ZESZYTY NA UK OW E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Sarla: ENERGETYKA s. 66
______ iyv«
Nr kol. BO?
Je r z y HOKITA
In stytut M a sz yn i Urządzali Energetycznych P o li te ch ni ka Śląska
WŁASNOŚCI EK OL OG IC ZN E GĘ ST YC H ZAWIESIN POPIOŁÓW LO TN YC H W WO DZ IE
S t re sz c z e n i e : Przedstawiono własności Teologiczne zawiesin su- oh yc b popi oł ów lotnych w wodzie. Stwierdzono, że p r z y w z ra st aj ąc yc h ko ncentracjach objętościowych fazy stałej wykazują one właściwości oi eozy ni enewtonowsklch (g dy o ^ 0,15 - 0,20). Własności reologl- ozne zawiesin nożn a przedstawić najczęściej n o de le n Binghaaa. Sfor
m u ł o w a n o wnioski o znaczenia praktyczny».
1. Wp ro wa dz en ie
No wa technologia odprowadzania [lo] 1 składowania [s] e l ek tr ow ni an yc h od pa dó w paleniskowych p o le ga n a stosowaniu specjalnie w tyn ce lu wytwarza- n y c h zawiesin p o p i oł ów lotnych w wodzie [8], Zawiesiny te od zn ao za ją się wysokimi koncentracjami objętościowymi fazy stałej (popiołów). Ponieważ są one odprowadzane n a składowiska po przez rurociągi, dlatego istotna Jest k w e s t i a prognozowania lob oporów przepływu. Pewnych informacji u m oż li wi a
ją c y c h taką prognozę, dostarczają wyniki badali własności re ol o g i o z n y c h za
wi es in p o p i oł ów lotnych w wodzie.
2. Skład ohemlozny 1 eranulometryczny popiołów lotnych
Pod względem składu chemloznego suohe popioły lotne st anowią mieszani
nę związków: kr ze mu (Si) , glinu (Al) , żelaza (Fo) , wa pn ia (Ca) , ma gn ez u (Mg) , siarki ( S) . Krzem - będąoy głównym składnikiem p o p i oł ów Z węgl a k a mi en ne go występuje zarówno w postaci krzemionki (SiO^) , Jak i ró ż n y c h gli- nokrzemianów. Związki te są odpowiedzialne za erozyjne właściwości p o p i o ł ó w lotnych. Tlenki wapnia 1 m a gn ez u ( CaO i MgO) wykazują wł aś ci wo śc i wią
żące 1 powodują zestalanie się zawiesin poplołońo-wodnyoh po p e w n y m czasie, Gęstość su chych popi oł ów lotnyoh zmienia się w dość szerokich granicac:
( 1 , 4 do 2,5 g / c m 3) , Tak znaczne różnice gęstości p o p i o ł ó w lo tn yc h są powo
do wa ne zróżnicowaniem rozwinięcia powierzchni ich ziaren. Ziarna po pi oł ów m o g ą być kuliste o słabo rozwiniętej powierzohni lub też ich po wi er z c h n i e m o ż e tworzyć ba rdzo liczne mllcropory wypełniane powietrzem, kt ór e powodu-
n o
•*«. .nsEi.ii
ją zmniejszenie średniej gęstościwyznaczonej metodą piknosetryczną. V trakcie pomiaru te mlkropory nie zostają bowiem wypełnione cieczą. Skład
granulone tryozny saobych popiołów lotnych Jest zróżnicowany. Genera
lnie stanowią one ałeszaniny dro- bnociarnlste polirr akcyjne,zwykle E przewagą frakcji najdrobniej - ssyob. Odział ziaren o średnicy
> 0,1 B B w y n o s i 1 pr ze ciętnie 10-20*, iodział ziaren s średnicy
< 0 , 0 6 3 B B wynosi *0-30 «. Skład frakoj 1 na jd ro bn ie js zy ch no*e by*
zresztą zróżnicowany, ee bardzo wyraźnie wpływa na własności reo- lesiosne zawiesin. O składzie gra- nulenetrycznye popiołów lotnych 'decyduje szereg czynników,a zwła
szcza: rodzaj i skład węgla, ja
kość przecieku i skład grannloae- Rya.l. Krzywe granzloBetryczno popie- tryezny pyłu węglowego, wariatki
i ^ ó t o S h ei l 2 k t ? 5 w i ,M“ *,Mł3r6h' •p* 1* łi* ekuteoznośó działa
nia urządzać odpylających.
N a rysiaaku l przedstawiono składy graauloaetrycsne suobyoh popiołów lot - nych pochodzących z węgli kamiennych spalanych w różnych elektrowniach aa.
środowych. Jak w i d a ć f lot^e kłady granulometryczne różnią się znacznie.
3. Badania własnośol reologicznych zawiesin
Badania własnośol reologleznyeh zawiesin suchych popiołów lotnych w wo
dzie prowadzono wykorzystując reonatr kapilarny [3] oraz reoaetr rotacyj
ny (typu Beotest 2) . Tan ostatni zastał wyposażony w dodatkowy układ obie
gu zawiesiny w szckellnle, elisinująoy wpływ zjawiska sadyaańtacjl fazy stałej w szczelinie poniarowej, zaproponowany przez autora pracy [l],
Baouetr kapilarny ( z kapllarą o średnicy 1,48S b z) umożliwiał w prakty- ee prowadzenie poniarów przy koncentracjach objętościowych fazy stałej w mieszaninie nie wyZszyoh niż około oy « 0,33 - 0,36 ( w zależności od bada
nego popiołu) , ze względu na zatykanie się kapilary przy koncentracjach wyższych.
V przypadku uśycla reoaetru rotacyjnego przy analizie pomiarów zwracano uwagę, Zo Istnieje pewna minimalna prędkość kątowa eyllndra U ^ , , przy której następuje pełne upłynnienie zawiesiny w lepkościomierzu [*], jak teZ Istnieje pewna maksymalna prędkość kątowa cylindra & nax pozwalająca wykluczyć istnienie sakłócenla przepływu lamlnarnego w szczelinie lepkoś
ciomierza [2]. Badania przeprowadzone przy wykorzystaniu obu przyrządów wykazały, Zo w porównywalnych zakresach uzyskane wyniki dobrze korespon
dują za sobą.
j t j ł s n o ś c l r e o l o g l c z a g g ę s ty c h z a w ie s in __
¿11
T ln /m 1] cf *0,35
^ o Z T s d o _ m _
4oo 800 m 200 ' 400 600 ' 800 1000 m
Nys. 2. Krzywe płynięcia wyznaczone wiskozymetrem kapilarnym 1 wiskozymetrem rotacyjnym
N a rysunku 2 przedstawiono krzywe płynięcia ( zależności m i ę d z y naprężeniem s t y c z n y m i . a szybkością ścinania j ) otrzymane dla tych samych zawiesin ( ten sam popiół, taka sama koncentracja objętościowa) w obu przypadkach pomiaro^rch. Krzywe płynięcia wyznaczano dla zawiesin o ko ncentracjach ob
j ę to śc io wy ch fazy stałej w granicach c y ■ 0 - 0,45, sporządzonych z po pi o
ł ó w lo tnych poch od zą cy ch z kilk u ró żnych elektrowni.
4. Wyniki badań
Po mi ar y kr zywych płynięcia wykazały, że własności Teologiczne zawiesin p o p i o ł ó w lotnych w wodzie aą zróżnicowane.
N a ryeunku 3 przedstawione zostały dla przykładu krzywe płynięcia dla za
w i es in preparowanych z po pi oł ów A I D , różniącyoh się wyraźnie zawartością najdro bn ie js zy ch frakcji.
A n aliza wy ników po mi ar ów pozwoliła na poczynienie następujących spostrze
żeń. W zakresie małych koncentracji objętościowych (cy < 0,15 - 0,20) za
w i es in y po pi oł ów lotnych z wodą zachowują się Jak ciecze newtonowskie, a więc ich krzywe płynięcia w tym zakresie koncentracji spełniają równanie Ne wt on a
X = 'f) ( 1)
w którym:.
lepkość dynamiczna.
Lepkość dynamiczna zawiesiny zwiększa się w miarę wzrostu koncentracji o b jętościowej popiołu.
Koncentrację objętościową cy « 0,15 - 0,18 moZna uważać za koncentrację graniczną, powyżej której w zawiesinie ujawniają się cechy ci ec zy nl enew- tonowsklej.
P o pr ze kroczeniu konoentracjl granicznej zawiesiny wykazują zwykle cechy
112
— T
ciała p l a s t y c z n o - l e p k i e g o i z d os ta t ec zn ą do kł ad n o ś c i ą nogą b yć 'opisane
codelen Binghaaa ¡T1 . .
gdzie:
'tp - n a p r ę ż e n i e p oczątkowe
^ p - lepkość plastyczna.
T [ N / m z] Popiół A
T [ n / m * ] Popiół u
(2)
Bys. 3. K r z yw e pł yn i ęc ia zaw i es in z wy br a ny ch p o p i o ł ó w
Hys. 4. Zależność i "In od koncentracji objętościo
wa 1 noDiołu w zawiesinie
WŁasnośol reołoglozne gęatyob zawiesin.. U J Zarówno X Q jjak i *^p wzrastają w siarę zwiększania się koncentracji obję
tościowej popi oł ów w zawiesinie. Na rysunku 4 przedstawiono ilościowy wpły w koncentraojl objętościowej popiołów w zawiesinie na t i (przy czy® w zakresie sałycb koncentracji należy rozumieć jako lepkość cie
czy newtonowskiej) . Charakter zmian X 0 1 TJp Jest wprawdzie podobny .jed
nakie różnice wartości są znaczne. Większe wartości występują w przy
pa d k u zawiesin zawierających mniejsze udziały najdrobniejszych frakcji ziarnowych.
N a le ży «wrócić uwagę, że przy najwyższych uwzględnianych w badaniach zawiesin ko nc entracjach objętość Iowy oh cy es 0,40 - 0,45. zawiesina n a b i e ra c e c h ciała pseudoplastycznego 1 może być korzystnie opisana modelem Ostwald »-de Waele'a [?]
X - k f n (3)
gdzie:
k,n - parametry reologlczne ( m i a r a lepkości pozornej i miara odchyle
nia od właanoścl ci ec zy newtonowskiej) .
św ia dczyłoby to o wzroście zdolności do uporządkowania struktury zawiesi
n y w przypadku wy sokich koncentracji fazy stałej.
Ponieważ ze względu na olbrzymi wzrost lepkości przy najwyższych k o n c e n t ra cj ac h ( c T } 0,4). nie jest realne przetłaczanie tak znacznie zagęsz
c z on yc h zawiesin praeż rurociągi, pr ze to w Interesującym ze wz ględów pra- kt yc zn yc h zakresie koncentracji c v « 0 , 25 - 0,40 można z powodzeniem tra
ktować zawiesiny popiołowo-wodne jako ciało Binghama.
5. Prognozowanie oporów przepływu zawiesin w rurociągach
Prze pł yw zawiesin po pi oł ów lotnych w wodzie w rurociągach może mieć charakter lamlnarny ( gdy a ^ c< 2800 - 2400) lub turbulentny, przeważnie zresztą w strefie przejściowej (g dy 2200 - 2400 K. Re*< 20000) .
Ola cieczy opisanej mo de le m Binghama uogólnioną liczbę Reynoldsa okre
śla się « w z o r u [s,e]
He* - — H - T d + T T w który*:
V - gęstość zawiesiny,
v - prędkość pr ze pł yw u zawiesiny, d - średnica rurociągu.
W strefie ruchu lamlnarnego współczynnik oporu liniowego A. rurociągu m o ż
na określić z d u ż ą dokładnością z równania [5,6]
f i = 64 ( Re*)-1 (5)
W strefie przejściowej wartości K uzyskane z równania Blasiusa [5,6]
f i m. 0,316 ( Re“) ~0 >25 (6)
X
11 il J. Rokit«
są zwykle od kilku do k i lk un a s t u pro ce nt wyższe od wartości rzeczywistych.
Stwarza to możliwość bez pi e cz ne go określa ni a op orów p r z e p ł y w u zawiesiny.
Poza strefą p r z e j ś c i o w ą określanie w s p ó łc zy nn i ka A dla p r z e p ł y w u tur- bulentnego powinno być d okonywane na podstawie badań stanowiskowyoh. Jed
n ak że p r z e p ł y w w ysoko s k o nc en tr o wa ny ch zawiesin poza strefą przejś ci o wą zdarza się w r ze cz yw i st oś ci rzadko.
Trzeba też zasygnalizować. Ze w miarę upływu czasu ( r zę du 1-2 godzin) staja się zauważalne zmiany własności reologicznych zawiesin poplołowo - wodnych ( w kierunku wzrostu lepkości plastycznej 1 naprężenia początkowe
go) w wyniku występujących p r o c es ów chemicznych. Należy zmiany te uwzglę
dniać zwłaszcza w przypadku dalekosiężnego transportu rurowego zawiesin.
LITERATURA
[ l] Błaszczyk J. : Badania lepkości paliw olejowo-węglowyoh, pr a c a dokto
rska, Politechnika kląska, Gliwice 1981.
[2] JCembłowskl: Beometrla płynów nlenewtonowskich, WNT, 1973.
[3] Nowak 1., Dzieża J . : N e t ody pomiaru własności re ol ogicznych cieczy zawiesinowych, Archi wis Górnictwa, tom XXIII, n r 4, 1978.
[4] Parzonka v . : Teoria w i sk oz ym et ró w do Je dn or od ny ch mi es za ni n gruntowo- wodnych, Rozpraw)- Inżynierskie n r 1, 1968.
[5] Parzonka W.: Hydrauliczne podstawy transportu ru rowego mieszanin dwu
fazowych, skrypt Akademii R o ln ic ze j, Wr oc ła w 1977.
[ej Rablnowicz E.Z.: Gldrawllka, Izd.Nledra, M o sk va 1980.
[ 7j Wllklnson W.: Płyny n l e n e w to no ws kl e, WNT, 1963.
f
8] Zgłoszenie patentowe PRL n r P - 218778.9] |Zgłoszenie Patentowe PRL nr P-221769.
fioj Patent PR L nr 128713. .
PBOBOrMBCHHE CBOHCZBA I7CZUZ B3BBCEH SOUH-yHOCA B BO£B
P e 8 u m e
UpsBoASTca p e o i o r n e c u e csoflcisa Basecett cycneHszfi cyiofl aozu-ysoca b B(uc. Euro KoacT&TzpoBaHo, yio npH Boapacrazmaz o óKichkz zoHnearpaiourr •_
TBtSpAoft jw.au s s b BasecB nposBJumr csoficzBa BeauDTOBOBCicEZ BHAkociefl, zorza y z e n z a a TenzoBiczoczB nps nocToaHBOu o&tćue cv 0,15 - 0,20. Peozonraeo- k b b CBoficiBa B3Bece0 itozBO 'laae Bcero BupaaHTt npH nouoBH m o a b a b EHHrzaua, łopuyzKpyiKoz b u b o a b Buenmae npaKZHweczoe aHaneHae.
W l a a n o á o l r eo lo g l c a o a g p at To h aawlaalo...
U L &
K H E O L O G I C A L P R OP ERTIES 0 7 D E N S E SUSPENSIONS o r TijY a s e i n wa te r
S u ■ ■ ■ r 7
T h e p ap a r de a la v l t h ttaa r ba ologloal propartias of tfaa a aa p an a l o n a of dry fl» aa ba a la «atar. Zt faaa ba a n fouod tbat at l a r g a r T ol ro e tr lc o o n o a o t r a t l o o a of a solld ptaaaa ttaar dlaplay tba pr o pa rt id a of a N a w t o - olan f l u i d («bao Cy 0. 15 - 0.2 0). T b a rbaologloal proper tl a a o f aua- peoelona a r a « 0 0 1 oftao ra praaantad lo tba foro of a B l n g b a a oodal. Con- o lu al oo a of p ra et l o a l coaequ e no a b a v a ba a o foraulated.
