Разработка геомеханической модели высококонцентрированных водоугольных дисперсных систем

Актуальность темы

.

Актуальность широкого использования нового вида топлива — водоугольной суспензии благодаря текучести, простоте управления процессами подачи, дозирования, лёгкости автоматизации и относительной дешевизне становится очевидной на фоне постоянного увеличения цен на нефтепродукты и сокращения объёма их разведанных ресурсов.

Кроме того, вокруг многих угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках скапливаются тысячи тонн добываемого угля, представленного в виде тонкодисперсных угольных шламов, рациональная утилизация которых в виде водоуголь-ного топлива позволит не только улучшить экологическую обстановку в регионе, но и получить существенный экономический эффект.

Распространению нового вида топлива — водоугольной суспензии в значительной степени препятствует недостаточная его изученность. Важными эксплуатационными параметрами для водоугольных суспензий является массовая доля твёрдого, которая определяет теплотворную способность и стабильность — способность удерживать диспергированный уголь во взвешенном состоянии в течении технологического цикла от момента его производства до использования. Традиционный подход в описании водоугольной суспензии состоит в следующем — определении её как двухфазной жидкости с особой реологией, это в свою очередь предполагает что:

— кривая течения описывается реологическим уравнением вязкопластичной жидкости;

— стабильность суспензии в статических условиях носит относительный характер и определяется скоростью оседания частицы;

— стабильность в динамических условиях определяется достижением критической скорости транспортирования, т. е. чем выше скорость транспортирования тем выше стабильность.

Указанный подход обладает некоторой слабостью, так из практики известны случаи, когда стабильная в статических условиях высококонцентрированная водоугольная суспензия, теряет стабильность при перемещении по трубопроводу. Кроме того при начале транспортирования происходит повышение давления, которое не находит объяснения в рамках существующей концепции. При высокой массовой доле твёрдого суспензия в значительной степени утрачивает свойства жидкости, а наличие крупных угольных частиц делает неправомерным использование понятия сплошности. Т.о. решение этих задач в рамках существующего подхода не представляется возможным.

Геомеханический подход позволяет перейти от одномерного эмпирического метода определения стабильности суспензии, представляющей из себя однородную, изотропную сплошную жидкую среду, к трёхмерному методу расчёта напряжённо — деформированного состояния неоднородной среды, с учётом существования поверхностей разрыва. Таким образом, прогноз изменения эксплуатационных свойств высококонцентрированных водоугольных дисперсных систем, полученный с использованием традиционных для геомеханики методов, становится особенно актуальным.

Настоящая работа является результатом исследований, выполненных при личном участии автора в 1997 — 2001 гг. по тематическим планам ГУП НПЦ «Экотехника» в соответствии с проектом 7 «Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивающих применение трубопроводного транспорта угля и сжигание водоугольного топлива от 1 до 300 МВт «Федеральной подпрограммой Минпромнауки России «Экологически чистая энергетика», и договорами с промышленными предприятиями.

Целью работ является разработка геомеханической модели высококонцентрированной водоугольной дисперсной системы, сочетающей текучесть и стабильность к оседанию диспергированной фазы в процессе приготовления, транспортирования и использования.

Идея работы заключается в определении высококонцентрированной водоугольной суспензии как механической системы, состоящей из угольных частиц, находящихся в жидкости на расстоянии дальней коагуляции в упругой связи, что позволяет применить реологическое уравнение вязкоупругих сред и аппарат тензорной алгебры для определения напряженно-деформированного состояния среды и условий начала седиментации крупных частиц.

Задачи исследований:

— разработать механическую модель стабилизированной дисперсной системы, состоящей из угольных частиц, находящихся в жидкости на расстоянии дальней коагуляции в упругой связи, сформулировать для этой модели критерий сплошности, величину сил взаимодействия частиц угля с окружающей средой как функцию гранулометрического распределения и плотности упаковки частиц в пространстве;

— определить реологическое уравнение, описывающее высококонцентрированную дисперсную систему с учётом упругого характера взаимодействия между частицами и сдвигового характера деформаций,.

— построить тензор напряжений от действия сил сдвига, массовых и гидродинамических сил, построить основную замкнутую систему уравнений движения ВУТ, сформулировать критерий стабильности водоугольной дисперсной системы;

— провести экспериментальное обоснование предложенной реологической модели, построить уравнение релаксации напряжений при запуске углепровода;

— обосновать необходимые изменения в технологии производства водоугольного топлива, обеспечивающие необходимую стабильность водоугольного топлива, разработать метод очистки трубопровода, провести испытания, разработать регламент транспортирования водоугольного топлива на большие расстояния.

Методы исследования.

•структурное моделирование дисперсной среды с условием фиксации угольных частиц в пространстве на расстоянии дальней коагуляции при условии минимума энергии взаимодействия частиц;

•стереометрический анализ плотностей упаковки частиц в пространстве;

•построение линейного операторного уравнения обобщенной модели механических моделей Максвелла и Кельвина для описания вязкопластичных сред с заменой продольных деформаций на сдвиговые;

•использование аппарата тензорной алгебры для формулирования пространственного на-пряжённо-деформированного состояния среды;

•лабораторные исследования гранулометрического распределения на ситах и грануломет-ре, с последующей аппроксимацией логнормальным законом распределения;

•лабораторные исследования напряжения сдвига в среде с последующей аппроксимацией уравнением релаксации вязкоупругой среды;

•планирование и проведение эксперимента на углепроводе. Научные положения, выдвигаемые на защиту:

•физико-механические свойства водоугольного топлива описываются вязкоупругой механической моделью включающей несущую сплошную среду, состоящую из воды со стабилизирующими добавками и частиц угля с размерами ниже масштаба сплошности и крупные частицы с размерами, превышающими масштаб сплошности, вносящие разрыв в сплошную среду, причём стабильность такой механической системы находится в зависимости от гранулометрического распределения;

•реологические свойства водоугольной дисперсной системы описываются уравнением, построенным на основе обобщённой модели, включающей модели Максвелла и Кельвина с учётом сдвиговой деформации и напряжения и их производных, позволяющим объяснить особенности Поведения суспензии при очень малых и очень больших скоростях сдвига;

•метод определения момента начала седиментации угольной частицы который базируется на сравнении результата свёртывания тензора напряжений по единичным векторам плоскости, касательной к поверхности частицы с рассчитанными, предельными значениями напряжения сдвига;

•методика определения эффективной упругости водоугольной дисперсной системы заключается в аппроксимации измеренных на ротационном вискозиметре сдвиговых напряжений уравнением релаксации вязкоупругой среды, полученное уравнение релаксации позволяет прогнозировать наблюдаемое на практике явление повышения напряжения при начале транспортирования водоугольных суспензий по трубопроводу и рассчитать период его релаксации;

•условием бесперебойного транспортирования водоугольной суспензии является комплекс мероприятий при её производстве и транспортировании, которые включают в себя ограничение верхнего класса частиц при производстве суспензии, введение добавки приготовленной дополнительным измельчением основной части суспензии, проведение очистных мероприятий на линейной части углепровода.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: •согласованностью фиксации частиц на расстоянии дальней коагуляции с принципом минимума энергии взаимодействия, экспериментальным подтверждением упругой природы характера взаимодействия;

•представлением рассматриваемой среды сочетающей в себе свойства жидкой и твёрдой вязко — упругих сред в виде комбинации моделей Максвелла и Кельвина для жидкой и твёрдой вязко — упругих сред соответственно;

•корректностью формулировки несимметричного тензора напряжений на поверхности крупной частицы с учётом разрыва функций на поверхности частицы;

•хорошей корреляцией результатов измерения напряжения сдвига в лабораторных условиях с аппроксимирующей их функцией релаксации напряжения;

•большой базой промышленных и экспериментальных результатов по приготовлению и транспортированию водоугольной суспензии.

Научная новизна работы заключается в следующем: •предложен масштаб сплошности для механической системы — жидкость + диспергированный уголь, позволяющий разделить ВУТ на несущую сплошную среду и «крупные» частицы, нарушающие сплошность;

•получена количественная оценка влияния срединного диаметра и гранулометрического распределения при мокром диспергировании угля на стабильность суспензии при фиксированных по количеству и составу химических добавках;

•установлена необходимость учёта не только величины скорости деформации, но и величины самой деформации при расчёте напряжений в водоугольной суспензии;

•выведена априори и эмпирически подтверждена обоснованность использования реологического уравнения вязкоупругой среды для описания кривой течения высококонцентрированной водоугольной суспензии;

•разработана математическая модель движения калибровочного скребка в трубопроводе для транспортирования ВУТ.

Личный вклад автора заключается:

— во введении масштаба сплошности и обосновании его величины применительно к механической модели водоугольной суспензии;

— в выводе формулы для расчёта несущей способности сплошной среды, как функции гранулометрического распределения частиц при фиксированных по количеству и составу химических добавках;

— в обосновании приемлемости реологического уравнения вязкоупругой жидкости для описания высококонцентрированных водоугольных суспензий;

— в установлении необходимости учёта не только скорости деформации, но величины самой деформации при расчёте напряжения в высококонцентрированной водоугольной суспензии, в объяснении феномена потери стабильности при движении суспензий, которые в статических условиях ведут себя как стабильные;

— в переходе от одномерного подхода формулирования критических условий стабильности водоугольной суспензии к трёхмерному;

— в разработке методики расчета модуля упругости вязкоупругой среды и периода релаксации с использованием результатов измерения на ротационном вискозиметре;

— в обосновании необходимых изменений в технологии производства и транспортирования водоугольной суспензии для повышения её стабильности.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

— расчётным путём определить потребное изменение гранулометрического состава для повышения стабильности водоугольных суспензий;

— рассчитать поведение высококонцентрированных водоугольных суспензий как при очень больших так и при очень малых скоростях сдвига;

— объяснить и рассчитать условие потери стабильности при движении статически стабильных суспензий;

— рассчитать повышение сопротивления при начале транспортирования водоугольной суспензии по трубопроводу и период его релаксации;

— внести соответствующие изменения в технологию приготовления и транспортирования водоугольного топлива, для повышения надёжности.

Реализация работы. Разработанная автором методика определения характеристик реологического уравнения вязкоупругой механической системы — водоугольного топлива реализована в ГУП «НПЦ «Экотехника». Рекомендации по изменению гранулометрического состава реализованы на опытно-промышленной установке в котельной шахты Тырганская.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на III Международной научно — практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» («Сибресурс 99»). Кемерово, 1999; на IV Международной научно — практической конференции «перспективы развития горнодобывающей промышленности», Новокузнецк, 1999. The Twelfth International Symposium on Transport Phenomena/ Istanbul, Turkey, 2000; на научно-техническом совете ГУП НПЦ «Экотехника».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ и получен патент на изобретение.

Структура и объём. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения^ приложений и списка литературы из 116 наименований. В ней 159 страниц текста, 67 рисунков, 17 таблиц — всего 177 страниц.

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем:

1. Разработана механическая модель стабилизированной дисперсной системы, состоящей из угольных частиц, находящихся в жидкости на расстоянии дальней коагуляции в упругой связи, для которой предложен масштаб сплошности h = 10 мкм, позволяющий разделить модель на несущую сплошную среду < h и «крупные» частицы > h, нарушающие сплошность, определена величина сил взаимодействия частиц угля с окружающей средой как функция массовой доли massl несущей сплошной среды с характерными размерами от 0,1 до 10 мкм в общей массе суспензии, характера гранулометрического распределения (dm, <т), физико-химических свойств несущей сплошной среды (Fc, Hi) и максимального размера присутствующих в суспензии частиц (?>).

2. Впервые для водоугольных дисперсных систем, используя аксиоматику, предложенную Кельвином и Максвеллом, получено обобщённое реологическое уравнение, включающее сдвиговую деформацию и напряжение и их производные, позволяющее объяснить особенности поведения суспензии при очень малых и очень больших скоростях сдвига и природу удержания частиц во взвешенном состоянии в покоящейся суспензии. В ходе анализа показано, что существенным для реологического уравнения водоугольных дисперсий оказывается не только скорость деформации (у) но и величина самой деформации (у).

3. Построен тензор напряжений, позволивший перейти от одномерных методов определения критических условий седиментации частиц, к более точным — трёхмерным. Построена замкнутая система уравнений движения водоугольной суспензии, где в качестве определяющих условий применяется разработанное реологическое уравнение, в качестве граничных — произведение тензора напряжения на поверхности крупной частицы на единичные векторы произвольно ориентированной площадки. В результате выполненных исследований установлено, что стабильность суспензии при её движении зависит от свойств среды (гр, б, V’y, G*, ju), деформации среды (у, у) и приложенных внешних усилий (АР). При этом деформация состоит из двух составляющих — деформации среды от «зависания» в ней крупной частицы (yg). и сдвиговой деформации (у). Полученная система уравнений может послужить базой для создания численной модели стабильности водоугольного топлива.

4. Экспериментально подтверждена обоснованность применения вязко — упругой реологической модели для описания высококонцентрированных водоугольных дисперсных систем. Установлено что высококонцентрированная водоугольная суспензия обладает предельно малой упругостью от 6 Па до 31 Па, для различных добавок, наличие которой объясняет наблюдаемые на практике явления образования естественного угла откоса при сливе суспензии из ёмкостей и повышения сопротивления при начале её движения. Разработанный метод расчёта релаксации напряжений позволяет прогнозировать повышение напряжения при запуске трубопроводных систем и рассчитать период релаксации напряжения до фиксированной величины.

5. Разработаны рекомендации для изменений вносимых в технологию производства и транспортирования высококонцентрированных водоугольных суспензий. В частности, показано, что срединный диаметр суспензии должен быть ограничен dm < 20мкм. Для повышения стабильности предлагается от 1 до 3% готовой суспензии подвергать дополнительному измельчению в освободившейся шаровой мельнице с изменённой шаровой загрузкой с уменьшением диаметра шаров и увеличением их количества 3.34 раза, и уменьшением 11.7 раза производительности для увеличения времени помола. Обосновано применение ледяного скребка для очистки линейной части углепровода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи разработки геомеханической модели высококонцентрированной водоугольной дисперсной системы, сочетающей текучесть и стабильность к оседанию диспергированной фазы в процессе приготовления, транспортирования и использования, имеющей существенное значение для геомеханики.