ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ Тонкость помола и зерновая характеристика угольной пыли

Угольная пыль представляет собою сухой тонкий полидисперсный порошок с размерами частиц от самых мелких (0,1 мкм) до 300 — 500 мкм.

Тонкость помола или дисперсность угольной пыли определяют обычно рассевом пробы пыли массой 25—50 г в течение 20 мин на рассевочной машине, оснащенной набором сит. Ситовый ана­лиз угольной пыли проводят на пол­ном комплекте из 8—10 сит с размера­ми отверстий в ситах от 50 до 1000 мкм, либо как минимум на двух ситах; 90 и 20 мкм при тонком размо­ле в шаровых барабанных мельницах (ШБМ) и среднеходных (СМ) или на ситах 90 и 1000 мкм или 200 и 1000 мкм — при грубом размоле в мо­лотковых мельницах (ММ) и в мель­ницах-вентиляторах (М-В). Результа­ты рассева определяют массовыми ко­личествами остатка на первом самом крупном сите (рис. 12-2) Ято, фрак­ций Ф на промежуточных ситах и про­

Хода через последнее самое мелкое сито £>50, а также распыла «в окру­жающее пространство некоторой части тончайшей пыли А в и записы­вают в процентах от массы исходной пробы соотношением

Н" ^500/1000 “Ь ^200/500 ^90/200 Н - ^50/90 "Ь ^50 Ч" ^ “ 100®/0. (12‘1)

Распыл допускается не более 2%, при большем значении ситовой анализ считают неудовлетворительным. Величина остатка на каком - либо сите равна массе фракции на данном сите плюс масса фракций на всех вышерасположенных ситах, включая остаток на самом верх­нем. Например, для комплекта из пяти сит (рис. 12-2) остаток на сите 90 мкм равен:

#90 = Фдэ/200 Н" ^200/500 “Ь ^500/1000 "Ь ^юоо, °/о» (^2-2)

А проход через это сито равен:

/Ло = Ф50/90-{- й&о, °/0. (12-2а)

Для любого сита имеет место соотношение

#г+£>г=100%. (12-3)

По данным рассева строится кривая зависимости остатков на раз­ных сита, х от размера частиц х, называемая интегральной зер­новой или помольной характери­стикой. На рис. 12-3 (кривая 1) показана интегральная зерно, вая характеристика гру­бой пыли, полученной при размоле бурого угля в молотковых мельницах, пыль харак­теризуется следующими остатками на си­тах: #50 = 75%; #90=55%; #200= 17%;

#5оо=0,3%; #1000 = 0. На том же рисунке (кривая 2) представлена зерновая характе­ристика тонкой пыли, полученной при раз­моле угля марки АШ в шаровой барабан­ной мельнице: #50 = 20%; #90=7%; #2оо = =0,5%.

Интегральные зерновые характеристики угольной пыли подчиняются уравнению

/?=100<Г,,Д «/о, (12-4)

Где Ь и п — постоянные коэффициенты, ха­рактеризующие соответственно тонкость из­мельчения и равномерность зернового со­става; е — основание натуральных логариф­мов.

Чем больше Ь, тем пыль тоньше, при Ь—Я) #—>400%, см. форму­лу (12-4), при Ь—>~оо И—>-0. Числовые значения коэффициента Ь в промышленных мельница^ колеблются от 4 * 10—3 для грубой пыли до 40-10-3 — для тонкой.

Коэффициент полидисперсности пыли п характеризует структуру пыли с точки зрения равномерности помола топлива. Чем выше п, тем менее отличаются своим размером частицы пыли друг от друга. В предельном случае, когда все частицы имеют одинаковый раз - 222
мер, пыль называется монодисперсной и характеризуется значением п=оо.

Такая «идеальная» зерновая характеристика для х несколько бо­лее 90 мкм представлена кривой 3 (рис. 12-3). Величина п определяет­ся соотношением остатков на двух ситах с малым и большим отверсти­ем, например и #2<ю - Чем больше разность этих остатков, тем круче проходит кривая интегральной зерновой характеристики, тем выше ко­эффициент полидисперсности, тем, следовательно, пыль более прибли­жается к монодисперсной.

Для обычной полидисперсной пыли, выдаваемой существующими мельницами, коэффициент полидисперсности составляет:

В шаровых барабанных мельницах............................................. От 0,7 до 1

(в среднем 0,85)

В молотковых мельницах............................................................ От 1,1 до 1,5

(в среднем 1,3)1

В среднеходных мельницах с вращающимися сепараторами От 1,1 до 1,3

(в среднем 1,2)

В быстроходно-бильных (аэробильных) и мельницах-вен­тиляторах Около 0,9

Причина различных значений п в мельницах разных типов, во-пер - вых, в различном характере процесса отвода пыли из зоны размола

(более затрудненном—в ШБМ) и, во-вторых, в различных типах при­

Меняемых сепараторов.

Между остатком Ях на любом сите с размером отверстий х и из­вестным остатком #9о ;При заданном значении п (известном типе мель­ниц) существует следующая связь:

Ях П'-Ьхп ^?эо _ —Ь - 90”

= е и Тоо

Взяв логарифмы этих выражений и поделив первое на второе, по­лучим:

1л — (—п

Юо ✓гх п ях /^90190;

/?во — (9о)* откуда 1п юо 1п (юо)

1п Тоб

Отбросив знак логарифмирования, получим связь и #90:

Я,= 100(^й“. (12-4а)

Аналогично получим СВЯЗЬ И #2оо в виде

*,= ,00 (^)М-Г. (12-46}

Для определения характера количественного распределения в про­центах по массе частиц разного размера в угольной пыли рассматри­вают дифференциальную кривую распределения (рис. 12-4), уравнение которой получают дифференцированием основного уравнения зерновой характеристики (12-4):

У-ш=-й£ = хтпхп-'е~ь*’

Или

Ордината у, %/мкм, дифференци­альной кривой распределения (рис. 12-4) показывает в процентах массовое количество пылинок, за­ключающихся в интервале х^-(х+), мкм.

При п> 1 кривая распределения имеет максимум. Как видно из рис. 12-4, кривая распределения для образца пыли с более высоким коэф­фициентом полидисперсности п= 1,25 имеет максимум при лг=20 мкм. При п= 1 и п<С 1 наибольшее количество частиц пыли приходится на очень ма­лые значения х, т. е. пыль сильно пере - измельчена.

На рис. 12-5 представлены интегральные зерновые характеристики пыли бурого угля, полученной из мельниц двух основных типов: кри­вая 1 для пыли из молотковой мельницы (#90—55%, #200= 12%, /г=1,5); кривая 2 для пыли из шаровой барабанной мельницы (#эо=35%, #2оо=12%, я=0,85).

Суждение о тонкости пыли только но одному остатку, в частности на сите 200 мкм, одинаковому в обеих зерновые характеристиках (рис. 12-5), может со­здать представление об одинаковой дисперсно­сти обоих образцов пы­ли, что является непра­вильным. При равен­стве одного остатка (в данном случае #200), но при разном п ди­сперсность образцов пыли различна.

В области тонких фракций (слева от вер­тикали *=200 мкм) значения # для перво­го образца пыли более высоки, чем для второ­го, следовательно, пыль в шаровой барабанной мельнице переизмельчена (по сравнению с пылью в молотковой, что дает завышенный расход энергии на помол.

В области грубых фракций (справа от вертикали х = 200 мкм) зна­чения остатков для первого образца пыли меньшие, чем для второго, следовательно, крупных частиц, вызывающих механический недожог, в пыли меньше.

Таким образом, более высокое значение коэффициента полидис­персности пыли п обозначает не только меньшую удельную затрату энергии на размол, но и меньшую потерю тепла от механического не­дожога. Отсюда понятно стремление иметь более высокий коэффи­циент полидисперсности пыли, выдаваемой размольными устройст­вами.

Формула для определения п по двум остаткам получается из урав- нения зерновой характеристики (12-4), которое может быть записано для двух значений размера частиц Х и Х2, для которых остатки соответственно равны и к2:

Прологарифмировав дважды эти выражения, т. е. взяв сначала натураль­ный, а затем десятичный логарифм, по­лучим:

И после вычитания (б) из (а) находим: 100 100 1В 14^-^1135-

^ ЭЮ 15 го25 30 36,8^045/°

В

(12-6) (12-7)

Очевидно, что С<С<С-

Величина насыпной плотности р“° используется при расчете

Емкости пылевых бункеров, в которых хранится поступающая из пыле­вых циклонов системы пылеприготовления свеженасыпанная пыль, со­стоящая из смеси собственно угольных пылинок и воздушных проме­жутков между ними; величина р“^ используется также при расчете производительности пылепитателей, забирающих угольную пыль из пы­левого бункера и подающих ее в пылепроводы к горелкам.

Величина кажущейся плотности р**ж применяется при [расче­те пылевых циклонов, пылеугольных сепараторов, пневмотранспортных устройств подачи пыли и при расчетном определении поверхности уголь­ной пыли (см. ниже в этом параграфе), так как во всех этих случаях имеет значение только плотность самих угольных частиц (с внутренними порами в них), но без воздушных промежутков между частицами.

Угольная пыль энергично адсорбирует воздух, вследствие чего на­сыпная плотность пыли всегда меньше 1. Пыль не выдерживает сосре­доточенной нагрузки, и поэтому в пылевом бункере можно утонуть. При проведении работ в бункере (ремонт уровнемера и пр.) должны быть приняты меры предосторожности.

Насыпная плотность свеженасыпанной пыли колеблется в значи­тельных пределах — 500—700 кг/м3, а уплотненной — 800—900 кг/м3. Кажущаяся плотность пыли является более стабильной характеристи­кой и зависит от рода топлива; числовые значения р*^ для трех ти­повых энергетических топлив равны: для АШ— 1500, тощего— 1350 и подмосковного — 1 ООО кг/м3.

Насыпная плотность пыли определяется по отношению массы и об­щего объема с указанием степени уплотнения пыли во время опыта.

Кажущуюся плотность пыли определяют либо с помощью волюме- нометра [Л. 1], т. е. стеклянной колбы с длинным узким горлышком (на котором нанесены деления в мл), либо с помощью прибора Лермантова [Л. 39]; истинную плотность —с помощью волюменометра [Л. 1].

Поверхность угольной пыли

Важной характеристикой дисперсности является удельная по­верхность пыли, т. е. суммарная поверхность частиц 1 кг пыли, Лш, м2/кг, определяемая либо расчетным путем, либо эксперименталь­но. Поверхность ^пл колеблется для пыли разных углей в значительных пределах, от значения порядка 2000 м2/кг (для пыли АШ при норма­тивной тонкости помола #эо = 7%) до значения порядка 300 м2/'кг (для пыли бурого угля при нормативной тонкости помола #9о = 60%) [Л. 37].

Удельная поверхность ^пл монодисперсной пыли с размером (диа­метром) частиц х, мкм, определяется, в предположении шаровой формы частиц по следующему соотношению:

Г- ___ 2К (х • 10 “ 6) 2

В формуле: г — число пылинок в 1 кг пыли; р*а* — кажущаяся или объемная плотность пыли, кг/м8.

226

После сокращения получаем:

Рил

Для упрощения расчетов введено понятие условной поверхности пыли /'юоо, м2/кг, под которой понимают суммарную поверхность 1 кг полидисперсной пыли, состоящей из различных по размеру частиц пра­вильной формы (шара), Кф=1, с кажущейся плотностью РплЖ== ==1000 кг/м3. Следовательно,

Л«. = 21^ (12-П)

Ср

Ы 1000 р

Аср. ф —^г~ г юоо.

Каж

ПІЛ

Величина /чооо может быть определена путем построения интеграль­ной зерновой характеристики пыли по двум остаткам—#90 и #200, Раз" бивки кривой на большое количество узких фракций и вычисления зна­чений и Ф для каждой фракции с последующим суммированием

Выражений бО-Ф/л^ по формуле (12-11),

Ср

На рис. 12-8 приведена номограмма МЭИ для определения услов­ной поверхности полидисперсной пыли ^юоо по двум остаткам — #до и #200-

Экспериментальное определенле удельной поверхности угольной

Пыли производится прибором Дерягина [Л. 38], принципиальная схема

Которого дана на рис. 12-9.

Принцип работы прибора заключается в следующем. Известно, что при протека­нии сильно разреженного воздуха через пористое тело, например через пробу пылл,

В потоке создается кнудсенов - ский режим. Последний харак­теризуется тем, что длина сво­бодного пробега молекул воз­духа до их столкновения меж­ду собой становится очень большой и соответственно чи - глэ соударений ничтожно ма­лым по сравнению с числом столкновения молекул со стен­ками сквозных пор, т. е. с на­ружной поверхностью пылевых частиц. Чем мельче порошок, гем больше суммарная поверх­ность частиц пыли и соответ­ственно больше число столкно­вений молекул воздуха с по­верхностью угольных пылинок и поэтому тем больше и поте­ря давления воздуха при про­хождении им пробы пыли при данном расходе воздуха. Рас­ход воздуха через капилляр 2 определяется по показанию реометра 1 Ареом, см. Потеря давления воздуха в пробе пы­ли ЛдиФ, см, измеряется дифма - нометром 3 (рис. 12-9).

Расчетная формула для определения поверхности пыли с помощью прибора Де­рягина имеет следующий вид:

В формуле: t — температура, °С;

Рбар — барометрическое давление воздуха, см рт. ст.;

Б — пористость и —насыпная плотность спрессованного образца пыли, кг/м3:

Рн5с

» = 1---ггг; (12-14)

Рпл

Ро5р = иобр ="5кюв/гбр [4] (12-15)

В формулах (12-14) и (12-15):

Р — масса навески пыли, засыпанной в кювету, кг (обычно 10—20 г);

^обр — объем спрессованной пробы пыли, м3;

5Кюв — площадь сечения кюветы, м2;

^обр — длина (высота) спрессованного образца пыли в кювете, м;

РпТ—кажущаяся, объемная плотность пыли, кг/м3;

Кприб — постоянная прибора, зависящая от плотности жидкости, заполняющей дифманометр (^дИф), и от характеристики капилляра 2 (рис. 12-9):

180^диф5

КЮВ х 1 с

Кприб — и =сопз^ (12-16)

О о

Здесь с? диф — в г/см3; 5КЮВ — в см2; Ь0 — характеристика или константа капилляра, по­казывающая секундный расход воздуха (см3/с) на 1 см шкалы реометра, определяемая экспериментально по данным градуировки капилляра.

Влажность пыли

Важной характеристикой угольной пыли является влажность ее №пл, %. Чем сильнее подсушена пыль, т. е. чем меньше тем

Легче она воспламеняется и лучше протекает процесс горения.

В процессе размола уголь подсушивается за счет тепла горячего воздуха или топочных газов до величины, близкой или несколько боль­шей аналитической (гигроскопической) влажности топлива *.

Более глубокая подсушка не допускается из условий взрывобез - опасности. Для разных топлив, имеющих различную начальную влаж­ность, допускаемая правилами взрывобезопасности влажность пыли имеет следующее значение:

Для топлив марок АШ и Т подсушка топлива в процессе пылепри - готовления осуществляется до величины 1^пл^ 1^а;

Для каменных углей и сланцев — до влажности пыли, равной от до 1Гпл = №а;

Для бурых углей соответственно до величины от 1^пл=1?7а до №пл = = ^а+5%;

Для фрезторфа сушку производят до величины, равной 1^пл^35% [Л. 2]. Недостаточная подсушка угля затрудняет транспортирование пыли по трубопроводам системы пылеприготовления и подачу ее к го­релкам и резко ухудшает процесс размола, ведет к снижению произ­водительности мельницы и росту расхода энергии на размол.

Пересушка любого топлива, кроме топлива марки АШ, сверх ука­занных значений не допускается, так как пересушенная пыль легко са­мовозгорается.

Взрываемость пыли

Угольная пыль почти всех топлив, за исключением АШ, обладает склонностью к образованию вместе с воздухом взрывоопасной смеси. Наиболее взрывоопасными являются частицы пыли с размером менее 0,2 мм (для торфа и сланца), менее 0,15 мм (для бурых углей) и ме­нее 0,12 мм (для каменных углей).

Взрыв угольной пыли является следствием воспламенения выделяющихся при нагревании пыли летучих горючих газов, вступаю­щих в реакцию с кислородом газовоздушной среды, в которой пыль находится. При недостаточном содержании кислорода возникновение взрыва невозможно. Предельное содержание 02 в сушильном агенте, при котором пыль уже не взрывается, составляет: для торфяной и слан­цевой пыли —16%, Для пыли бурых углей—18%, для пыли каменных углей— 19%.

Наличие в сушильном агенте инертных продуктов сгорания, а так­же водяных паров снижает взрывоопасность пылеугольной смеси за счет снижения процентного содержания кислорода.

На взрывоопасность угольной пыли, помимо процентного содер­жания кислорода в пылевоздушной смеси, влияют также следующие факторы: величина выхода летучих Уг; температура сушильного агента за мельницей влажность 1^р и зольность Лр рабочей массы топли­ва; влажность пыли 1^пл; тонкость помола угольной пыли, характери­зующаяся величинами #90 и #2оо; концентрация топлива в пылевоздуш­ной смеси /л.

Ниже рассматривается влияние указанных факторов.

Чем больше выход летучих, тем больше опасность взрыва, лишь при выходе летучих менее 8% топливо является невзрывоопасным. Такими топливами являются донецкие антрацит (АШ, Уг = 3,5%) и полуантрацит (ПА, Уг=7,5%).

Чем больше температура сушильного агента за мельницей тем болыйе опасность взрыва. Поэтому температура для большинства топлив не должна превышать 70—80°С, а для тощих углей 130°. Для АШ величина условиями взрывоопасности не ограничивается.

Чем больше влажность и зольность рабочего топлива, тем меньше опасность взрыва.

Чем меньше влажность пыли, т. е. чем сильнее пыль пересушена, тем больше опасность взрыва.

Таблица 12-1

Взрывоопасныз концентрации топлива

Вид топлива

Чем пыль тоньше, тем больше ее поверхность и тем быстрей она прогревается и опасность взрыва возрастает; при грубом помоле, когда в пыли преобладают крупные фракции, опасность взрыва меньше. При (#2оо)//м>30% взрыва не происходит. Это имеет место при размоле буры, х углей в молотковых мельницах, когда пыль за сепаратором име­ет тонкость помола (</?9о)"се = 55-5-60% и (Яш)"се=22-^28%, что дает с учетом кратности циркуляции топлива в системе молотковая мельни­ца— сепаратор значение (#200)^>30%.

Исследованиями установлено, что взрывы угольной пыли могут произойти при значениях концентрации топлива в пылевоздушной сме­си в пределах, приведенных в табл. 12-1. При этом максимальное дав­ление газов при взрыве р^с развивается при некотором промежуточ­ном значении концентрации а

^макс

При работе мельниц концентрация пыли в воздухе обычно нахо­дится в пределах взрывоопасных концентраций, что должно учитывать­ся при конструировании системы пылеприготовления.

Транспортные свойства угольной пыли

Угольная пыль хорошо транспортируется потоком воздуха или про­дуктами сгорания. Пылевоздушная смесь образует весьма подвиж­ную эмульсию, обладающую свойствами жидкости, и легко пере­качивается по трубам. В индивидуальных системах пылеприготовления, располагаемых непосредственно у парогенератора, концентрация пыли в воздушной смеси сравнительно невелика и составляет обычно |Л1= = 0,5ч-1 кг пыли на 1 кг воздуха (или газов).

При наличии центрального пылезавода (ЦПЗ) транспортировка пыли из бункеров ЦПЗ к пылевым бункерам парогенераторов произво­дится при высоких концентрациях (порядка 30—35 кг пыли/кг возду­ха) по трубопроводам малого сечения перекачивающими насосами, в которых пыль смешивается со сжатым воздухом, имеющим давление 0,5—1 МПа (5—10 кгс/см2). Перекачка высококонцентрированной пы­левоздушной смеси может производиться на большие расстояния, по­рядка нескольких сотен метров.