Толчинский Е. Н., Лаврентьев А. Ю.
Для обеспечения экономичности процесса сжигания пыли твердое топливо после подготовительных операций по размораживанию в зимнее время, предварительного дробления, отделения металла, колчедана, щепы и других длинномерных посторонних предметов подвергается сушке и измельчению.
Качество готовой пыли, обеспечивающее эффективное ее сжигание, определяется, прежде всего, тонкостью ее помола, т.е. поверхностью, которую принято оценивать по ее гранулометрическому составу на основе ситового анализа проб пыли.
Надежность воспламенения пыли непосредственно связана с величиной полного остатка пыли на сите с размерами ячеек 90 мкм (R90), а полнота ее выгорания - с наличием в пыли грубых фракций, характеризующихся величиной полного остатка на сите с размерами ячеек 200 мкм, что определяет потери тепла, сопутствующие механическому недожогу топлива. Решение уравнения Розина-Раммлера, устанавливающего взаимосвязь между R90-200, позволяет получить зависимость
Показатель полидисперсности п зависит от типа мельницы, топливного сепаратора и вида размалываемого топлива [1]. Для шаровых барабанных мельниц (ШБМ) показатель п, характеризующий равномерность гранулометрического состава пыли, составляет 0,7 -1,3; для молотковых мельниц (ММ) - 0,6 - 0,8; для среднеходных мельниц (СМ) - 1,1 - 1,3 и мельниц-вентиляторов (М-В) примерно 0,9.
Этот метод не получил распространения в связи с большими техническими трудностями, связанными с необходимостью сбора большого количества эксплуатационных данных, всесторонне характеризующих работу пылеприготовительной установки. Эти трудности усугубляются еще и тем, что, несмотря на видимую конструктивную идентичность и идентичность свойств подготавливаемого к сжиганию топлива, практически каждая пылеприготовительная установка характеризуется индивидуальной точкой оптимального режима работы [1].
Индивидуальное значение экономичной тонкости помола свойственно каждому виду топлива и даже марке и зависит от тех его свойств, которые являются определяющими в окислительном процессе органической части топлива кислородом воздуха в конкретных условиях организации топочного процесса.
Известно, что скорость горения пыли всех видов твердого топлива примерно прямо пропорциональна диаметру частиц пыли и существенно зависит от степени метаморфизма топлива, его зрелости, что определяет вид данного топлива (антрацит, каменный или бурый уголь, сланец, торф). Процесс воспламенения и горения угольной пыли при прочих равных условиях, например, при одинаковой тонкости помола, в значительной степени определяется количеством содержащихся в нем летучих веществ. На основании многочисленных зарубежных и отечественных эксплуатационных данных предложены зависимости между количеством летучих (V), содержащихся в топливе, и необходимой тонкостью помола пыли (R90), обеспечивающей устойчивое воспламенение пыли и ее выгорание [2]
где а = 8; 6; β = 0,9; 0,7 - экспериментальные коэффициенты по экспериментальным данным США и Германии соответственно.
С учетом равномерности гранулометрического состава пыли п зависимость тонкости помола от содержания летучих веществ в сухой беззольной массе топлива (Vdaf) предложена в [3] 
Экономичная тонкость помола пыли топлива, характеризующегося различными физико-химическими и теплотехническими свойствами, выбирается на основании решения оптимизационной задачи, обеспечивающей, с одной стороны, эффективность сжигания топлива путем своевременного воспламенения пыли и полноты ее выгорания, а с другой, - минимумом затрат на пылеприготовление, включая расход электроэнергии на размол, пневмотранспорт, и затрат, связанных с эксплуатацией (обслуживанием, ремонтом) пылеприготовительных установок (рис. 1), [1].
Рис. 1. Экономичная тонкость помола
Рис. 2. Сопоставление расчетных R 90 и табличных значений тонкости пыли
График (рис. 2) показывает крайне неудовлетворительную сходимость значений R 90 со значениями R90, рекомендованными в [4]. (Значения показателя п выбирались с учетом типа размольного устройства в соответствии с рекомендациями [4].)
Анализ значений R90 в [4] показывает, что в ряде случаев рекомендуемая тонкость помола пыли не соответствует зависимости ее от количества летучих веществ, содержащихся в топливе. Например, для бурого угля 3Б Богословского месторождения, характеризующегося Vdaf= 48,0% и A - 47,0%, рекомендуется R90 = 45%. Такое же значение R90 предлагается и для бурого угля марки 1Б Александрийского месторождения, у которого Vdaf = 59,0% и Ad = 22,5%. Несоответствие зависимости рекомендуемых значений R90 от величины выхода летучих для пыли твердого топлива, к сожалению, не редкость. Наиболее наглядно это показано на графике (рис. 3), где для топлива, характеризующегося одним и тем же количеством летучих, рекомендуется различная тонкость помола, что противоречит сложившимся на сегодняшний день представлениям.
Тонкость помола пыли конкретного твердого топлива должна обеспечивать надежное ее воспламенение и выгорание, что определяется, прежде всего, теми свойствами топлива, которые характеризуют его химическую активность как горючего вещества. Исторически сложилось так, что нормативные материалы [4] рекомендуют разные значения R90 для одного и того же вида и марки топлива. Это связано с тем, что в рекомендациях учитывается не только химическая активность органической его части, обусловленной величиной выхода летучих, но и тип размольного устройства, используемого для получения пыли. В частности, для бурого угля марки 2Б Райчихинского месторождения с VdaJ = 49,0%; Wt= 37,5%; A=10,5% и Кя0 = 1,3 рекомендуемый ряд значений R90 составляет 38,0; 55,0 и 49,0%; для каменного угля марки Д Черемховского месторождения с Vdaf= 47,0%; Wtr = 12,5%; Ad = 26,0% и Кdо = 1,3 рекомендуются значения полных остатков на сите с размерами ячеек 90 мкм - 28,0; 40,0 и 32,0%. (Рекомендуемые в [4] значения R90 даны для пыли указанных ранее видов топлива при измельчении их соответственно в ШБМ, ММ или М-В и СМ.)
Тонкость пыли, достаточная для надежного ее воспламенения и выгорания, связана с возможностью достижения таковой в размольном устройстве. Выбор типа размольного устройства определяется не только требуемой тонкостью помола пыли, но и другими характеристиками топлива, например, влажностью, абразивностью, сопротивляемостью размолу и др. Пыль, характеризующуюся значением R90 менее 7%, экономически целесообразно получать только при размоле топлива в ШБМ. Получение качественной пыли в процессе размола в среднеходной мельнице топлива с влажностью Wt > 22,0% не представляется возможным. Высокая абразивность и сопротивляемость топлива размолу не позволяют использовать для его измельчения быстроходные размольные устройства, так как при этом существенно увеличиваются издержки эксплуатации. Поэтому приготовление пыли из такого топлива целесообразно осуществлять в тихоходных мельницах.
Рекомендации по выбору значений R90, изложенные в [4], получены на основании анализа большого количества эксплуатационных данных по подготовке и сжиганию твердого топлива, характеризующегося различными физико-химическими и теплотехническими свойствами. Однако сегодня многие угли уже не сжигаются, так как месторождения выработаны; появляются угли новых месторождений, опыт использования которых еще не накоплен. Появились дополнительные требования к качеству готовой угольной пыли в связи с широким распространением технологических методов снижения оксидов азота.
Рис. 3. Выбор тонкости пыли (R) в зависимости от выхода летучих: 1 - АШ, полуантрациты, тощие и каменные угли при размоле в ШБМ; 2 - тощие и каменные уши при размоле в СМ; 3 - каменные угли при размоле в ММ; 4 - бурые угли при размоле в ШБМ; 5 - бурые угли при размоле в СМ; 6 - бурые уши при размоле в ММ и М-В
Рис. 4. Зависимость пористости топлива от теплоты сгорания горючей массы
Основной недостаток анализируемой методики состоит в том, что рекомендуемые значения К90 интегрально учитывают не только свойства топлива, обеспечивающие воспламенение пыли и ее выгорание, в частности, величину выхода летучих, но и физические возможности размольных устройств, которые в некоторых случаях становятся основными аргументами при обосновании тонкости помола пыли. Такой подход не позволяет дифференцированно обосновывать влияние всех факторов, влияющих на качество готовой пыли для обеспечения ее надежного воспламенения и выгорания.
Все перечисленные аспекты вызвали необходимость пересмотра подхода к выбору тонкости помола пыли. Суть нового подхода заключается в том, что кроме влияния выхода летучих Vd на надежное воспламенение топлива предлагается учитывать их теплоту сгорания Qa, что определяет реакционность топлива, выраженную в виде произведения VdQa, а также внутреннюю поверхность угольных частиц.
Пыль бурых углей, приготавливаемая к сжиганию, характеризуется более грубой дисперсностью, чем пыль каменных. Это связано с тем, что частицы бурого, более молодого в биологическом отношении угля, чем каменные, обладают весьма развитой внутренней поверхностью в виде пор, трещин и множества каналов различной конфигурации. Поэтому поверхность реагирования угольной пыли с кислородом воздуха определяется не только внешней ее поверхностью, пропорциональной диаметру частиц пыли или величине ln(100/i?9o), но и внутренней, величина которой находится в прямой зависимости от степени углефикации.
Определение внутренней поверхности частиц представляет собой достаточно сложную задачу. Однако не требуется вычислять ее точное значение, а вполне достаточно использовать показатель, характеризующий пористость частиц Рог, которая позволяет качественно оценить относительную внутреннюю поверхность частицы. Пористость вещества можно определить по кажущейся ркаж и истинной pист плотности топлива. Истинная плотность топлива представляет собой отношение массы топлива к ее общему объему без учета объема пор, а кажущаяся плотность - то же отношение с учетом суммарного объема пор внутри частиц, т.е.
Истинная плотность либо рассчитывается по составу топлива [5], либо определяется с помощью пикнометра. Кажущуюся плотность определяют либо с помощью волюминометра, либо с помощью специального прибора.
Пористость связана с биологическим возрастом топлива, который отражается на степени углефикации топлива и соответственно на теплоте сгорания топлива. Это позволяет получить практически линейную зависимость пористости топлива Роr от теплоты сгорания, подсчитанной на горючую массу Qdaf (рис. 4). Пористость топлива можно рассчитать по выражению
Обработка данных осуществлялась на компьютере с использованием метода Розенброка. Для расчета функции потерь, определяющей погрешность численного метода, использован метод наименьших квадратов.
Рис. 5. Расположение табличных значений тонкости пыли относительно графической зависимости
Выражение (5) может быть использовано и для определения пористости новых видов топлива.
Окончательное выражение для определения величины, пропорциональной поверхности пыли с учетом внутренней ее поверхности, имеет вид
В формулах для расчета размольной производительности мельниц тонкость готовой пыли представлена комплексом [ln(100/R90)]m, пропорциональным поверхности пыли. Показатель степени т зависит от типа размольного устройства и сепаратора. Для ММ с центробежным и инерционным сепараторами т = - 0,6, для гравитационного сепаратора т - - 1; для ШБМ с центробежным сепаратором и механической выгрузкой мельничного продукта, для СМ и М-В т - - 0,5.
На графике (рис. 5) показано сопоставление рекомендуемых значений 1п(100/R90) [4] и значений, рассчитанных по выражению (6), интерполирующему эти данные. Разброс табличных значений относительно кривой объясняется тем, что выбор значений тонкости пыли для многих видов топлива осуществлялся с учетом содержания в нем летучих и фактическими возможностями размольной установки. Такой подход, как было показано ранее, не позволяет учесть влияние теплоты сгорания и внутреннюю поверхность угольной частицы.
Для расчета теплоты сгорания летучих веществ, входящих в произведение VdQп, по данным элементного состава топлива используется известное выражение [6]
Величины, входящие в эту формулу, определяют пересчетом элементного состава, низшей теплоты сгорания и кокса с горючей массы топлива на ее кислородную массу по следующим выражениям:
содержание углерода в зольном коксе определяется как
Вывод
Предложено аналитическое выражение, уточняющее показатель, прямо пропорциональный поверхности пыли твердого природного топлива, для использования его в расчетах размольной производительности мельниц. В предложенной зависимости, кроме внешней поверхности пыли и величины выхода летучих, учитывается теплота сгорания летучих и дополнительная к внешней поверхности внутренняя поверхность частиц топлива с учетом его степени метаморфизма.
Список литературы
- Ромадин В. П. Пылеприготовление. М.-Л: Госэнергоиздат, 1953.
- Ромадин В. П. Пылеприготовление и пылесжигание. М.-Л.: Главная редакция энергетической литературы, 1936.
- Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981.
- Нормы расчета и проектирования пылеприготовительных установок. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1971.
- Лебедев А. Н. Подготовка и размол топлива на электростанциях. М.: Энергия, 1969.
- Толчинский Е. Н., Колбасников В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив. - Электрические станции, 1999, № 3.
