Экспериментальные методы исследования процессов шлакования и фильтрации в пористых средах

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.............................................................5
1 Научно-технический обзор и анализ методов и средств исследования процессов шлакования и фильтрации в пористых средах.................10
1.1 Исследование процессов фильтрации в пористых средах 10
1.2 Дифференциальные манометры для измерения малых перепадов давления...........................................................19
1.3 Проблемы переработки золошлаковых отходов крупных энергетических установок...........................................22
1.3.1 Перспективы переработки золошлаковых отходов........22
1.3.2 Проблемы использования золошлаковых отходов в строительной индустрии.........................................23
1.3.3 Извлечение тяжелых металлов и радиологический аспект....28
1.4 Шлакование поверхностей нагрева.........................34
1.5 Постановка задачи.......................................37
2 Исследование процессов фильтрации в пористой среде................39
2.1 Исследование влияния низкочастотных пульсаций на распределение давления в упакованном слое на водных потоках........39
2.1.1 Экспериментальная установка и способ измерения распределения статического давления в упаковке из зернистых слоев при различных частотах вращения центробежного насоса...............39
2.1.2 Распределение статического давления по длине упакованного слоя при различных частотах вращения центробежного насоса......48
2.1.3 Беспульсационный гидродинамический контур...........49
2.1.4 Экспериментальные результаты по распределению давления, полученные на беспульсационном гидродинамическом контуре.......54
2.2 Исследование распределения давления в упакованном слое на воздушных потоках..................................................64
2
2.2.1 Экспериментальная установка и методика измерения давления внутри зернистого слоя на воздушных потоках...........64
2.2.2 Дифференциальный манометр колокольного типа.........66
2.2.3 Экспериментальные данные по распределению статического давления по длине упакованного слоя............................70
2.3 Выводы..................................................71
3 Исследование процессов высокотемпературного шлакования............73
3.1 Рентгенофлуоресцентный элементный анализ с использованием синхротронного излучения..........................................73
3.2 Рентгенофлуоресцентный элементный анализ проб шлака, золы и угля, отобранных из производственного цикла барнаульской ТЭЦ-3 84
3.3 Отбор и подготовка проб для гамма - спектрометрического анализа...........................................................89
3.4 Гамма-спектрометрический анализ проб шлака, золы и угля, отобранных из производственного цикла барнаульской ТЭЦ-3..........91
3.5 Устройство для жидкого шлакоудаления....................94
3.6 Исследование процессов кристаллизации шлака в различных жидкостях.........................................................98
3.7 Выводы.................................................101
4 Исследование процессов низкотемпературного шлакования............103
4.1 Экспериментальная установка и методика.................103
4.2 Результаты и обсуждение.................................108
4.3 Выводы.................................................113
Выводы.............................................................115
Приложение А.......................................................117
Приложение Б.......................................................120
Приложение В.......................................................122
Приложение Г.......................................................125
Приложение Д.......................................................128
3
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
В последнее время значительное количество исследований посвящено процессам шлакообразования, транспортировке золы и шлака, а также проблемам их утилизации и промышленного использования.
Сжигание каменных и бурых углей сопровождается загрязнением поверхностей нагрева шлаковыми отложениями. Достаточно эффективные методы борьбы с ними пока не разработаны, и даже сами механизмы образования этих шлаковых отложений не достаточно ясны. Разработка эффективных способов снижения уровней загрязнения поверхностей нагрева требует не только более детального исследования механизмов шлакования и процессов фильтрации газовых потоков в пористой среде шлаковых отложений, но и разработки диагностической аппаратуры для подобных исследований.
Другой важной проблемой является утилизация золошлаковых отходов промышленных эиергостанций. Несмотря на то, что давно известно о наличии в золе и шлаке существенных концентраций целого ряда промышленно важных элементов, до сих пор не разработана достаточно эффективная методика извлечения из золы и шлака металлов, редкоземельных и радиоактивных, экологически опасных элементов. Существующие методики либо мало эффективны, либо слишком дороги. Частично зола и шлак используются в строительной индустрии. Однако, основная масса золошлаковых отходов отправляется на золошлакоотвалы.
Значительные территории, занимаемые золошлакоотвалами, оказываются исключенными из полезного использования в народном хозяйстве. Кроме того, наличие в золе и шлаке тяжелых и радиоактивных элементов делает золошлакоотвалы экологически опасными для прилегающих к ним территорий и водоемов. Для экологически безопасного устройства золошлакоотвалов, с возможностью их дальнейшей
5
рекультивации, необходимо прогнозировать их поведение под действием различных климатических факторов. Одним из важнейших климатических факторов является влага (талые воды, дожди и т.д.), поэтому требуется исследование процессов фильтрации воды в пористой среде золошлаковых отходов.
Таким образом, исследование процессов шлакования и процессов фильтрации в пористой шлаковой среде является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы.
Основной целью работы являлось создание экспериментальных установок и методик для исследования процессов высоко- и низкотемпературного шлакования и процессов фильтрации в пористых средах. При этом ставились следующие задачи:
1. Создание технических средств исследования процессов фильтрации в пористых средах на водных и воздушных потоках и отработка экспериментальной методики измерения давления внутри зернистого слоя.
2. Совершенствование методики подготовки проб для проведения количественного анализа содержания различных химических элементов в угле, золе и шлаке.
3. Создание экспериментального стенда для исследования низкотемпературного шлакования, включающего измерения расхода и температуры воздуха.
4. Разработка метода и устройства для изменения дисперсности шлака с одновременным разделением шлака на тяжелую и легкую компоненты. Практическая значимость
1. Создана экспериментальная установка для исследования процессов фильтрации воздушного потока через пористый слой, позволяющая одновременно измерять перепады давления и температуры в диапазоне чисел Рейнольдса от 54 до 175.
6
2. Изготовлен оригинальный датчик измерения малых перепадов давления и отработана методика измерения перепадов давления до 0.2 Па.
3. Разработана методика подготовки проб для рентгенофлуоресцентного элементного анализа с использованием синхротронного излучения, заключающаяся в создании тонкого пористого слоя золы или шлака на пористой подложке из карбида титана. Обнаружено, что содержание V и Мо в золе и шлаке, сравнимо с их содержанием в промышленно используемых рудах, что позволяет предложить использование золы и шлака для добычи этих химических элементов.
4. Изготовлен экспериментальный стенд для исследования процессов низкотемпературного шлакования. Экспериментально доказана возможность шлакования при температуре ниже температуры плавления золы. Например, для Кузнецкого угля при температуре 920 К.
5. Разработан оригинальный способ и устройство для разделения шлака на тяжелую и легкую фракции при жидком шлакоудалении, основанный на различном поверхностном натяжении различных компонентов шлака. Научная новизна работы
1. Показано, что переход от симметричной градуировочной характеристики к несимметричной приводит к повышению чувствительности дифференциального манометра более чем на порядок и увеличению линейности характеристики.
2. Показано что пульсации на воздушных потоках не влияют на режим течения и распределение давления в пористом упакованном слое, тогда как на водных потоках наличие пульсаций приводит к значительному изменению перепада давления и это связано с существенно большей сжимаемостью воздуха, что приводит к выполнению закона Дарси с числа Рейнольдса 54.
3. Показана зависимость низкотемпературного шлакования от режимов дутья и температуры в камере сгорания и обнаружен новый механизм низко-
7
температурного шлакования, связанный с образованием эвтектического состояния золы.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 научных, научно-технических и научно-практических конференциях, а именно:
1. Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе» (г. Пенза, 2000г.)
2. Российском национальном симпозиуме по энергетике (г. Казань, 2001г.)
3. III Сибирской научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Физика, радиофизика - Новое поколение в науке» (г. Барнаул, 2002г.)
4. IX международной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (г. Новосибирск, 2004г.) Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе статей в центральной печати-4, из них 2 статьи в журналах по списку ВАК, тезисов и докладов региональных, всероссийских и международных конференций-5.
Основные положения, представляемые к защите.
1. Оригинальный датчик для измерения малых перепадов давления от 0.2 Па.
2. Экспериментальный стенд для измерения перепадов давления, температуры и расхода при беспульсационном течении жидкости в упакованных слоях в диапазоне чисел Рейнольдса 10-г200.
3. Экспериментальная установка для измерения перепадов давления, температуры и расхода при фильтрации воздушного потока через пористые слои в диапазоне чисел Рейнольдса 54-И75.
8
4. Метод изменения дисперсности шлака за счет изменения температуры воды, в которую попадает расплав шлака, с одновременным разделением шлака на тяжелую и легкую компоненты, за счет различного поверхностного натяжения этих компонент.
5. Оригинальная установка для исследования процессов низкотемпературного шлакования, физический механизм которого связан с образованием эвтектик.
9
1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ШЛАКОВАНИЯ И ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
1.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
Прогнозирование поведения золошлакоотвалов и гранулохранилищ невозможно без исследования процессов переноса и фильтрации воды и воздуха в их пористой среде.
В качестве приближенной модели таких пористых сред может быть использована хаотическая упаковка зернистого слоя из сферических шариков.
Исследованию гидродинамики в пористой среде посвящено большое количество работ, в которых описывается поле скоростей за пористой средой. Так в работах Струминского с сотрудниками показано наличие крупномасштабных неоднородностей в распределении скорости по сечению опытного участка и предложены некоторые методы устранения этих неоднородностей [1-3]. С помощью визуализации Струминским и Павлихиной была отчетливо зафиксирована неоднородность профиля скорости внутри упаковки [2].
Следует отметить, что профиль скорости за упаковкой может отличаться от профиля скорости внутри ее. Так в работах Кириллова, Кузьмина и др. [4], Леру и Фромента [5] показано, что профиль скорости за пористой средой существенно зависит от ориентации и упаковки двух-трех последних слоев засыпки или от прогиба сетки, ограничивающей засыпку. Работ, посвященных измерению скорости внутри пористой среды сравнительно мало, что объясняется сложностью проведения подобных экспериментов. Так известны две работы (Ван дер Мерве и Гаувин [6],
10
Миклей, Смит, Корчак [7]) по измерению термоанемометром профиля скорости и интенсивности турбулентности потоков в правильных упаковках. Миклей и др. [7] измеряли профиль локальной скорости, интенсивность турбулентности потока и спектр пульсаций скорости в ромбической упаковке для чисел Ле, равных 4780 и 7110 при Э/б = 8, где Э - ширина квадратного канала, с! - диаметр шарика. В этой работе получено, что профили интенсивности турбулентности и локальной скорости становятся более пологими при увеличении числа Ле, так отношения максимальных скоростей в ячейках к расходной скорости при числе Ле = 4780 и 7010 составляли 6.1 и
4.5 соответственно. Кроме того, скорость вблизи стенки упаковки оказалась на 10 % выше скорости в центре, хотя были приняты меры по устранению неравномерности пористости у стенки, в которой крепились половинки сфер. Профиль средней скорости, полученный ими, имел два пика, в соответствии с количеством пропускных каналов для элементарной ячейки ромбической упаковки. Уменьшенное значение скорости между пиками соответствовало теневой области за шариком, в которой возможно образование возвратных течений, необнаруженных авторами. С увеличением числа Ле максимальные значения скоростей в пиках сближаются, то есть профиль становится более равномерным в отдельных ячейках упаковки. Результаты Ван дер Мерве и Гаувина по измерению интенсивности турбулентности на правильной кубической упаковке при числах Ле = 2500, 5000, 10000, 27000 и О/б = 4 качественно совпадают с результатами Миклея и др., но в спектре пульсаций скорости, полученном Ван дер Мерве и Гаувином, имелись пики, тогда как в спектре, полученном Миклеем и др., пики отсутствовали. Кроме того, Ван дер Мерве и Гаувин отмечают увеличение крутизны профиля продольной скорости с увеличением числа Ле. Эти результаты расходятся с выводами работ Евсеева, Иакорякова, Романова [8, 9], которые измеряли спектр пульсаций и профиль скорости внутри кубической и октаэдрической упаковок с помощью лазерного доплеровского анемометра. Известны еще
И