WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Обеспечение теплотой зоны разложения топлива – это одна из основных технологических и проектных задач. В известных устройствах, где потребляемое в процессе тепло получают за счет окисления части перерабатываемого топлива, получаемые парогазовые продукты разбавлены продуктами горения (дымовой газ). В трубчатых реакторах такое разбавление может отсутствовать. Концентрация целевых компонентов в продуктах пирогазификации максимальна, что облегчает и удешевляет последующее их разделение в соответствии с технологией.

Предложено схемное решение установки, основным элементом которой являются трубчатые реакторы. Установка признана изобретением (рис. 1).

Важной научной задачей является разработка методик расчета основных характеристик трубчатых реакторов-пирогазификаторов пылевидного твердого топлива и закалки получаемых газов.

Во второй главе «Расчет характеристик течения и теплообмена в трубчатых реакторах» дан краткий анализ изученности течения потоков газа со взвешенными твердыми частицами в трубах. При физически многообразном взаимодействии компонентов между собой и с ограничивающими стенками канала кинематическая структура потока газовзвеси является трудно идентифицируемой. Показано, что в горизонтальных трубах высокая степень симметричности профилей истинной концентрации частиц и скоростей фаз потока обеспечивается при среднерасходной скорости газа

,

где g – ускорение в поле тяжести; D – диаметр трубы; Т и – плотности частиц и газа; К – расходная массовая концентрация частиц; Т – коэффициент гидродинамического сопротивления частицы.

Рабочая скорость газа должна выбираться с учетом взвешивания частиц при минимальной температуре неизотермического потока. Для условий течения топливных газовзвесей скорость взвешивания минимальная рабочая скорость) предложено определять по модифицированной нами формуле Зуева1

,

где в – скорость витания частиц; f – коэффициент трения твердых частиц о сталь, равен 0,70,9; dЭ эквивалентный размер твердых частиц.

Для фактора скоростного скольжения частиц в неизотермическом потоке газовзвеси рекомендована эмпирическая формула

,

где dT – размер частиц; Fr и Frвз – числа Фруда, определенные по среднерасходной скорости w газа и скорости взвешивания wвз; с* – опытный коэффициент, для топливных горизонтальных потоков с* =0,0565– 0,003 К.

Гидравлическое сопротивление потока газовзвеси при разложении частиц и перераспределении фаз по длине потока в соответствии с принципом наложения потерь

,

где слагаемые в правой части обусловлены затратами энергии на преодоление сил вязкого трения газа – р, ударным взаимодействием твердых частиц со стенкой трубы – рП,Т, разгоном частиц на начальном участке потока – рР, ускорением газа – рy и частиц – рy,Т при течении с теплообменом.

В диссертации даны рекомендации по расчету составляющих рП величин.

Разработаны алгоритмы и программы расчета характеристик течения топливной газовзвеси на адиабатическом разгонном и основном участках реактора-пирогазификатора. Выполненные расчеты и анализ их результатов позволили выявить ряд особенностей течения в рассмотренных условиях и сформулировать рекомендации по конструктивному исполнению реакторов. Неизотермический поток имеет значительно более высокое гидравлическое сопротивление, чем изотермический. При расходных концентрациях частиц К = 35 доля затрат энергии на ускорение частиц в потоке с теплообменом составляет около 30% в общей потере давления. Наибольший вклад в общую потерю давления рП вносит составляющая рП,Т.

Расчет по разработанным алгоритмам скоростей частиц золы и графита в потоке воздуха для условий непосредственных их измерений в известных из литературы работах показал на вполне удовлетворительное согласие расчетных и опытных данных.

Далее обсуждается состояние вопроса о теплообмене потоков газовзвеси в трубах. Отмечается сложность и многофакторность механизма процесса, большие трудности изучения теплопереноса, прямо связанные с отсутствием надежных способов идентификации структуры течения. Наличие твердых частиц в потоке газа при определенных условиях интенсифицирует теплообмен. При высоких концентрациях частиц коэффициент теплообмена может возрасти на порядок величины. Эндотермические химические реакции в газовзвеси дополнительно способствуют увеличению количества тепла, передаваемого от стенки в поток.

В работе приводится концепция автора, объясняющая механизм переноса тепла в газовзвеси. На основании результатов опытов по изучению теплообмена газовзвеси, выполненных на кафедре «Промышленная теплотехника» СГТУ, получено обобщенное уравнение подобия

и для относительного теплообмена

,

где Nu – число Нуссельта чистого газа без частиц определено, как и NuП газовзвеси, при температуре tСТ стенки, а коэффициент теплообмена отнесен к начальной разности температур t0 = tCT - t0; cP и cТ – теплоемкость газа и частиц; х – длина теплообменного участка; Re – число Рейнольдса газа при tCT. Определяющим размером в (5) и (6) является диаметр D трубы.

Уравнение подобия (5) описывает теплообмен как инертного, так и химически реагирующего потоков газовзвеси. В последнем случае коэффициент теплообмена определяется выражением

где передаваемая тепловая мощность; полная энтальпия потока при выходе из трубы; то же при входе; удельная теплоемкость потока, вычисляется по правилу аддитивности для компонентов потока на выходе из трубы при температуре стенки; – то же для компонентов потока на входе при начальной температуре; G – расход газовой фазы; QP – тепловой эффект реакций разложения топлива.

Эмпирические уравнения подобия и выражения (5) и (6), в частности, по сути своей являются ограниченными. Для расширения расчетных возможностей в диссертации получил развитие численный метод расчета теплообмена потока газовзвеси, основы которого даны в работе

2. Внесенные дополнения и уточнения в физико-математическую модель теплообмена и расчетную схему позволили снять некоторые ограничения, повысить универсальность метода и его эффективность.

На базе численного метода разработан алгоритм расчета теплообмена потока газовзвеси в трубчатом реакторе. Алгоритм программно реализован и апробирован путем сравнения результатов расчета с опытными данными для инертной и химически реагирующей газовзвеси. Получено хорошее соответствие данных при тепловых граничных условиях tСТ = const и qCT = const, что позволяет рекомендовать разработанный расчетный алгоритм, с учетом его относительной простоты, для использования в инженерных задачах.

В третьей главе «Комплексный расчет трубчатых реакторов в составе установки для термоокислительного пиролиза сернистых сланцев» выполнен анализ процессов и получены параметрические связи для системы «трубчатые реакторы кипящий слой» установки на рис.1.

В рамках поставленных в диссертации задач, с использованием полученных на кафедре «Промышленная теплотехника» СГТУ опытных данных по термоокислительному пиролизу в среде воздуха пылевидных сернистых кашпирских сланцев (в сухой массе – 58,25% золы; 13,29% карбонатов; 28,47% керогена) при температурах процесса tП = 6007500С установлены следующие корреляционные связи:

для скорости реакций

;

для теплоты, выделяющейся в реакциях

, кДж/кг сух.сл.;

для подводимого через стенку реактора тепла (из теплового баланса реактора)

, кДж/кг сух.сл.,

где – условная концентрация получаемого газа; время, с; Т – абсолютная температура процесса, К; RМ = 8,314 Дж/(мольК) –универсальная газовая постоянная; gг выход газа пиролиза, кг/кг сух. сл.; gк выход кокса, кг/кг сух. сл.; содержание керогена в исходном сланце, кг/кг сух.сл.; gв удельный расход воздуха, кг/кг сух.сл.; tП – конечная температура пиролиза, 0С; tТ,0 и tг,0 – начальные температуры сланца и воздуха, 0С.

На основании балансовых связей и с учетом рекомендованных в диссертации значений рабочих параметров установки, для удельной площади сечения кипящего слоя получено (м2с/кг сух.сл.)

,

для отношения удельной площади поверхности теплообмена реакторных труб f, м2с/кг сух.сл., размещенных в кипящем слое, к величине fК.СЛ –

где dТ,К.СЛ – размер твердых частиц в кипящем слое, рекомендован 6 мм; tК.СЛ и tСТ – температуры кипящего слоя и стенки реакторных труб, 0С.

Реакторные трубы размещаются в кипящем слое с шагом S1 = 3D в горизонтальном ряду и S2 = 0,866S1 между рядами по высоте.

Далее в главе дается описание разработанного алгоритма комплексного расчета трубчатых реакторов установки, который предусматривает определение технологических, теплогидравлических и конструктивных характеристик с использованием вышеназванных методик, установленных параметрических связей, численного метода расчета теплообмена потока газовзвеси с химическими реакциями. Алгоритм является итерационным по нескольким параметрам, он представлен в диссертации в виде блок-схемы и программно реализован.

По разработанному алгоритму выполнены многочисленные расчеты, результаты которых в работе обсуждаются. Некоторые характерные расчетные данные приведены на рис. 2.

Показано, что gК,ТОП < gК, то есть процесс пиролиза сланца по тепловой энергии является независимым от дополнительного энергоисточника.

Параметры одного из вариантов исполнения установки следующие. Размещая N = 315 реакторных труб диаметром D = 0,04 м и общей площадью поверхности теплопередачи F = 306 м2 в кипящем слое с поперечным сечением 7,7х1 м и высотой 3,5 м, при расходе воздуха Vв = 150 л/кг сух.сл. и температуре процесса пиролиза tП = 6000С, установка, потребляя 69,2 т/ч (1660 т/сутки) сланца, будет производить пиролизный газ в количестве Gг = 664 т/сутки и кокса (за вычетом подаваемого в топку) GК = 1080 т/сутки. Передаваемая от кипящего слоя тепловая мощность равна 7,5 МВт, а полная тепловая мощность с учетом теплового эффекта реакций пиролиза составит 14,1 МВт.

В диссертации выполнено сравнение показателей трубчатых реакторов и реакторов для газификации топлива других известных типов (Лурги, Винклера, Копперс-Тотцека, УТТ-3000). Получено, что такие удельные показатели, как расходы перерабатываемого топлива на единицу объема реактора и интенсивность процесса по газу на единицу

площади поперечного сечения реактора, для трубчатых реакторов на один – два порядка величины выше, чем у сравниваемых известных устройств.

В четвертой главе «Расчет закалочного устройства» рассмотрены горизонтально ориентированные трубчатые элементы закалочного теплообменника (поз. 7 на рис.1), где в поток горячих газов пиролиза подаются холодные частицы исходного, подвергаемого термической обработке, топлива. Закалочное устройство при этом несет дополнительные функции теплоутилизатора, возвращая тепло газа с нагретыми топливными частицами в реактор-пирогазификатор.

При разработке методики расчета закалочного трубчатого реактора ставилась задача определения его длины при заданной конечной разности осредненных в сечении потока газовзвеси температур газа и частиц. Для термически тонких пылевидных частиц топлива и адиабатного потока газовзвеси тепловой расчет закалочного устройства сводится к решению задачи межфазного теплообмена. Разработанный алгоритм предусматривает поинтервальный расчет, позволяющий учесть переменность свойств сложных по составу газов и особенности изменения температуры влажных частиц топлива при их высушивании в потоке.

Выполненные по разработанным алгоритму и программе расчеты позволили выявить особенности процесса закалки и сформулировать ряд практических рекомендаций. Получено, что интенсивное тепловое взаимодействие между газом и частицами осуществляется на относительно коротком входном участке трубы, составляющем около 0,1 м. На последующем участке межфазный теплообмен значительно менее интенсивен.

Проанализировано влияние начальной влажности топлива, его концентрации в потоке, скорости газа на длину закалочной трубы и уровень температур потока на выходе. Показано, что для рассматриваемых условий закалочное устройство можно отнести к категории балансовых теплообменников. Оно эффективно выполняет функции закалки газов, за доли секунды снижая их температуру.

В пятой главе «Вопросы оптимизации и экономические показатели» решен ряд задач по определению преимущественных режимных и конструктивных параметров трубчатых реакторов-пирогазификаторов и закалочных устройств.

В качестве критерия оптимальности при определении значений параметров реакторов-пирогазификаторов использовалась переменная часть годовых расчетных затрат

З = (ЦмМм + ЦнWн) [ ра (1-н)+рин ] + ЦэлWн(1-н),

где Цм – цена материала и монтажа реактора, руб./кг; Мм – масса материала, кг; Цн – цена единицы установленной мощности нагнетателя с учетом стоимости монтажа, руб./кВт; Wнмощность нагнетателя, кВт; рин–коэффициент эффективности инвестиций, обусловленный условиями получения инвестиций и рыночными факторами, 1/год; ра – коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления, расходы на ремонт и содержание оборудования, 1/год; н коэффициент, зависящий от уровня налогов в федеральный и местный бюджеты; число часов работы в год; Цэл – затраты на электроэнергию, руб./кВт.ч.

Оптимальные значения скорости газа w0 на входе в реактор, D и К находились путем перебора вариантов и сравнения их по величине годовых расчетных затрат, отнесенных к годовой производительности реактора по перерабатываемому сланцу.

Получено, что оптимальная скорость w0 несущего газа, а, следовательно, и расход газа возрастают при снижении концентрации частиц в потоке. Скорость взвешивания wвз, наоборот, увеличивается. При проектировании нужно принимать w0= wвз.

Влияние расходной концентрации частиц на величину удельных расчетных затрат является малозначимым в области и оно зависит от диаметра реактора. При м экономически выгоднее область, а при м –.

Рост диаметра реактора снижает экономические показатели. Значительно более выгодными являются трубы – реакторы малого диаметра. Минимальный их диаметр может ограничиваться техническими или иными соображениями и возможным числом параллельно работающих труб в реакторном модуле.

Выполнены сравнительные оценки затрат на преодоление гидравлических сопротивлений известных реакторов с кипящим слоем и трубчатых типа «газовзвесь». Показано, что данные затраты для реакторов с кипящим слоем значительно выше.

Для закалочных устройств в качестве критерия оптимальности использован энергетический коэффициент

E = Q/рп,

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»