№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.438:621.311.22
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВОЗВРАТА МАТЕРИАЛА АППАРАТОВ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ
© 2014 г. Г.А. РЯБОВ, О.М. ФОЛОМЕЕВ
ОАО "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт "
(ОАО ВТИ), г. Москва E-mail: georgy.ryabov@gmail.com; vti@vti.ru
Рассмотрены вопросы опускного движения материала в циркуляционном контуре котлов с циркулирующим кипящим слоем и системах со связанными между собой реакторами (полигенерирующие системы для получения электроэнергии, тепла и полезных продуктов и химические циклы сжигания и газификации топлив). Разработаны методические подходы и приведены зависимости для определения основных показателей псевдоожижения в опускных системах. Расчетная модель подтверждена рядом опытных данных, полученных на экспериментальных установках в широком изменении размеров частиц и скоростей ожижающего агента (воздуха). Определены граничные условия режимов движения в плотном слое, переходном режиме и режиме полного ожижения для систем со стояками и петлевыми затворами. Полученные зависимости позволяют переносить экспериментальные данные, полученные на аэродинамических установках на реальные промышленные контуры циркуляции с пневматическими затворами.
Ключевые слова: циркулирующий кипящий слой, связанные между собой реакторы, системы возврата материала, пневматические клапаны, гидродинамики опускного движения материала, скорость начала псевдоожижения, порозность, скорость скольжения, расход материала, внутренняя циркуляция.
THE METODS FOR CALCULATION OF FLIDIZATION PARAMETERS FOR SOLIDS RETURN SYSTEMS OF CIRULATION FLUIDIZED BED REACTORS
G.A. Ryabov, O.M. Folomeev
Joint Stoke Company "All-Russia Thermal Engineering Institute "
Solids down flow in circulation circuit of fluidized bed boilers and dual interconnected reactors (polygeneration systems for heat, electricity and useful products and chemical looping combustion and gasification) were considered. A methodical approaches and calculation equations for main fluidization parameters of solids down flow systems were done. The calculation model was confirmed by experimental data of test rigs in wide range of particles sizes and fluidizing agent (air) velocities. A boarding condition of paced bed motion, transition regimes and full fluidization regimes for return systems with standpipes and J-valves were determined. The obtained equations permits to transfer experimental data from cold test rigs to real industry circulation circuit with pneumatic valves.
Key words: circulation fluidized bed, dual interconnected reactors, solids return systems, pneumatic valves, solids down flow hydrodynamics, minimal fluidization velocity, voidage, slip velocity, solids flow rate, internal circulation.
Введение
Котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) часто используются в энергетике. Известны преимущества технологии ЦКС, которые определяются длительным временем пребывания частиц в реакционной зоне за счет высокой кратности циркуляции, стабильной и относительно низкой температурой в топке при ступенчатой подаче воздуха, оптимальной температурой для связывания оксидов серы известняком. Важным элементом этих котлов являются системы отвода уловленного в сепараторах золы (циклонах) материала и возвращения его обратно в топку. Эти системы состоят из опускных стояков, снабженных в нижней части пневматическими клапанами для транспорта материала из зоны низкого (атмосферного) давления в циклоне в зону высокого давления в топке. Пневматические клапаны (рис. 1) работают по принципу пссевдоожиженных затворов, причем запирающую функцию затворов выполняет подъемный участок с наклонной течкой возврата в топку (петлевой затвор или /-клапан) или горизонтальный участок, соединяющий сток с топкой (Z-клапан).
Опускное движение в стояке может происходить в режиме движущегося вниз плотного слоя или в переходном режиме, при большом расходе попадание ожижающего агента (газ, пар, воздух) в стояк возможен и при режиме с пузырьковым ожижением, который может приводить к попаданию воздуха в циклон. Границы режимов зависят от скорости скольжения (суммы скоростей материала и газа с разными знаками направления движения, см. ниже). Если скорость скольжения положительна (положительное направление — вниз), то движение происходит в плотном слое, если отрицательно, — то в переходном режиме, при большом значении этой скорости — в режиме пузырькового слоя.
В последнее время за рубежом получили развитие так называемые полигенерирую-щие системы с получением электроэнергии, тепла и полезных продуктов (генераторный газ, смолы, моторные топлива). Установка (полигенерирующая система) состоит из двух связанных реакторов с кипящим и циркулирующим кипящим слоем. В реакторе с кипящим слоем (КС) происходит паровая газификация (пиролиз при подаче газов рециркуляции) твердых топлив с получением генераторного газа с теплотой сгорания 12—16 МДж/м3. Тепло для процесса подводится твердым теплоносителем из реак-
Рис. 1. Схемы пневмозатворов циркуляционных контуров: а—Х-клапан; б — петлевой затвор (/-клапан)
тора (котла) с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), в котором дожигается кокс. Системы связанных реакторов используются в высокотемпературных химических циклах сжигания и газификации топлив с улавливанием СО2 и карбонатных циклах очистки дымовых газов от СО2 [1]. Очень важным для систем связанных реакторов является поддержание большой кратности циркуляции материала и обеспечение надежной работы затворов и всех систем перетока частиц между реакторами.
В связи со сложностью проведения исследований гидродинамики опускных потоков на огневых установках, они проводятся на аэродинамических установках с возможностью переноса полученных данных на реальные объекты. Анализ результатов исследования гидродинамики связанных реакторов требует определения основных показателей псевдоожижения: скорости начала псевдоожижения, порозности вибрационного слоя (минимальная порозность материала, слой с плотностью после утряски) и порозности слоя при минимальном псевдоожижении, которые зависят от физических характеристик газа и частиц.
Ниже приведены методики определения основных показателей псевдоожижения (минимальная скорость ожижения, скорость скольжения и порозность при опусном движении и в подъемной части пневматических клапанов). Они базируются на данных исследований ВТИ, проведенных на аэродинамических установках.
1. Определение минимальной скорости псевдоожижения
На аэродинамической установке параметры газа (плотность, динамическая и кинематическая вязкость) изменяются в узких пределах, так как температура (20—27°С) и избыточное давление (до 4 кПа) почти постоянны. Вместе с тем их влияние на параметры ожижения должны учитываться с помощью расчета по известным критериальным зависимостям.
Физические параметры частиц песка определяются путем периодического (как правило, при новой загрузке) отбора представительных проб и их анализа по стандартным методикам определения насыпной плотности, плотности при утряске, истинной плотности и удельной поверхности. В наших исследованиях фракционный со-
Таблица 1
Физические характеристики материала в исследованиях ВТИ
№ п/п Показатель Дата отбора
28.06.12 09.07.12 22.07.13 17.09.13
1 Истинная плотность, р (кг/м3) 2550 2580 2620
2 Насыпная плотность, рн (кг/м3) 1570 1520 1520
3 Плотность с утряской, рв (кг/м3) 1690 1640 1670
4 Средний диаметр по массе, йм (мм) 0,444 0,380 0,429 0,220
5 Средний диаметр по поверхности, йп (мм) 0,323 0,299 0,294 0,17
6 Удельная поверхность, 5 (см2/г) 200* 215* 145
7 Коэффициент формы, Ф 0,5* 0,48* 0,75** 0,78
8 Расчетный средний диаметр, (мм), с Ф 0,333 0,285 0,322 0,172
(0,222*) (0,18*)
9 Порозность насыпного слоя, Ен 0,384 0,410 0,4 0,42
10 Порозность вибрационного слоя, Ев 0,337 0,365 0,36 0,363
* Определено для мелкой фракции (<0,315 мм).
** Средняя оценка по литературным данным.
AP/L, кПа/м 16
12
О /
О
/ /
-
,J г -
H, мм 600
580
560
540
520
500
0,04 0,08 0,12 0,16
U, м/c
Рис. 2. Зависимости градиента давлений и высоты набухания от скорости воздуха при постоянной температуре 26°С и атмосферном давлении
8
4
0
став определялся ситовым анализом и на специальном приборе (Fritsch Particle Sizer) для мелких фракций. По этим данным рассчитываются значения среднего размера частиц по массе и по поверхности. Определяются порозность насыпного слоя и пороз-ность вибрационного слоя. В табл. 1 приведены данные по физическим характеристикам песка. Важным является коэффициент формы, который необходимо учитывать для определения среднего размера полидисперсных частиц (произведение среднего размера по массе на коэффициент формы) по литературным данным для песка он находится в диапазоне 0,7—0,8. Его можно также определить через значение удельной поверхности по простой зависимости 6/(d х S), где d — средний размер по массе, м; S — удельная поверхность, м2/м3.
Как следует из данных табл. 1, плотности отличаются незначительно (в пределах погрешности измерений). Наибольший разброс данных относится к размерам частиц. Следует отметить, что обычно средний размер по поверхности несколько меньше расчетного с учетом коэффициента формы.
Для уточнения параметров псевдоожижения был проведен специальный опыт с крупной фракцией песка непосредственно на вертикальном участке L-клапана с визуальными наблюдениями начала ожижения, высотой набухания и измерением перепада давлений с последующим расчетом градиента давлений. Результаты опыта в виде зависимости градиента давлений и высоты набухания от скорости воздуха при постоянной температуре 26°C и атмосферном давлении приведены на рис. 2.
Из данных рис. 2 следует, что опытные значения скорости начала псевдоожижения, порозности при минимальном псевдоожижении и градиента давлений при минимальном псевдоожижении равны 0,1 м/с, 0,4, 12 кПа/м соответственно.
Необходимо было сопоставить эти данные с расчетными зависимостям
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.