CC BY
35
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.311.22
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-117-125
РАСЧЕТНОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ТОПЛИВА, СЖИГАЕМОГО В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВИХРЕВЫХ ТОПКАХ
1 9
© В.А. Баширин1, А.В. Баширин2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Поступление влажного топлива в топочную камеру существенно снижает адиабатическую температуру горения, увеличивает тепловые потери с уходящими газами и расход электроэнергии на тягу и дутье. Для повышения эффективности сушки необходимо детальное изучение механизма сушки крупнозернистого топлива и факторов, которые на него влияют. Материалы и методы. Изучены результаты расчетного и экспериментального исследования процесса сушки крупнозернистого топлива и груборазмолотой пыли, сжигаемых в низкотемпературных вихревых топках. Результаты и их обсуждение. Дана оценка эффективности подсушки топлива в устройстве, где сушка топлива протекает в спутном потоке горячего воздуха, и приводится анализ протекающих в нем физических процессов. Доказано, что при расчетах сушки высоковлажного топлива необходимо учитывать кинетику процесса сушки отдельной фракции. Для интенсификации подсушки нужно также использовать предварительное дробление и интенсифицировать конвективный теплообмен в сушильном устройстве. Заключение. Результаты проведенного экспериментального исследования могут быть использованы для анализа процесса сушки топлива в пылеприготавливающих системах и его воспламенения в топочной камере. Ключевые слова: эффективность сушки топлива, влагосодержание, скорость сушки, тепловосприятие, кинетика сушки.
Формат цитирования: Баширин В.А., Баширин А.В. Расчетное и экспериментальное исследование процесса сушки топлива, сжигаемого в низкотемпературных вихревых топках // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 7. С. 117-125. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-117-125
ESTIMATED AND EXPERIMENTAL STUDY OF DRYING THE FUEL BURNED IN LOW-TEMPERATURE SWIRLING-TYPE FURNACES V.A. Bashirin, A.V. Bashirin
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. Wet fuel supply into the furnace chamber significantly reduces the adiabatic combustion temperature, increases heat losses with flue gases and electric energy consumption for draft and blast. To improve the efficiency of drying it is necessary to give the drying mechanism of coarse fuel and factors affecting it a detailed study. Materials and methods. The results of the estimated and experimental study of the drying process of coarse fuel and coarsely-ground dust burned in low-temperature swirling-type furnace chambers have been examined. Results and their discussion. The drying efficiency is estimated in the device where fuel is dried in a cocurrent stream of hot air. The analysis of the physical processes taking part in it is given. It is proved that the drying kinetics of a separate fraction must be taken into account under the calculation of high-moisture fuel drying which can also be improved by the pre-crushing and intensified convection heat transfer in the drying device. Conclusion. The results of the conducted experimental study can be used for the analysis of the fuel drying process in dust preparation systems and fuel ignition in the furnace chamber. Keywords: fuel drying efficiency, moisture content, drying rate, heat absorption efficiency, drying kinetics
For citation: Bashirin V.A., Bashirin A.V. Estimated and experimental study of drying the fuel burned in low-temperature swirling-type furnaces. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 7, pp. 117-125 (in Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-117-125
1
1Баширин Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, e-mail: Bash_ars@bk.ru
Bashirin Vladimir, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Heat Power Engineering, e-mail: Bash_ars@bk.ru
2Баширин Арсений Владимирович, магистрант, e-mail: Bash_ars@bk.ru Bashirin Arseniy, Master's Degree Student, e-mail: Bash_ars@bk.ru
Введение
При сжигании высоковлажных бурых углей влажность топлива является важным фактором, определяющим устойчивость воспламенения и экономичность топочного процесса. Поступление влажного топлива в топочную камеру существенно снижает адиабатическую температуру горения, увеличивает тепловые потери с уходящими газами и расход электроэнергии на тягу и дутье.
Для повышения эффективности сушки необходимо детальное изучение механизма сушки крупнозернистого топлива и факторов, которые на него влияют.
Теории сушки влажных материалов посвящено много фундаментальных работ и исследований [1, 2]. Согласно теории, процесс сушки влажных частиц делится на два периода. Первый, включающий прогрев материала до температуры мокрого термометра - Мт и убыль влагосодержания (по линейному закону), получил название периода постоянной скорости сушки, он характеризуется неизменной температурой материала. Длительность его протекания определяется критическим влагосодержанием, являющимся границей перехода от первого периода ко второму - с падающей скоростью сушки, когда начинает повышаться температура поверхности материала. Такие закономерности наблюдаются для всех влажных тел при мягких режимах сушки, характеризуемых низкой температурой, небольшой скоростью движения газового потока при большой его влажности; при этом уровень критического влагосодержания становится меньше начального. При мягких режимах сушки в первом периоде поверхность испарения близка к геометрической. С переходом на «жесткий» режим сушки (высокие температуры и скорости газового потока при небольшой его влажности) протекание процесса в периоде постоянной скорости характеризуется перемещением поверхности испарения вглубь материала.
Эффективность процесса в период постоянной скорости сушки
Для оценки эффективности подсушки крупнозернистого топлива в потоке горячего воздуха (период постоянной скорости сушки) рассмотрим элементарный объем в устройстве3, где сушка топлива протекает в спутном потоке горячего воздуха, и проанализируем протекающие в нем физические процессы.
При отсутствии потерь тепла изменение теплосодержания сушильного агента в рассматриваемом элементарном объеме определяется конвективным теплообменом между сушильным агентом и топливными частицами (тепло, которое сушильный агент отдает топливным частицам), а также количеством тепла, которое вносят в объем выделившиеся водяные пары:
dQca = -dQк^: + dQш.
Поскольку в качестве сушильного агента используется воздух, температура которого невысока, лучистый теплообмен игнорируем. Вследствие малого времени сушки в реальном устройстве, также пренебрегаем теплом от выделения и сгорания летучих. Тогда тепловой баланс элементарного объема, приведенный к 1 кг сухого топлива, может быть записан как
Уса х Сса х йТса = - ^^ (Тса - Тч)йт + Свп х7чхс1]К,
°0 хУч
откуда можно определить изменение температуры сушильного агента во времени:
3
Авторское свидетельство № 988044. РСФСР. Устройство для подачи твердого топлива / В.В. Померанцев, Ю.А. Рундыгин, В.А. Баширин, Е.Б. Гусаковский, Ф.З. Финкер, А.М. Павлов. Заявитель и патентообладатель Ленинградский Ордена Ленина Политехнический институт им. М.И. Калинина. № 3293329; приоритет изобретения с 22 мая 1981 г. / Pomerantsev V.V., Rundygin Yu.A., Bashirin V.A. [et al.]. Ustroistvo dlya podachi tverdogo topliva [A device for solid fuel supply]. Patent RF, no. 988044, 1981. The applicant and the patent holder Kalinin Leningrad Polytechnic Institute of the Order of Lenin.
dt 52хучх7сахСса ( ca ч) КсахСса dt '
где Tca - температура сушильного агента, К; т - время, с; Nu - критерий Нуссельта; Лса - коэффициент теплопроводности сушильного агента, кВт/(м*К); 80 - размер топливной частицы,
о
м; уч - плотность топливной частицы, кг/м3; 1£а - количество сушильного агента, отнесенное к 1 кг сухого топлива, м3/кг; Тч - температура поверхности частицы, К; Cca - теплоемкость сушильного агента, кДж/(м3*К); Свп - теплоемкость водяного пара, кДж/(кг*К); dW - количество выделившегося водяного пара, кг/кг.
Изменение теплосодержания топливной частицы в рассматриваемом объеме определяется конвективным теплообменом (количество тепла, которое частица получает от сушильного агента при ее нагреве) и тепла, израсходованного на испарение и нагревание водяных паров:
dQ4 = dQm - dQm,
или
6Nu х Áca
C4dT4 = —5-(Тса - T4)dr - (r + Свп х T4)dW.
Sl хУч
Затем определяется изменение температуры топливной частицы во времени:
dT4 6Nu х Лса dW
~Г = Тг-С-^х(Тса-Тч)-(т + СвпхТч)— ,К/с,
dz 52 хучхСч dx
где Сч - теплоемкость топливной частицы, кДж/(кг*К); r - теплота парообразования водяного пара, кДж/(кг*К).
Испарение влаги протекает с постоянной скоростью - до определенного критического значения влагосодержания, а когда начинается следующий период - с падающей скоростью. Для рассматриваемого случая при подсушке топлива в потоке горячего воздуха испарение влаги происходит с постоянной скоростью:
dW _ _ aF
~¡ = $0 = (Tca - ТМУ, dz r
dW_ _ _ 6МихХса , Л
dr = Sl хучхг(1са 1м)'
где Тм - температура мокрого термометра.
Температура мокрого термометра зависит от условий, при которых протекает процесс сушки (с изменением W изменяется Тм), и может быть определена по следующей эмпирической формуле:
Тм = а - Ьт,
где a и b - эмпирические коэффициенты, определенные при конкретных условиях сушки.
Из вышеприведенных уравнений может быть составлена система, описывающая изменение во времени температуры сушильного агента, температуры топливной частицы, температуры мокрого термометра и количества испарившейся влаги:
dTa 6Nu хАа Свп х Тч dW
(1са - 1ч) + ТГ~7Т- х
— - i i —
dT S20X Ï4XVcaXCca са ч VcaXCca dr' dT4 6Nu XÀca . dW
= ,2 ■X(Ta-T4)-(r + CBnXT4) — :
dz 8° Xy4XC4 dx
dW 6Nu X Xrn
_ —___ (T —T )■
i = „2 1мЬ dr S2 Xy4Xr
Тм = а - Ьт.
К
Начальные условия для системы при т = 0 следующие: Tca = ТУ - начальная температура; Тч = Тч° - поступающего топлива; W = Wop - начальная рабочая влага топлива.
Приведенная система описывает кинетику сушки монофракции топливной частицы. При сушке полифракционной топливной системы, какой является энергетическое топливо, система уравнений принимает вид:
п п
dTca V"1 6Nuî х Лса у-1 Свп х T4i dW
= у ЫЧЩХАса у вп „ х
dx ZjпхЗо]х ГчхУсахСса са 41 ЛпхУсахСса dz' dT4i 6Nut х Лса dW
~Г~ = Г" х (Тса — W — (г + Свп х
dz S 2. хуч х Сч dr
Ol
dW 6Nuî х Л,
са
dr s 2 хучх г са
ni 'ч
(Гса Тм);
Тм = а - Ьт.
К
Начальные условия для каждой 1-й фракции остаются прежними. Составленная математическая модель использована для анализа сушки высоковлажного башкирского бурого угля (Мр = 56,5%) при сушке горячим воздухом (Тса = 673 К).
Результаты аналитического исследования процесса сушки представлены на рис. 1. В начале подсушки тепло сушильного агента расходуется на подогрев частиц, при этом температура сушильного агента падает, а температура частиц отдельных фракций увеличивается от Тч\ до Тм. В момент достижения Тм из данной монофракции начинает испаряться влага и все тепло сушильного агента затрачивается на сушку. Из приведенного анализа видно, что мелкие фракции быстро нагреваются и интенсивно сушатся. С увеличением размера фракции увеличивается время подогрева частицы и интенсивность сушки уменьшается. Изменение средней влажности топлива, подсчитанной как среднеарифметическая рассматриваемых фракций, показывает, что в начале процесса сушка идет более интенсивно за счет испарения влаги из мелких фракций, а затем интенсивность сушки падает. Аналогично изменяется температура сушильного агента.
Полученные результаты анализа процесса сушки позволяют сделать следующие выводы:
1. При расчетах сушки высоковлажного топлива необходимо учитывать кинетику процесса сушки отдельной фракции.
2. Увеличение температуры сушильного агента слабо влияет на интенсивность подсушки сырого топлива. Для интенсификации подсушки необходимо использовать предварительное дробление и интенсифицировать конвективный теплообмен в сушильном устройстве, для чего можно применить сушку в противотоке, кипящем слое или использовать турбулиза-торы в самом устройстве.
Кинетические характеристики сушки
До настоящего времени сушка топлива в процессе подготовки и сжигания топлива оценивалась только балансовыми зависимостями. Такой подход давал достаточно точные результаты только при тонком и однородном помоле. При сушке рядового груборазмолотого топлива необходимо учитывать кинетику сушки.
Возможность оперировать кинетическими характеристиками сушки, позволяет проанализировать процессы подготовки и воспламенения топлива и оценить влияние влажности в каждом из них [3]. Поскольку такие характеристики приведены в литературе для различных видов влажных материалов при сушке в конкретных условиях, то возникла необходимость
экспериментального определения кинетических характеристик сушки груборазмолотых высоковлажных топлив, сжигаемых в низкотемпературных вихревых (НТВ) топках. В данной работе рассматривается два вида угля: башкирский бурый уголь с влажностью Wp = 52-61%, и торф с влажностью Wp = 48-55%.
80
60.
40 _
20.
0 J
1.0
0.5
0_
600
400
200
- -T - -W
\ \ Tco ^ —
\ \ ^ \ ^ 1 \ 1
Wcp
te \ ?с с
\ \ ч
1.0
2.0
3.0
4.0
т ,с
Рис. 1. Сушка башкирского бурого угля горячим воздухом. Размер монофракций: 1 - S0 = 0,48 мм; 2 - S0 = 1,68 мм; 3 - S0 = 10 мм; 4 - S0 = 16,8 мм /
Fig. 1. Hot air drying of Bashkir brown coal. Monofraction size: 1 - SQ = 0,48 mm; 2 - SQ = 1,68 mm; 3 - SQ = 10 mm; 4 - SQ = 16,8 mm
4
3
0
Схема экспериментальной установки по определению кинетических характеристик сушки показана на рис. 2.
Исследуемый образец угля 2 вносится в предварительно нагретую до заданной температуры печь 1, и через обусловленные промежутки времени отсчитывается убыль массы образца, т.е. количество испарившейся влаги. Определенное таким образом текущее значение относительной влажности пересчитывается как влагосодержание 1 кг сухого топлива и строится кривая сушки данного топлива в координатах: «время т - абсолютная влажность Wa». На экспериментальной установке исследовалась сушка единичных сферических частиц указанного топлива с размерами 8 о = 15, 10, 5 мм при различных температурах (до 623 К). Для более мелких частиц исследовалась сушка слоя высотой в 1 частицу, засыпанного в корзину из ла-
тунной сетки. Засыпка добывалась путем просеивания на двух близких по размерам ситах, с целью получения более узкой монофракции. Таким образом, исследовались фракции со средними размерами: 8 о = 2,8 мм: 8 о = 0,8 мм.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки Fig. 2. Experimental installation scheme
Полученные кривые сушки для торфа представлены на рис. 3. Анализ процесса показывает, что в начале сушки тепло, воспринимаемое топливом, расходуется на его прогрев и влажность в этом периоде изменяется незначительно. После прогрева сушку можно разделить на два периода. В первом - сушка идет с постоянной скоростью S0, и, которую определяют как тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс. Начиная с некоторой точки на кривой сушки - критической влажности Wkp, сушка идет с убывающей скоростью S, и влажность топлива в наиболее общем случае достигает некоторого равновесного значения Wp.
Для определения скорости сушки во втором периоде воспользуемся формулой приведенной скорости сушки, предложенной Г.К. Филоненко [4]:
_S__ (Wg-Wp) У So A+ß(Wg-Wp)m
(1)
где у - приведенная влажность сушки; 1Ма - текущее значение абсолютной влажности топлива, кг/кг; Мр - равновесная влажность топлива, кг/кг; А, р, т - экспериментально определяемые коэффициенты, характеризующие кинетику сушки.
Поскольку при сжигании в производственных условиях топливо подсушивается до абсолютно сухого состояния, в экспериментальной установке топливо тоже подсушивалось до воспламенения, и в таком случае можно принять Мр = 0. Тогда (1) значительно упрощается и принимает вид
С щт
п (2)
У So A+ßWgm '
и тогда можно определить падающую скорость сушки:
„ dW „
S = — = So
dx
W
A+ ß Wgm
(3)
Рис. 3. Кривые сушки торфа при T = 623 K Fig. 3. Curves of peat drying at T = 623 K
На базе выполненных ранее другими авторами исследований по сушке торфа и древесины, предварительно можно принять т = 2, с последующей проверкой графо-аналитическим способом. Тогда из (3), интегрируя в пределах W1 - М2, где > W1 > М2, получим:
т А 1,5 т , ...
= — х-+ —, или-= ах + в, (4)
С ТЛТ ч^ТЛТ С 7 ТЛТ _ТЛ7 7 * '
Ш1-Ш2 50 ш1хш2 Б0 Ш1-Ш2 А В 1
где а = -■,в = —-,х =-.
Данное уравнение можно решить графически в координатах т /М1М2 - 1/W1W2, используя данные экспериментальных кривых сушки. При этом решении проверяется и правильность выбора показателя степени т. Если он выбран правильно, то экспериментальные точки, являющиеся решениями уравнения (4), должны лежать на одной прямой. Если же выбранное значение т отличается от действительного, то линия получается с характерным изгибом [5].
Анализ полученных результатов показывает, что при сушке башкирского бурого угля и торфа коэффициент т = 2 удовлетворяет экспериментальным данным. При сушке влажных топлив коэффициенты А и р зависят от размера образца, но не зависят от температурных условий сушки. С увеличением размеров подсушиваемых частиц значения коэффициента А увеличиваются, а коэффициента р - падают, при этом указанные величины изменяются более интенсивно при малых размерах частиц. На рис. 4. показана зависимость величин А, р, т от изменения размеров частиц.
Используя полученные значения А, р, т, можно аналитически определить критическую влажность топлива, при которой постоянная скорость сушки переходит в период падающей скорости сушки, т.е. 50=5. Тогда из (2) можно записать, что
1
^(^f, кг/кг. (5)
Рис. 4. Зависимость коэффициентов скорости сушки от размера частиц Fig. 4. Drying rate coefficients - particle size dependence
Изменения значений критической влажности в зависимости от размеров частиц показаны на рис. 5. С увеличением размеров частиц критическая влажность уменьшается. Определение Wkp позволяет оценить механизм сушки в конкретных условиях и правильно рассчитать процесс сушки топлива.
1 — Brown coal 2 - Peat
\ 1 /
/
4 2 у
80
60
40
20
10
ôo, ММ
Рис. 5. Зависимость критической влажности от размера частиц Fig. 5. Critical humidity - particle size dependence
Выводы
Экспериментально полученные зависимости для кинетических характеристик процесса сушки высоковлажного топлива и независимость приведенной сушки от температурных условий процесса позволяют использовать их для аналитического исследования процесса сушки топлива в пылеприготавливающих системах и его воспламенения в топочной камере. Таким образом можно проанализировать влияние влажности на воспламенение отдельных монофракций реальной полифракционной топливной системы.
Библиографический список
1. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.
2. Рундыгин Ю.А., Радивоев К.А., Баширин В.А. Анализ процесса сушки в пылеприготовительной системе перед мельницей // Труды V национальной конференции с международным участием «Тепло- и ядерные энергетические проблемы НРБ». Варна, 1981. Т. II. С. 167-174.
3. Рундыгин Ю.А., Баширин В.А., Радивоев К.А. Экспериментальное определение кинетических характеристик сушки высоковлажных топлив «Иследование новых методов подготовки и сжигание низкокалорийных топлив» Симпозиум СЭВ. Варна, 1980. С. 202-208.
4. Филоненко Г.К. Кинетика сушильного процесса. М.-Л.: Оборонгиз, 1939. 140 с.
5. Филоненко Г.К., Лебедев П.Д. Сушильные установки. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952. 264 с.
References
1. Lykov A.V. Teoriya sushki [Drying theory]. Moscow, Energiya Publ., 1968, 472 p. (in Russian).
2. Rundygin Yu.A., Radivoev K.A., Bashirin V.A. Analiz protsessa sushki v pyleprigotovitel'noi sisteme pered mel'nitsei [Analysis of the drying process in a pre-mill coal preparation system]. Trudy Vnatsional'noy konferentsii s mezhdunarod-nym uchastiem «Teplo- i yademye energeticheskie problemy NRB» [Works of Vnational conference with the international participation "Heat and nuclear power problems of radiation safety standards"]. Varna, 1981, vol. II, pp. 167-174.
3. Rundygin Yu.A., Bashirin V.A., Radivoev K.A. Eksperimental'noe opredelenie kineticheskikh kharakteristik sushki vysokovlazhnykh topliv [Experimental determination of kinetic characteristics of high-moisture fuel drying]. Simpozium SEV «Isledovanie novykh metodov podgotovki i szhiganie nizkokaloriinykh topliv» [COMECON Symposium "Study of new methods of low-quality fuels preparation and combustion"]. Varna, 1980, pp. 202-208.
4. Filonenko G.K. Kinetika sushil'nogo protsessa [Drying process kinetics]. Moscow-Leningrad, Oborongiz Publ., 1939. 140 p. (in Russian).
5. Filonenko G.K., Lebedev P.D. Sushil'nye ustanovki [Drying installations]. Moscow-Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1952, 264 p. (in Russian).
Критерии авторства
Баширин В.А. - научное руководство, выбор материалов для анализа; Баширин А.В. - анализ, оформление и написание статьи. Баширин В.А. несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Bashirin V.A. is responsible for scientific advising. Bashirin A.V. performed the analysis, wrote and formatted the article. Bashirin V.A. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 15.04.2016 The article was received on 15 April 2016
