Характеристики летучей золы. Основы теории золоулавливания

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при тем­пературе 800° С (1073 К).

Фазово-минералогические исследования состава золы раз­личных видов твердого топлива показывают, что основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, маг­нетика и различными силикатами кальция.

Характеристики золы (уноса), полученной в топках котлов, несколько отличаются по физико-химическим свойствам и хи­мическому составу от золы, полученной в лабораторных условиях. Такое отличие определяется температурными услови­ями и временем сжигания частиц топлива в топке, где температура значительно выше 800° С. Основными отличитель­ными факторами является шлакование (расплавление) части минеральной составляющей топлива и наличие в золе частиц недогревшего топлива (механического недожога).

Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.

Плотность частиц летучей золы р_ч для большинства углей лежит в пределах 1900—2500 кг/м³. Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений.

Для выбора и расчета золоуловителей большое значение имеет распределение частиц по размерам — дисперсный состав. О частицах судят по размеру наименьшего отверстия сита, через которое частица диаметром d проходит при просеивании. Просеивая золу через ряд сит с различным размером ячеек, получают кривую остатков на сите R_d (рис. 2.1, а).

Ордината кривой показывает количество пыли в процентах, частицы которых больше, чем размер ячейки сита. Можно вместо остатков на сите использовать обратную величину — проход через сито y_d, причем

у_д= 100-R_d

Наименьший размер отверстий в ситах, составляет 44 мкм, поэтому для определения дисперсного состава фракций меньше этого размера, представляющих наибольшие трудности при золоулавливании, используются другие методы — воздушной сепарации, жидкостной седиментации (всплывание или оседание частиц) и микроскопического анализа.

Расчет степени улавливания обычно ведется для каждой фракции частиц отдельно. Содержание той или иной фракции Ф; можно найти из кривой остатков на сите вычитанием остатков на сите на концах заданного изменения диаметров частиц (рис. 2.1, в). При расчете золоуловителей диаметр при­нимают постоянным, равным среднеарифметическому диаметру на его концах. Так, в диапазоне изменения диаметров от 10 до 20 мкм в расчетах принимают в качестве среднего значения 15 мкм. В табл. 2.1 приведен фракционный состав золы уноса некоторых топлив СССР.

Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку.

Распределение частиц золы большинства углей соответствует логарифмическому закону. В этом случае зависимость R_d и d в специальной вероятностной шкале изображается прямой (рис. 2.1,6), а все распределение частиц по фракциям можно характеризовать двумя величинами: d₅₀ — медианным диамет­ром, который соответствует остатку на сите R_d = 50%, и сред­ним квадратичным отклонением

где d_l59; d₅₀ и d₈₄₁—диаметры частиц, которые соответствуют остаткам на ситах, равным 15,9; 50 и 84,1%.

Для определения дисперсного состава золы используют специальные устройства — импакторы. В настоящее время данные дисперсионных анализов получают в основном с помощью каскадных импакторов. Принцип действия каскадных импакторов (рис. 2.2) основан на инерционной сепарации частиц по размерам при пропускании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл или сопловых решеток с расположенными под ними осадительными поверхностями (подложками). Диаметры одиночных сопл или диаметры и число сопл в сопловых решетках подбираются таким образом, чтобы размеры частиц, которые могут осесть в данном каскаде, были меньше размеров частиц, способных осесть в предыдущем. Таким образом, анализируемые частицы оказываются разделенными на фракции, число которых равно общему числу каскадов импактора, включая фильтр.

Для очистки газов в электрофильтрах существенное влияние на эффективность их работы оказывает удельное электрическое сопротивление р. По этому признаку золу углей можно разделить на три группы.

/ группа характеризуется р< 10² Ом-м. Такими свойствами обладает зола, имеющая большое количество недогоревшего углерода, например зола донецкого АШ. Эта зола называется «низкоомной».

// группа золы имеет электрическое сопротивление в пре­делах 10² < р < 10⁸ Ом-м и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных углей—донецкого Т, ГСШ и др.

III группа золы характеризуется р> 10 Ом-м и является электрическим изолятором. Такая зола называется «высокоомной».

К золе III группы относится зола некоторых каменных углей, в ча­стности экибастузского, кузнецкого и др.

Для инерционных золоуловите­лей существенное значение имеет свойство слипаемости золы. По слипаемости зола делится на че­тыре группы: не слипающаяся (1), слабо слипающаяся (II), среднесли-пающаяся (III) и сильнослипающа-яся (IV).

Зола с высокой слипаемостыо забивает циклоны и мокрые золоу­ловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ. Для мокрых золоуловителей су­щественное значение имеет содер­жание в золе оксида кальция СаО. При большом содержании СаО их работа становится невоз­можной из-за цементации золы (сланец, канско-ачинский уголь). При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учиты­вать также следующие свойства золы: абразивность и смачива­емость частиц.

Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Абразивность золы характеризуется коэффициентом а, который опре­деляет утонение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа при концентрации частиц 1 г/м³ и скорости потока 1 м/с, при равномерном распределе­нии поля скоростей и концентраций, при комнатной тем­пературе в течение 1 ч.

Значения коэффициента приводятся ниже:

Уголь ахЮ^д

Донецкий................................. 5,4

Подмосковный........................... 5,4

Челябинский............................ 4

Кизеловский............................... 3,5

Богословский............................. 2,2

Волжские сланцы...................... 3

Экибастузский......................... 8,8

Куучекинский.......................... 6,9

Черемховский.......................... 1,83

Смачиваемость частиц водой оказывает влияние на работу мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость^ тем выше эффективность золоулавливания.

Основным показателем работы золоуловителя является степень улавливания золы:

= (С_ВХ-С_ВЫХ)/С_ВХ = (С_ВХ-С_ВЫХ)/С_ВХ,

где G_BX — количество золы, поступающей в золоуловитель в единицу времени, кг/с; С_ВЫХ—количество выходящей (не уловленной) из золоуловителя в единицу времени золы, кг/с; С_вх — концентрация золы в газе на входе в золоуловитель, кг/м³; С_вых — то же на выходе, кг/м³.

Для проведения расчетов удобна другая величина — проскок (унос) золы через золоуловитель е:

= G_Bbrx/G_BX = C_BbIX/C_BX.

Между степенью улавливания и проскоком имеет место следующее соотношение для оценки экологического совершен­ства золоуловителей:

=1-

В теории золоулавливания используется параметр золо­улавливания 17:

П= А/V,

где 0—скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения); А —площадь поверхности канала золоулавливания, м²; V —расход газа, м³/с.

Таблица 2.2.

Зависимость проскока (степени уноса е) золы через золоулови­тель от параметра золоулавливания П

					Параметр П
Пара-
метр Я	,0	,1		,3	,4	,5	,6	,7	,8	,9
0,	1,0000	0,9048	0,8187	0,7408	0,6703	0,6065	0,5488	0,4966	0,4493	0,4066
1,	0,3679
2,
4,
5,
6,
7,
8,
9,

Рассмотрим два предельных случая движения частиц в по­токе.

Если поток газов движется турбулентно, а частицы до­статочно мелки (менее 30 мкм) и активно участвуют в тур­булентных пульсациях потока, то с известным допущением можно принять, что концентрация частиц у поверхности мало отличается от средней концентрации в рассматриваемом сече­нии золоуловителя. В этом случае выражение для определения степени проскока имеет вид

= C_BbIX/C_BX=ехр(-П)

В табл. 2.2 приведена зависимость между параметром золоулавливания П и степенью уноса г.

Другим предельным случаем является случай, когда частицы не пульсируют в потоке и каждая движется по соответст­вующим линиям тока. Это имеет место, если поток движется ламинарно или частицы настолько крупны, что практически не участвуют в пульсациях потока. Последнее имеет место при размерах частиц, имеющих d₂:»30 мкм. В этом случае даже при турбулентном потоке газов частицы практически не пульсируют.

В этом случае

=1-П; = П.

Улавливание крупных частиц золы (отсутствие пульсаций) идет более интенсивно и полностью заканчивается при П=1. Для мелких частиц (турбулентная пульсация) улавливание идет менее интенсивно и полная очистка газов от золовых частиц происходит при П = .

Во всех случаях степень улавливания возрастает с ростом параметра золоулавливания П. Следует параметр золоулавливания возрастает с увеличением скорости дрейфа, поверхности осаждения и уменьшается с уве­личением расхода очищаемого газа.

Введем понятие удельной площади поверхности осаждения
на 1 м³/с очищаемого газа:

f=A/V.

Тогда параметру золоулавливания можно придать следу­ющий вид, используемый при расчете электрофильтров:

П= f.

Заменим секундный объем газов выражением

V=uF_T,

где и — скорость газа в сечении золоуловителя, м/с; F_r — площадь поперечного сечения для прохода газа, м².

Тогда параметр золоулавливания можно представить в виде
произведения двух безразмерных параметров:

П=ФК,

где Ф = A/F_T — геометрический параметр (параметр формы) золоуловителя, представляющий собой отношение поверхности осаждения к поперечному сечению для прохода газов; К= /и — кинематический параметр, являющийся отношением скорости дрейфа частиц золы на поверхность осаждения к средней скорости потока газов в золоуловителе.

Степень улавливания золоуловителя оказывается тем выше, чем больше произведение этих параметров. При этом следует иметь в виду, что кинематический параметр определяется характером сил, действующих на частицу, размерами частиц, физическими свойствами частиц и газов и аэродинамическими характеристиками потока.

Приведенные выше общие соотношения для степени улав­ливания в золоуловителях выведены при следующих условиях: каждая частица золы, достигнув осаждающей поверхности, не может возвратиться обратно в поток (отсутствует вторичный унос); все частицы имеют одинаковую скорость осаждения (дрейфа); распределение скоростей газа по сечению потока является равномерным.

Теоретических формул, которые бы полностью учитывали все перечисленные допущения, не существует, поэтому при реальных расчетах золоуловителей приходится вводить эмпири­ческие поправки, особенно это относится ко вторичному уносу.