Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ характеристик и эксплутационных показателей промышленных пыле- и золоуловителей энергетических установок 13
1.1 Системы пыле- и золоулавливания энергетических установок 13
1.1.1 Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей 13
1.1.2 Анализ обеспыливания газов в групповых и батарейных циклонных газоочистителях 21
1.1.3 Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно радиальным переносом закрученного потока к выводному каналу 25
1.1.4 Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно прямоточным движением закрученного потока 36
1.2 Анализ методов оценки эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах 44
Выводы по главе 1 49
Глава 2. Анализ процессов сепарации в инерционных аппаратах при малых концентрациях частиц 50
2.1.Гидродинамическая устойчивость потоков в противоточном циклонном осадителе [48] 50
2.2. Анализ процессов сепарации в криволинейном канале 54
2.2.1. Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц 55
Пример расчета 2.2.1 59
2.2.2. Оценка эффективности сепарации частиц при турбулентном движении аэрозоля в криволинейном канале 61
Пример расчета 2.2.2 69
2.3 Анализ процессов сепарации в вихревом разгрузителе-концентраторе 72
2.3.1 Особенности гидродинамики вихревого разгрузителя-концентратора 72
2.3.2 Сепарация частиц в закрученном потоке вихревого разгрузителя-концентратора 78
2.3.3 Пример расчета 84
2.4 Анализ процессов сепарации в прямоточных циклонных концентраторах 88
2.4.1 Особенности гидродинамики прямоточных циклонных концентраторов 88
2.4.2 Эффективность сепарации частиц в прямоточном циклонном пылеконцентраторе 91
2.4.3 Пример расчета 95
Выводы по главе 2 100
Глава 3. Разработка промышленных пыле- и золоуловителей 101
3.1. Разработка промышленных пыле- и золоуловителей в установках с нестационарными потоками [118] 101
3.2 Устойчивость газоочистки в групповом пылезолоуловителе 107
3.3 Результаты обследований промышленных устройств обеспыливания газов 113
3.3.1 Результаты обследования существующих пыле-золоулавливающих устройств котельной ОАО «Шахта Заречная». 113
3.3.2 Анализ выбросов от котлоагрегатов котельной 119
3.4 Расчет промышленной системы газоочистки 125
Выводы по главе 3 137
Основные результаты и выводы 138
Литература
- Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей
- Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно прямоточным движением закрученного потока
- Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц
- Результаты обследований промышленных устройств обеспыливания газов
Введение к работе
Актуальность работы
Стремительное развитие научно-технического прогресса на рубеже XX/XXI веков привело к значительному увеличению потребления энергоресурсов. На фоне увеличивающегося потребления каменного угля остро встает вопрос о защите атмосферного воздуха от загрязнения твердыми сажными и зольными частицами.
Надежность и эффективность работы систем пыле- и золоулавливания зависит от физико-химических свойств частиц, термодинамических параметров пылегазовой среды. Концентрация твердых частиц в дымовых газах, дисперсность уноса из котла зависит от технологических параметров проведения процесса сжигание топлива, особенностей оборудования, например, от вида топлива, способа пылеприготовления, методов его сжигания, конструктивных характеристик топочных устройств, совершенства ведения топочного процесса, вида топливоиспользующей установки и режима ее работы. Энергетические установки имеют переменный режим работы, т.е. переменные концентрации, расходы дымовых газов при изменении расхода топлива. Для котлов со слоевым сжиганием топлива характерна переменная во времени концентрация частиц в потоке дымового газа из-за неравномерности подачи топлива при механической загрузке, а также в топках с шурующей планкой. При проектировании и модернизации пыле- и золоулавливающего оборудования часто компоновочные соображения (размещение оборудования) являются основным звеном в принятии решения выбора метода обеспыливания и аппаратурного оформления необходимой системы газоочистки.
Наиболее эффективным осадителем является противоточный циклонный аппарата (ЦА) с собственным приемником пыли, в котором транспортирующий в него пыль поток газа в объёме замедляет движение и формируется слой, содержащий частицы, размером менее 10 мкм. Однако процессы сепарации в ЦА не являются устойчивыми при колебаниях концентрации частиц, термодинамических параметров потока и дисперсности пыли. Под устойчивостью здесь понимается сохранение условий эффективной очистки газов при изменяющихся параметрах потока (нестационарности концентрации, дисперсии пыли, физико-химических параметров среды).
Одиночный ЦА на большие расходы имеет относительно большие размеры. Групповые циклоны (ГЦ) и батарейные циклоны (БЦ) имеют меньшую высоту, а в элементах аппаратов реализуются большие центростремительные ускорения, однако в целом эффективность обеспыливания в них ниже, чем в одиночном противоточном циклоне, т.к. в пылеприемниках отсутствуют условия для формирования слоя из уловленных частиц.
Применяемые системы пыле- и золоулавливания с инерционными аппаратами работают с проектной эффективностью в узком диапазоне скоростей, концентраций, термодинамических параметров несущей среды. Энергетические установки, оборудованные БЦ, ГЦ, либо одиночными циклонами, не имеющие регулирующих приспособлений, осуществляют выброс золы, выше допустимого, что сказывается на общем уровне загрязнения атмосферного воздуха в районе размещения установок.
Об актуальности решения этих вопросов свидетельствует финансовая поддержка Федерального агентства по образованию Российской Федерации по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмме 3: «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» — код проекта № 400, в свете которых выполнена работа. В настоящее время она выполняется по инициативной программе.
Целью настоящей работы является разработка методов и средств совершенствования процесса обеспыливания дымовых газов при модернизации промышленных систем пыле- и золоулавливания с инерционными аппаратами.
Формулировка задач исследования
Для достижения цели исследования ставятся и решаются следующие задачи: 1. Анализ процесса обеспыливания газов и сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей. Выяснение причин нарушения устойчивости процесса сепарации пыли в противоточных циклонных аппаратах (ЦА), БЦ и ГЦ. 2.0ценка эффективности сепарации частиц с учетом турбулентной диффузии в инерционных аппаратах:
а) в криволинейном канале и вихревом разгрузителе-концентаторе (ВРК) с учетом конструктивных соотношений.
б)в прямоточном циклонном концентраторе (ГЩК) с учетом конструктивных соотношений и количества отводимого пылеконцентрата. 3.Разработка технических решений при проектировании систем обеспыливания в условиях нестационарности концентраций.
4.Разработка технических решений и инженерных методов расчета новых систем пыле- и золоулавливания на энергетических установках различной мощности.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1.Выполнена сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей.
2.Впервые показана возможность использования диффузионной модели процесса турбулентного переноса применительно к расчету сепарации частиц в криволинейных каналах и вихревых осадителях.
3.Получены новые выражения, показывающие зависимость эффективности сепарации частиц в ВРК и ГЩК от геометрических размеров аппаратов и количества отводимого с пылеконцентратом газа.
К наиболее значимым практическим результатам можно отнести: 1.Новый инженерный метод расчета установки пыле- и золоулавливания для очистки отходящих дымовых газов от промышленных теплоэнергетических установок различной мощности.
2.Расширена область применения результатов работы при проектировании систем обеспыливания в условиях нестационарности концентраций и при работе с нестационарными потоками, позволяющих повысить эффективность обеспыливания газов в инерционных аппаратах.
3.Результаты работы используются в учебных процессах кафедр теплофизики и гидромеханики, экологии и безопасности жизнедеятельности Томского политехнического университета.
Достоверность результатов
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждена проверкой адекватности разработанных в диссертации моделей физическим процессам в конкретных аппаратах, а также подтверждается испытаниями реализованных разработанных технических решений в производственных условиях.
Положения, выносимые на защиту 1 .Сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей теплоэнергетических установок. 2.Применение диффузионной модели движения аэрозоля применительно к расчету эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах. 3.Новые технические решения по повышению эффективности процесса обеспыливания дымовых газов в теплоэнергетических установках, работающих в режимах нестационарных по концентрациям, дисперсному составу и расходу газовых потоках.
4.Инженерный метод расчета промышленного пылезолоуловителя для очистки отходящих дымовых газов от теплоэнергетических установок различной мощности.
Личный вклад автора. Постановка проблемы и задач исследований, обсуждение результатов выполнены с участием научного руководителя д.ф.- м.н. Логинова B.C. Под непосредственным руководством научного консультанта к.т.н. Василевского М.В. автором были разработаны модели, проведены расчеты процессов сепарации частиц с учетом турбулентной диффузии в инерционных аппаратах; осуществлено проектирование, наладка и испытание разработанных промышленных систем пыле- и золоулавливания.
Апробация работы
Содержание и основные результаты исследований в период с 2001. по 2004г. рассмотрены и доложены на российских, международных и региональных конференциях и семинарах: Международный научный симпозиум им. академика М.А.Усова (г.Томск: ТПУ, 2001, 2002, 2003, 2004 г.г.); Всероссийская научно-техническая конференция: «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск: ТПУ, 2002, 2003, 2004 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция по проблемам природопользования и охраны окружающей среды (г.Томск, 2003 г.); Университетская научно-практическая отчетная конференция студентов факультетов ЕНМФ и ФТФ (г. Томск: ТПУ, 2003г.); Всероссийская научная конференция: «Экономике России - энергию молодых» (г. Томск, 2003 г.); IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (г.Томск: ТПУ, 7-11 апреля 2003г); Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томский государст. университет, 5-Ю июля 2004г.); 8-й международный симпозиум KORUS-2004; IV Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томский государст. университет, 5-7 октября 2004г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, включая 2 статьи в центральной печати, получен патент РФ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы (125 наименований). Она содержит 169 страниц текста, включая 5 примеров, 38 рисунков и 21 таблицу. Содержание работы. Во введении обоснована актуальность проблемы, ее научная, практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований.
Первая глава посвящена обзору литературы по типам аппаратов, гидромеханике и характеристикам течений, эффективности обеспыливания инерционных пыле- и золоуловителей. Имеется большой опыт исследований аэромеханических процессов в вихревых камерах различного назначения, представленный в работах В.А.Шваба, А.Н. Штыма, Э.Н. Сабурова, Э.П. Волчкова, И.И. Смульского. Анализ литературных данных показывает о большом многообразии конструкций инерционных пылеотделителей, созданных к настоящему времени. Но до сих пор нет четких рекомендаций по выбору конкретной конструкции пылеотделителя, обеспечивающей эффективную очистку при различных условиях эксплуатации аппарата.
Существуют специализированные инерционные аппараты по разгрузке потоков (разгрузитель-пылеуловитель НИИ ПММ), так и обеспыливанию газов (ЦН-11, СК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М). Разработка этих аппаратов ведется в основном, опираясь на методы расчета с использованием экспериментальных данных в предположении, что фракционная эффективность описывается интегральной нормально-логарифмической функцией. Отсутствие моделей расчета эффективности сепарации частиц в системах пыле- и золоулавливания в зависимости от геометрических размеров и отводимого пылеконцентрата не позволяет создавать новые конструкции газоочистителей, способных производить высокоэффективное обеспыливание дымовых газов в реальных промышленных условиях.
На основе анализа опубликованного в литературе теоретического и экспериментального материала поставлены задачи настоящего исследования.
Во второй главе дан анализ гидродинамической устойчивости потоков в противоточных циклонных аппаратах, приводится оценка эффективности сепарации частиц с учетом турбулентной диффузии в криволинейном канале, ВРК, ПЦК. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что увеличение количества витков сепарационного канала не приводит к повышению эффективности сепарации частиц. Получены выражения, показывающие зависимость эффективности сепарации в ВРК и ПЦК от геометрических размеров аппаратов и количества отводимого пылеконцентрата.
В третьей глава представлена установка газоочистки, позволяющая проводить эффективную очистку воздуха в производственных условиях завода ЖБИ-27 г. Томск в условиях нестационарности потоков (пневмотранспорт цемента). Проводится анализ работы батарейных и групповых циклонов, предлагается несколько вариантов схем, способствующих повышению эффективности систем пыле- золоулавливания с групповыми циклонами в малой энергетике. Приводятся результаты обследований промышленных пыле-и золоулавливающих аппаратов, анализ выбросов от котлоагрегатов КЕ 10/14 котельной ОАО «Шахта Заречная» г. Полысаево Кемеровская область, сделанный на основании осуществленных отборов проб. Излагается методика расчета промышленной установки очистки отходящих дымовых газов. Представленная система пыле- и золоулавливания обладает повышенной устойчивостью потоков при обеспыливании газов, позволяет проводить устойчивый во времени, эффективный процесс улавливания частиц при различных режимах работы котельного оборудования по сравнению с серийным батарейным циклоном.
В приложении приводится технический отчет ООО «Спецналадка» о проведенных замерах параметров, характеризующих показатели внедренной установки системы газоочистки отходящих дымовых газов от котлоагрегата КЕ 10/14 котельной ОАО «Шахта Заречная» г.Полысаево Кемеровская область. Прикладываются акт внедрения и патент на изобретение нестандартной установки по очистке выбросов в условиях значительных колебаний концентраций частиц и нестационарности расхода несущего потока при пневмотранспорте тонкодисперсного материала на заводе ЖБИ-27 г. Томск.
Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей
Принцип действия. В противоточных циклонных газоочистителях зона разделения частиц по крупности реализуется по высоте. Существует большое разнообразие конструкций аппаратов с противоточным движением аэрозоля [1-4]. В циклоне НИИОГАЗ (ЦН) [5] газовый поток со взвешенными в нём частицами со скоростью 15 25 м/с вводится через тангенциально расположенный патрубок в корпус с винтовой крышкой. Огибая выхлопную трубу, поток в виде вращающейся нисходящей спирали направляется по цилиндрической, а затем конической поверхности вниз к пылевыводному отверстию Большая часть потока под влиянием разности давлений направляется к выхлопной трубе. Основная часть взвешенных в газе частиц отбрасывается к стенке циклона, собирается в жгуты и вместе с частью газового потока движется вниз, проходя через пылевыводное отверстие в бункер циклона. Здесь закрученный поток меняет своё направление и теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение сгустков частиц. Освобождённые от частиц газы, присоединяя к себе части потока, отделяющиеся от нисходящей спирали, движутся по восходящей (внутренней) спирали к выхлопной трубе. Существенное влияние на процесс очистки оказывает турбулентность, которая во многом определяет степень очистки. Поток, поступающий в выхлопную трубу, продолжает интенсивно вращаться. Затухание этого вращательного движения, связанного с невосполнимыми потерями энергии, происходит сравнительно медленно. Для устранения вращательного движения на выходе из циклона и уменьшения гидравлических потерь иногда применяют устройства - раскручиватели с диффузорным эффектом. Для обеспечения эффективности следует обращать внимание на герметичность пылевого затвора [5]. В случае возникновения подсосов потоки в бункере усиливаются, уменьшается поток с отсепарированными частицами в бункер и увеличивается вынос частиц из циклона [5,6]. Допускаемая концентрация пыли в очищаемых газах зависит от свойств пыли и диаметра циклона. При очистке газов от неслипающейся пыли в циклонах диаметром 800 мм и более её содержание в газах не должно превышать 2500 г/м3, для циклонов меньшего диаметра концентрация пыли в газах должна быть еще меньше [5]. При больших концентрациях пыли, а также в случае улавливания слипающейся пыли, возможно забивание пылевыводного отверстия, что приводит к нарушению нормальной работы аппарата.
В циклонах с тангенциальным или улиточным вводом запыленного газа вблизи верхней крышки формируются тороидальные вихри, в которых аккумулируется пыль, периодически, по мере накопления, выпадающая в сепарационный объем [7]. Это приводит к нестационарности течения аэрозоля и процессов жгутообразования в пристенной области сепарационного объема. В конической части циклона более интенсивно происходит жгутообразование из частиц и их выделение в приемнике. Однако с внезапным поступлением пыли из верхней части в результате ее выпадения, в нижней части конуса происходит торможение потока, интенсивность крутки уменьшается, давление в приемнике увеличивается [8]. При этом происходит накапливание крупных частиц и начало вынужденного вихря перемещается из приемника в объем циклона.
В реальных условиях концентрация пыли в потоке нестационарна. В конических циклонах в области пылевыводных отверстий происходит усиление нестационарного воздействия частиц на поток в сотни раз. Поэтому начало формирования вынужденного вихря может перемещаться из приемника в объем циклона периодически. Колебания давлений в канале формирования подвижного слоя и непрерывной выгрузке пыли работающего циклона наблюдались постоянно, даже в начальный период поступления пыли в систему [9].
Особенно большие колебания концентраций происходят в пневмотранспортных установках, перекачивающих тонкодисперсные материалы. В этих условиях газоочистное оборудование работает не надежно. В [10] было предложено выполнить газоочистную установку комбинацией циклонов и фильтрующих приемников пыли. За основу была взята аэродинамическая схема циклона с регулирующими приспособлениями [11]. Работа системы показала, что потери цемента в процессе транспортирования и очистки воздуха составляют менее 0,01 % [10].
Гидродинамические особенности аппаратов. В [12] приведены данные по интенсивности циркуляционных течений в зависимости от наклона входных патрубков к образующей корпуса камеры. Относительная длина равна 1,1 диаметра камеры. При угле ввода 90 градусов, т.е. строго тангенциальном вводе, в сечении входа относительный опускной расход газа составляет 85 %, в середине камеры 160 %; вблизи глухого торца, на относительном расстоянии равном 0,2 диаметра циклона, относительный расход равен 80 %.
Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно прямоточным движением закрученного потока
Принцип действия. В аппаратах с преимущественно прямоточным движением закрученного потока (прямоточные циклоны (ПІД)) закрутка потока проводится либо лопаточным, либо боковым (тангенциальным, улиточным) вводом. Концентрат пыли транспортируется газом к щели, сообщающейся с приемником. Пыль попадает в приемник через щель путем инерционного заброса крупных частиц при обтекании щели потоком или путем транспортированием частиц малой долей потока. На рис. 1.7 представлена схема потоков в прямоточном пылеконцентраторе.
Очищенный поток выходит в центральный патрубок. При малых крутках потока окружная компонента скорости на оси равна нулю. Она увеличивается с увеличением радиуса до максимального значения и далее незначительно уменьшается. Осевая компонента скорости деформирована также незначительно. При сильных крутках основной поток движется в периферийной области. За счет эжекционных эффектов формируется обратный кольцевой поток, который разворачивается в сторону газовыводящего патрубка [12, 13, 58]. В приосевой области также возникают возвратные течения [13, 19, 62].
Характеристика течений. Структура закрученного потока, распространяющегося в осевом направлении, определяется числом крутки. Было найдено [78], что в трубе круглого сечения в осесимметричном закрученном потоке поле тангенциальных скоростей практически не зависит от вида завихрителя и определяется числом крутки (интегральным параметром интенсивности крутки). В [79] приведены характеристики течений в каждом сечении трубы в зависимости от локального значения параметра крутки, представленного через динамическую составляющую количества движения. Метод расчета аэродинамической структуры изотермического потока в циклонной камере приведен в [80]. Проведен анализ опытных данных и различных расчетных методов для камер с аксиальным вводом закрученной среды. В опытном образце с диметром 0,18 м обнаружено, что часть периферийного потока огибает циркуляционную зону, делает зигзаг, разворачиваясь в объёме камеры, присоединяется к центральной струе и выходит наружу. Расчетное уравнение получено из уравнений движения и неразрывности в приближении пограничного слоя при допущении независимости тангенциальной скорости от осевой координаты и при использовании выражения для неизвестного турбулентного напряжения в форме [56].
В объёме ПІД [81, 82] выделяется пять характерных кольцевых зон (рис. 1.8). Имеются два главных нисходящих несущих основную массу потока: пристенный — 1 и приосевой — 3. В этих потоках сочетаются максимумы аксиальной и тангенциальной скоростей. Потоки 1 и 3 разделены промежуточной зоной 2, заполненной подъёмными турбулентными вихрями, ответвляющимися от потоков I и 3, при движении и смешивании которых образуется в целом обратный ток 2. В зоне 2 образуется провал окружных скоростей и формирование отрицательных (обратных) аксиальных скоростей. Поэтому они имеют седлообразную изменяющуюся по высоте структуру.
Вблизи сопл в зоне 4 газ течет в сторону глухого торца, тогда как на оси в зоне 5 в сторону выходной амбразуры; в большей части циклона на оси газ движется внутрь циклона. Существенное влияние на аэродинамику оказывает параметр типа числа Россби [58], представленный как отношение площади входных сопл к площади сечения камеры. С увеличением этого параметра в профилях аксиальных скоростей исчезают провалы и обратные токи в зонах 4 и 5, а на их месте появляется один мощный опускной поток. Конфигурация сопл (отношение ширины к высоте сопла) не влияет на структуру потока, положение сопл относительно свода и пережима изменяют соотношение мощностей подъёмного и опускного токов.
Эффективность обеспыливания. ГОД по пылеулавливающей способности не выдерживают сравнения с противоточными ЦА из-за меньшей эффективности обеспыливания [1]. Тем не менее, они нашли широкое применение в качестве первых ступеней очистки в системах обеспыливания [87]. Основные требования, которые предъявляются к первой ступени -минимальное гидравлическое сопротивление, простота конструкции, малые габариты и удобство компоновки. Этим требованиям отвечают прямоточные циклоны с закручивающими аппаратами типа винтовой розетки и с пылеотбивной шайбой [87]. Исследовались элементы БЦ, а также блок циклонов. Диаметр элемента 350 мм, диаметр газовыводного патрубка 245 мм, длина с закручивателем 545 мм, круговая щель между отбойной шайбой и корпусом варьировалась в пределах 10-Н6 мм (рис. 1.10). Результаты
Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц
Например, для незапыленного потока nR = 0,41, ЛР1_2 = 1,97, ЛРи0 = 5,28, n = nR =0,41; для запыленного потока nR=0,41, ДР1_2=1,97, AP Q =0.99, n = -0,5. Т.е. с увеличением концентрации перепад давления в циклоне по высоте уменьшается, а давление в области пылевыводного отверстия увеличивается. Опыт показывает, что в приемнике пыли циклона СК-ЦН-34, который работает на незапыленном газе под напором, образуется разрежение, тогда как при концентрации цементной пыли на входе 5 г/м3 приемник пыли оказывается под напором. Приемники пыли ГЦ НИИОГАЗ, работающих под напором, рекомендуют герметизировать для предотвращения присосов воздуха [3].
Таким образом, в противоточном коническом ЦА с увеличением концентрации перепад давления по высоте уменьшается, а давление в области пылевыводного отверстия увеличивается.
Одиночные противоточные конические циклоны являются наиболее высокоэффективными пылеуловителями, однако в работе при высоких скоростях и концентрациях, при низкой герметичности пылеприемника неустойчивы в работе. Под устойчивостью понимается сохранение условий эффективной очистки газов при изменяющихся параметрах потока (нестационарности концентрации, дисперсии пыли, физико-химических параметров среды). Рассмотрим простейшие газоочистители, в которых процесс обеспыливания устойчив (транспорт пыли), но из потока выделяется крупная пыль. Существующие подходы к оценке эффективности сепарации частиц, построенные на методе траекторий, дают завышенные результаты. Достоверные модели расчета эффективности сепарации частиц для подобных аппаратов в литературе отсутствуют. В связи с этим возникла необходимость построить расчетные модели очистки газов в концентраторах пыли с устойчивым процессом концентрирования и отвода пылеконцентрата.
В криволинейном канале аэрозоль движется в пневмотранспортном режиме, т.е. скорость транспортировки и окружная скорость совпадают вдоль канала, поэтому перенос частиц к пылевыводному зазору происходит наиболее устойчиво.
Рассмотрим пылеуловитель с повышенной транспортирующей способностью потока, в котором выделение частиц осуществляется в проточном криволинейном канале с высотой Н и шириной канала В (рис. 2.2).
При повороте потока пыль концентрируется у внешней стенки, поступает с небольшой частью газа в пылеприемник П. В приемнике эта часть газа фильтруется через фильтр Ф и проходит в газоход. Показана линия траектории частицы, которая во входном сечении криволинейного канала, с внутренним радиусом Re И наружным радиусом RH, находится на расстоянии h от внешней стенки, а после поворота на угол срс попадает в приемник П с некоторой частью газа. На рис. 2.2 показаны также расчетные распределения концентраций частиц без учета турбулентного перемешивания и с учетом этого влияния.
Здесь t — время, с; W, V — векторы скоростей газа и частиц, m — масса частицы, кг; д — диаметр частицы, м; W - V \ — модуль разности векторов скорости газа и частицы, v — коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с; Ч е5) -коэффициент сопротивления, учитывающий характер обтекания частицы газом. тангенциальная компоненты скорости газа, м/с; Vr, V9 - радиальная и тангенциальная компоненты скорости частиц, м/с; г - текущее значение радиальной координаты, м.
Используя третье соотношение из (2.8.а) можно аналогичную систему получить для радиальной скорости частицы по координате в окружном направлении. Полагаем, что частицы не взаимодействуют между собой, имеют сферическую форму, высота газохода много меньше радиуса искривления, распределение тангенциальных скоростей вдоль канала и по радиусу равномерно и их значения для частиц и газа одинаковы {Wip=Vip), движение считаем установившимся W0=W(p, где W0 - скорость газа на входе, м/с. Обозначим Vr Wr =AU; тогда при Wr =0, Vr=AU. Здесь AU - скорость частицы относительно газа, м. Оценки показывают, что центростремительные ускорения, испытываемые частицей, по порядку больше других ускорений, а участок поворота канала, на котором радиальная скорость мелкой частицы претерпевает изменение от нулевого значения и стремится к наибольшему, мал, поэтому из (2.8 б)
Результаты обследований промышленных устройств обеспыливания газов
В аппаратах типа вихревая камера или инерционные пылеуловители улиточного типа, разгрузка потока от пыли происходит в приёмнике-накопителе, в котором эффект выделения усиливается за счет предварительного концентрирования частиц в криволинейном канале аппарата и придания дополнительного количества движения частицам вниз суммированием с гравитационным воздействием. Подобные инерционные пылеуловители применяются в качестве разгрузителей потока от пыли, в качестве самостоятельных осадителей крупных частиц [1]. Выделение частиц происходит при повороте потока, причем 5-И 0 % потока с концентратом пыли проходит в пылеприемник. Конфигурация аппарата определилась удобством компоновки раскручивателя потока, вследствие чего аппараты обладают низким сопротивлением. В [34, 51] представлены усовершенствованные инерционные аппараты вихревого типа без раскручивателя, с повышенным коэффициентом очистки.
При анализе потока в вихревом разгрузителе-концентраторе (ВРК) выделяются три характерные зоны: пристенная; ядро потока с квазипотенциальным распределением тангенциальных скоростей; приосевая, находящаяся внутри условной цилиндрической поверхности, проходящей через поверхность выходного патрубка [19, 20].
В пристенной зоне скорости меняются от нуля на стенке до значения на границе условной толщины пограничного слоя и внешнего радиуса ядра потока. Пристенная зона включает собственно пограничный слой на стенке и струйную часть, расположенную между ядром и пограничным слоем [20]. На границе пограничного слоя производная циркуляции тангенциальной скорости по радиусу равна нулю, а значение циркуляции максимально; границей между ядром и струйной частью служит поверхность, на которой вторая производная циркуляции по радиусу равна нулю. Даны оценки размеров этих зон, а также распределения скоростей в погранслое и струйной части. В приосевой зоне происходит интенсивный турбулентный обмен на внутренней границе ядра потока с возвратными газами из приосевых областей, расположенными за пределами вихревой камеры. Для вихревых и циклонно-вихревых камер в выходном сечении выхлопного патрубка циркулирующий поток смешивается с транзитным, который проходит через камеру, начиная с входного патрубка, и, таким образом, в выходном сечении проходит большее количество газов, чем входит. Отмечены интенсивные радиальные положительные токи со скоростями, сопоставимыми с тангенциальными скоростями [18]. При исследовании закономерностей в квазипотенциальной зоне (ядро потока) выделяют характерные поверхности вращения, на которых тангенциальные скорости приобретают максимальное значение, аксиальные скорости — нулевое значение, циркуляция скорости - максимальное значение. Большое внимание уделяется вопросу определения поверхностей нулевого давления, т.е. нулевой разнице давлений между точками этих поверхностей и пространством, в которое истекает газ [19, 20]. В некоторых методиках аэродинамического расчета циклонных камер положено, что поверхности с максимальными тангенциальными скоростями соответствуют нулевому избыточному давлению в закрученном потоке. Данные условия приближенно выполняются при значительной радиальной протяженности квазипотенциальной зоны [19].
Для вихревых камер с равномерно распределенным тангенциальным вводом газа по образующей в [58] приведены теоретические оценки потоков, которые согласуются с экспериментом. Хотя такие камеры используются в основном для интенсификации массообменных процессов (сжигание топлива, сушка дисперсных материалов), движение газовой среды в них такое же, как и циклонных пылеуловителях. Схема пространственного пограничного слоя на торцевой поверхности представлена на рис. 2.21.
