CC BY
7
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 66.047.75 Проф. В.М. Атаманюк, д-р техн. наук асист. 1.Р. Барна;
магктр 1.В. ФЫтоеич; магктр Н.В. Сешееська -НУ "Львiвська полтехтка"
Г1ДРОДИНАМ1КА ТА К1НЕТИКА ФЫЬТРАЦШНОГО СУШ1ННЯ СИРОВИННИХ МАТЕР1АЛ1В ВИРОБНИЦТВА ШЛАКОВОГО ГРАВ1Ю
Представлено результати експериментальних i теоретичних дослiджень пдроди-намжи i кiнетики фiльтрацiйного сушiння сировинних матерiалiв виробництва шлакового гравiю. Дослiджено вплив технологiчних параметрiв теплового агента на швид-кiсть фiльтрацiйного сушшня.
Ключовi слова: гiдродинамiка, кiнетика, шлак, глина, вологовмют, швидкiсть фiльтрацiйного сушшня.
Вступ. У наш час проввдне мiсце у структурi виробництва електроенер-гií посiдаe теплоенергетика, внаслiдок даяльносп яко1, утворюеться велика кшь-ккть вiдходiв. Золошлаки, що утворюються ввд спалювання вугiлля на ТЕС, е великотоннажними вiдходами, якi нагромаджуються у вдаалах, негативно впливаючи на шдземш та поверхневi води, i вiдповiдно, здоров'я населення [1]. Незважаючи на переваги i перспективи широкого застосування золошлакових вiдходiв, обсяг íх використання в нашiй краíнi не перевищуе 10 %
Одним з перспективних напрямкiв утилiзацií золошлакових вiдходiв е виробництво з них пористого наповнювача - шлакового гравда Аналiз техно-логiчного процесу виробництва шлакового гравда показав, що одним iз найбшьш затратних еташв виробництва шлакового гравда е сушшня сировинних матерiалiв (шлаку, глини). Як вщомо, iснуючi методи сушiння характеризу-ються значними енергетичними затратами, що вiдповiдно впливае на собiвар-тiсть отриманих будiвельних вироб1в, тому дослiдження процесу сушшня сировинних матерiалiв для виробництва шлакового гравда, з метою зменшення енергетичних затрат, е актуальною задачею.
Ми пропонуемо фiльтрацiйний метод сушшня, який належить до висо-коштенсивних метод1в, фiзична суть якого полягае у профшьтровуванш теплового агента ^зь пористу структуру шару дисперсного матерiалу, який розмь щений на перфорованш перегородцi в напрямку "шар дисперсного матерiалу -перфорована перегородка" [2, 3]. Основними перевагами цього методу е: наяв-нiсть мехашчного витiснення вологи, максимальне насичення теплового агента парами вологи, висою коефщенти тепло- й масовiддачi, якi обмежеш лише еко-номiчною доцiльнiстю процесу, що дае змогу використовувати низькотемпера-турний тепловий агент, а також не потребуе встановлення додаткового очисно-го обладнання. Метою роботи е теоретичне та експериментальне дослiдження фшьтрацшного сушiння шлаку ТЕС та глини.
Об'екти та методика дослщження. Об'ектами дослiдження обрано си-ровиннi матерiали виробництва шлакового гравда, а саме шлак Бурштинсько! ТЕС та глину Калуського родовища.
Шлак - це полiдисперсна сумт частинок неправильно! форми та, як об'ект сушiння, е пористим матерiалом з системою пор i капiлярiв, якi вiдрiзня-ються мiж собою за розмiрами та взаемним розташуванням. Пори у шлаку е пе-реважно закритими, тому волога е переважно зовшшньою i становить приблиз-но 8-20 %.
Глина е коловдним пластичним матерiалом вторинного походження, що утворився внаслiдок розпаду i розкладання деяких вид1в первинних порвд. По-чаткова вологiсть глини становить 20-40 %. Вода в глиш знаходиться у меха-нiчнiй сумiшi з глиною i в хiмiчному зв'язку. Важливими технологiчними влас-тивостями цих природних полiмiнеральних сумiшей е: пластичнкть, вогнетрив-кiсть, спiкливiсть, спучування, а також набухання, вогневе "сдання", сорбцiйна та в'яжуча здатнiсть, властивкть утворювати стiйкi суспензií з надлишком води, хiмiчна iнертнiсть [4].
Табл. 1. Основт технологiчнi властивостi глини [5]
Показник Одиницi вимiру Значення
Число пластичносп в.б. 8,9-15,0
Волопсть формування % 26,4-39,9
Повiтряне "сiдання" % 8,7-10,9
Загальне лшшне "сiдання" % 6,8-13,7
Вологопоглинання % 12,2-13,4
Границя механiчноí мщноси: кгс/см2
пiд час стиснення 294-429
пiд час згинання кгс/см2 32-65
Основш фiзико-механiчнi характеристики дослвджуваних матерiалiв наведено в табл. 1 [6].
Табл. 2. Основш характеристики досйдз/суванихматерiалiв
Матерiал
с!ч 103, м
<Зе • 104, м
рнас, кг / М3
фс
{ я2/
)УМ, /я3
Кп
Шлак
2,08
7,47
1350
0,35
0,6
3125
0,72
Глина
3,35
12,03
1170
0,35
0,75
1552
0,76
1180
м
м
а
м
м
Експериментальш дослiдження гiдродинамiки та кшетики фшьтрацшно-го сушiння шлаку та глини проводили на установщ та за методикою, наведеною у робота [7].
Результати дослщжень.
1. Г1дродинам1ка ф1льтрац1йного суш1ння шлаку та глини. Результати експериментальних дослщжень втрат тиску як функцií фжтивно! швидкостi в стацiонарному шарi шлаку та глини наведено на рис. 1.
Як видно iз графiчноí залежносп рис. 1, залежнкть втрат тиску вiд фш-тивно!' швидкостi мае параболiчний характер, та чим бiльша витрата теплового агента, тим бiльший кут нахилу криво! до осi абсцис.
Рис. 1. Залежшсть втрат тиску (АР) вiд фжтивног швидкоот (ц) в стащонарному шарк а) шлаку; б) глини
Для опису гщродинамки фшьтрування теплового агента ^зь криволь ншш дтянки шару дисперсного матерiалу використовували вiдому залежнiсть Дарсi - Вейсбаха, яку представляли у виглядi двочленного рiвняння Ергана:
АР = А, 9 т (1 -е) + в, 3р _1-£Ш
8 • ¿Ч £шЪ
Н •ио
4 ¿ч •Еш
(1)
де: еш - пористiсть шару, м3/м3; а - активна питома поверхня шару, м2/м3; ц - фiктивна швидкiсть фшьтрування теплового агента, м / с; т - коефщент динамiчноí в,язкостi газового потоку, Па • с; йч - усереднений розмiр частинки, м; р - густина теплового агента, кг/м3.
Для визначення невщомих коефiцieнтiв "А" i "В" рiвняння (1) експери-ментальнi дослiдження рис. 1 представляли у виглядi функщонально'1 залежнос-тi АР/Н •ц = / (ц ), наведено'' на рис. 2.
АР/(Я.ио)-10
28-з
Па • с м2
ДР/(Я-и0)-1(Г3,
10 ^..................................|...................................|....................
Н = 240 мм Л Н = 200 мм # Н = 160 мм •ф- Н = 120 мм + Н = 80 мм
Па • с м
2-
0.8 1.0
и 0,м/с
0.0 0.2
0.4 0.6 б)
0.8 1.0
и 0, ж/с
Рис. 2. Залежшсть АР/Н • ц = / (и0) вiд фжтивног швидкостi (и0) в стащонарному шарк а) шлаку; б) глини
Позначимо:
А• Ц .не = А*,
8 • е3
В • = Б\
Нев1дом1 коефщ1енти Шлак Глина
А* 8600 2500
В* 18000 6200
2 ^ е
АР Н ц
Л* т-.*
= А + В .ц.
(2)
(3)
(4)
Значення невiдомих коефiцieнтiв "А*" та "В*" для шлаку та глини наведено у табл. 3.
Табл. 3. Значення невiдомих коефщieнтiв'А*" та "В*"_
Нев1дом1 коефщ1енти
Шлак
Глина
А*
8600
2500
В5
18000
6200
Максимальна вщносна похибка мiж експериментальними АРексп. i розра-хованими значеннями АР не перевищуе 10,6 % для шлаку, 10,5 % для глини. Отримана величина похибки е припустимою для проектних розрахункiв сушильного обладнання i прогнозування енергетичних затрат на процес фшьтра-цшного сушiння.
2. Кiнетика фшьтрацшного сушшня. Кшетика сушшня описуе змшу во-логостi матерiалу впродовж процесу сушгння, залежно вiд властивостей висушува-ного матерiалу, та найпростше 11 дослщження е експериментальне. Ми дослщжу-вали вплив температури Т, швидкост фтьтрування теплового агента ц i висоти шару матерiалу И на кшетику фiльтрацiйного сушгння. Експериментальнi досль дження шнетики фiльтрацiйного сушгння наведено на рис. 3 у виглядi кшетичних кривих змши вологовмiсту wc в часi т за рiзноí температури теплового агента.
Рис. 3. ЗмЫа вологовмтшу в чаа за рЬзног температури теплового агента стащонарного шару: а) шлаку («0 = 1,33м / с, Н = 120мм); б) глини (и = 1,34м/с, Н = 120мм)
Аналiз рис. 3 показуе, що, за однаково'1 висоти шару глини та швидкосп фшьтрування теплового агента, iнтенсивнiсть видалення вологи залежить вiд температури теплового агента та з и ростом зростае. Це пояснюеться тим, що збшьшення температури теплового агента приводить до зростання його сушильного потенщалу.
Швидкiсть сушiння вологого матерiалу визначае енергетичнi затрати на процес та продуктившсть сушильного обладнання. Тому важливо е встановити залежшсть швидкосп сушiння вiд його середнього вологовмюту, з метою вста-новлення основних закономiрностей фiльтрацiйного сушiння. У теори сушiння експериментальнi данi представляють у виглядi залежностi = / (wc), якi
дають змогу встановити швидкiсть сушiння залежно вiд вологовмiсту матерiалу та характер и змши [8]. На рис. 4 показано залежшсть швидкосп сушiння шлаку та глини залежно вщ 1х вологовмiсту за рiзноi' температури теплового агента.
Аналiз рис. 4 показуе, що швидюсть фiльтрацiйного сушiння залежить вiд структурно'! будови шару вологого матерiалу i температури теплового агента. Лшк "а - Ь" (рис. 4 а) характеризуе перший етап фшьтрацшного сушшня -механiчне витiснення i винесення мiжзерновоi вологи iз шару шлаку. Аналiз рис. 4 (б) показуе, що тд час фшьтрацшного сушiння глини механiчного вилс-нення немае, що пояснюеться вiдсутнiстю в шарi вшьно! вологи, яка утри-муеться силами поверхневого натягу.
с1ц>сМт */О4,(кг Н20 /кг сух. м.)/с сЬс/ск *104,(кг Н20 /кг сух. м.)/с
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
а) , кг Н20/кг сух. м. б) п'с ,кг Н20/кг сух. м.
Рис. 4. Змша швидкоош фшьтрацшного сушшня вiд вологовм^ту зарЬзног температури теплового агента: а) шлак (и = 1,33м / с, Н = 120 мм); б) глина (ио = 1,34м / с, Н = 120мм)
Лши "с - ё" (рис. 4) характеризують перiод повного насичення теплового агента вологою, пiд час якого з шару за одиницю часу видшяеться однакова кiлькiсть вологи, яка визначаеться сушильним потендiалом теплового агента. Лши "ё - е" характеризують третiй етап фiльтрадiйного сушшня - перюд час-ткового насичення теплового агента вологою, який наступае пiсля досягнення
кормовою частиною фронту масообмшу перфоровано! перегородки. Швидккть фiльтрацiйного сушiння шлаку та глини зростае i3 ростом температури теплового агента, адже збшьшення температури приводить до зростання сушильного потенщалу теплового агента.
Висновки. Дослiджено пдродинамшу та кiнетику фiльтрацiйного сушшня сировинних матерiалiв виробництва шлакового гравда. Визначено невь домi коефiцieнти двочленного рiвняння Ергана для шлаку та глини, що дае змо-гу передбачити втрати тиску в стащонарному шарi матерiалу. Проаналiзовано залежнiсть швидкосп фiльтрацiйного сушiння вiд технологiчних параметрiв теплового агента.
Лiтература
1. Papastefanou C. Escaping radioactivity from coal-fired power plants (CPPs) due to coal burning and the associated hazards: a review / C. Papastefanou // J. of Environmental Radioactivity. -2010. - Vol. 101, Is. 3. - Pp. 191-200.
2. Ханык Я.Н. Фильтрационная сушка плоских проницаемых материалов : дито. ... д-ра техн. наук: спец. 05.17.08 / Я.Н. Ханик. - Львш, 1992. - 426 с.
3. Атаманюк В.М. Пдродинамжа i тепломасообмш шд час фшьтрацшного сушшня дис-персних матеpiалiв : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: спец. 05.17.08. "Процеси та обладнання хiмiчноl технологи" / В.М. Атаманюк. - Львiв, 2007. - 38 с.
4. Осипов В.1. Макроструктура глинистих порщ / В.1. Осипов, В.Н. Соколов, Н.А. Румянцева. - М. : Изд-во "Надра", 1989. - 211 с.
5. Строительные материалы Украины. Ивано-Франковска область. Государственный геологический комитет СССР. - К. : Изд-во "Бущвельник",1965. - 235 с.
6. Барна 1.Р. Пдродинамжа шд час фшьтрацшного сушшня сировинних матеpiалiв виробництва шлакового гравш / 1.Р. Барна, В.М. Атаманюк // Вюник Национального университету "Львшська полiтехнiка". - Сер.: Хiмiя, технологи речовин i !х застосування. - Львiв : Вид-во НУ "Львшська полiтехнiка". - 2012. - № 726. - C. 201-212.
7. Атаманюк В.М. Пдродинамжа стацюнарного шару полщисперсного матер1алу п1д час фшьтрацшного сушшня / В.М. Атаманюк, 1.Р. Барна, Р.В. Ходоpiвський // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Льв]в : РВВ НЛТУ Украши. - 2011. - Вип. 21.9. - C. 104-110.
8. Атаманюк В.М. Кшетика фшьтрацшного сушшня шлаку теплових електростанцш / В.М. Атаманюк, 1.Р. Барна // Збipник наукових праць ОНАХТ. - 2012. - Т. 2, вип. 41. - C. 89-93.
Атаманюк В.М, Барна И.Р., Филипович И.В., Свишевска Н.В. Гидродинамика и кинетика фильтрационной сушки сырьевых материалов производства шлакового гравия
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований гидродинамики и кинетики фильтрационной сушки сырьевых материалов производства шлакового гравия. Исследовано влияние технологических параметров теплового агента на скорость фильтрационной сушки.
Ключевые слова: гидродинамика, кинетика, шлак, глина, влагосодержание, скорость фильтрационной сушки.
Atamaniuk V.M., Barna I.R., Filipovuch I. V., Svishevska N. V. Hydrodynamics and kinetics of filtration drying of raw materials for production of slag gravel
In the article are the results of experimental and theoretical research in hydrodynamics and kinetics of filtration drying of raw materials for production of slag gravel. Researched is the influence of technological parameters of the thermal agent on rate of filtration drying.
Keywords: hydrodynamics, kinetics, slag, clay, moisture, rate of filtration drying.
