамического сепаратора пыли.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доло
жены и обсуждены на следующих конференциях:
IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - Москва МЭИ. 4-5 марта 2003 г.
X международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - Москва МЭИ. 2-3 марта 2004 г.
Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XII Бенардосовские чтения) -Иваново, 1-3 июня 2005 г.
П-ой межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Смоленск; филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске, 2005 г.
П-ой Российской научно-технической конференции - Иваново, 18-19 ноября 2005 г.
Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, включая 3 статьи, 7 тезисов докладов конференций и патент Российской Федерации на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников 95 наименований работ и приложения.
Центробежные сепараторы с неподвижной зоной сепарации
Дальнейшее развитие конструкции гравитационных сепараторов связано с применением в вертикальном канале специальных контактных устройств. Одним из ранних представителей этих аппаратов является модернизированный аппарат Гонеля [13], в котором введенный в поток полидисперсный материал последовательно проходит ряд цилиндров, соединенных со стеклянными стаканами. При этом диаметр каждого последующего цилиндра больше предыдущего. В этих стаканах создается псевдоожиженный слой и постепенно накапливается материал с близкими по размеру частицами (монофракции), который тем мельче, чем больше диаметр цилиндра присоединенного к стакану. Аппарат обладает высокой эффективностью разделения, но при этом его производительность крайне низка. Поэтому до появления электронных приборов такие сепараторы использовались в качестве лабораторных анализаторов дисперсного состава.
Большей производительностью, но меньшей эффективностью разделения обладают колонные классификаторы, в которых псевдоожиженный слой создается на одной или на нескольких установленных друг над другом газораспределительных решетках различной конструкции [14, 15]. В этих аппаратах на определенных уровнях по их высоте увеличивается скорость восходящего потока путем уменьшения площади поперечного сечения. Это достигается или выполнением корпуса аппарата в виде двух конусов, соединенных плавным переходом [14], или установкой в определенных местах по высоте расширяющегося корпуса контактных элементов из нескольких параллельно расположенных по высоте аппарата перфорированных решеток или системы параллельно установленных клиновидных элементов [15]. Последние обладают меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с решетками, не создают пульсации потока, выравнивают эпюру скоростей по сечению аппарата, могут работать с материалами, содержащими куски и комки, которые забивают обычные газораспределительные решетки. Особенностью этих аппаратов является дополнительная продувка отбираемых с каждого контактного элемента фракций в вертикальных каналах, установленных непосредственно под бункером, через которые подается воздух в количестве до 10 % от его расхода через основной аппарат.
Обеспыливание и классификацию легких и хрупких материалов с довольно крупными частицами порядка 3...5 мм иногда проводят в восходящей струе, вытекающей из сопла с двумя створками [16]. Крупные частицы выпадают из струи и разгружаются через патрубки, прикрепленные к корпусу на уровне входа газа в сопло, а мелкие выносятся через, сопло в следующую секцию аппарата, где процесс повторяется, но при более низких скоростях. Фракционный состав уноса зависит от равномерного распределения скоростей по сечению аппарата и от их величины на выходе из него. Недостаток устройства - большие габариты по высоте и небольшая эффективность разделения.
Наиболее совершенными промышленными аппаратами, наиболее приемлемыми для разделения с высокой эффективностью относительно крупных полидисперсных материалов, являются каскадные аппараты, в которых материал последовательно проходит ряд однотипных сепараци-онных ступеней.
Одной из первых конструкций данного типа является зигзагообразный сепаратор Ф. Кайзера [17], схема которого показана на рис. 1.2а. Автор отмечает, что данный аппарат представляет собой сепаратор не с восходящим, а скорее с поперечным потоком частиц. За счет зигзагообразного корпуса поток при переходе от одной ступени к другой делает поворот. Крупные частицы сохраняют по инерции направление своего движения и быстрее чем мелкие достигают противоположной стенки, где в результате контакта с ней теряют скорость и выпадают вниз. Более мелкие частицы продолжают двигаться вверх, но с меньшими скоростями. Они изменяют только траекторию своего движения в зигзагообразном канале. Несмотря на то, что эффективность разделения в отдельной ступени невелика, наличие большого количества ступеней (поворотов) обеспечивают высокую эффективность разделения порошков с размерами от нескольких сот микрон до нескольких миллиметров.
Дальнейшим развитием этой идеи является разработанный М.Д. Барским и его сотрудниками гравитационный сепаратор с каскадом сплошных наклонных полок, введенных через одну с двух противоположных сторон аппарата [4, 18, 19] (рис. 1.26).
В этом сепараторе материал вводится в его среднюю часть через загрузочный патрубок и пересыпается с полки на полку. Мелкие частицы выносятся потоком воздуха через верх в пылеуловители, а более крупные выпадают через низ аппарата в бункер. Воздух обычно подводится снизу под нижнюю полку по наклонному патрубку. Особенностью этого аппарата является возникновение вихревого движения потока как над, так и под полкой. Это, с одной стороны, улучшает выделение из потока крупных частиц, а с другой - повышает гидравлическое сопротивление аппарата до 1500...1800 Н/м2.
Одной из модификаций является сепаратор с перфорированными полками, которые по сравнению со сплошными обладают меньшим гидравлическим сопротивлением (до 1000 Н/м2) и обеспечивают интенсивный контакт фаз как в перегрузочной щели, так и непосредственно на полке через перфорацию [20, 21], но при этом нарушают вихревой характер движения газа в межлопаточном пространстве. Такие сепараторы более пригодны для разделения относительно крупных порошков.
Общим недостатком всех аппаратов, использующих для разделения частиц по крупности силу тяжести, является резкое снижение эффективности и увеличение их габаритов при переходе к разделению мелкодисперсных порошков с размерами частиц порядка десятков микрон. В этих условиях более эффективны центробежные сепараторы.
Оценка эффективности процесса разделения сепаратора
С. Г. Ушаков и Ю. Н. Муромкин [60...62] экспериментальным путем определили поля скоростей воздуха в плоско-противоточной зоне статического сепаратора. СИ. Шувалов [73] по математической модели, построенной на основе уравнений Навье-Стокса с замыканием к-є моделью турбулентности, рассчитал эти поля и показал, что расчетные и опытные данные достаточно хорошо согласуются между собой. Далее были рассчитаны траектории частиц различных размеров, вводимых в зону с различных точек закручивающей лопатки. Было отмечено, что максимальный размер частиц, вводимых с середины лопатки и достигающих выходного патрубка, практически точно соответствует граничному размеру разделения сепаратора, определенного экспериментальным путем по кривой разделения.
Подобные расчеты полей скоростей в зоне разделения динамического сепаратора ВПК были проведены в НИИ прикладной математики и механики при Томском государственном университете [56...59].
В первых работах [59] авторы заявляли, что, меняя точки ввода, таким образом возможно восстановить кривую разделения во всем диапазоне изменения размеров классифицируемых частиц, но впоследствии [56] ограничились методикой расчета одного из параметров классификации граничного размера разделения 5ф.
Неудачи в попытках построить кривую разделения расчетным путем по траекториям частиц объясняется свойствами детерминируемых моделей: расчет траекторий одиночных частиц не учитывает ряд факторов (взаимные столкновения частиц, неравномерность профиля концентраций частиц на входе в зону разделения, турбулентный режим), которые приводят к снижению эффективности разделения. Расчет позволяет достаточно точно определить характерный размер - границу разделения и учесть влияние на него конструктивных и режимных факторов, но эффекты, связанные со стохастическими явлениями, такие модели не в состоянии отразить.
Анализ конструкций сепараторов, применяемых для получения порошковых материалов с дисперсным составом, близким к составу сжигаемой на ТЭС угольной пыли, показал, что наиболее приемлемой для оснащения пылесистем ТЭС является конструкция динамического сепаратора Леше, оснащенная предвключенным направляющим аппаратом. Вместе с тем доступных в открытой печати данных недостаточно для оценки характеристик разделения этого сепаратора при работе в режимах, близких к эксплуатационным режимам пылесистем ТЭС.
Наиболее достоверный прогноз дисперсного состава и массопотоков продуктов разделения может быть получен расчетом по (1.3) - (1.7) с представлением кривой разделения в виде аппроксимационной зависимости, в которой в качестве режимного параметра входит граничный размер разделения 5ф.
Для оценки величины 5гр можно использовать известные математические модели расчета полей скоростей газа в зоне разделения и траекторий движения частиц, а параметры, определяющие эффективность разделения должны определяться по опытным данным.
Существующая методика построения кривой разделения основана на графическом или численном дифференцировании кривых полных остатков мельничного продукта и готовой пыли. Эта методика очень чувствительна к неизбежным погрешностям дисперсного анализа и для близких режимов работы сепаратора может приводить к существенным расхождениям оценок эффективности разделения.
Наличие ряда режимных и конструктивных параметров, влияющих на характеристики разделения сепаратора, приводит к тому, что получить готовую пыль требуемой тонкости можно при различных комбинациях этих параметров. В открытой технической литературе этот вопрос практически не обсуждается, а фирмы-изготовители оборудования не рекламируют свои разработки в этой области и считают ее «ноу-хау». Поэтому простое копирование конструкции аппарата без детального анализа условий работы может привести к отрицательному результату даже при изначально благоприятных предпосылках.
Вопрос о целесообразности использования динамических сепараторов на ТЭС является открытым. Желание заменить статические сепараторы динамическими в большей степени связано с рекламой ведущих машиностроительных фирм, выпускающих соответствующее оборудование. Поэтому необходимо определиться, при каких условиях такая замена целесообразна, а когда от нее следует отказаться.
В соответствии с этими соображениями для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие этапы работы: 1. Провести экспериментальное исследование конструкции динамического сепаратора с предвключенным направляющим аппаратом и определить характеристики эффективности разделения и диапазоны регулирования режимных параметров. 2. Разработать методику обработки экспериментальных данных и построения кривой разделения, в меньшей степени чувствительной к погрешностям эксперимента. 3. Определить оптимальное сочетание конструктивных и режимных параметров, обеспечивающее получение готовой пыли при наименьших эксплуатационных затратах. 4. Оценить возможность и целесообразность применения динамических сепараторов с предвключенным лопаточным аппаратом на пылеси-стемах ТЭС.
Выбор варьируемых параметров
Результаты эксперимента свидетельствуют о наличии неоднозначных характеристиках динамического сепаратора и ограничений в тонкости готовой пыли, но не объясняют причины их появления. Зависимости граничного размера разделения от скорости вращения корзины у сепаратора с первой и второй корзинами, представленные на рис.3.7, качественно согласуются с рассчитанными по (1.26) и приведенными на рис.3.1. В то же время все методики расчета предсказывают монотонное снижение тонкости готовой пыли при уменьшении граничного размера разделения, что не согласуется с рис.3.5.
Из рис.3.11 и рис.3.12 видно, что появление неоднозначных характеристик у сепаратора с первой и второй корзинами начинается при скоростях вращения 121 об/мин и 182 об/мин. Именно при этих скоростях, как показывает рис.3.10, начинает заметно снижаться эффективность разделения. На основании этого было сделано предположение, что возникновение неоднозначности вызвано падением эффективности.
Для проверки этой гипотезы были сделаны вариантные расчеты процесса разделения по (1.3) - (1.5) с представлением кривой разделения в виде (1.14). При этом предполагалось, высокая эффективность разделения обеспечивается только внутри некоторой области, а всякое отклонение от этой области ведет к падению эффективности. В качестве примера было принято, что максимальное значение параметра эффективно- . ста ksom = 2,7 достигается при 3Г]Х опт = 60 мкм, а при настройке сепаратора на другую границу разделения параметр эффективности изменяется в соответствии с формулой: где параметр а определяет интенсивность снижения эффективности разделения при отклонении граничного размера от оптимального. Графически зависимость (3.1) представлена на рис.3.1.5.
При а = О эффективность разделения сепаратора остается постоянной и равной ks=2,l во всем диапазоне изменения д[р, при а=0,8 и 5ср=5 мкм эффективность снижается до ?=0,885. При значениях 0 а 0,8 эффективность разделения сепаратора занимает промежуточное значение.
Монотонное падение эффективности разделения приводит к тому, что возникает ограничение в тонкости готовой пыли, т.е. при а = 0,7 невозможно получить пыль с содержанием частиц крупнее 100 мкм менее чем 4% (рис. 3.8), при более резком падении эффективности разделения а = 1 предельная тонкость готовой пыли характеризуется величиной R-ioo nm = 6%. Дальнейшее утонение пыли возможно только за счет снижения крупности подаваемого в сепаратор материала или применения сепаратора с большей эффективностью разделения.
Наличие предельного значения тонкости готовой пыли приводит к тому, что более крупную пыль можно получить при настройке сепаратора на различные границы разделения. В частности при а = 1 пыль с #ш=15% можно получить, организовав разделение по границам 12 мкм или 92 мкм. Однако в первом случае доля выхода готовой пыли составит 0,25, а во втором - 0,6. Разделение по более крупной границе позволяет вдвое увеличить производительность установки.
Качественное совпадение наблюдаемых в эксперименте (рис.3.11, рис.3.12) и полученных расчетным путем (рис.3.18) зависимостей подтверждает выдвинутую гипотезу. Можно утверждать, что не низкая эффективность, а постоянно снижающаяся эффективность разделения при уменьшении граничного размера разделения является причиной возникновения ограничений в дисперсном составе готовой пыли. При любой, но постоянной эффективности разделения сепаратора угрубление готовой пвіли всегда приводит к увеличению доли ее выхода. Изменение эффективности разделения может привести к неоднозначным зависимостям доли ввгхода от ее крупности.
Возможность появления отмеченных эффектов следует учитывать при выборе конструкции сепараторов на стадии проектирования и режимов работы установки при наладке системы пылеприготовления. 3.3. Выводы по третьей главе 1. Получены новые экспериментальные данные о характеристиках разделения динамического сепаратора, существенно отличающиеся от расчетных по известным методикам. 2. Показано, что динамические сепараторы с предвключенным направляющим аппаратом могут использоваться в системах пылеприготов-ления ТЭС, в частности, со среднеходными валковыми мельницами, однако при этом конструкция вращающейся корзины должна выбираться с учетом требуемой на ТЭС тонкости готовой пыли. 3. Выявлена возможность ограничения тонкости готовой пыли и показано, что это ограничение возникает вследствие монотонного снижения эффективности разделения при уменьшении граничного размера разделения.
Влияние снижения эффективности разделения на характеристики сепаратора
Эти рисунки в некоторой степени объясняют причину повышения эффективности разделения. Применение направляющего аппарата 50/80 направляет основную массу потока в верхнюю часть зоны разделения (рис.4.6), структура потока становится ближе к плоско-параллельной, но при этом облегчаются условия выноса более крупных частиц в готовую пыль. Это в итоге приводит к увеличению граничного размера разделения.
Установка направляющего аппарата 80/50 опускает основной поток в нижнюю часть зоны разделения, что приводит к снижению граничного размера. Вместе с тем приблизительно в середине зоны начинает заметно увеличиваться вертикальная составляющая скорости газа, что нарушает плоскую структуру потока и несколько снижает эффективность разделения.
Направляющий аппарат с постоянным углом установки лопаток создает менее упорядоченную структуру потока в зоне разделения и поэтому обладает меньшей эффективностью разделения.
Применение направляющего аппарата с переменным углом установки лопаток не исключило появления неоднозначных характеристик, но существенно расширило диапазон, внутри которого характеристики однозначны. На рис. 4.7 представлены зависимости доли выхода готовой пыли от содержания в ней частиц крупнее 100 мкм, а на рис. 4.8 и рис.4.9 показано влияние скорости вращения первой и третьей корзин на тонкость готовой пыли.
Оснащение динамического сепаратора корзиной с 36 радиальными лопатками и направляющим аппаратом 50/80 позволяет получать готовую пыль с R\QQ 9...\7%, при этом доля выноса готовой пыли возрастает не менее чем в полтора раза. По сравнению с базовой конструкцией динамического сепаратора применение нового сепаратора позволит увеличить производительность пылесистемы на 20.. .25% без дополнительных затрат на измельчение.
Применение направляющего аппарата 80/50 практически полностью исключает возможность регулирования тонкости готовой пыли изменением скорости вращения корзины, но позволяет получать более мелкую пыль с і?юо 6 % при высокой эффективности разделения (к$ = 2,3; г] = 0,75; s = 0,6). Такая конструкция может быть использована в пылеси-стемах, размалывающих тощие угли и антрациты.
Полученные результаты были использованы для разработки новой конструкции динамического сепаратора, которая показана на рис. 4.10. Единственным отличием от базовой модели (рис. 2.2) является разделение лопаточного аппарата на две части, каждая из которых имеет собственный привод для изменения положения лопаток. Такое конструктивное оформление позволяет использовать сепаратор для получения пыли с более широким диапазоном тонкости и, соответственно, для более широкого диапазона марок углей. Данная конструкция сепаратора защищена патен том на полезную модель № 53590 (Приложение 2). Выводы по четвертой главе 1. Проведено экспериментальное исследование модели дина мического сепаратора с секционированием зоны разделения за счет изменения по высоте угла установки лопаток направляющего аппара та и получены характеристики разделения. 2. Определены диапазоны регулирования сепаратора с различ ными типами направляющего аппарата. 3. Предложена новая конструкция динамического сепаратора с предвключенным направляющим аппаратом, обладающая более высо кими показателями эффективности разделения и защищенная патен том на полезную модель. 1. Получены новые экспериментальные данные о характеристиках разделения динамического сепаратора, существенно отличающиеся от расчетных по известным методикам. 2. Показано, что динамические сепараторы с предвключенным лопаточным аппаратом могут использоваться в системах пылеприготовле-ния ТЭС, в частности, со среднеходными валковыми мельницами, однако при этом конструкция вращающейся корзины должна выбираться с учетом требуемой на ТЭС тонкости готовой пыли. 3. Выявлена возможность ограничения тонкости готовой пыли и показано, что это ограничение возникает вследствие монотонного снижения эффективности разделения при уменьшении граничного размера разделения. 4. Проведены исследования характеристик разделения сепаратора при установке предвключенного аппарата. 5. Получены новые экспериментальные данные о влиянии профиля скоростей газа в зоне разделения динамического сепаратора на его характеристики.
