Движение и зависание топлива в бункерах

Михаил Блехман

Большая часть углей, используемая в энергетике, имеет повышенную влажность, высокий процент мелких частиц и примеси породы, включая глину. Такие угли создают серьёзные трудности при их хранении в бункерах. В данной книге впервые движение и зависание углей изучалось на реальных бункерах, а не на моделях. Автор надеется, что вышеизложенный материал поможет в понимании процессов, происходящих в бункерах, и принесёт практическую помощь в конкретных производственных условиях.

1. Введение

1—1. Состояние вопроса

Книга написана по результатам изучения движения и зависания топлива более 80 бункеров для хранения твёрдого топлива. В тексте уголь представляет поведениевсех трёх видов твёрдого топлива (уголь, сланцы, торф).

Работам по обследованию бункеров предшествовал опрос 37 электростанций, из них: 20 сообщили, что зависание топлива в бункерах — это основная проблема; 16 сообщили, что проблема как в зависании на стенках, так и в образовании сводов на выходе на питатель; и только одна сообщила об отсутствии вышеуказанных проблем. Зависание приводит к сокрушению объёма бункера до 20% от проектного, возможности самовозгорания угля и необходимости почти непрерывной работы двумя нитками топливоподачи без резерва, а образование сводов — к нарушению режима котла, требует привлечения дополнительных рабочих для шуровки, ускоряет износ шаров мельниц и др. Применяемые побудительные устройства не всегда эффективны, так как при их установке часто не учитывают процессы, происходящие в бункерах.

1—2. Краткий обзор публикаций

Несмотря на большое количество публикаций по данному вопросу, не удалось найти работы, которая содержит наблюдения на реальных бункерах для углей или сходных сыпучих материалов.

Книги [Л1, Л2, Л4] — это классика по данной теме, но во всех этих работах теория движения построена на замерах сопротивления сдвигу в лабораторных условиях и наблюдениях на моделях¸а слипание учитывается только поправочным коэффициентом в расчётах, хотя сопротивление сдвигу в результате слипания углей в корне отличается от сопротивления, вызванного трением угля по углю.

По рекомендациям A. Jenike, (США, [Л1]) с конца 50-х годов на электростанциях США строятся круглые бункера с высокой нижней конической частью, выходящей непосредственно на питатель с углом наклона 74º-75º, выполненной из нержавеющей стали.

Предполагалось, что такая конструкция приведёт к массовому истечению и движению топлива вдоль стен и их полировки. Как признают сейчас американские специалисты, не только нет движения топлива вдоль стен, но наблюдается налипание на этих поверхностях.

1—3. Терминология

В существующей библиографии [Л1, Л2] движение сыпучих в бункерах определятся как истечение, т. е. прохождение через выходное отверстие и его влияние на движение сыпучего материала в бункере. Понятие «истечение» сохранилось от бункеров, применявшихся на строительных площадках с периодическим открытием и высыпанием (истечением) материала в открытое пространство.

В топливных бункерах нет свободного истечения, т.к выход топлива ограничивается и определяется производительностью питателя. Процессы, происходящие в бункерах, и сопутствующие им положения можно определить следующим образом:

Сработка — вместо истечения. Сработка — это изменение объема топлива в бункере в ходе поступления топлива на питатель. Сработка — более широкое понятие, чем истечение, т.к. кроме движения учитывает зависание, внутренний сдвиг и внешний сдвиг (обрушения).

Зона сработки — часть бункера, из которой поступает топливо на питатель.

Зона сдвига — место в бункере, где создаются условия для перехода топлива из состояния сплошного тела в сыпучий материал.

Зона зависания — часть бункера, в которой осталось топливо при максимальном снижении уровня.

Сдвиг внешний — сдвиг объёма с разрушение связей по граничным контактным поверхностям неподвижной массы иобрушение его в свободное пространство воронки. Наблюдается визуально.

Сдвиг внутренний — сдвиг объёма, граничащего с основным потоком, с разрушением связей между частицами, переходом в движение и объединением двух потоков. Определяется посредством измерения скорости потока.

Движение — перемещение частиц или объёмов в организованном потоке, обладающем контуром, диаметром (постоянным или переменным) и скоростью.

Первоначальный поток — поток, начинающийся в месте выхода угля на питатель и образующийся после окончания загрузки.

Смежный поток — поток, образующийся в результате внутреннего сдвига.

Основной поток — поток, объединяющий первоначальный и смежный потоки.

Пульсация — воздействие смежного потока на основной, приводящее к его торможению или полной остановке.

Зависание угля (Coals Stagnancy).

Угольные потоки (Coal Flows).

Массовый поток (Mass Flow) — движение частиц в объёме всего бункера.

Массовый поток в ограниченном объёме — см. часть 2, раздел Потоки.

Ограниченный или местный поток (Local Flow) — движение частиц в ограниченном объёме бункера или «вторичного» бункера.

Угол сдвига — это угол наклона плоскости касательной к контуру поверхности смещения объёма.

Периодическая или полная сработка — это сработка с максимальным снижением уровня, которая производится с целью исключить слёживание угля и выполняется с промежутками времени, установленными для каждого конкретного случая.

Эксплуатационная характеристика бункера обозначена:

Ки — коэффициент использования объёма,

и определяется:

Ки = Uф/Uпр, где: Uф — фактический объем. Uпр. — проектный объём.

В дальнейшем будет применен также для оценкиэффективности побудительных устройств и др. мер улучшения работы бункеров.

Используемые обозначения: D, D1….d — диаметры потока.

α — угол скольжения угля по углю.

ἀ — угол сдвига.

β — угол наклона стены бункера к горизонту.

τ — сопротивление сдвигу.

τ₀ — начальное сопротивление сдвигу.

σ — нормальное напряжение.

φ — угол внутреннего трения.

ƒт — коэффициент внутреннего трения.

ƒс — коэффициент связности.

ү — насыпной вес.

Vg — скорость потока.

Vh — скорость снижения уровня.

Ар — зольность на рабочую массу.

Wp — влажность на рабочую массу.

F1, F2 — контуры потока.