НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОДИНАМИКИ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЕЙ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Исходя из особенностей добываемого в республике твердого топлива, задачами угольной и энергетической отраслей страны являются совместное решение комплексной проблемы по разработке высокоэффективных и экологически чистых высоких технологий. Одним из способов достижения поставленной цели являются обогащение и подготовка высокозольных топлив к сжиганию. Существуют водные и сухие способы обогащения угля. Угольные месторождения Узбекистана расположены в районах с ограниченными водными ресурсами. Единственным, эффективным способом обогащения угля в данных условиях являются сухие методы. При сжигании обогащенного угля экономятся газ и мазут, расходующиеся на подсветку факела, срок службы дробилки и мельницы удлиняется, уменьшается занос поверхностей нагрева золой, что приводит к повышению к.п.д. ТЭС.
Повышение общей зольности способствует пропорциональному износу оборудования ТЭС (системы разгрузки и транспортировки угля, углеразмольного оборудования, прежде всего, быстро изнашивающихся элементов мельниц — шаров у шаровых, бил — у молотковых, валков — у среднеходных мельниц, рабочих лопаток у мельниц - вентиляторов, а также брони у всех типов мельниц с сепараторами, пылепроводов, особенно их изгибов, у всех типов СПП). Кроме этого, возрастание количества золы увеличивает износ конвективных поверхностей нагрева котлов и лопаток дымососов.
Повышение зольности затрудняет работу золоулавливающих установок, ухудшает экологические показатели ТЭС и приводит к сильному износу оборудования [1]. Чтобы избежать этого производят обогащение угля. Обогащением углей называется совокупность процессов механической обработки их с целью повышения содержания в них горючей массы. Все процессы обогащения являются процессами разделения, основанными на использовании физических и физико-химических свойств частиц угля и породы: плотности, смачиваемости водой, прочности и др. Плотность угля 5 = 1200:1600 кг/м3, минеральных примесей (породы) 5 = 1800-5200 кг/м3;
Гравитационные процессы обогащения углей, основанные на различии плотностей угля и породы, получили широкое распространение [2]. Обогащением в тяжелых средах называют процесс разделения частиц сыпучей смеси угля по плотности в среде плотностью, промежуточной между плотностями разделяемых компонентов. Процесс обогащения в тяжелых средах основан на законе Архимеда. Подобрав соответствующую плотность тяжелой среды, получим разделение частиц по плотности. Поэтому применение кипящего слоя к сухому разделению частиц породы и угля является заманчивым. Для этого необходимо создать такую среду, при помощи которой создается суспензия с кипящим слоем. Раздутие плотного слоя суспензии при переходе к кипящему слою и неравномерность кипения возрастают и при значительной разнице во фракционном составе частиц, составляющих кипящий слой. В этом случае может наблюдаться расслоение кипящего слоя, заключающееся в том, что крупные частицы опускаются в нижнюю часть слоя, а мелкие занимают верхнюю его часть.
Основные свойства суспензий, влияющие на процесс обогащения: плотность, вязкость и гравитационная устойчивость. Плотность суспензии зависит от объемной концентрации и плотности утяжелителя. С повышением влажности увеличивается сопротивление движению частиц в суспензии, что снижает точность разделения.
Гравитационная устойчивость с у с п е н з и и — способность сохранять свою плотность в течение сравнительно длительного периода времени. Устойчивость суспензии характеризуется скоростью оседания частиц утяжелителя, которая повышается с увеличением крупности и плотности утяжелителя и с уменьшением его объемной концентрации и вязкости суспензии [3].
Степень разрыхления зависит от скорости восходящих воздушных потоков, приводяших к сегрегации, более крупные зерна с низким удельным весом движутся вверх, а мелкие зерна вниз. Воздействие восходящих воздушных потоков способствует поднятию мелких частиц наверх, несмотря на их удельный вес. Поэтому расслоение по удельному весу материала производится только при воздействии восходящих воздушных потоков.
Большое влияние на характер кипения слоя оказывает форма частиц. При значительном отличии формы частиц от шаровой увеличивается разбухание слоя перед переходом его к кипящему слою, так как сначала происходит ориентирование частиц по направлению потока жидкости. Для частиц неправильной формы повышается неравномерность кипения.
Существенное влияние на характер кипения оказывает высота слоя. При увеличении высоты слоя обычно повышается равномерность кипения и перепад давления в кипящем слое приближается к расчетному. При малой высоте слоя усиливается неравномерность кипения и отклонения перепада давления от расчетного увеличиваются.
Как видно, на гидродинамику процесса влияет большое количество различных факторов, учесть которые бывает очень трудно [4]. Поэтому при анализе процесса обычно устанавливаются зависимости для случая спокойного кипения, а затем, если это необходимо, вводятся поправки для учета отклонений от этого режима. Такой путь рассмотрения гидродинамики кипящего слоя является наиболее правильным, по крайней мере, по двум причинам.
Во-первых, в большинстве технологических процессов, в которых применяется кипящий слой, большое внимание обращается на получение режима, близкого к спокойному кипению. Именно в этом случае наиболее полно проявляют себя положительные качества кипящего слоя: хороший контакт между твердым материалом и жидкостью, хорошее перемешивание твердых частиц в кипящем слое и, наконец, вовлечение в процесс всего объема материала, что создает хорошую текучесть слоя.
Во-вторых, только для спокойного режима кипения можно с достаточной надежностью получить теоретические закономерности. Такова общая качественная характеристика гидродинамики кипящего слоя. В табл.1 приведены характеристики бурого угля Ангренского месторождения.
Нами была исследована гидродинамика сухого обогащения Ангренского бурого угля в аппарате с кипящим слоем. В табл.2 приведены рассчитанные фракционный состав подаваемого угля, утяжелителя готовой продукции, отходы угля, барита, породы и суспензии. На основе проведенных исследований сухого обогащения Ангренского бурого угля в аппарате с кипящим слоем нами разработана технология обогащения угля в воздушно-тяжелосреднем кипящем слое. Экспериментально и расчетами были определены оптимальные режимные и конструктивные параметры установки, которая работает следующим образом. Из бункера сырого угля, подлежащего обогащению, уголь подается в камеру кипящего слоя.
В камере кипящего слоя суспензия подающим воздухом через пористую перегородку переводится в состояние кипения. Чтобы получить суспензию с необходимым удельным весом производится разбавление ее мелкими фракциями угля и породы, а также утяжелителем (барит, железосодержащий шлаки и т.д.). При небольшой относительной подвижности частиц и небольшого раздутия кипящего слоя в нем происходит сепарация частиц по удельному весу. При таких условиях более легкие, чем утяжелитель, крупные частицы угля с меньшим удельным весом всплывают наверх кипящего слоя и снимаются с поверхности кипящего слоя скребковым транспортером, а более тяжелые куски породы с большим удельным весом тонут и попадают на сетчатый транспортер. Мелкие частицы угля и породы находятся в подвижном состоянии, образуя с утяжелителем кипящий слой. Разбавление кипящего слоя утяжелителем вызвана необходимостью создания суспензии кипящего слоя с нужной плотностью.
Таким образом, при испытании было установлено, что оптимальные результаты обогащения получаются при диаметре частиц утяжелителя от 0,15 до 0,3 мм и числе псевдоожижения (кипящего слоя) W=2-3.