Лабораторная работа № 6 ситовой анализ твердого топлива

1. Общие сведения

Угольная пыль представляет собой относительно сухой порошок из частиц разных размеров и неправильной формы. В топках паровых котлов с факельной технологией сжигания пылевидного топлива размеры пыли составляют от долей микрона до 0,2 – 0,5 мм. Основная масса сжигаемой угольной пыли обычно имеет размеры всего 30 – 100 мкм. Свеженасыпанная пыль обычно имеет удельный вес 0,45 – 0,5 т/м³ , но постепенно слеживается до 0,8 - 0,9 т/м³. Угольная пыль транспортируется газовыми потоками, прежде всего, воздухом. При содержании кислорода в пылевоздушной смеси более 15 % или при содержании летучих примерно более чем 10 % угольная пыль обычно взрывоопасна в различных технологических аппаратах.

Тонина или тонкость помола и фракционный состав угольной пыли на практике во многом определяет характер воспламенения и полноту сгорания топлива в горящем факеле в топке котла или печи, и даже может значительно влиять на экологические характеристики топочного процесса. Более грубые частицы угольной пыли способствуют усилению неполноты ее сгорания. Чрезмерно тонкий помол углей увеличивают затраты электроэнергии на помол исходного топлива. Поэтому для оценки работы систем пылеприготовления и эффективности факельного сжигания угольной пыли в любой камерной топке необходимо знать фракционный состав пыли - распределение пыли по размерам фракций.

Для определения характеристик угольной пыли производят ее ситовой анализ. Ситовый метод определения состава пыли топлива по действующему до сих пор ГОСТ 2093-82 и заключается в рассеве помолотого топлива, чаще всего, в специальных рассевочных машинах. В этих машинах производят рассев пылевидного топлива на ситах с разным размером отверстий или ячеек в свету. Сита располагаются одно над другим, строго с убыванием размеров отверстий или ячеек от одного сита к другому - сверху вниз. Навеску пыли насыпают на верхнее сито с самыми крупными ячейками из набора, ставят на специальный поддон, а сверху закрывают крышкой, после чего набор сит размещают в рассевочной машине или в приборе. После включения машина производит непрерывную вибрацию и периодическое встряхивание всего комплекта сит. При непрерывной вибрации и встряхивании более мелкие частицы пыли проваливается через разное число сит с убывающими размерами ячеек и задерживается на тех ситах, через которые эти частицы уже не могут пройти. Самая мелкая пыль проходит через все сита и попадает на поддон ниже набора всех сит, установленных в рассевочной машине, образуя характерный остаток из мельчайшей пыли, который по традиции называют «дном».

Для рассевок пыли используют ячейки стандартных размеров в свету: от 0,04 до 2,5 мм. Каждое стандартное сито имеет номер, численно равный размеру ячейки в свету и который численно соответствует размеру ячейки, выраженному в микронах. Для полного ситового анализа топливной пыли обычно используют всего 4-5 сит с убывающими размерами ячеек. Рассевку весьма мелкой топливной (угольной) пыли, характерной для многих современных камерных топок энергетических котлов обычно ведут на ситах с размерами ячеек 71, 90, 125, 160 и 200 мкм, а для более грубой топливной пыли (сланцы, некоторые марки бурых углей) чаще применяют сита 90, 200, 500 и даже 1000 мкм. При сжигании угольной пыли наиболее характерным для ее анализа является сито с ячейкой 90 мкм, а для сланцев или молодых бурых углей – сита номеров 200, 500 и даже 1000.

Часть массы анализируемой навески угольной пыли в процентах от ее исходной массы, остающуюся в процессе рассевки на сите соответствующего номера х, называют фракционным остатком F_x. То есть при встряхивании сит в рассевочной машине на сите с ячейкой размерами х мкм остались частицы пыли крупнее размера х ячейки данного сита, но мельче размера ячейки сита, которое расположено над данным ситом с ячейкой х.

Суммарное количество пыли в процентах от исходной массы, которое осталось при рассевке на сите данного размера ячейки х, вместе со всеми фракционными остатками на ситах с размерами больше данного, называют полным остатком R_x. В энергетике тон­кость или тонину помола твердого топлива характеризуют именно величиной полного остатка топливной пыли на сите, чаще всего, - на сите с ячейкой 90 мкм ( R₉₀ ). Таким образом, для набора сит, состоящего из ряда стандартных сит с номерами, допустим, от 60 до 200 мкм, полный остаток на самом характерном в котельной технике сите № 90 будет равен:

R₉₀ = F₂₀₀ + F₁₆₀ + F₁₂₅ + F₉₀, (1.1)

где: F₂₀₀ , F₁₆₀ , F₁₂₅ и F₉₀ – соответственно фракционные остатки или выходы пылевидного материала на ситах 200, 160, 125 и 90 мкм.

Другая часть пыли, которая все же проходит через какое - то выбранное сито № х, называют проходом и обычно обозначает как D_х. Для каждого размера (номера) из набора сит верно соотношение:

R_х + D_х = 100% (1.2)

Как уже отмечалось, в технологии пылеприготовления при факельном сжигании углей в энергетике тонкость топливной пыли оценивают полным остатком R₉₀ на сите с № 90.

Качественный характер распределения массы топлива по размерам его частиц определяют по зерновой или помольной характеристике топливной пыли. Для анализа степени измельчения топлива и полифракционности состава его пыли на практике используют полную или интегральную зерновую (помольную) характеристику. Полную зерновую характеристику находят по результатам рассевки и анализа полных остатков на ситах и описывают формулой:

─ bxⁿ

R_x = 100e ; (1.3)

где х – размер частиц (отверстий или ячеек сита), мкм; а b и n - постоянные коэффициенты.

В этой формуле коэффициент b отражает общую тонкость или тонину помола топлива, а коэффициент n - отражает внутреннюю структуру пыли.

Для определения коэффициентов b и n используют зерновую характеристику пыли, полученную экспериментально на базе рассевок пыли или другого пылевидного материала в рассевочной машине. В котельной технике эти коэффициенты чаще всего оценивают по двум полным остаткам R₂₀₀ и R₉₀ , то есть по полным остаткам на ситах № 200 и № 90. Имея значения R₂₀₀ и R₉₀, полученные так или иначе, или иные значения двух других полных остатков пыли данного помола и рассевки в машине, можно определить значения двух коэффициентов, характеризующих помол :

100 100

lg ln ─── ─ lg ln ───

R₂₀₀ R₉₀

n = ───────────────── (1.4)

200

lg ───

90

1 100

b = ─── ln ──── (1.5)

90ⁿ R₉₀

Два примера полных интегральных зерновых характеристики угольной пыли одного и того же твердого топлива при помоле в шаровой барабанной и молотковой мельницах показаны на рис. 1.

Рис. 1. Полные интегральные зерновые характеристики пыли бурого

угля одной марки, полученной на мельницах двух разных типов:

1 – в молотковой мельнице; 2 – в шаровой барабанной мельнице.

Значения коэффициента n < 1 указывают на значительное увеличение пыли очень мелких фракций, то есть на возможность переизмельчения части пыли. Однако при этом имеется также и пыль достаточно грубого помола, от которой часто зависит появление механической неполноты сгорания. Именно неполное сгорание пыли крупных фракций ограничивает, прежде всего, по механической неполноте сгорания, главные технологические характеристики топочного процесса, что отражается на конструкции топки, котла в целом и даже на системах золоулавливания. Поэтому на практике важна оптимизация выбора типа мельницы и ее сепаратора под конкретное твердое топливо.

Одновременно следует оптимизировать затраты на помол угля. Здесь из формулы 2.5 ясно следует, что чем ниже значение постоянного коэффициента b, тем, в среднем, грубее и вся пыль, а чем значение коэффициента b больше, тем пыль тоньше. Известный в реальной практике диапазон значений b, для мельничных систем на котлах электростанций составляет 0,003 – 0,1.

После подобного определения постоянных коэффициентов b и n на основе данных, полученных при рассевке в рассевочной машине, можно построить полную или интегральную зерновую характеристику пыли (формула 5.3). При этом через экспериментально найденный или рассчитанный полный остаток R₉₀ можно определить полный остаток на сите любого сопоставимого размера х, причем даже вообще не существующего:

(x/90)ⁿ

R_x = 100 ( R₉₀ / 100 ) (1.6)

Например, полный расчетный остаток на некотором гипотетическом, условном сите с ячейками 144 мкм в свету будет равен:

( 144 /90)ⁿ

R₁₄₄ = 100 ( R₉₀ / 100 ) (1.7)