Содержание к диссертации
Введение
1. Современные системы пылеулавливания и методы их расчета 12
1.1. Классификация пылеуловителей 12
1.2. Конструкции циклонов НИИОГАЗ 16
1.3. Методы расчета пылеуловителей НИИОГАЗ 18
1.3.1. Аналитический метод 18
1.3.2. Графоаналитический метод 20
1.3.3. Гидравлическое сопротивление циклонов НИИОГАЗ 21
1.3.4. Энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей 25
1.4. Энергетический принцип сравнения пылеуловителей 29
1.5. Исследование прямоточных циклонов 34
1.6. Постановка задачи 39
2 Экспериментальные стенды для исследования работы прямоточных циклонов 40
2.1. Описание экспериментальных стендов 40
3 Проведение экспериментальных исследований и обработка полученнных результатов 53
3.1. Исследование эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов 53
3.2. Вычисление фракционных коэффициентов проскока прямоточных циклонов 69
3.3 Влияние отсоса из пылеприемного бункера на эффективность пылеулавливания прямоточным циклоном 78
3.4 Сопоставление результатов исследований с данными других авторов 83
3.5. Применение прямоточного циклона как пылеконцентратора для теплогенерирующих установок с плазменным розжигом твердых пылевидных топлив 87
3.6. Расчет концентрации пыли в выбросах в атмосферу из дымовых труб энергетических установок 90
3.7. Использование каскадов прямоточных циклонов для пылящих производств промышленности 96
3.8. Расчет металлоемкости циклонов НИИОГАЗ 101
4 Разработка метода определения дисперсного состава порошковых материалов 106
4.1 Определения дисперсного состава порошковых материалов по результатам пылеулавливания каскадом трех прямоточных циклонов 106
Заключение 115
Библиографический список 117
Приложение 124
- Энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей
- Исследование эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов
- Применение прямоточного циклона как пылеконцентратора для теплогенерирующих установок с плазменным розжигом твердых пылевидных топлив
- Определения дисперсного состава порошковых материалов по результатам пылеулавливания каскадом трех прямоточных циклонов
Введение к работе
Ограниченность энергоресурсов и постоянный рост энергопотребления на производственные и бытовые нужды человечества ставят уже в ближайшей перспективе проблему обеспечения в целом жизнедеятельности на нашей планете чрезвычайно острой. Нахождение эффективных путей энерго- и ресурсосбережения является важной и весьма актуальной задачей.
Исчерпаемость высокореакционных качественных видов технического топлива уже в настоящее время заставляет многие предприятия энергетического комплекса переходить на использование более доступных низкореакционных, как правило, высокозольных видов твердого топлива (низкокачественные энергетические угли, твердые бытовые отходы, отходы промышленных предприятий и т.п.), что связано со значительным увеличением золоуноса в атмосферу из топочных устройств теплогенерирующих установок. Это в свою очередь усугубляет и проблему охраны воздушного бассейна. На сегодняшний день, по данным ООН, в атмосферу выбрасывается в млн. т/год: пыли -1,5-103; оксида углерода - 200; сернистого газа -150; оксида азота -1,2. Из этого объема контаминантов на ТЭЦ и ГЭС производится в %: твердых частиц - 20,5; окиси углерода - 2,4; сернистого газа - 73; окиси азота - 4,2, откуда видно, что тепловая энергетика является одним из основных загрязнителей атмосферы, дающая треть суммарных выбросов от стационарных источников.
В работе [1] отмечается, что, по оценкам американских специалистов, количество пыли, образующейся в промышленности, будет увеличиваться ежегодно на 4 % за счет общего роста промышленного производства. Учитывая исчерпаемость нефти и газа в ближайшие десятилетия, основным стратегическим энергоресурсом на достаточно длительную перспективу следует считать каменный уголь [2], запасов которого, по данным различных источников [2-4], должно хватить лет на 400. Изменения топливно-энергетического баланса мира и России в сторону преимущественного использования угля неминуемо дополнительно увеличат количество выбросов вредных газов и пыли в атмосферу, что потребует совершенствования газоочистного и, в частности, пылеулавли-
вающего оборудования. Автор [1] обращает внимание на трудность решения этой проблемы, замечая, что для предотвращения роста загрязнения атмосферы средняя эффективность очистки всех выбросов к 2015 г. должна достигнуть 96%.
Естественно, что уменьшение вредностей в выбросах в атмосферу должно идти по двум направлениям, связанным как с совершенствованием технологических процессов, снижающих (исключающих - безотходные технологии) выбросы, так и с совершенствованием газоочистного оборудования.
По данным [3], в начале настоящего столетия спустя почти тридцать лет происходит возврат к новой угольной волне. Одним из сдерживающих факторов интенсивного развития в современных условиях стратегически стабильной и экономичной угольной теплоэнергетики является значительная энергоемкость для этой отрасли природоохранных технологий. В этой связи, по оценкам [5], в ближайшее время необходимо достичь снижения вредных выбросов - золы в 4-5 раз, окислов серы и азота в 3-4 раза при совместном повышении эффективности основного энергетического оборудования, снижении его металлоемкости на 20-30 % и комплексном использовании отходов в народном хозяйстве: золы -для производства строительных материалов.
В странах Западной Европы расходы на природоохранные мероприятия на 1984 г. составляли 8-12 % всего объема капиталовложений и 6-9 % потребляемой энергии. В США на очистку газов после ТЭС затрачивалось 12-15 %, в Японии 24-25 % от общих расходов на строительство. Эти обстоятельства требуют разработки оборудования, обеспечивающего не только высокую эффективность очистки газов, но и минимально возможные капитальные затраты на его сооружение и удельные энергозатраты на его эксплуатацию. В США, например, уже сейчас как государством, так и частными компаниями широко поддерживается и финансируется разработка различных программ, направленных на использование каменных углей в энергетике и в большей части низкосортных, высокозольных, с обеспечением при этом экологически приемлемых параметров пылевых и газовых выбросов в атмосферу. Т.е. уже в настоящее время интенсивно создаются так называемые экологически чистые угольные
технологии (The Clean Coal Technology). Это могут быть эффективные способы сжигания углей, превращения их потенциальной энергии в тепловую без выделения вредных выбросов в окружающую среду. Однако, учитывая кроме теплоэнергетики и другие загрязняющие атмосферу отрасли промышленности, основой охраны воздушного бассейна еще долго будет оставаться совершенствование газоочистных систем и аппаратов в направлении повышения их эффективности и экономичности работы.
В ТГАСУ на кафедре «Отопление и вентиляция» сформулирован энергетический принцип сравнения различных пылеуловителей и каскадов из них, а также получено его математическое выражение, позволяющее выбрать из нескольких сравниваемых пылеуловителей такие, удельные затраты энергии которых, будут наименьшими при равной эффективности пылегазоочистки.
Проведенный в [6] анализ на основе энергетического принципа показал, что каскадные системы, состоящие из нескольких низкоэффективных аппаратов, обладающих невысоким гидравлическим сопротивлением, позволяют достигать высокой степени очистки пылегазовых потоков при удельных энергозатратах значительно меньших, чем в единичном высокоэффективном пылеуловителе. При этом обращают на себя внимание результаты испытаний каскада нескольких последовательно установленных прямоточных циклонов, способного эффективно улавливать даже тонкодисперсную легкую пыль (древесная шлифовальная пыль) при относительно больших расходах воздуха (рекомендуемая скорость в плане для них 12 м/с) [7]. Однако, в известной отечественной литературе, например, [8, 9] и зарубежной [10] этим аппаратам уделяется незначительное внимание и только в контексте их использования в одиночном варианте или в качестве ступени предварительной очистки газов от грубодис-персной пыли [8] с последующим доулавливанием мелкодисперсных фракций в аппаратах тонкой очистки.
Необходимость в создании высокоэффективных и, к тому же, малоэнергоемких пылеулавливающих аппаратов требует более детального изучения и разработки эффективных каскадных систем на основе прямоточных циклонов,
как наиболее простых и надежных в эксплуатации, комплексное исследование которых является предметом настоящей диссертационной работы.
Работа выполнялась в рамках тематических планов по заданию Минобразования РФ по теме 2.3.01 «Исследование процессов взаимодействия высокоэн-тальпийных потоков газа с дисперсными частицами при производстве строительных материалов» (2001-2005), а также научно-технической программы МО РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы 211 «Архитектура и строительство» по теме «Разработка энергетического принципа сравнения и компоновки пылеулавливающего оборудования» (2001-2002).
Целью работы является разработка на основе экспериментально-теоретических исследований малоэнергоемких конструкций каскадных пылеулавливающих систем, собранных из прямоточных циклонов и метода их расчета для технологий пылеприготовления и очистки от золоуноса и пыли на предприятиях теплоэнергетики и пылящих производств промышленности.
Для достижения этой цели задачами настоящей работы являются:
Разработка экспериментального оборудования и методик исследования процессов пылеулавливания прямоточными циклонами в единичном и каскадном исполнении.
Экспериментальные и теоретические исследования гидравлического сопротивления и процессов выделения частиц дисперсных материалов из потоков газа в каскадах прямоточных циклонов при различных конструктивных исполнениях их рабочих элементов.
Исследование влияния отсоса части газа с частицами из пылесборного бункера прямоточных циклонов на стабильность и эффективность улавливания пылей различной дисперсности.
Разработка по результатам исследований эффективных конструкций пыле- и золоулавливающих аппаратов на основе каскадов прямоточных циклонов с низким энергопотреблением для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.
Научная новизна работы.
В результате выполненных исследований:
на основе экспериментально-теоретического исследования процессов пылеулавливания в прямоточном циклоне подтверждена обобщенная экспоненциальная зависимость для фракционного коэффициента проскока от инерционного числа Стокса и внесены в банк данных универсальной системы расчета инерционных пылеуловителей;
найдены опытные коэффициенты в обобщенной зависимости для фракционного коэффициента проскока прямоточных циклонов в единичном и каскадном исполнении;
выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления каскада прямоточных циклонов при последовательной компоновки в каскадные системы пылегазоочистки;
получена зависимость и проведено исследование дисперсности улавливаемой пыли при отсосе части запыленного потока газа из пылеосадительного бункера циклона на эффективность пылеочистки; '
на основе теоретического и экспериментального исследования массопереноса в камере прямоточного циклона разработана методика определения фракционного состава порошковых материалов по результатам пылеулавливания каскадом трех аппаратов.
Практическая значимость работы.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили найти оптимальные режимно-геометрические параметры работы каскадных прямоточных циклонных пылеуловителей.
Разработана и передана для серийного производства на предприятие ООО «Сибпромвентиляция» конструкция магистрального каскадного прямоточного пылегазоочистного устройства.
Разработана конструкция пылеконцентратора для установки в системе пыле-приготовления пылеугольного водогрейного котла КВТК 100/150 районной котельной г. Прокопьевска.
Разработана конструкция пылеулавливающего оборудования на основе каскада прямоточных циклонов (получен патент России № 2287375) с целью замены устаревшего газоочистного оборудования для пылящих производств теплоэнергетики и промышленности строительных материалов.
Разработано устройство с методическим и программным обеспечением для дисперсного анализа порошковых материалов (получен патент России № 2273019). Проведено определение фракционных составов ряда промышленных пылей для предприятий энергетики и деревообрабатывающей промышленности.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ТГАСУ для проведения практических и лабораторных занятий со студентами, обучающимися по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков» и «Методы расчета и проектирование пылегазоочистного оборудования».
Основное содержание работы.
Первая глава носит обзорный характер. В ней приведен анализ существующих методов подбора и расчета пыле- и золоулавливающего оборудования применяемого в различных отраслях промышленности, а также рассмотрены результаты экспериментальных и опытно-промышленных испытаний прямоточных пылегазоочистных аппаратов.
Экспериментальным и теоретическим исследованием эффективности пылеулавливания прямоточным циклоном занимались Русанов А.А., Урбах И.И., Анастасиади А.П., Страус В., Шиляев М.И., Шиляев А.М, Кирпичев Е.Ф., Идельчик И.Е., Василевский М.В. Однако, систематического изучения этих аппаратов в каскадном исполнении и влияния их режимных и геометрических параметров (диаметра корпуса циклона, числа лопаток и их угла наклона к оси циклона, влияние отсоса части газа из пылеосадительного бункера) на процесс пылеулавливания не проводилось.
Анализ обработанных результатов выявил необходимость проведения всесторонних дополнительных исследований прямоточных циклонов, как в единичном исполнении, так и при их последовательной компоновке с целью
разработки эффективных конструкций и методов расчета малоэнергоемких каскадных прямоточных пыле- и золоулавливающих аппаратов для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.
Вторая глава посвящена разработке экспериментальных стендов для исследования эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов различных конструкций при их последовательной установке в каскад.
В третьей главе приведены результаты проведенных исследований. Получены опытные данные для полных эффективностей пылеулавливания отдельными прямоточными циклонами в составе каскада. Проведен анализ влияния на степень очистки газов конструктивных и режимных параметров работы используемых в опытах аппаратов. Выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления прямоточных циклонов в составе каскада. Разработан метод определения фракционной эффективности пылеулавливания циклонных элементов решением обратной коэффициентной задачи. Получены опытные коэффициенты в обобщенной зависимости фракционного проскока от инерционного числа Стокса для каскадов прямоточных циклонов, оснащенных различными импеллерами-завихрителями.
Исследовано влияние отсоса части газа из пылеосадительного бункера циклона на эффективности пылеулавливания пылей различной дисперсности. Получена формула для расчета фракционного коэффициента проскока прямоточных циклонов при отсосе части газа из бункера пылеуловителя. Представлено сопоставление результатов расчетов с данными проведенных экспериментов. По результатам исследований выработаны рекомендации к практическому использованию прямоточных каскадных пылеуловителей на пылящих производствах.
Четвертая глава посвящена разработке метода определения фракционного состава порошковых материалов с использованием каскадов последовательно установленных трех прямоточных циклонов. Проведено тестирование
разработанного метода на материалах, дисперсный состав которых определялся другими хорошо отработанными способами. Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Втором Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (г. Томск, ТГАСУ 2001г.); Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок» «Создание высококачественных строительных материалов и изделий, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в стройиндустрии» (г. Томск, ТГАСУ, 2002 г.); XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г. Рыбинск, 2003); Международной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (г. Новосибирск, 2004 г.); 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Proceedings (г. Томск, ТПУ, 2004 г.); Пятой Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Энергия молодых - экономике России " (г. Томск, ТПУ, 2004 г.); Одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, ТПУ, 2005 г.); Всероссийской конференции - конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы "Энергетика и энергосбережение" (г. Томск, ТПУ, 2006 г.); Седьмой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Энергия молодых - экономике России " (г. Томск, ТПУ, 2006 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 15-и публикациях, включая два патента РФ на изобретения и две статьи в журналах по списку ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, включая 61 рисунок и 33 таблицы.
Энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей
По мнению большинства исследователей, эффективность мокрых механических пылеуловителей определяется главным образом затратами энергии на осуществление процесса очистки. Хотя эта зависимость и не обоснована строго теоретически (известно лишь, что в основе ее лежит закон сохранения энергии), она была подтверждена многими исследованиями. Отклонения от этой зависимости наблюдаются в тех случаях, когда на улавливание пыли в мокрых аппаратах начинают оказывать действие помимо чисто механических другие силы, например, диффузионные (при конденсации), силы электрического поля и т. д.
Увеличение эффективности мокрых пылеуловителей с ростом затрат энергии впервые было установлено исследованиями Лаппла и Камака [25].
Исследуя различные типы мокрых пылеуловителей, они установили, что при улавливании определенного вида пыли эффективность аппарата зависит только от потери давления и почти не зависит от размера и конструкции пылеуловителя. Причем в общий расход энергии должна быть включена и энергия, затраченная на распыл жидкости форсункой или ротором. Эта гипотеза нашла свое дальнейшее развитие в работах Земрау [25], который указывает, что при соприкосновении газов и жидкости затрачиваемая энергия идет на создание турбулизированного газожидкостного потока, а затем превращается в тепло. Расход энергии на обработку определенного объема газов в единицу времени (суммарная энергия соприкосновения) представляет собой энергетический параметр мокрого пылеуловителя. Эксперименты показали, что значения величин и % зависят только от вида улавливаемой пыли и не зависят от конструкции, размера и типа мокрого пылеуловителя. Величины и х определяются только экспериментальным путем, их значения для некоторых пылей и туманов приведены в табл. 1.9.
Таким образом, решающим фактором при проведении процесса пылеулавливания в мокром аппарате являются затраты энергии. Конструкция аппарата играет второстепенную роль, причем выбор конструкции в каждом конкретном случае должен определяться капитальными затратами, механическими и эксплуатационными показателями пылеуловителя. Энергетическая теория мокрого пылеулавливания позволяет разделить мокрые аппараты по принципу подвода энергии на три основные категории: 1) пылеуловители, реализующие энергию газового потока (скрубберы Вентури, ротоклоны, центробежные скрубберы и др.); 2) пылеуловители, использующие энергию потока жидкости (полые скрубберы, эжекторные аппараты и др.); 3) пылеуловители с подводом механической энергии (дезинтеграторы, вентиляторные мокрые пылеуловители и др.). Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту группу входят форсуночные скрубберы, барботеры, орошаемые волокнистые фильтры, конденсационные аппараты, мокрые центробежные аппараты. К средненапорным мокрым пылеуловителям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся динамические скрубберы ротоклоны, эжекторные скрубберы Вентури. Группа высоконапорных скрубберов с гидравлическим сопротивлением больше 3000 Па включает в основном скрубберы Вентури и дезинтеграторы. В соответствии с формулой (1.20) расчет эффективности пылеочистки при мокром способе пылеулавливания возможен только для пылей представленных в табл. 1.9. При расчете пылеулавливающего оборудования для очистки газов от пылей не входящих в табл. 1.9 использование энергетического метода невозможно, поскольку константы Ч1 и х получены опытным путем только для конкретных технологических условий производства, где эти пыли и выделяются. В [34, 35] сформулирован энергетический принцип сопоставления пылеуловителей и каскадов из них и получено его математическое выражение, позволяющее определять из нескольких сравниваемых отдельных аппаратов или каскадов из них такие, в которых при равной эффективности пылеулавливания удельные энергозатраты, приходящиеся на единицу объема очищаемого газа, будут наименьшими. При разработке энергетического принципа было принято, что в основном затраты энергии на очистку газов в инерционных пылеуловителях связаны с преодолением гидравлического сопротивления этих аппаратов (до 90 % по данным [1, 32]). Вывод математического выражения энергетического принципа сравнения инерционных пылеуловителей [6] был проведен для условий улавливания пыли, подчиняющейся логарифмически нормальному закону распределения частиц по размерам (ЛНР). Проверка энергетического принципа, осуществленная на экспериментальном материале для противоточ-ных циклонов НИИОГАЗ [32] показала его хорошую работоспособность. При произвольном распределении частиц улавливаемой пыли по размерам для сравнения каскадов с последовательной и батарей с параллельной установкой аппаратов математическое выражение энергетического принципа найдено в [36] и имеет вид
Исследование эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов
Наружная трубка, была выполнена из стекла толщиной 1 мм. Двумя концами она вставлялась в диски из оргстекла, которые между собой соединялись шпильками. Со стороны импеллера к диску присоединялось расходомерное сопло с пылепитателем и шиберной заслонкой. Со стороны пылевыпускного патрубка к диску на фланцевом соединении крепилась цилиндрическая труба из плексигласа с внутренним диаметром 70 мм, к которой на резьбовом соединении монтировался канал вывода уловленной пыли. Выхлопной патрубок состоял из двух частей - цилиндрической и конической. Отрезок конической формы из стекла толщиной 1,5 мм находится в трубе из плексигласа, а цилиндрическая часть диаметром dnB = 0,032 м располагалась внутри стеклянного корпуса в прямоточного циклона. Импеллер для закрутки газового потока состоял из четырех лопаток. Лопатки изготовлялись из листовой меди толщиной 0,5 мм и были припаяны к телу импеллера. Конструкция лопаток позволяла менять их угол наклона к оси циклона.
Для равномерной подачи пыли в каскад был изготовлен пылепитатель, который присоединялся ко входному патрубку первого циклона (рис. 2.8). Пылепитатель обеспечивал непрерывную подачу порошкового материала [47] и поддерживал входную концентрацию пыли в газовом тракте установки перед первым прямоточным циклоном в пределах до 15 г/м .
Пылепитатель, состоял из следующего оборудования: шнекового дозатора и мешалки, предназначенной для предотвращения сводообразования в пылевом бункере; лабораторного автотрансформатора (ЛАТР). Привод дозатора осуществлялся двигателем постоянного тока через червячный редуктор. Для определения производительности изготовленного пылепитателя и нахождения зависимости расхода дисперсного порошкового материала от напряжения, подаваемого с ЛАТРа, был проведён специальный градуировочный эксперимент. Зависимость расхода пыли от напряжения в цепи питания электродвигателя представлена в приложении в табл. П.1. По экспериментальным данным построен тарировочный график (рис. П. 2), использующийся при проведении экспериментов по пылеулавливанию прямоточными циклонами. Плотность порошкового материала определялась методом вытеснения воздуха [48]. Метод основан на законе Бойля-Мариотта, согласно которому при одной и той же температуре произведение давления на объем массы газа остается постоянным. Если объем пространства, заполненного газом при атмосферном давлении, уменьшить на определенную небольшую часть, то давление газа соответственно возрастает. Если во втором опыте поместить в то же пространство определенное количество исследуемого порошка и из пространства, уменьшенного таким образом на объем, занимаемый порошком, вытеснить такой же объем газа, как и в первом опыте, то давление в этом пространстве будет соответственно выше, чем в первом опыте. Измеренные давления дают возможность определить объем порошка и, зная его массу, легко найти плотность. Преимущество этого метода заключается в возможности измерения плотности легких порошков, что не позволяют сделать жидкостные пикномет-рические методы.
Прибор для определения плотности порошков методом вытеснения воздуха (рис. 2.9) состоит из измерительной колбы 1 и жидкостного манометра 6. Манометр 6 и сосуд 2 могут соединяться через краны 4 и 5 с наполненным водой напорным сосудом 7. Кран 3 дает возможность уравнивать давление с атмосферным до и после каждого исследования.
Измерения проводились в следующем порядке. Сначала краны 3, 4 и 5 открываются и при помощи напорного сосуда 7 устанавливается нулевой уровень в трубках 2, 6 и 8. Затем краны 3 и 4 закрываются. Путем поднимания бутыли 7 уменьшается общий объем воздуха в приборе на определенный небольшой объем Vv, который отсчитывается по отметкам на сосуде, и закрывается кран 5. Затем открывается кран 4 и в правом колене U-образной трубки путем приподнимания бутыли 7 снова устанавливается нулевой уровень. После этого отсчитывается давление АР по шкале в трубке 8.
Если объем воздуха в пустом приборе при атмосферном давлении PQ обозначить через Vx, то после уменьшения этого объема на величину Vv в приборе заключен объем Vx - Vv, который находится под давлением Рб + АР. Для проведения экспериментальных исследований эффективности пылеулавливания прямоточными циклонами на описанных выше лабораторных установках использовались различные порошковые материалы: шлифовочная металлическая пыль, полученная отбором от заточных и шлифовальных станков на предприятии АОЗТ «Томскинструмент»; древесная пыль, полученная отбором от шлифовальных станков завода ДСП ОАО «Томлесдрев»; модельная пыль, полученная специально для проведения опытов помолом кварцевого песка в шаровой мельнице при различном времени помола. Время помола кварцевого песка подбиралось из условия обеспечения дисперсности получаемого порошка близкой к дисперсности золоуноса при сжигании каменных углей в пылевидном состоянии в вихревых топках тепловых станций.
Параметры дисперсного состава используемых в опытах порошков (кроме древесной пыли) были определены методом жидкостной седиментации [48] в лабораторных условиях. Фотография установки для проведения седиментаци-онного анализа порошков, состоящая из торосионных весов ВТ-500 с пределом измерений до 500 мг, мерного цилиндра емкостью до 300 мл и специально изготовленной алюминиевой чашечки на упругом подвесе из кварцевой нити, показана на рис. 3.1
Применение прямоточного циклона как пылеконцентратора для теплогенерирующих установок с плазменным розжигом твердых пылевидных топлив
Экспериментальная эффективность первого циклона существенно выше, чем второго и третьего, и имеет упорядоченную структуру (см. рис. 3.7). Тогда как для эффективностей пылеулавливания второго и третьего циклонов наблюдается большой разброс точек. Это имеет место и для древесной шлифовальной пыли. Большой разброс точек на втором и третьем циклонах объясняется возникновением вихря за третьим циклоном и снижением эффективного диаметра циклона. Возникновение вихря связано с несовершенством конструкции каскада. В частности, большой разброс точек на третьем циклоне в какой-то мере может быть связан с точностью измерения малых количеств уловленной пыли.
Гидравлическое сопротивление каскада из трех циклонов начинает выходить на автомодельный режим при Re = 115000 (рис. 3.9), в то время как для каскада из двух циклонов работающих на нагнетание это происходит при значении числа Рейнольдса Re = 40000 (рис. 3.6). Опыты показали, что гидравлическое сопротивление первого циклона резко падает, а сопротивление второго циклона плавно снижается и при числе Рейнольдса равном 80000 происходит перестройка режимов работы. Коэффициент гидравлического сопротивления первого циклона возрастает до 8, а второго - падает до 2,5-3. В то же время гидравлическое сопротивление третьего циклона резко возрастает (до = 38). Соответственно, значение суммарного коэффициента гидравлического сопротивления всего каскада колеблется от 40 до 50 (рис. 3.9). Такое резкое возрастание сопротивления на третьем циклоне связано с несовершенством аэродинамики установки. Непосредственно за третьим циклоном расположен диффузор, в котором возникают вихревые потоки, влияющие на гидравлическое сопротивление третьего циклона. Для того чтобы исключить влияние вихря на третий циклон, следует рекомендовать устанавливать за ним прямой отрезок трубы длиной не менее шести диаметров.
Для выявления зависимости характера работы прямоточных циклонов от таких их геометрических параметров, как диаметр корпуса циклона, количество и угол наклона лопаток импеллера, длина пылевой камеры была проведена серия экспериментов по измерению эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов, различных по конструктивному исполнению. Для визуализации процесса пылеулавливания эксперименты проводились на изготовленном из прозрачных материалов прямоточном циклоне диаметром do = 0,048 м и длиной пылевой камеры циклона /о = 0,063 м со сменными импеллерами, имеющими по 4 лопатки установленные под углами 30, 45 и 60 к оси аппарата. Результаты экспериментов представлены в Приложении в табл. П. 6 и табл. П. 7, а также показаны на рис. 3.10-3.11. Во всех опытах лабораторная установка работала на разряжение. Концентрация пыли в очищаемом газовом потоке поддерживалась пылепитателем на уровне от 10 до 15 г/м3.
Из рис. 3.10 видно, что с увеличением расходной скорости в плане циклона, а также при больших углах наклона лопаток к оси циклона увеличивается полная эффективность пылеулавливания. При любых углах наклона циклон с четырех лопаточным импеллером обеспечивает низкую эффективность пылеулавливания (не более 40 %) даже относительно крупной и тяжелой металлической шлифовальной пыли. Гидравлическое сопротивление пылеуловителя выходит на автомодельный режим при значениях числа Рейнольдса порядка 20000 (рис. 3.11), где коэффициент сопротивления такого единичного прямоточного циклона имеет величину порядка 2-2,5. При работе прямоточного циклона изготовленного из прозрачных материалов на разряжение замечено, что в области выхлопного патрубка возникает кольцеобразный пылевой жгут, наличие которого значительно снижает эффективность отвода частиц пыли в пылесборник. В этой области образуются возвратные вихревые течения, удерживающие частицы пыли и препятствующие их дрейфу под действием центробежной силы к периферии аппарата, где они должны сноситься в пылеприем-ный бункер.
Экспериментальные исследования, проведенные на прямоточном циклоне диаметром do = 0,048 м, показали невысокую эффективность пылеулавливания при использовании четырехлопаточного импеллера с углами наклона лопаток к оси циклона 30, 45 и 60. Следовательно, для достижения приемлемой степени газоочистки (более 60 %) установка четырех лопаток в импеллер недостаточно. Исследования эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления были проведены на каскаде из трех прямоточных циклонов диаметром do = 0,046 м при различном числе лопаток (6 и 8) импеллера с углом их наклона 45 и 60 (описание импеллеров-завихрителей и установки каскада прямоточных циклонов диаметром do = 0,046 м приведено выше, см. гл. 2, рис. 2.5 и рис. 2.7) [49, 50]. Измерения характеристик работы прямоточных циклонов проводились при использовании 6-й лопаточных импеллеров, имеющих угол наклона лопаток к оси циклона 45, и 8-й лопаточных импеллеров, имеющих угол наклона лопаток 60 (использовался порошок № 1 табл. 3.1), а также 8-й лопаточных импеллеров, имеющих угол наклона лопаток 45 (использовался порошок № 2 табл. 3.1). Результаты экспериментов представлены в Приложении в табл. П. 8-П. 15 и на рис. 3.12-3.19.
Определения дисперсного состава порошковых материалов по результатам пылеулавливания каскадом трех прямоточных циклонов
Восстановленные параметры модельной кварцевой пыли представлены в табл. П. 17. Полученный «разброс» расшифрованных параметров модельной пыли объясняется невысокой стабильностью работы циклонов в лабораторном каскаде. При этом обратная задача, реализованная в программе «Dispersion», относится к классу некорректных задач, для которых условие устойчивости может не выполняться, т.е. погрешности в исходных данных могут привести к непропорциональному увеличению ошибки получаемого решения. Однако результаты, представленные на рис. 4.6 - 4.8 говорят, о том, что интервале скоростей газа в циклонах от 5 до 12 м/с при расшифровке фракционного состава использованного порошка получено устойчивое решение и этой методикой можно пользоваться при определении дисперсности пылей на различных участках пылящих производств.
Проведен анализ современных методов подбора и расчета пыле- и золо-очистных систем для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.
Разработаны и смонтированы экспериментальные стенды для исследования пылеулавливающих и гидравлических характеристик каскадных систем пылеочистки на основе прямоточных циклонов.
Проведен комплекс исследований процессов пылеулавливания прямоточными циклонами в каскадной компоновке при различных режимных и геометрических параметрах работы циклонных элементов. Экспериментально установлено, что последовательная компоновка прямоточных циклонов в каскад оказывает стабилизирующее действие на общую эффективность пылеулавливания очистного комплекса. Выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления прямоточных циклонов при последовательной сборке их в каскад.
Разработана методика и проведено обобщение экспериментальных данных по фракционной эффективности пылеулавливания прямоточными циклонами. Получены опытные коэффициенты в экспоненциальной зависимости для фракционного коэффициента проскока каскадов прямоточных циклонов. Экспериментально получены коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов в каскаде при различных параметрах заверителей. Данные включены в банк данных универсального метода расчета инерционных пылеуловителей, разработанных на кафедре ОиВ ТГАСУ. 5. Проведено сравнение на основе энергетического принципа по энергоза тратам на очистку единицы объема газа в каскаде прямоточных циклонов и в высокоэффективном одиночном противоточном циклоне НИИОГАЗ при равных эффективностях пылеулавливания. Установлено, что энего затраты при использовании каскада прямоточных циклонов при улавли вании золоуноса, образующегося при факельном сжигании измельченного твердого топлива в пылеугольных топках в 2,5 раза ниже, чем в единичном высокоэффективном аппарате. 6. Теоретически получена зависимость для расчета фракционного коэффициента проскока в прямоточном циклоном элементе с учетом отсоса части газа из пылеосадительного бункера. Экспериментальные исследования влияния отсоса части газа из пылеосадительного бункера на полную эффективность пылеулавливания подтвердили результаты расчетов. 7. Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов массопереноса в камере прямоточного циклона использованы при разработке метода дисперсного анализа порошковых материалов с его программным обеспечением, чрезвычайно важного для технологии пыле-приготовления (получен патент России). Разработанным методом проведено определение фракционного состава ряда промышленных пылей для предприятий теплоэнергетики, деревообрабатывающей промышленности и промышленности строительных материалов. 8. На основе проведенных исследований найдены оптимальные режимно-геометрические параметры работы прямоточных циклонных пылеуловителей. Разработана и передана для серийного изготовления на предприятие ООО «Сибпромвентиляция» конструкция магистрального каскадного прямоточного пылегазоочистного устройства. Разработаны конструкции пылеулавливающих комплексов на основе каскадов прямоточных циклонов (получено решение о выдаче патента России) с целью замены устаревшего газоочистного оборудования для предприятий теплоэнергетики и отрасли строительных материалов. 9. Материалы диссертации вошли в учебное пособие с грифом УМО М.И. Шиляев, A.M. Шиляев, Е.П. Грищенко «Методы расчета пылеуловителей» - Томск: Изд-во ТГАСУ. - 385 с. и используются в учебном процессе ТГАСУ, КрасГАСА, КазаньГАСУ, ВолГАСУ и ряда других строительных вузов.
