Формусатин Владимир Формусатин Владимир
 |
Энергосберегающие технологии Повышение производительности пылесистем с ШБМ I Общие положения Во многих отраслях промышленности, например, в производстве строительных материалов, энергетике, добыче полезных ископаемых технология процессов требует измельчения исходного материала, разделения полученного продукта по фракциям и отделения газового агента, как правило, воздуха, от твёрдой фазы. Напомним, что совокупность твёрдых или жидких частиц или тех и других, взвешенных в воздухе - это аэрозоль. Аэрозоли, полученные в результате распыления твёрдого порошкообразного исходного материала и перевода его во взвешен ное состояние, называются дисперсионными или пылями. Типичной схемой получения угольной пыли является установка пылеприготовления на тепловых электростанциях, которая позволяет сжигать уголь в топках котлов в виде взвешенных в воздухе мелких частиц. Установка пылеприготовления (в дальнейшем пылесистема), показанная на рисунке, состоит из следующих агрегатов: шаровой барабанной мельницы, пылеразделителя (сепаратора), пылеотделителя (циклона), мельничного вентилятора (не показанного на рисунке) и пылепроводов.В мельнице производится сушка и измельчение угля, в сепараторе, под действием центробежных и гравитационных сил, происходит разделение частиц на фракции и наиболее крупные из них по контуру возврата попадают вновь в мельницу на домол, в циклоне под действием тех же сил, происходит отделение пыли от воздуха, а кондиционная пыль (точнее порошок) накапливается в бункере откуда поступает в топку котла. Мельничный вентилятор обеспечивает циркуляцию горячего воздуха (300-400°С) по всему контуру пылесистемы.  Основными критериями эффективности работы пылесистемы можно считать: максимальная производительность и низкие удельные расходы электроэнергии. (квт.ч/тонна) на помол и транспортировку угля, при удовлетворительной дисперсности угольной пыли.Необходимо отметить очень важную особенность шаровой барабанной мельницы (ШБМ), а именно, очень высокий расход электрической энергии на холостой ход этого агрегата, достигающий 90 и более процентов от общего расхода при загруженной мельнице углем. Таким образом, чем выше производительность пылесистемы, тем ниже удельные расходы электроэнергии. Производительность мельницы и пылесистемы в целом, при неизменных остальных параметрах, зависит от загрузки мельницы углем и в значительной степени от величины вентиляции всего контура. Оба эти параметры тесно взаимосвязаны. Вентиляция, в свою очередь, обуславливается производительностью мельничного вентилятора, и аэродинамическими сопротивлениями участков пылесистемы. Общее сопротивление пылесистемы определяется конструктивными размерами и расходом пылевоздушногого потока. При этом, чем выше концентрация пыли в потоке, тем больше сопротивление при равных прочих условиях. Кроме этого дополнительное сопротивление определяется повышенной концентрацией угольной пыли на участках, где происходит изменение скорости или направления пылевоздушного потока. С учетом этих общих положений и принципов воздушной сепарации пыли проектируются и изготавливаются пылесистемы с ШБМ и воздушнопроходными сепараторами. Многолетний опыт эксплуатации и многочисленные испытания подобных установок показали, что мельница и сепаратор, весьма несовершенные аппараты с очень низким КПД. Мельница имеет значительное аэродинамическое сопротивление выходной горловины, что затрудняет вынос пыли, снижая тем самым её производительность. Результаты рассева на стандартных ситах продукта возврата после сепаратора свидетельствуют о наличии в нем до 50 процентов кондиционной пыли, которая необоснованно затем переизмельчается в мельнице, увеличивая расход электроэнергии на помол. Кроме того, в этом случае возрастает и расход энергии на пневмотранспорт. Описанные явления не совсем соответствуют аэродинамическим законам, принятым при конструировании этих аппаратов. Основной причиной этого обстоятельства является трибоэлектризация частиц угольной пыли и электродинамическое взаимодействие их между собой. II Влияние трибоэлектризации на пылесистему Известно, что частицами угольной пыли, транспортируемыми воздушным потоком по пылепроводам, приобретается определённый электрический заряд - трибоэлектризация частиц угольной пыли. Электрические заряды возникают в результате размола угля в мельнице, трения частичек угольной пыли между собой, и между частицами и металлом стенок аппаратов пылесистемы. Интенсивность генерации трибоэлектричества пропорциональна площади и отношению диэлектрических проницаемостей трущихся материалов. Относительная диэлектрическая проницаемость составляет для угля 3-6 единиц, а для металла (проводник) более 1000. Кроме того, имеет значение, под каким углом частица соударяется с поверхностью металла - чем он меньше, тем меньше электризация пыли. Например, при движении пылевого потока по вертикальному пылепроводу частицы у стенок не имеют контакта непосредственно с металлом, а трутся об частицы, осевшие на стенках пылепровода. Участками пылесистемы (по ходу потока), где происходит интенсивная трибоэлектризация, являются: барабан и выходная горловина мельницы, вершина внутреннего конуса, створки и внутренняя поверхность конуса сепаратора – на участках повышенного абразивного износа. Степень электризации пыли в барабане зависит от площади обнаженной поверхности металла – брони и шаров, то есть от количества угля, находящегося в мельнице. Согласно закону трибоэлектризации Кэнона положительным знаком электричества заряжается то вещество, из пары трущихся, которое имеет большую диэлектрическую проницаемость .В нашем случае частицы угольной пыли приобретают отрицательный заряд, а пылесистема имеет нулевой потенциал так как все агрегаты заземлены. Электрический потенциал частиц угольной пыли в результате трибоэлектризации достигает !5 и более кВ. Угольной пыли, как и другим аэрозолям, с преимуществом заряженных частиц одной полярности, свойственно явление электрического рассеяния частиц под действием кулоновских сил. Границами рассеяния являются стенки аппаратов пылесистемы - мельницы, сепаратора, циклона и пылепроводов. Взаимодействие заряженных частиц между собой и влияние на них воздушного потока обуславливают коллективные процессы поведения частиц угольной пыли, определяемые законами электрогазодинамики дисперсных систем. Под влиянием аэродинамических сил заряженные частицы пыли скапливаются перед элементами пылесистемы, имеющими местное увеличение аэродинамического сопротивления – выходные патрубки мельницы и сепаратора, а также в сечении наружного конуса сепаратора , где скорость потока минимальная. В результате в этих местах образуется объемный электрический заряд, носителем которого являются частицы угольной пыли и с увеличением вентиляции пылесистемы пылевое облако уплотняется, а плотность объёмного заряда возрастает. На рисунке области пылесистемы с повышенной концентрацией заряженной пыли выделены синим цветом. Наличие заряженного пылевого облака у выходных горловин создаёт дополнительное аэродинамическое сопротивление элементов пылесистемы, образует в этих местах процессы электросепарации частиц угольной пыли по признаку их электрозаряженности. Заряженное пылевое облако у выходной горловины мельницы препятствует выносу из барабана мельницы кондиционных частиц пыли заряженных одноимённо по отношению к заряду пылевого облака. В результате часть угля в мельнице переизмельчается, а часть преждевременно выносится. Аналогично протекает процесс электросепарации в сепараторе пыли, чем в значительной степени объясняется тот факт, что возвращаемый мельничный продукт из сепаратора содержит до 50% готовой пыли, а барабан мельницы невозможно в течение длительного времени освободить от пыли при полной вентиляции и отсутствии поступления угля в мельницу. С целью определения влияния электрической заряженности угольной пыли на процесс пылеприготовления на блоке 200 мВТ были проведены испытания типовой пылесистемы с промбункером, мельницей ШБМ 400/800 и сепаратором ТКЗ-ВТИ диаметром 4750 мм. Топливо-смесь донецких углей марок Т и АШ. Основной особенностью проводимых исследований являлась непрерывная регистрация тока электризации и расхода угольной пыли за сепаратором с помощью специально сконструированного электронного расходомера угольной пыли, а также перепада давления на выходной горловине мельницы. Периодически измерялся потенциал измерительного электрода изолированного от корпуса сепаратора. Электрод представлял стальной стержень диаметром 4мм, диаметрально установленный на высоте 1,2м выходной горловины сепаратора в плоскости перпендикулярной направлению потока. Остальные параметры измерялись штатными приборами, тонкость помола определялась рассевками пыли на стандартных ситах. На основании полученных данных сделана попытка, определить условия зарождения пылевого заряженного облака и степень влияния его электродинамических сил на процесс сепарации пыли, например, во внешнем конусе сепаратора (при отсутствии центробежных сил). Подробнее об этом можно узнать из моей статьи в журнале «Электрические станции» №6, 2007, здесь же приведены отдельные фрагменты. 
Рис.2. Графики зависимости сил от диаметра частицы: На приведенном графике изображены силы, действующие на частицу угольной пыли, в сечении наружного конуса, где скорость потока минимальна, и происходит аэродинамическая и электрическая сепарация. Графики построены на основании экспериментальных данных. Анализируя графики, можно утверждать, что силы электродинамического воздействия на частицы угольной пыли соизмеримы с остальными силами, и играют весьма значительную роль в процессе сепарации. На графике видно, что при отсутствии электрических сил вся кондиционная пыль, с размером частиц до 95 микрон, проходит беспрепятственно через данное сечение. Готовая пыль не возвращается в мельницу и, следовательно, не переизмельчается и излишне не загружает выходное сечение мельницы. При наличии электрической силы Fe частицы пыли размером 78-95 микрон также будут возвращены в мельницу. Этим в значительной степени объясняется высокий процент готовой пыли в возврате из сепаратор а и низкий его к.п.д. Таким образом на одних и тех же участках действуют аэро- и электросепарация, которые тесно взаимосвязаны. Если под действием внешних сил, например, изменения вентиляции, происходит перемещение массы угольной пыли, перемещаются и электрические заряды которые оказывают влияние на это перемещение. Влияние это может иметь как положительный эффект, так и отрицательный - все зависит от конкретных параметров, установившихся на пылесистеме. Задача по оптимизации работы установки сводится к уменьшению отрицательного влияния злектросепарции ,и по возможности использование положительной стороны этого процесса.Наиболее нагруженным участком пылесистемы (имеющим большое аэродинамическое сопротивление) является выходная горловина мельницы в силу того, что сюда стекаются потоки возврата топлива из сепаратора и вновь полученный продукт в результате размола сырого угля. На этом же участке происходят и описанные процессы сепарации, обуславливающие дополнительное сопротивление. Следовательно, можно утверждать, что общее сопротивление выходной горловины мельницы состоит из двух составляющих: одна определяется расходом пылевоздушного потока и вторая, являющаяся следствием наличия электросепарации. На первую составляющую повлиять без конструктивных изменений установки нельзя – это неизбежные транспортные издержки. Второй составляющей можно управлять, в том числе и режимными мероприятиями .Можно сделать вывод, что явление трибоэлектризации оказывает крайне негативное влияние на работу пылесистемы, снижая ее производительность и увеличивая дисперсность пыли. Как отмечалось выше генерация трибоэлектричества зависит площади и диэлектрических свойств трущихся материалов. Один из способов уменьшить эту генерацию может заключаться в том, чтобы покрыть участки повышенного абразивного износа материалом с меньшей диэлектрической постоянной, например, керамикой. Ниже будут рассмотрены возможности существенного уменьшения влияния трибоэлектричества на пылесистему режимными мероприятиями. (Здесь будут приведены отрывки из моей статьи в ж. «Электрические станции» №1,2008.). III Электризация пыли ипроизводительность пылесистемы И хотя все выводы относительно негативного влияния трибоэлектричества на работу пылесистем справедливы, они отражают лишь часть общего процесса электризации угольной пыли. Из физики твердого тела известно, что при разрушении (измельчении) вещества, имеющего кристаллическую структуру и невысокую электропроводность, вновь образованные частицы приобретают электрические заряды обеих полярностей. Суммарный заряд частиц равен нулю, так как исходный материал электрически нейтрален. Можно утверждать, что весь уголь, поступивший в барабан мельницы после измельчения, разделяется на две равные части по массе, с одинаковыми электрическими зарядами по величине, но противоположными по знаку электричества. При отсутствии трибоэлектрических зарядов, заряды частиц, полученные в результате измельчения, никак себя не проявляют, результирующее электрическое поле любой совокупности частиц отсутствует. Угольная пыль в этом случае, являясь электрически нейтральной средой, подчиняется всем законам аэродинамики. В реальных условиях в пылесистеме при её работе генерируются трибоэлектрические заряды отрицательной полярности [1], что нарушает баланс электрических зарядов, и создаются условия для возникновения объемного электрического заряда в определенных участках пылесистемы (рис.1). Вследствие наличия контуров возврата топлива из сепаратора, особенно интенсивно скапливаются отрицательно заряженные частицы угольной пыли у выходной горловины мельницы (сечение Ш), что существенно увеличивает аэродинамическое сопротивление и усиливает напряженность электрического поля. Наличие же поля отрицательной полярности затрудняет выход одноименных по знаку частиц и наоборот способствует выносу более крупных положительно заряженных частиц пыли. Таким образом, происходит электросепарация – разделение заряженных частиц в зависимости от их знака заряда. В свою очередь положительно заряженные частицы в сечении II сепаратора (рис.1), образуют устойчивый объёмный положительный заряд [1], который обуславливает второй этап электросепарации - часть положительно заряженных частиц возвращается в мельницу, а отрицательно заряженные частицы беспрепятственно, с ускорением поступают через створки во внутренний конус сепаратора. У выходной горловины сепаратора, сечение I, благодаря отрицательному объёмному заряду осуществляется третий этап электросепарации - возврат части отрицательных частиц в мельницу. Таким образом, полярность объемных зарядов по ходу потока чередуется - в сечении I и III одного, а в сечении II– противоположного знака. Полярность и чередование объемных зарядов показаны на рис.1. Устанавливается устойчивый но, к сожалению, неэкономичный режим. При этом необходимо отметить, что пыль на выходе из сепаратора имеет отрицательный результирующий заряд. При таком расположении объемных зарядов отрицательные частицы пыли, которых в пылесистеме больше, должны преодолевать два этапа электросепарации. Это приводит к повышенному возврату готовой пыли в мельницу со всеми вытекающими негативными последствиями. 
Рис.1. Технологическая схема пылеприготовления с расположением и полярностью
объемных электрических зарядов В результате происходящих процессов в одних и тех же местах пылесистемы действуют два процесса сепарации пыли, которые тесно взаимосвязаны. Так если под действием внешних сил, например, изменением вентиляции, происходит перемещение массы угольной пыли, перераспределяются и электрические заряды, которые в свою очередь оказывают влияние на это перемещение. Наличие электросепарации самым отрицательным образом влияет на производительность пылесистемы и качество приготовляемой пыли, так как увеличивается аэродинамическое сопротивление на участках сепарации, растет возврат в мельницу кондиционной пыли, возрастает её полидисперсность. Эти факторы обуславливают повышенный расход энергии на помол топлива, на транспорт пыли и ухудшают экономичность парогенератора. Так как оба процесса сепарации действуют совместно на одних и тех же участках пылесистемы необходимым условием эффективной работы всей установки является согласованное взаимодействие аэродинамической и электрической сепарации. Размольная способность мельницы (если нет ограничения по сушке) значительно выше, нежели способность по удалению пыли из барабана (эвакуационная способность), и как следствие при стремлении поднять производительность увеличением подачи угля происходит накопление материала в мельнице. Без принятия надлежащих мер все заканчивается завалом. На некоторых электростанциях работает автоматика загрузки мельницы углем с импульсом (сигналом) по уровню накопленного материала в мельнице. Основная функция автоматики – согласование (баланса) размольной и эвакуационной возможностей мельницы. Существуют еще свыше десятка различных схем автоматизации с различными сигналами, но суть всех схем автоматизации сводится к упомянутой функции - нахождению баланса между производимой пылью и удаляемой из мельницы. Даже при идеально работающей автоматике производительность пылесистемы не может быть выше эвакуационной способности мельницы. Основной причиной низкой «выносной» способности мельницы является высокое аэродинамическое сопротивление её выходной горловины, в силу того, что сюда стекаются потоки возврата топлива из сепаратора и производимая в мельнице пыль. Как следует из статьи, на этом участке образуется объемный электрический заряд, который обуславливает электросепарацию и создает дополнительное сопротивление. Таким образом, общее сопротивление выходной горловины состоит из двух составляющих: сопротивления: обусловленного расходом пылевоздушного потока и сопротивления связанного с наличием объемного заряда. На первую составляющую без конструктивных изменений повлиять нельзя – это неизбежные транспортные расходы, а второй составляющей можно управлять, в том числе и режимными мероприятиями. Объемный электрический заряд в сечении III формируется потоками заряженных частиц образовавшихся в результате: помола топлива, возврата части его из внутреннего и внешних конусов сепаратора и рециркуляции запыленного воздуха (если она включена). Для исключения электросепарации в сечении III и этим самым уменьшить аэродинамическое сопротивление, необходимо, чтобы результирующее электрическое поле мельничного продукта, проходящего через данное сечение, равнялось нулю. По условию сохранения материального баланса в мельнице [2]. 
где B – расход мельничного продукта через сечение III, кг/сек; b-производительность пылесистемы по готовой пыли, которая равна количеству топлива, поступающему в мельницу, кг/сек; К, КI , KII –коэффициенты циркуляции топлива - общий из обоих конусов, из внутреннего и наружного конусов сепаратора, соответственно [2].
где +q, -q - электрические заряды, полученные каждым килограммом пыли в результате помола 2кг сырого угля, к/кг, -q1, -q2 – трибозаряд, полученный одним кг топлива за один цикл циркуляции его по контуру возврата из внутреннего и внешнего конусов сепаратора соответственно, к/кг, -q3 - трибозаряд, полученный одним кг топлива при прохождении через барабан мельницы, к/кг. Для выполнения равенства необходимо, чтобы отношение коэффициентов КI/KII было меньше единицы. Это свидетельствует о том, что для нейтрализации объемного заряда в сечении III необходимо, чтобы кратность циркуляции топлива из наружного конуса сепаратора была больше, нежели из внутреннего. Соотношение коэффициентов циркуляции возможно регулировать изменением вентиляции или загрузкой мельницы углем. При неизменной загрузке углем уменьшением вентиляции понижаем значение коэффициента КI до значения, при котором выполняется данное равенство. Однако такому режиму присущ существенный недостаток – для уменьшения сопротивления выходной горловины мельницы приходится снижать общую вентиляцию пылесистемы. Анализируя уравнение, отметим, что чем сильнее электризуется пыль, тем больше приходится снижать общую вентиляцию. Таким образом, при компенсации отрицательного объемного заряда в сечении III уменьшается сопротивление выходной горловины мельницы, но ценой снижения общей вентиляции, в результате чего производительность пылесистемы становится ниже исходного значения. Учитывая, что первопричиной возникновения электросепарации является трибоэлектричество отрицательной полярности, нарушающее общий баланс положительных и отрицательных зарядов, напрашивается вывод о компенсации трибозарядов путем ввода в мельницу извне положительных зарядов. Однако такой метод, хотя и осуществим технически, требует определенных материальных и энергетических ресурсов. Второй путь более рационален и заключается в том, чтобы искусственно создать такой режим, когда положительно заряженные частицы будут находиться в пределах пылесистемы более длительное время, нежели отрицательные, что равносильно дополнительной генерации положительных частиц. Ниже будут сформулированы условия, при которых подобный режим может быть осуществлен. Для описанного выше режима («режим-»), при неизменной загрузке мельницы углем, уменьшением вентиляции необходимо установить отношение коэффициентов циркуляции КI/КII меньше величины, при которой наступает нейтрализация объемного заряда в сечении III. Объемный заряд в сечении II имеет положительную полярность, и частицы топлива, попадающие в мельницу, заряжены преимущественно положительным зарядом. Таким образом, с учетом соотношения коэффициентов циркуляции результирующий заряд частиц топлива с обоих контуров возврата будет положительным. В барабане мельницы происходит компенсация зарядов и по прошествию 10-15минут в сечении III устанавливается объемный заряд положительной полярности. Спустя 20-25 минут меняются полярности объемных зарядов и в сечениях II и I, расположение и чередование зарядов показано в скобках на рис.1 («режим +»). Для стабилизации данного режима (чтобы не произошла обратная смена полярности объемных зарядов при дальнейшей загрузке мельницы углем) необходимо восстановить максимальную вентиляцию. Уравнение баланса зарядов с учетом их знака, в сечении III для этого режима, (без учета рециркуляции) будет следующим.
При максимальной вентиляции величина К1 превышает необходимое значение для выполнения, данного равенства.Постепенно загружая мельницу углем, снижается общая вентиляция и коэффициент циркуляции топлива К1 из внутреннего конуса сепаратора. При достижении условия выполнения равенства производительность пылесистемы будет максимальной и существенно выше, чем при «режиме-». Если нет ограничений по сушке топлива, дальнейшее повышение производительности пылесистемы осуществляется увеличением подачи угля в мельницу, одновременно увеличивая рециркуляцию. Максимальная производительность пылесистемы в этом случае определяется режимом, когда дальнейшее увеличение подачи угля уменьшает выход готовой пыли. Это режим предельной размольной способности мельницы. При необходимости промежуточной (меньше максимальной) загрузки мельницы следует уменьшить расход воздуха с тем, чтобы не допустить электросепарации с её негативными последствиями, уже при положительном заряде в сечении III. Физический смысл увеличения производительности состоит в том, что электросепарация действует только в двух сечениях, выделяя соответственно положительные и отрицательные частицы. Особенно важно, что электризация пыли о створки сепаратора способствует удалению из пылесистемы частиц обеих полярностей, что уменьшает сопротивление выходной горловины сепаратора. Кроме того, учитывая, что в этом режиме пыль на выходе из сепаратора заряжена положительно включение рециркуляции особенно эффективно. Подачу топлива необходимо выполнять небольшими ступенями с выдержкой времени 10-15 минут, так как процесс изменения величины зарядов инерционен. При достижении максимальной производительности фиксируется значение перепада давления на выходной горловине мельницы и ток измерительного электрода, величину которого контролируют и поддерживают режимом вентиляции. В эксплуатации персонал при пуске установки, когда поступление топлива невелико, а вентиляция максимальная, неосознанно устанавливает «режим-». Далее загружает мельницу углем, согласно режимной карте. Форсированная, без выдержки времени, загрузка топливом мельницы, при наличии интенсивной электросепарации, ведет к перегрузу сечения III. Кроме того, существенно ухудшается качество пыли, она становится более грубой. Возникает необходимость разгрузить мельницу. Отсутствие расходомера угольной пыли не позволяет более рационально вести режим и персонал полагается в основном на собственный опыт и интуицию. На основании изложенного выше следует важный вывод, что любой загрузке мельницы углем в «режиме + » должна соответствовать своя оптимальная величина вентиляции пылесистемы. При превышении этого значения увеличивается электросепарация пыли, при снижении происходит периодическая смена знака объемных электрических зарядов и режимов. Чтобы в силу эксплуатационных колебаний параметров пылесистемы не происходила смена «режима +», желательно вентиляцию поддерживать несколько выше оптимальной величины. Для этого достаточным критерием является превышение на 10-15 % тока измерительного электрода от оптимального значения.
IV Общие выводы
Список литературы.
Заключение. Работы по исследованию пылесистем с ШБМ-50 проводились в течение нескольких лет на энергоблоках ТЭС. Основные особенности экспериментов: непрерывная регистрация тока элекризации пыли, расхода угольной пыли с помощью специально сконструированного электронного расходомера (расходомера угольной пыли) и перепада давления на выходном патрубке мельницы. Кроме этого регистрировались все показания штатных приборов пылесистемы. Получен и обработан обширный экспериментальный материал, в том числе по эффективности использования электронного расходомера пыли. Даём консультации и рекомендации, оказываем техническую помощь в проведении первоначальных испытаний пылесистем, предлагаем по результатам этих испытаний различные технические решения по снижению отрицательного влияния электризации угольной пыли, предоставляем информацию по электронному расходомеру угольной пыли, выполняем наладку пылесистем на договорных условиях. |
 |
 |
|
E-mail: vformus@mail.ru Тел.
(+373 22) 727817, (+373 22) 253320
Гостевая Книга
|
 |
 |
 |
 |
 |
 |
