Контроль параметров псевдоожиженного слоя

Управление параметрами псевдоожиженного слоя можно осуществить тремя методами или разными комбинациями этих способов.

Регулирование количества вводимых в топку воздуха и топлива, например котла, обеспечивают поддержание постоянной температуры циркулирующего по трубам установки теплоносителя. Поддерживается баланс топлива и воздуха, чтобы получить приемлемое содержание кислорода в отходящих дымовых газах.

Псевдоожиженный слой поделён на зоны с тем, чтобы перекрыть поступление потока воздуха в отдельные участки слоя. Этот метод нельзя использовать при сжигании топлива с низкой зольностью.

При уменьшении количества материала слоя отключаются охлаждающие слой трубы. Одновременно следует уменьшить количество топлива и воздуха.

Топливо может подводиться в топку либо над поверхностью слоя горючего, либо снизу вверх над дном камеры сгорания. Подача может производиться пневматическим или винтовым питателями. Чтобы топливо равномерно распределялось в объёме камеры сгорания, необходимо учесть несколько точек введения ожижающего агента [35].

При подъёме псевдоожиженного слоя материал частиц можно нагреть до температуры около 600 °С с помощью начальной горелки. Это сокращает время инициирования установкой процесса ожижения топлива.

 

Влияние свойств дисперсной фазы на режим псевдоожижения

 

Физико-механические особенности сыпучего материала предопределяют характеристики создаваемой псевдоожиженной системы. Не существуют характеристик, по которым можно точно спрогнозировать поведение псевдоожиженного слоя, не смотря на разработки  классификаций в исследовательских проектах [17].

Гелдартом предложена классификация сыпучей среды (рисунок 1.2), которую можно условно поделить на четыре группы. В основу деления положена разность плотностей частиц и ожижающего агента, а также размера частиц.

В группу А попали частицы, которые при скорости начала ожижения способны формировать сравнительно однородный псевдоожиженный слой. При дальнейшем увеличении расхода ожижающих газов или жидкости, у газораспределительной решётки образуются пузыри, которые растут и объединяются по мере всплытия за счёт набирания газа из гомогенной фазы слоя. Скорости восходящего движения пузырей в 1,5-2 раза выше расходной скорости ожижающей среды [17].

Наличием газовых пузырей характеризуется и псевдоожижение частиц группы В. В качественном отношении их ожижение близко к ожижению частиц первой группы, но характер движения пузырей существенно иной. Концентрация пузырей меньше, а доля воздуха, расходуемого на создание гомогенной фазы слоя, оказывается значительно выше [16].

Рисунок 1.2 – Диаграмма классификации сыпучих материалов по Гелдарту

 

К группе С относятся перемолотые тонкие порошки, частицы которых обладают высокой связностью между собой. Эти материалы считаются не пригодными к самостоятельному ожижению.

При ожижении частиц группы D в большинстве своём формируются пузыри сплющенной формы и низкой скоростью подъёма, горизонтальные размеры которых больше, чем вертикальные, а траектории движения отчётливо отличаются от вертикальных направлений, характерных для частиц групп А и В.

 

Силы в псевдоожиженном слое

 

Псевдоожиженный слой подвержен действию сил тяжести, напорных сил и силы реакции работы аэрационного устройства (рисунок 1.3). Для изучения сил, оказывающих действие на твёрдые частицы кипящего слоя, подойдёт пример пневмокамерного насоса.

Если через слой материала не проходит какой-либо газ, то на этот слой действует сила тяжести и сила реакции [17]. Для определения величины реакции служит выражение:

                                                                              (1.1)

Рисунок 1.3 – Силы, действующие на спокойный слой материала:

х – высота слоя материала, Р – напорная сила,  

Q_м – сила тяжести материала, F – площадь сечения камеры насоса,

R_n – сила реакции работы аэрационного устройства

 

При псевдоожижении материала газ должен преодолевать сопротивление, которое вызвано трением о поверхность частиц слоя в тонких поровых каналах между ними (нижняя часть неподвижного слоя материала, находящуюся  выше кипящего слоя). На слой материала действует перепад давления и напорная сила.

 

Величина реакции слоя определяется из следующего уравнения:

                              (1.2)

где р₁ – давление ниже псевдоожиженного слоя, Па, F – площадь сечения камеры, м², р² – давление над уровнем слоя, Па.

Вес слоя складывается из общего веса материала и ожижающего газа между частицами. В единице объёма слоя свободный объем, занимаемый газом, равен значению порозности  (безразмерная величина).  Тогда объём, занимаемый частицами, равен 1 ‒ [16]. Вес частиц материала равен, H:

                                                    (1.3)

а вес газа (сжатого воздуха) в слое, Н:

                                                             (1.4)

где   g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²; g _м и g _в – объёмная масса материала и воздуха соответственно, кг/м³; х – высота слоя материала, м.

Общий вес слоя определяется по формуле:

                  (1.5)

Перепад давлений, вызванный трением газа при прохождении его через слой материала, определяется выражением

                                                    (1.6)

где d – средний диаметр частиц материала, м;  ‒ коэффициент, зависящий от режима течения воздуха в поровых каналах, то есть от числа Рейнольдса, Re; v_F – скорость, отнесённая ко всему сечению слоя, м/с;.

Число Рейнольдса определяется по формуле.

                                                                       (1.7)

где  – динамическая вязкость воздуха, Па ⋅ с.

Тогда для перепада давления получаем выражение

                                                 (1.8)

Вычисление перепада давления принимается из того, что частицы псевдоожиженного слоя имеют сферический вид. Для частиц реальных материалов, которые часто имеют неправильную форму, принимается средний диаметр.

Если скорости течения газа в неподвижном слое материала будет расти, то она достигнет значения, при котором напорная сила не станет равной весу ожижаемого слоя. Сила реакции от работы аэрационного устройства будет равна нулю, а вес слоя материала будет определяется формулой (1.5).

При разгрузке пневмокамерного насоса, подходящей к концу, весь остающийся в камере материал находится во взвешенном состоянии. На него действует газ, подаваемый снизу через распределительную решётку. Высота камеры насоса почти равна исходной высоте х слоя материала, тогда:

                                                                  (1.9)

а вес частиц материала в слое определяется выражением:

                             (1.10)

В свою очередь для перепада давления выходит формула:

                                       (1.11)

При сведении (1.11) в формулу (1.8), получается выражение для скорости, необходимой для поддержания материала в псевдоожиженном состоянии, м/с:

                                          (1.12)

Вторая половина (1.12) это формула критерия Архимеда.

Эта скорость является первой критической скоростью, минимальной для существования кипящего слоя. Её значение зависит от минимального значения пористости материала , которая устанавливается в результате действия на загрузку материала собственного веса и давления сжатого воздуха, подаваемого в верхнюю часть камеры. Для типичных условий работы пневмокамерного насоса  » 0,4[16].