Badanie parametrów suszenia granulatu popiołowego w atmosferze powietrza i gazów spalinowych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY ZAKŁAD TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I CERAMIKI Badanie paraetrów suszenia granulatu popiołowego w atosferze powietrza i gazów spalinowych instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Autorzy: dr inż. Janusz Sokołowski inż. Paulina Urbańska gr. inż. Michał Kabaciński Warszawa 2011

2 Wprowadzenie Energetyka krajowa oparta jest głównie na spalaniu paliw stałych. Każdego roku przybywa od kilku do kilkudziesięciu Mg popiołu lotnego i ieszanki popiołowo-żużlowej. Od ok. 15 lat dla tych odpadów proponowana jest nazwa uboczne produkty spalania, gdyż coraz szerzej są one stosowane w wielu dziedzinach gospodarki. Jedny z kierunków jest przetwarzanie popiołu lotnego na kruszywa lekkie, które stosowane są w budownictwie, drogownictwie czy ogrodnictwie. W ZTNiC PW została opracowana technologia produkcji kruszyw lekkich, której zaletai są niski koszt oraz ożliwość równoczesnej, z odpadai paleniskowyi, utylizacji osadów ściekowych. Technologia ta składa się z czterech etapów. Jej istotny procese pośredni jest suszenie. Odpowiednio wysuszony granulat charakteryzuje się niezbędną do łatwego transportu wytrzyałością echaniczną, czyniąc produkcję niej skoplikowaną i tańszą. Suszenie Suszenie jest procese cieplny uwalniania roztworów lub ateriałów stałych od zawartej w nich wody poprzez jej odparowanie, które uożliwia: uzyskanie odpowiedniej wytrzyałości echanicznej wyrobów, aby bez uszkodzeń podać je do pieca do wypalenia; doprowadzenie do końca zian objętościowych związanych z usuwanie wilgoci; uniknięcie tworzenia się pęknięć oraz pęcznienia wyrobów w trakcie wypalania; zniejszenie kosztów transportu ateriałów. Proces suszenia jest etape przejściowy lub końcowy wielu technologii przeysłowych, jak również wytwarzania wyrobów gotowych [1]. Wiązanie wilgoci i rodzaje wilgotności Podczas usuwania cieczy z ciała wilgotnego naruszane jest wiązanie ciecz- ciało stałe, na co spożytkowana jest określona energia. Wielkość energii wiązania to wartość pracy wykonanej na oderwanie 1 ola wody od danego ciała ającego określoną wilgotność. Na podstawie wielkości energii wiązania wyróżnia się następujące rodzaje wiązania wilgoci z ateriałe: wiązanie cheiczne najtrwalsze i na ogół nie podlegające rozerwaniu podczas zwykłego suszenia; wiązanie, które określone jest stosunkai stechioetrycznyi; wiązanie fizyko-cheiczne wiązanie typu adsorpcyjnego i osotycznego, w który ciecz jest adsorpcyjnie związana, zarówno na zewnętrznej powierzchni akrocząstek, jak i zaadsorbowana na powierzchni wewnętrznej; 2

3 wiązanie fizyko-echaniczne do tego rodzaju zaliczane jest wiązanie strukturalne (ciecz przyłącza się podczas tworzenia struktury ciała), wiązanie kapilarne oraz wiązanie zwilżania (ciecz przyłącza się podczas bezpośredniego kontaktu z powierzchnią ciała). Wilgotność φ' to zawartość cieczy w ateriale wilgotny, wyrażona w jednostkach asy na jednostkę asy wilgotnego ateriału: ' c w kg cieczy kg at. wilg. Wilgotność właściwa (bezwzględna) φ to zawartość cieczy w ateriale wilgotny, wyrażona w jednostkach asy na jednostkę asy suchego ateriału: c s kg kg cieczy at. suchego Wilgotność równowagowa φ r to zawartość wody w ateriale suszony pozostająca w równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływający powietrzu. Jest to inialna wilgotność, do której ożna teoretycznie wysuszyć ateriał w danych warunkach prowadzenia procesu [2]. Kinetyka procesu suszenia Kinetyka procesu suszenia określa ziany średniej zawartości wilgoci i średniej teperatury w czasie, co uożliwia obliczenie ilości odparowanej wilgoci oraz zużycie energii. Charakter przebiegu procesu suszenia dogodnie jest analizować.in. na podstawie wykresu krzywej suszenia (rys. 1), będącej zależnością wilgotności ateriału od czasu suszenia. Rys. 1. Krzywa suszenia dla warunków ustalonych [2]. 3

4 Analizując przebieg wykresów ożna zauważyć, że proces suszenia dzieli się na dwa okresy. Pierwszy okrese suszenia (odcinek AB) jest początkowe podgrzewanie ateriału, po czy otrzyuje się zależność prostoliniową (odcinek BC). W ty okresie czasu suszenia szybkość suszenia jest wielkością stałą, liczbowo równą tangensowi kąta pochylenia stycznej do krzywej. Następuje odparowanie wilgoci z powierzchni ateriału i powstająca para przedostaje się do przepływającego powietrza. Szybkość całego procesu uwarunkowana jest przez szybkość dyfuzji pary wodnej w warstwie powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana. Odpowiada to punktowi C (punkt krytyczny), od którego linia prosta przechodzi w krzywą zbliżającą się asyptotycznie do wartości wilgotności równowagowej. Poniżej punktu krytycznego występuje okres o stale zniejszającej się szybkości suszenia, zwany drugi okrese suszenia. Występuje wtedy odparowanie wilgoci z coraz głębszych warstw ciała suszonego, przeieszczanie się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego powietrza. Na szybkość suszenia w drugi okresie a duży wpływ struktura ciała suszonego i jego wyiary. Wykres przedstawiony na rys. 1 przedstawia typowy przebieg suszenia charakteryzujący ciała o niewielkich wyiarach i budowie kapilarno-porowatej. Przy suszeniu ciał o większych wyiarach i budowie koloidalnej, pierwszy okres suszenia jest krótki i wzrasta znaczenie drugiego okresu. Wyznaczanie krzywej suszenia etodą doświadczalną Do sporządzenia krzywej suszenia należy obliczyć zawartość wilgoci w ateriale w ustalonych, na podstawie długości trwania doświadczenia, odcinkach czasu. W sprawozdaniu z poiarów powinny znaleźć się dane dotyczące czasu suszenia, asy ateriału suszonego oraz wyliczona wilgotność. Na wykresie krzywej suszenia ożliwe jest również wykreślenie krzywej ziany teperatury w badany ateriale. Teperatura saozapłonu Badany granulat składa się przede wszystki z ieszanki popiołowo-żużlowej pochodzącej głównie ze spalania węgla kaiennego w pyłowych kotłach energetycznych, dlatego też zawiera pewną ilość niespalonego węgla, który w ustalonych warunkach suszenia oże ulec w obecności tlenu zawartego w gazach suszących saorzutneu zapaleniu, bez udziału zewnętrznej inicjacji w postaci płoienia lub iskry. Najniższa teperatura, w której dochodzi do saozapłonu nazywana jest teperaturą saozapłonu. 4

5 Cel i etodyka poiarów Cele ćwiczenia jest wyznaczenie krzywej suszenia granulatu popiołowego w różnych warunkach suszenia. Proces prowadzony jest w specjalnie do tego celu zaprojektowanej aparaturze, której scheat przedstawia poniższy rysunek. Rys. 2. Scheat instalacji do suszenia granulatów popiołowych: 1-butla z CO 2, 2-butla z żele krzeionkowy, 3,4,5-aperoierze, 6,7,8- autotransforatory, 9,10- rotaetry, 11- koszyk, 12,13- teropary, 14- piec. Suszenie rozpoczyna się, gdy teperatura gazów suszących osiągnie ustaloną wartość. Czas trwania suszenia ierzony jest stopere. Przed i w trakcie doświadczenia należy odnotowywać ziany asy granulatu i jego teperaturę w odstępach kilkuinutowych oraz wpisywać je do protokołu poiarowego, który został zaieszczony poniżej (tabela 1). W czasie wyjowania/wkładania koszyka z granulate z/do pieca należy używać rękawic ochronnych. Suszenie uznaje się za zakończone, gdy spadek asy granulatu zawiera się w zakresie 0,10-0,50 g. Tabela 1. Protokół poiarów. nr grupy: nastawy pieca (odpowiednio: dół, środek, góra) [A]: data: asa koszyka [g]: przepływ CO 2 [d 3 /h]: przepływ pow. [d 3 /h]: teperatura [ C] wilgotność czas asa granulatu wilgotność godz. bezwzględna uwagi [in] w koszyku [g] T dno T środek T bok [%] [%] 5

6 Warunki zaliczenia Sprawozdanie powinno zawierać: 1) iiona i nazwiska studentów oraz nr grupy, 2) cel i krótki opis ćwiczenia, 3) krzywe suszenia z naniesionyi zianai teperatury w warstwie granulatu oraz przykładowe obliczenia niezbędne do ich wykonania, 4) wnioski, 5) protokoły poiarowe podpisane przez prowadzącego. Na ocenę końcową składa się ocena z wejściówki i sprawozdania oraz aktywność na zajęciach. Sprawozdanie należy oddać w terinie do 7 dni od zakończenia ćwiczenia. Literatura [1] K. Schidt Szałowski, J. Sentek, J. Raabe, E. Bobryk, Podstawy technologii cheicznej. Procesy w przeyśle nieorganiczny, OWPW Warszawa 2005 [2] C. Struiłło, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT Warszawa