Badania modelowe separatorów pyłu do palników niskoemisyjnych

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 127

1996 Nr kol. 1350

J a n CZEPELAK, Kazim ierz MROCZEK In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechnika Śląska, Gliwice

D am ian TOMAS

F abryk a Kotłów RAFAKO S.A., Racibórz

BADANIA MODELOWE SEPARATORÓW PYŁU DO PALNIKÓW NISKOEMISYJNYCH

S tr e s z c z e n ie . W pracy przeanalizow ano w arunki fizycznego mode

low ania rozdziału (separacji) pyłu, a n a ich podstaw ie określono cechy geom etryczne (skalę) i param ery solgazu w m odelu urządzenia rozdzie

lającego. Opisano instalację badawczą i podano metodykę pomiarów.

Przedstaw iono wyniki pomiarów wpływu k ą ta ustaw ien ia łopatek żalu zji i param etrów solgazu n a rozdział pyłu i gazu w rozdzielaczu tró jn i

kowym oraz określono optym alną n astaw ę żaluzji. Dla rozdzielacza kolanowego przedstaw iono wyniki pomiarów wpływu promienia gięcia i usytuow ania przegrody oraz param etrów solgazu n a przebieg procesu separacji.

THE MODEL INVESTIGATION OF PULVERIZED COAL SEPARATO RS FO R LOW NOx BU RN ER S

Sum m ary. The p ap er p resents th e conditions of th e physical modell

ing of th e pulverized coal separation. The te s t sta n d and m ethods of investigation have been described. The influence of th e configuration of th e blades as well as p aram eters of th e two-phase m ixture on coal and a ir separation h as been shown. For th e elbow-type separator th e in fluence of th e bend angle and p artitio n positioning for various flow p a ra m ete rs has been described.

M O DELLUNTERSUCH UNGEN D E R KOHLENSTAUBVERTEILER F Ü R DIE LOW NO x- BR EN NER

Z u sa m m en fa ssu n g . Die Bedingungen der physikalischen Model

lierung der K ohlenstaubverteilung w urden analysiert. Auf G rund der V ersuche die P a ram e te r der M ischung im Modell des Verteilers w urden

(2)

188 Jan Czepelak, Kazimierz Mroczek, Damian Tomas

e rm ittelt. D er P rü fsta n d u n d die U ntersuchungsm ethode w urd en be

schrieben. Die R esu ltate der M essungen des Einflusses des N eigungsw inkels der Schaufeln u n d der P a ram e te r der M ischung im T- V erteiler w urd en dargestellt. F ü r den B ogenverteiler ist der Einfluß von B iegenradius u n d d er Blendelage als auch der M ischungparam eter d a rg e stellt worden.

1. W p ro w a d zen ie

W technice kotłowej stosow ane są różne m etody niskoem isyjnego spalania pyłu węglowego, prow adzące do ograniczenia pow staw ania tlenków azotu.

J e d n ą z nich je s t technologia organizacji sp alan ia z w ykorzystaniem stru m ie

n i solgazu o wysokiej i niskiej koncentracji pyłu. Ja k o wyjściowe rozdziały przyjm uje się dla gazu 50/50% n a to m ia st d la pyłu ok. 70/30%. W celu rozdzie

lenia stru m ie n ia solgazu n a dwie stru g i m ieszaniny, bogatą i ubogą w pył, m ają zastosow anie różnej konstrukcji u rząd zen ia rozdzielające (separujące).

Rozdział m ieszaniny pyłowo—pow ietrznej m ożna realizować n a kilk a sposo

bów. Pierw szy polega n a zabudow aniu urząd zeń rozdzielających bezpośrednio przed paln ik am i, drugi n a w ykorzystaniu separacyjnego d ziałania odsiewacza młynowego, jeszcze in n y polega n a organizacji rozdziału w sam ym palniku.

P rzy rozdziale stru m ie n ia bezpośrednio przed paln ikam i jak o elem enty sepa

ru jące stosow ane są asym etryczne zwężki (w przewodzie poziomym), kolana (w m iejscu łączenia rurociągu pionowego z poziomym lub poziomego z piono

wym oraz tró jn iki z żaluzjam i (w przewodzie pionowym) itp.

Do b a d ań wytypowano tró jn ik z w budow aną żaluzją oraz kolano w raz z poziom ą pro stk ą, w której zainstalow ano przegrodę w m iejscu przejścia ruro ciągu pionowego w poziomy. Celem ba d ań było określenie wpływu wybranych cech geom etrycznych danej konstrukcji rozdzielacza (k ąta ustaw ien ia żaluzji, prom ienia gięcia k olan a i u sytuow ania przegrody w prostce), n a tę ż e n ia prze

pływ u (prędkości gazu) oraz koncentracji i granulacji pyłu n a proces rozdziału pyłu i gazu.

B ad an ia wykonano w ram ach w spółpracy z przem ysłem . P rojekt i modele rozdzielaczy trójnikowego i kolanowego opracowano w RAFAKO.

W pracy przeanalizow ano w aru nk i fizycznego m odelowania rozdziału (se

paracji) pyłu, a n a ich podstaw ie określono cechy geom etryczne (skalę) i p a ra m e ry solgazu w m odelu urządzen ia rozdzielającego. Opisano instalację badaw czą i podano m etodykę pomiarów. W ykonano pom iary wpływu k ą ta u staw ien ia łopatek żaluzji i p aram etró w solgazu n a rozdział pyłu i gazu rozdzielacza trójnikowego. N a tej podstaw ie określono optym alną n astaw ę żaluzji. D la rozdzielacza kolanowego przeprowadzono pom iary wpływu pro

m ienia gięcia i usytuow ania przegrody oraz param etrów solgazu n a przebieg procesu separacji.

(3)

Badania modelowe separatorów pyłu do palników... 189

W yniki opracowano w postaci wykresów. Przeprowadzono ich analizę i podano wnioski.

2. Z a ło żen ia do b ad ań

2.1. M o d e lo w a n ie p r z e p ły w u m ie sz a n in d w u sk ła d n ik o w y c h

W rozw ażaniach zjawisk w przepływach dw uskładnikow ych zwykle wycho

dzi się z założeń ważnych jedynie dla czynników jednorodnych. Z tego powodu analizę teoretyczną przeprow adza się dla prostych przypadków przepływów.

Dla u rząd zeń bardziej złożonych są konieczne bardzo rozbudowane modele m atem atyczne lub bad an ia eksperym entalne. W większości przypadków m u

szą to być b ad an ia modelowe, ponieważ b ad ania n a obiekcie rzeczywistym są kosztow ne i nie dają pełnych możliwości zm ian cech konstrukcyjnych u rz ą dzenia, ja k również jego param etrów pracy.

Podobieństwo zjaw isk fizycznych w m odelu i obiekcie zostanie zachowane wówczas, kiedy zostaną zachowane stosowrfe k ry te ria podobieństwa i w aru n

ki jednoznaczności [5], W arunki jednoznaczności obejm ują podobieństwo geo

m etryczne, własności m ateriału ścianek kanałów i solidusu (liczba kształtu ó i polidyspersji pyłu n) itp.

Z ogólnego rów nania ruchu cząstek pyłu w stru m ien iu gazu nośnego w yni

ka, że pełne podobieństwo przepływu w geometrycznie podobnym modelu u rząd zen ia rzeczywistego zachodzi wówczas, gdy zachowane są kryteria Frou- da (Fr), uogólniona liczba Stokesa (StK) i liczba E u lera (Eu), określająca sam om odelujący przepływ gazu transportującego.

Ogólna liczba Stokesa m a postać:

W ykładnik potęgowy k w w yrażeniu n a współczynnik oporu cząstki \|/,

przyjm uje w artość od 0 do 1 w zależności od c h a ra k te ru opływu cząstki. Dla lam inarnego opływu cząstki k = 1 i w tedy k ry teriu m StK przybiera postać St, n a to m ia st dla burzliwego (k = 0) postać K:

(2.1)

(2.2)

(4)

S t = ^ , K = ^ (2.3)

Iti lp

Oprócz wym ienionych w arunków należy utrzym ać koncentrację pyłu w gazie (Y), stosunki prędkości i gęstości pyłu do gazu (c/w i pp/ p ) w modelu ta k ie sam e, ja k w obiekcie przemysłowym.

Spełnienie w szystkich wym ienionych kryteriów podobieństw a w modelu u rząd zenia, w którym przepływ a m ieszan in a pyłowo-gazowa, nie je s t możliwe z uw agi n a ich sprzeczność. Podaw any do palników kotłowych pył, w podsta

wowej swojej m asie, zaw iera cząstki drobne (x < 100 (im), dla których liczba Rex w przepływ ie ustalonym nie p rzekracza w artości 1 (3). Przy modelowaniu przepływ u w odpylaczach cyklonowych czy żaluzjowych [6], a więc urządze

n iac h o zbliżonym m echanizm ie działan ia do rozdzielacza przedpalnikowego, stosow ano k ry te ria podobieństw a F r, S t i Eu. Bliższa an aliza zjaw iska wraz z k o n kretny m i uw arunkow aniam i technicznym i m odelowania (pkt. 2.2) pozwo

liły n a uściślenie w arunków badań.

2.2. D o b ó r p a r a m etr ó w m o d e lu

W założeniach do realizacji b adań przyjęto w ykorzystanie istniejącego sta now iska młynowego [ 1] po jego odpowiedniej adaptacji (zm iana konfiguracji przewodów, m odernizacja u rząd zen ia do poboru próbek i u kładu odpylania - pkt. 3.1).

N a podstaw ie dostępnych b a d ań odsiewaczy i rozdzielaczy [3], urządzeń o podobnym m echanizm ie działania ja k proponow any rozdzielacz, samomodelu- jący przepływ gazu zachodzi ju ż przy Re > 40 000. Skala m odelu rozdzielacza została dostosow ana do wielkości istniejącej instalacji (min. części przewodów pyłowych) po spraw dzeniu w artości Re dla dolnej w artości prędkości gazu w modelu. D okładną graniczną w artość Re, przy której Eu nie ulega zmianie, wyznaczono w b ad an iach w stępnych.

G azem nośnym w instalacji modelowej je s t m ieszanina pow ietrza i spalin (ok. 10%) o te m p e ra tu rz e takiej sam ej ja k w obiekcie. Skład gazu je s t p rak ty cznie zbliżony do pow ietrza.

J a k o m a te ria łu cząstek pyłu modelowego użyto węgla kam iennego o w łas

nościach (sta n analityczny):

Wa = 2,4%; Aa = 24,1%; Sa = 1,1%; Qa‘ = 23,8 MJ/kg; pw = 810 kg/m 3 U stalen ie gęstości pyłu ogranicza w praw dzie możliwość szerszego modelo

w an ia zjaw iska, je d n a k własności pyłu modelowego będą podobne do stosowa

nego w obiekcie. Z analizy rów nania ru ch u pojedynczej cząstki pyłu pod działaniem sił oporu aerodynam icznego, ciężkości i bezwładności [2] wynika,

(5)

Badania modelowe separatorów pyłu do palników. 191

że n a zachow anie się cząstki w niejednorodnym polu prędkości decydujący wpływ m a jej rozm iar x i k sz ta łt <|), a nie gęstość pp. M ając to n a uwadze, przy wyborze pyłu należy kierować się stosunkiem średnic x/xo (indeks „o” dotyczy obiektu) i liczbą kształtu , a więc wybierać pył z tego samego węgla i mielonego w m łynach o tym sam ym m echanizm ie działania.

Ogólnie rozdzielacz (w formie tró jn ik a lub kolana) je s t urządzeniem, które m a za zadanie rozdzielić stru m ień solgazu n a dwie strug i o znacznie różniącej się koncentracji pyłu. Założono równy rozdział gazu, n ato m ia st udział pyłu w jednym przewodzie powinien być ok. dwa razy w iększy niż w drugim. Oprócz tego g ranu lacja pyłu w przewodzie o niskiej koncentracji pow inna być drob

niejsza. Powyższe w ym agania staran o się zrealizować przy wykorzystaniu separacyjnego c h a ra k te ru działania żaluzji zabudowanej w trójniku (rys. 1) oraz k olan a i odcinka prostki z odpowiednio usytuow aną przegrodą (rys. 2).

Cechy geom etryczne rozdzielacza trójnikowego i średni przebieg trajektorii gazu przedstaw iono n a poniższym schemacie.

W czasie przepływ u przez rozdzielacz stru m ień solgazu w stępnie jest od

chylony w praw o (strefa I), a n astępn ie kolejno jego pewne części zmieniają

Rys. 1. S chem at przepływ u solgazu przez rozdzielacz trójnikowy: 1 - trójnik, 2 - łopatka żaluzji, w = o) x R — prędkość gazu, ć — prędkość cząstek pyłu

Fig. 1. Scheme of th e tw o-phase flow in T-type separator, 1 - separator, 2 - blade, w = a) x R - gas velocity, c - d u st particle velocity

(6)

k ieru n e k ru ch u (strefy II, III) i przez żaluzje wpływają do przew odu lewego.

N a sk u te k sukcesywnego odpływu m aleje prędkość solgazu n a wejściu do kolejnych stref. Podstawowym zjaw iskiem do zam odelow ania je s t rozdział pyłu n a p raw ą (P) i lew ą (L) gałąź rurociągu. Z danych geometrycznych rozdzielacza i p aram etró w solgazu w ynika, że o stopniu rozdziału decydować będzie w artość sił bezwładności i oporu ruchu cząstek pyłu w poszczególnych strefach. Z szacunkow ych obliczeń wynika, że w artość siły bezwładności na łu kach tra jek to rii gazu (rys. 1) może kilkadziesiąt razy przekroczyć wartość siły graw itacji. O ile opływ cząstek n a wejściu i wyjściu z rozdzielacza będzie lam inarn y , to w obszarze przepływ u po łukach pew na część cząstek wejdzie w zakres przejściowy.

N a podstaw ie rów nań ru ch u solgazu po torze krzywoliniowym przy u p rasz

czającym przyjęciu, że gaz w iruje ze sta łą prędkością kątow ą co, wykonano obliczenia prędkości cząstek dla różnych ich średnic w w ybranych strefach rozdzielacza. Z obliczeń w ynika, że w zględna prędkość cząstki (względem gazu) przekracza w artości graniczne dla opływu lam inarnego dla znacznej części rozm iarów pyłu. O ilości pyłu dostającego się do przew odu lewego będzie decydować udział cząstek bardzo drobnych, dla których w aru nk i ruchu względnego będą lam inam e. Pomimo że pew ien udział cząstek dostających się do przew odu praw ego (głównie wyrzuconych z to ru gazu) będzie w obsza

rze przejściowym, nie powinno to zasadniczo zmienić stopnia rozdziału pyłu, a jedynie nieco zmienić proporcje w oporach obu ram ion rozdzielacza.

Podobne zjaw iska w ystępują w czasie przepływ u przez kolano, którego ideę d ziałania ilu stru je rys. 2. W tym przypadku, oprócz sił bezwładności i oporu, może w ystąpić większe oddziaływanie siły graw itacji cząstek.

Rys. 2. S chem at przepływ u solgazu przez rozdzielacz kolanowy: 1 - kolano, 2 - prostka, 3 - przegroda, 4 - tró jn ik rozdzielający n a górny (G) i dolny (D) przewód

Fig. 2. Schem e of th e tw o-phase flow in elbow-type separator: 1 - elbow, 2 - tube, 3 - p artitio n , 4 - T -elem ent dividing th e flow for u p p er (G) and lower (D) channel

(7)

Zgodnie z powyższymi w yjaśnieniam i i u stalen iam i w pkt. 2.1, w laminar- nym obszarze opływu cząstek, z k ry teriu m S t rozm iar pyłu modelowego wy

niesie:

^ T (2.4)

Pp Po V0 D o

Aby ocenić wpływ pewnych nieścisłości założeń do m odelowania należałoby w badaniach zastosować 2 - 3 różne granulacje pyłu, w tym drobniejszą, obliczoną z k ry teriu m StK dla opływu przejściowego przy założeniu k = 0,5:

Pp Po V0 D0 (2.5)

N a podstaw ie [8], podobieństwo przepływu m ieszaniny gazu z pyłem poli- dyspersyjnym w ystępuje, jeżeli oprócz wym ienionych w arunków , bezwymia

rowe ch arak tery sty k i pyłu w m odelu i obiekcie będą tak ie sam e (indeks „o”

dotyczy obiektu):

R* = f f \

x , x-

V z

(2^.6⁾

gdzie:

Rx xm

m asow a pozostałość cząstek n a sicie rozm iaru x,

ch arakterystyczny rozm iar ziarn a pyłu (np. średni, m aksym alny itp.).

P rzy doborze granulacji pyłu, charakterystyczny rozm iar xm przyjęto na podstaw ie rozkładu R o sin a-R am m lera-S p erling a-B en neta. J e s t to rozmiar z iarn a (oczka sita), dla którego pozostałość sitow a wynosi Rx = 100/e = 36,8%.

Ponieważ rozkład statystyczny pyłu węglowego podlega praw u RRSB, jego p a ra m etry rozkładu m ożna określić za pomocą wielkości xm i liczby polidyspersji n. W artości te wyznacza się znając pozostałości n a dwóch różnych sitach, np. 88 pm i 200 pm (R90 i R²⁰⁰) n a podstaw ie praw a rozkładu:

100

Rx = exp (2.7)

(8)

3. M etod a b a d a ń

3.1. S ta n o w is k o d o św ia d c z a ln e

Do b a d ań rozdzielaczy zaadaptow ano istniejące w Instytucie stanowisko dośw iadczalne z m łynem średniobieżnym [1]. Isto tne elem enty stanow iska pokazano n a rys. 3. M ieszanina pyłow o-pow ietrzna (solgaz) wyprowadzona je s t z m łyna rurociągiem o średnicy w ew nętrznej D = 100 mm. Konfigurację przewodów pyłowych dostosowano do ich przebiegu w instalacji rzeczywistej.

B adany rozdzielacz 6 zainstalow ano n a końcu odcinka pionowego o długości ok. 28D. Za rozdzielaczem zabudowano dwa równoległe przewody (prawy i lewy, p atrząc w k ieru n k u układu odpylania) o średnicy wewnętrznej

10

mieszanina pyłowo-powietrzna

gorące powietrze <

Rys. 3. Schem at instalacji doświadczalnej i miejsce usytuow ania punktów pomiarowych:

1 - m łyn, 2 - cyklony, 3 - filtry workowe, 4 - zbiorniki pyłu, 5 - k la p a kierująca pył, 6 - bad an y rozdzielacz, 7 - zwężka pom iarowa, 8 - przepustnica, 9 - kolano poziom -pion, 10 - kolana pion-poziom , 11 - pojem nik do poboru próbek pyłu;

P u n k ty pomiarowe: p, t - pom iar nadciśnienia statycznego, tem peratury; V - pomiar strum ienia gazu; B, Bp - pom iar strum ieni węgla, pyłu; bp - pobór próbek pyłu Fig. 3. T est s ta n d an d m easurem ent points

(9)

d = 69 m m każdy. N a odcinkach poziomych tych przewodów zainstalow ano klasyczne zwężki Venturiego 7 do pom iaru stru m ienia gazu i przepustnice 8 do regulacji oporów przepływ u poszczególnych n ite k rurociągu. O dseparow a

n y w cyklonach pył, za pomocą klap kierujących 5, może być doprowadzony do zbiornika pyłu 4 lub do naczynia do poboru próbek 11. Należy zaznaczyć, że p raw a i lew a n itk a m ieszaniny pyłowo-powietrznej są od siebie całkowicie oddzielone, począwszy od rozdzielacza aż do zbiornika pyłu włącznie. Przy pom iarach rozdzielacza kolanowego (po zdemontowaniu rozdzielacza trójniko

wego 6) w miejsce kolan 10 zabudowano badany rozdzielacz (schemat - rys. 2).

3.2. M etod y k a p o m ia ró w

Z uw agi n a stosunkowo długie przewody pyłowe w instalacji doświadczalnej za badanym rozdzielaczem, a tym sam ym relatyw nie duże ich opory przepły

w u, w celu zam odelow ania oporów sieci rzeczywistej, za pomocą przepustnic utrzym yw ano tak ie sam e nadciśnienie statyczne pj w wybranych p u n k tach obu n ite k rurociągu. W ten sposób staran o się zasymulować przem ysłowe w a ru n k i pracy rozdzielacza, w których odległości od rozdzielacza do kom ory paleniskowej są stosunkowo małe. W większości pomiarów utrzym yw ano tak ie sam e ciśnienia statyczne przed zwężkami pomiarowymi 7.

W artość stru m ien ia pyłu Bp określano n a podstaw ie masy pyłu odseparo

wanej w cyklonie i w filtrach tkaninow ych w znanym czasie. Ś red nia sp raw ność cyklonów wynosiła ok. 98%.

S trum ien ie pyłu po rozdziale (w prawej i lewej nitce rurociągu Bp, Bp), a tak że ich garanulację określano n a podstaw ie analizy próbek bp, bp pobiera

nych w czasie kilk u m inut. Dokładność tej m etody sprawdzano z w ynikam i uzyskanym i n a podstaw ie w ażenia całości pyłu z lewego i praw ego zbiornika pyłowego w znanym czasie pom iaru.

S tru m ień gazu w lewej nitce VL obliczano n a podstawie mierzonego spadku ciśnienia w konfuzorze klasycznej zwężki Venturiego. Przy stosunkow o n i

skiej koncentracji pyłu w tym przewodzie, dokładność tej metody je s t zadowa

lająca. Całkowity stru m ień gazu V (przed młynem) mierzono kry zą ISA z przytarczow ym pom iarem ciśnienia.

T em peratury czynnika przed i za m łynem oraz przed rozdzielaczem m ierzo

no przy użyciu term om etrów rtęciowych, a dodatkowo czujnikami term oele

ktrycznym i NiCr-Ni. N adciśnienia i spadki ciśnień w poszczególnych p u n k tac h instalacji mierzono za pomocą mikromanometrów Recknagla (małe w artości spadków) lub m anom etrów U -rurkow ych wypełnionych alkoholem.

Określono następujące własności pyłu:

- pozostałości n a sitach 88, 120 i 200 gm odpowiednio R90, R120, i R200

(w drugiej fazie pomiarów dodatkowo 40, 60, 75 pm - R40, Reo i R⁷⁵) - gęstość właściwą węgla (pyłu) pp, wilgoć całkowitą pyłu Wp.

(10)

T em p eratu rę czynnika transportującego przed rozdzielaczem utrzym yw a

no w granicach 100 - 120°C. Ganulację pyłu w zakresie R90 = 7 - 15 (23)%, regulow ano za pomocą łopatek regulacyjnych odsiewacza młyna.

4. W yniki p o m ia r ó w r o z d z ie la c z a tr ó jn ik o w e g o

4.1. W pływ p a r a m e tr ó w p r z e p ły w o w y c h

B ad an ia wpływu param etrów przepływowych w ykonano w szerokim zakre

sie dla k ą ta pochylenia łopatek żaluzji cp = 30°. Z przeprow adzonych obliczeń num erycznych wynikało, że je s t to k ą t optym alny. Przepływ gazu odbywał się w obszarze samom odelującym . Opracowane wyniki b adań przedstaw iono gra

ficznie n a rysu n k ach 4 i 5 w postaci zależności masowego udziału pyłu i pow ietrza w praw ej nitce rurociągu (P) od koncentracji Y oraz prędkości w na wlocie do rozdzielacza (wyrażonej poprzez liczbę Fr).

86

84

rp-P 82

[ % ] 80

78

76

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Y, [g /g ]

Rys. 4. Zależność masowego udziału pyłu w przewodzie praw ym (rp) od koncentracji na wlocie do rozdzielacza (Y), przy różnych prędkościach pow ietrza (Fr)

Fig.4. The dépendance of th e m ass fraction of th e coal d u st in th e rig h t channel (rp) on the input-concentration of th e se p arato r (Y) for various air flow velocities (Fr)

(11)

50

48

r-P

C%] 44

42

40

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Y, [g/g]

Rys. 5. Zależności masowego udziału pow ietrza w przewodzie praw ym (rp) od koncentracji n a wlocie do rozdzielacza (Y), przy różnych prędkościach powietrza (Fr)

Fig. 5. The dependance of th e m ass fraction of th e a ir in th e right channel (rp) on th e input- concentration of th e sep arato r (Y) for various a ir flow velocities (Fr)

W zrost koncentracji n a wlocie do rozdzielacza powoduje wzrost masowego u działu pyłu w przewodzie praw ym (rp), a jednocześnie spadek masowego u działu pow ietrza (rp) w tym przewodzie. Podobnie, przy stałej koncentracji, w zrost liczby Frouda powoduje te n sam skutek. Dla typowych w arunków pracy pyłoprzewodów (wartości liczby F r - 150 i koncentracja Y - 0,5) masowy udział pyłu w przewodzie o dużej koncentracji osiąga w artość 83%, a powie

trz a 47%. B adania wykazały, że przyjęty k ą t pochylenia łopatek nie okazał się optym alny.

4.2. W pływ g ra n u la c ji p y łu n a ro z d z ia ł

Poszczególne serie pomiarów rozdzielacza wykonane zostały przy użyciu pyłu o różnej granulacji. Pozostałość n a sicie R go zaw ierała się w granicach 7,0 - 24%, a n a sicie ^{R 20o}odpowiednio 0,3 - 1,4%. J e s t to zakres znacznie szerszy od wynikającego z m odelowania i przyjęto go w celach poznawczych.

(12)

N a podstaw ie analizy wyników przeprow adzonych pom iarów można stw ierdzić, że im grubszy pył doprow adzany je s t do rozdzielacza, tym więcej pyłu tra fia do części praw ej, ale równocześnie płynie tam m niej powietrza.

Zgodne to je s t z rozw ażaniam i przedstaw ionym i w pkt. 2.

4.3. W pływ k ą ta p o c h y le n ia ło p a te k r o z d z ie la c z a

B ad an ia wykonano w szerokim zakresie zm ian k ąta; (p = - 15° -i- 45° i przy stałych w artościach koncentracji oraz liczb F r i Re. G ranulacja pyłu była sta ła , a pozostałości n a sicie 88 um wynosiły Rqn = 10,5%, n ato m ia st n a sicie

2 0 0 p m - R 2oo = 0 ,2 % .

N a podstaw ie graficznych zależności r p, r = fhp) przedstaw ionych n a rys. 6 m ożna stw ierdzić, że położenie łopatek kierujących żaluzji m a isto tne znacze

nie dla masowego rozdziału pyłu n a oba odgałęzienia rozdzielacza. W zakresie zm ian k ą ta (p w granicach - 15° 25° oddziaływanie to je s t dużo większe niż w zakresie 25° + 45°, gdzie wpływ k ą ta je s t niew ielki, a udziały pow ietrza w obu n itk a c h p ozostają praktycznie niezm ienne.

90

80

f P - P 70

[ % ] 60

rp

50

40 30

-30 -15 0 15 30 45 60

Kąt pochylenia łopatek fi, [st]

Rys. 6. Zależność masowego udziału pyłu (rp) i pow ietrza (rp) w przewodzie praw ym od k ą ta pochylenia łopatek rozdzielacza ((p)

Fig. 6. The dependance of th e m ass fraction of th e coal d u st (rp) and air (rp) in th e right channel on th e blade angle in th e se p a ra to r (cp)

(13)

Zm iana k ą ta u staw ien ia żaluzji od -15° do 30° powoduje zwiększenie się u działu pyłu w przewodzie praw ym (P) z 62 do 80%, przy czym udział powie

trz a w tym odgałęzieniu obniża się tylko o ok. 4 pkt. (z - 50 do 46,4%).

Interesujący je s t wpływ k ą ta cp n a granulację pyłu w obu rozgałęzieniach.

Dla k ą ta cp ~ -3 ° granu lacja pyłu w obu odgałęzieniach je s t ta k a sama. Przy k ą ta c h (p < -3 ° pył przechodzący do prawego odgałęzienia je s t drobniejszy niż pył przechodzący do lewego odgałęzienia. O dw rotna tendencja występuje dla 9 > -3°.

5. W yniki p o m ia ró w r o z d z ie la c z a k o la n o w eg o

Pom iary wykonano dla trzech kolan o różnym prom ieniu gięcia:

— kolano segm entowe o prom ieniu gięcia R =150 mm,

— kolano gładkie o prom ieniu gięcia R = 250 mm,

— kolano gładkie o prom ieniu gięcia R = 600 mm,

przy czym dla każdego z nich przy kilk u położeniach przegrody rozdzielającej stru m ień solgazu n a dwie strug i płynących górną (G) i dolną (D) n itk ą rurocią

gu (rys. 2).

Z akres zm ian p aram etrów przepływowych zaw arty był w przedziałach:

— koncentracja pyłu n a wlocie Y = 0,39 ^-i-0,63 g/g,

— liczba F rou da (prędkość gazu) F r = 100 -i- 270,

— g ranulacja pyłu (pozostałość n a sicie 88 pm) R90 = 6 14%.

Sam om odelujący przepływ gazu występował przy Re > 50000.

5.1. W pływ g e o m e tr ii n a p r o c e s r o z d z ia łu p y łu i p o w ie tr z a

B adane rozdzielacze pod względem geom etrii różnią się promieniem gięcia oraz położeniem pu n k tu , w którym następuje trw ałe oddzielenie od siebie stru g i płynącej górną częścią kolan a od strugi płynącej częścią dolną.

Porów nanie przebadanych układów pozwala n a stw ierdzenie, że wielkość prom ienia gięcia w zakresie 150 600 mm nie m a większego wpływu n a rozdział pyłu (rys. 7 - linie ciągłe). Przy usytuow aniu przegrody bezpośrednio z kolanem , m asow y udział pyłu w części górnej (rp) kształtu je się n a poziomie 83 ■+■ 86%. Różnica w ystępuje w rozdziale pow ietrza (rG), który zmienia się w przedziale 33 + 41%.

Wpływ położenia p u n k tu rozdziału przebadano w zakresie L/D = 0 + 10.

U sytuow anie przegrody (L), tj. p u nk tu , w którym następuje trw ałe oddziele

nie od siebie stru g m a podstawowe znaczenie dla procesu rozdziału pyłu.

Jakościow y wpływ odległości przegrody (L/D) i prom ienia kolana (R) n a roz

dział pyłu, dla wybranej liczby F r = 150, zilustrow ano n a rys. 8. W m iarę oddalania się linii rozdziału od wylotu kolana, udział cząstek pyłu w części

(14)

rp-G

ro/

Fr

Rys. 7. Zależność masowego udziału pyłu w przewodzie górnym (rjf) od liczby F rouda n a wlocie do k olana (Fr). Porów nanie badanych kolan

Fig. 7. The dépendance of th e m ass of th e coal d u st in th e u pper channel (r[/) on the F roude-num ber in th e elbow in p u t (Fr). The com parison of th e investigated elbow- type se p arato rs

górnej ulega zm niejszeniu n a sk u tek ich graw itacyjnego opadania. Większy wpływ odległości przegrody w ystępuje w przypadku kolan o m niejszym pro

m ieniu gięcia. M asowy udział pyłu w części górnej z w artości 83% m aleje do 65%. Rozdział pow ietrza je s t m ało podatny n a miejsce u staw ienia przegrody.

W celu w yrów nania udziałów pow ietrza w obu n itk ach rurociągu, w dal

szych b ad an iach tego typu rozdzielacza należałoby zastosować kryzy dławiące (lub w in n y sposób symulować dodatkowy opór w przewodzie o niskiej koncen

tracji). Zastosow anie elem entu dławiącego pozwoli n a uzyskanie podobnego sto pnia rozdziału co w rozdzielaczu trójnikowym.

5.2. W pływ p r ę d k o ś c i so lg a z u n a r o z d z ia ł p y łu i p o w ie tr z a

W pływ prędkości solgazu n a wlocie do k olana (wyrażoną przez liczbę F rou

da) n a efekt rozdziału m ożna prześledzić n a rys. 7. Przy rozdziale solgazu bezpośrednio za kolanem nie stw ierdzono praktycznie zależności masowego

(15)

Badania modelowe separatorów pyłu do palników.. 201

L/D

Rys. 8. Zależność masowego udziału pyłu w przewodzie górnym (rjf) od odległości przegrody od w ylotu k olana (L/D). Fr=150

Fig. 8. The dépendance of th e m ass of th e coal d u st in th e h igh channel (rjf) on the distance of division b ehin th e elbow outp u t (L/D). F r = 150

udziału pyłu od prędkości. Zm iana stopnia rozdziału pojaw ia się po odsunięciu przegrody rozdzielającej strugi, przy czym najw iększy wpływ prędkości w ystę

puje dla ko lana o dużym prom ieniu gięcia. Przykładowo dla kolana R = 600 i przesunięciu linii rozdziału n a odległość L = 6D udział pyłu w przewodzie górnym rp zwiększa się z 70 do 85% w przebadanym zakresie prędkości.

U w idacznia się tu wpływ prom ienia kolana n a długość drogi opadania czą

stek. P ew ną zależność od prędkości wykazuje także stopień rozdziału powie

trz a . Przeprow adzone próby zm iany granulacji pyłu nie wykazały istotnych zm ian w procesie rozdziału pyłu i gazu.

(16)

W n ioski

W ram a ch pracy w ykonano b ad an ia dwóch typów rozdzielaczy - trójnikow e

go z zabudow aną żaluzją oraz rozdzielaczy kolanowych. Rozwiązanie kon

strukcyjne rozdzielacza (separatora) trójnikowego pozwala n a stosunkowo proste osiągnięcie zakładanych w artości rozdziału solgazu n a dwie strugi, o u działach pow ietrza -50/50% oraz pyłu -70/30% , przez odpowiednie ustaw ie

nie k ą ta pochylenia żaluzji. Dla zadanej w ersji rozdzielacza trójnikowego żądany stopień rozdziału uzyskuje się przy poziomym ustaw ien iu łopatek żaluzji ((p = 0°). M ożna przypuszczać, że omówiona ko nstru kcja rozdzielacza będzie p o d atn a n a erozję.

Rozdział solgazu w sep arato rach kolanowych uzyskuje się przez trw ałe rozdzielenie s tru g za pomocą przegrody umieszczonej w prostce w odpowied

niej odległości za kolanem .

P om iary rozdzielaczy kolanowych w ykazały możliwość osiągnięcia rozdzia

łu pyłu n a żądanym poziomie, n a to m ia st w ystąpiło większe zróżnicowanie stru m ien i gazu w obu przewodach, tj. -40/60% (w przewodzie o dużej koncen

tracji pyłu popłynie ok. 40% powietrza). W celu w yrów nania udziału powie

trz a w obu odgałęzieniach niezbędne je s t zainstalow anie kryzy dławiącej w przew odzie o niskiej koncentracji. Do w ykorzystania w praktyce najodpowied

niejsze są ko lan a o m ałym prom ieniu gięcia. D la tych konfiguracji rozdział pyłu nie zależy od koncentracji i prędkości gazu, a przegroda rozdzielająca u staw io n a je s t stosunkow o blisko kolana, co zapew nia zw a rtą konstrukcję u rządzenia. W adą kolan o m ałym prom ieniu są większe opory przepływu solgazu.

Z uw agi n a niemożliwość zam odelow ania w szystkich zjaw isk w ystępują

cych w procesie rozdziału (separacji) osiągnięte wyniki mogą być obarczone pew nym błędem . Z tego względu, po zabudow aniu urządzeń przed palnikam i n a obiekcie, należałoby przeprow adzić pom iary spraw dzające i ew entualnie dokonać ko rek ty założeń do badań.

W ykaz w a ż n ie js z y c h o z n a c z e ń c - prędkość cząstek pyłu

D - średnica przew odu n a wlocie do rozdzielacza d — średnica przewodów wylotowych rozdzielacza g — przyspieszenie ziem skie

L - wysokość rozdzielacza, odległość przegrody od kolana n - liczba polidyspersji pyłu

r, r p - m asow y rozdział pow ietrza, pyłu

Rx — m asow a pozostałość n a sicie o rozm iarze oczka x x — rozm iar cząstek pyłu

xm — charakterystyczny rozm iar ziarn a

(17)

V — stru m ień gazu w - prędkość gazu Y — koncentracja A p — spadek ciśnienia

r) - lepkość dynam iczna

cp - k ą t pochylenia łopatek kierujących (żaluzji) p - gęstość gazu

I n d e k sy g ó rn e

P - dotyczy prawej nitki rozdzielacza L - dotyczy lewej n itk i rozdzielacza G - dotyczy górnej nitk i rozdzielacza D - dotyczy dolnej nitk i rozdzielacza I n d e k sy d o ln e

o — dotyczy obiektu p - dotyczy pyłu L iczb y k r y te r ia ln e

E u - liczba E ulera F r - liczba Frouda Re - liczba Reynoldsa StK - ogólna liczba Stokesa L iter a tu r a

1. Czepiel J., Mroczek K.: B adania modelowe wpływu prędkości kątowej i średnicy k ul n a wydajność m łyna pierścieniowo—kulowego. M ateriały II konferencji naukow o-technicznej „Budowa i eksploatacja młynów do przem iału węgla”. Rydzyna 1988.

2. Gołąbek J.: B adania aerodynam iczne rozdzielaczy pyłu węgla kam ienne

go. Opracowanie CBKK, Tarnow skie Góry 1984.

3. Gołąbek J.: M etrologiczne i aerodynam iczne własności pierścieniowej, trójsygnałowej zwężki Venturiego przy przepływie solgazu. Praca do

k torska, Gliwice 1979.

4. Hoadley D., Gołąbek J.: Osiadanie pyłu węglowego w rurociągach pozio

mych instalacji. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Energety

k a z. 120. Gliwice 1994.

4. K utateladze S. S.: Modielirowanie tiepłoenergeticzeskogo oborudowani- ja. E nergija, M oskwa 1966.

5. Św irski J.: B adania modelowe sep aratora pyłu węglowego. Prace In sty tu tu E nergetyki, z. 3, W arszaw a 1979.

(18)

6. Zierep J.: K ryteria podobieństw a i zasady m odelowania w m echanice płynów. PWN, W arszaw a 1978.

7. Zwieriew N. I.: M odielirowanie dwiżenija polidyspersnoj pyli. Tiepłoe- n e rg ie tik a n r 7, 1957.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. E dw ard Kostowski W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.

A b str a c t

The p a p e r p rese n ts th e conditions of th e physical m odelling of th e pulveri

zed coal sep aration. The aim of th e sep arato rs is to divide th e flow of the tw o-phase m ixtu re in two stream s: w ith h igh and low concentration of the coal. S ep arato rs of th is kind can be used in low-Nox-burners. The te s t stand an d m ethods of investigation have been described. T-type and elbow-type se p ara to rs have been tested . As optim um p a ra m ete rs of th e sep aratio n the proportions 70/30% for th e coal d u st and 50/50% for th e a ir have been assu med. For th e T-type se p ara to r th e influence of th e configuration of th e blades as well as p a ra m ete rs of th e tw o-phase m ixture on coal and a ir sep aratio n has been shown. For th e elbow-type sep arato r th e influence of th e bend angle and p a rtitio n positioning for various flow p a ra m ete rs h a s been described.

In th e T-type se p ara to r th e effectiveness of th e coal sep aration depends on th e angle of blades a n d to a low degree on th e velocity and concentration of th e m ixture. The influence of th is p a ra m ete rs on th e a ir sep aratio n is small.

The be st re su lts in elbow-type sep arato rs have been find by elbows w ith th e sm all bend angle. The efectiveness of th e coal sep aration is not depending on th e velocity an d concentration of th e m ixture. The a ir sep aratio n is ca.

40/60%.