Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние проблемы. Постановка задач исследования . 8
1.1. Экологические проблемы предприятий по производству БВК 8
1.2. Пути решения проблемы|очистки выбросов сушильных установок БВК. Постановка задач исследования II
Глава 2. Анализ параметров[работы высокофорсированных топочных устройств 16
2.1. Процессы в камерах сгорания с вихревой структурой потока 16
2.2. Процессы распиливания топлива 24
2.3. Условия моделирования огневого обезвреживания 26
Глава 3. Исследование вихревых бесфутеровочных топок для генерации тепла и обезвреживания белковой пыли... 28
3.1. Описание огневых стендов 28
3.2. Аэродинамические характеристики пламенных труб 35
3.3. Тепловые характеристики пламенных труб 42
3.4. Оптимизация условий ввода топлива 55
3.5. Влияние пережима на динамику параметров зоны обезвреживания 60
3.6. Балластирование зоны горения и устойчивость топочного процесса 64
3.7. Заключение к главе 3 68
Глава 4. Исследование устройств для получения топливного аэрозоля и измерения его дисперсности 70
4.1. Исследование качества распыливания 71
4.2. Гидравлические и акустические характеристики форсунов с прямоетруйным и вихревым излучателем 83
4.3. Заключение к главе 4 91
Глава 5. Бесфутеровочные теплогенераторы обезвреживания выбросов сушильных установок производства БВК 92
5.1. Огневое обезвреживание белковой пыли 92
5.2. Рекомендации для проектирования 101
5.3. Внедрение результатов работы 110
5.4. Эффективность внедрения 113
Выводы 115
Литература
- Пути решения проблемы|очистки выбросов сушильных установок БВК. Постановка задач исследования
- Условия моделирования огневого обезвреживания
- Влияние пережима на динамику параметров зоны обезвреживания
- Гидравлические и акустические характеристики форсунов с прямоетруйным и вихревым излучателем
Введение к работе
В целях ликвидации дефицита кормового белка планами XI пяти* летки и перспективой до 2000 года предусмотрены высокие (1,8 - 1,9 раза) темпы роста производства продукции микробиологической промышленности, в том числе белково-витаминного концентрата (БВК) из жидких парафинов нефти и природного газа. Однако увеличение объёмов производства сдерживается [і] отрицательным фактором биологического воздействия на людей микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности, в частности белковой пыли выбросов сушильных установок. Длительный контроль запыленности атмосферы при эксплуатации абсорбционного метода очистки, не смотря на высокие показатели работы систем, свидетельствует о необходимости применения более радикальных методов, т.к. остаточный белок выбросов способен накаляй -ваться и создавать в атмосфере населённых мест повышенную концентрацию. К наиболее эффективным методам в первую очередь следует отнести термоокислительный или более конкретно - огневой метод, экономически оправданный при утилизации тепла обезвреженного выброса, т.к. отработанный теплоноситель может быть использован в качестве окислителя топлива, а белковая пыль представляет собой высокореакционное топливо. Экономичное огневое обезвреживание всего потока выбросов не удаётся реализовать, в прямоточных технологических топках в связи с низкой устойчивостью их работы при высоких избытках воздуха. Комбинированная схема, включающая абсорбционную предочистку всего потока, систему рециркуляции и обезвреживания выброса (50J6 потока) в топке, имеет повышенный расход топлива, компенсирующий тепло, снятое абсорбентом в трубе Вентури, и коррозию холодных пакетов рекуператора, активизированную агрессивной капельной влагой рециркулята. Кроме того, в ней не выдержано одно из основных условий гарантированного огневого обезвреживания, т.к. с пламенем контактирует не
весь поток выброса, а лишь его треть. Остальное количество, из-за низкой устойчивости процесса горения, смешивается с дымовыми газами по тракту "топка-рекуператор". Проблема защиты воздушного бассейна в производстве БВК ставит актуальную задачу экономичного огневого обезвреживания всего потока выбросов сушильных установок.
Настоящая работа посвящена обоснованию принципов проектирования газомазутных вихревых топок для генерации тепла и обезвреживания всего потока пылегазовнх выбросов сушильных установок произ -водства БВК, разработке и внедрению в народное хозяйство промышленных теплогенераторов.
В процессе исследований автором выполнено следующее:
Разработан способ огневого обезвреживания пылегазовых выбросов сушильных установок производства БВК. Теоретически и экспериментально обоснованы параметры обезвреживания без дополнительных энергозатрат при генерации теплоносителя.
Разработаны и исследованы выхревые бесфутеровочные топки для генерации тепла и обезвреживания белковой пыли с оценкой условий приближённого огневого моделирования.
Разработаны и исследованы высокоэффективные устройства для получения топливного аэрозоля и измерения его дисперсности, реализуемые в процессе создания бесфутеровочных теплогенераторов*
Работа выполнена автором в отделе печей химических производств ЛенНИИхиммаша и научно-исследовательском отделе НИКО средств герметизации Опытно-конструкторского бюро тонкого биологического машиностроения (ОКБ ТБМ). Экспериментальные исследования вихревых топок проводились на производственном объединении "Фосфорит", г.Кингисепп (сжигание сланцевого газа) и Киришском биохимическом заводе (сжигание мазута, огневое обезвреживание белковой пыли). Исследования процессов распиливания жидкости выполнялись на стенде ОКБ ТБМ, г.Кириши. На основании разработанных рекомендаций под руководством автора в ОКБ ТБМ выполнена рабочая документация и из гот о вл е-
но в 1983 году шесть образцов теплогенераторов различной мощности с использованием в качестве топлива природного газа, мазута и аб-газа производства ЕВК из природного газа. Институтом ЮжГипробио -синтез и его филиалами в г.Минске и г.Волгограде выполнена привязка теплогенераторов в системах сушильных установок заводов ЕВК.
Внедрение теплогенераторов на одном действующем заводе с тремя сушильными установками позволит получить гарантированный эффект не менее 66 тыс.руб/год, значительно улучшить состояние воздушного бассейна, а также сократить капитальные и эксплуатационные затраты для вновь строящихся предприятий при сокращении санитарно-за-щитной зоны.
Все основные научно-технические положения, установленные автором при разработке данной темы, составляющие новизну и практичес кую ценность выносятся на защиту диссертации.
Пути решения проблемы|очистки выбросов сушильных установок БВК. Постановка задач исследования
Известные метода очистки [8, 8б] , кроме окислительных, не меняют природу улавливаемых механических примесей и не обеспечи -вают абсолютной очистки. Высокая эффективность её для большинства промышленных установок связана также с высокой исходной концентрацией пыли. Но даже незначительное остаточное содержание белка выбросов оставляет возможность накопления его на поверхности земли, что в определённых погодных условиях может создать в атмосфере концентрацию, превышающую допустимую и вызвать неблагоприятное биологическое воздействие на организм человека. Длительная эксплуатация абсорбционных систем (рис.1.1. А-Б)гри контроле запыленности атмосферы, не смотря на высокую степень очистки и благотворное влияние на окружающую среду, не исключила полностью влияния биологического фактора, что в свою очередь, требует дальнейшего совершенствования очистки выбросов. Абсорбционная система очистки в трубе Вентури -первый этап массовых мероприятий по защите воздушного бассейна от пыли специфического белка на предприятиях БВК - громоздкая, дорогая система, требующая частых ремонтов, имеет биологически загряжненные стоки, связанные с обновлением абсорбента (воды), достигающие по количеству 30% загрузки очистных сооружений.
Возможность использования отработанного сушильного агента (влажного воздуха) в качестве окислителя топлива даёт предпосылку для внедрения термоокислительных методов обезвреживания [8 - 10 J из которых огневой метод при утилизации тепла обезвреженного выброса наиболее надёжен и доступен. Кажущаяся на первый взгляд простота реализации этого метода в топочных устройствах наталкивается, однако, на ряд трудностей, связанных с большими величинами потоков
(250 - 300 тыс.м"Уч) и малой концентрацией пыли (0,05 - 0,1%). При использовании прямоточных камерных топок-генераторов тепла для распылительных сушилок обеспечивать устойчивое горение топлива и контакт белковых частиц с пламенем при 8 -і- 10 кратном превышении вошока теплоносителя на обезвреживание над теоретически необходимым количеством воздуха или идти на значительное повышение температуры среды, увеличение расхода топлива и связанные с этим проблемы обеспечения надёжной работы конструкции неохлаждаемой топоки большого объёма (200 - 250 U м ) и утилизации избыточного количества тепла.
Комбинированная схема, используемая на одном их предприятий БВК : абсорбционная предочистка с последующим обезвреживанием в прямоточной топке части отработанного теплоносителя (рис.1.1.В) имеет ряд существенных недостатков. Эксплуатация этой схемы требует дополнительного расхода топлива для повторного нагрева в топке отработанного теплоносителя, охлаждённого в трубе Вентури, а так-же приводит в снижению срока службы холодных пакетов рекуператора из-за попадания агрессивной капельной влаги с рециркулирующимг сушильным агентом. Прямоточные топки в режиме термообезвреживания имеют не только малый ресурс работы и низкое качество сжигания топлива, особенно жидкого, но и низкую устойчивость процесса горения, в связи с этим непосредственному контакту с факелом подвергается лишь треть потока, поступающего в топку, а остальная часть, смешиваясь с продуктами горения, приобретает температуру 500 - 550С, которая ниже температуры самовоспламенения ряда органических соединений, являющихся продуктами термодеструкции белка.
Надёжное огневое обезвреживание всего потока отработанного теплоносителя позволяет исключить мокрую очистку и связанные с ней дополнительные эксплуатационные расходы. Такое обезвреживание без дополнительного расхода топлива (рис.IЛ.Г) может быть обеспечено только в вихревых топках, отличающихся от прямоточных на порядок большей устойчивостью и интенсивностью процесса горения.
Итак, цель работы состоит в обосновании принципов проектирования газомазутных вихревых топок для генерации тепла и обезвреживания всего потока пылегазовых выбросов сушильных установок производства БВК, разработке и внедрении в народное хозяйство промышленных теплогенераторов. Задачи исследований формулируются следующим образом:
1. Разработка способа огневого обезвреживания пылегазовых выбросов сушильных установок производства БВК. Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров обезвреживания при генерации теплоносителя без дополнительных энергозатрат.
2. Разработка и исследование вихревых бесфутеровочных топок для генерации тепла и обезвреживания белковой пыли с оценкой условий приближённого моделирования.
3. Разработка и исследование высокоэффективных устройств для получения топливного аэрозоля и измерения его дисперсности, реализуемых в процессе создания бесфутеровочных теплогенераторов.
Условия моделирования огневого обезвреживания
Высокая экономичность огневого обезвреживания выбросов сушильных установок достигается при сгорании помоантов в процессе приготовления теплоносителя без потребления топлива сверх необходимого для испарения влаги и компенсации минимальных потерь тепла в схеме. Помимо технически и экономически оправданной глубины рекупе -рации тепла обезвреженного выброса, минимум потерь тепла с одной стороны обусловлен возможностью сокращения величины выброса, а с другой - ограничен снижением устойчивости процесса горения при возрастании влагосодержании окислителя. То-есть повышение эконо -мичности огневого обезвреживания требует интенсификации процесса сжигания топлива и белковой пыли при высоких коэффициенте расхода и влажности окислителя, что может быть достигнуто при циклонной организации процесса. В циклонных (вихревых) топках по сравнению с прямоточными факельными достигаются на порядок большие устойчивость и теплонапряжённость благодаря их неравнопрочности и высо -кому уровню турбулентных пульсаций потока [38 - 40] . Однако энергетические и энерготехнологические циклонные топки (реакторы) имеют высокое аэродинамическое сопротивление и применение их для обезвреживания выбросов в производстве БВК потребовало бы значительного увеличения энергозатрат на дутьё. Поэтому при разработке вихревых топок для моделирования огневого обезвреживания выбросов в качестве прототипа использована бесфутеровочная топка ЛенНИИхим-маша [53J , применяемая для генерации тепла в производстве минеральных удобрений [87] . В этой топке реализован известный способ [14] снижения аэродинамического сопротивления путём вдува окислителя через сплошные тангенциальные щели по всей длине и образующей пламенной трубы.
Абсолютные и относительные размеры камер; температура, давление, влажность и химический состав окислителя; вид и качество подготовки топлива (степень распиливания и подогрева), а также место его ввода в рабочий объём оказывают определяющее влияние на основ-ные критерии оценки качества работы горелок и топок: устойчивость процесса сжигания, степень выгорания топлива и образование вред -ных веществ в факеле [41 - 52] . Поэтому в процессе исследований вихревых бесфутеровочных топок для генерации тепла и обезвреживания белковой пыли предусмотрено:проведение работ на двух геометрически подобных устройствах с широким диапазоном изменения размеров входных тангенциальных каналов и пережима сопла; сжигание различных видов топлива, изменение места его ввода в рабочий объём и степени подготовки; балластирование зоны горения инертными средами. Созданная в процессе исследований конструкция вихревой топки, зарекомендовавшая себя как надёжное топливосжигающее устройство в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, отвечающая основным условиям гарантированного огневого обезвреживания (температура, время пребывания и контакт поиюантов с пламенем), а также отвечающая всем отличительным признакам разработанного способа огневого обезвреживания, послужила опытным образцом для экспериментальных исследований обезвреживания белковой пыли.
Настоящие исследования вызваны необходимостью создания конструкции опытного образца вихревой топки для экономичного обезвреживания белковой пыли в процессе генерации теплоносителя и оценки условий приближённого огневого моделирования промышленных теплогенераторов обезвреживания выбросов сушильных установок производства БВК.
Исследованиям подвергнуты две геометрически подобные вихревые бесфутеровочные топки диаметром пламенной трубы 0,6 и 0,9 м (масштаб I : 1,5), шириной входных тангенциальных каналов 0,005 /Ък 0,027, пережимом на выходе из пламенной трубы 0,4 Лп/Вк 1,0 при длине камеры /D = 1,0.
В процессе исследований: сжигался сланцевый газ, мазут, дизельное топливо; изменялись: нагрузка по топливу, его температури, качество распиливания и место ввода в рабочий объём; коэффициент избытка воздуха на входе; степень балластирования зоны горения капельной влагой и продуктами сгорания.
Влияние пережима на динамику параметров зоны обезвреживания
Как уже отмечалось, наличие пережимов в топочных устройствах способствует улучшению перемешивания и возможности увеличения нагрузки по топливу. Модель мощностью 15 МВт испытывалась последовательно с пережимами 600 и 450 мм. На рис. 3.17 приведено изменение температуры и коэффициента избытка воздуха в сечениях пламенной трубы и выхлопа. А - диаметр сопла 600 мм, Б - диаметр сопла 450 мм. Соответственно при избытке воздуха на входе 2,17 и 1.85. Форсунка установлена радиально (рис.3.17.Б). В обоих случаях прослеживаются центральная зона горения и периферийный в вихрь нагретого воздуха от торцовой стенки камеры вплоть до выхода. С уменьшением сечения выхода наблюдается увеличение зоны воздушного вихря, понижение его температуры, снижение концентрации продуктов сгорания в периферийной зоне и сокращение длины зоны горения. В варианте А тангенциальная составляющая скорости потока ниже, чем в варианте Б, ниже относительная скорость капель мазута, что приводит к увеличению времени их прогрева и испарения. Например, в сечении I (вариант А) получить картину распределения температуры не удалось из-за залива мазутом отсосного пирометра. Неравномерности поля температур в сечениях 2,3,4 также свидетельствуют о затягивании процесса испарения и о попадании горящих частиц на спай термопары. В варианте Б нет уже подобных "скачков" температуры газов. Профиль температуры сечений 1,2 указывает на появление довольно ярко выраженной зоны интенсивного испарения топлива. В сечении 2 (вариант Б) наблюдается неравномерность температуры, вызванная факелом одной форсунки. Далее по сечениям наблюдается выравнивание температурного поля. По показаниям поверхностных термопар (рис.3.18) можно судить о выравниваниии общем снижении лучистого потока, что свидетельствует о лучшей организации процесса в объеме пламенной трубы. Длина факела на выходе из сопла в варианте сократилась до 0,75м. .. Отмечается различная устойчивость процесса горения, при минимальной нагрузке по топливу, в зависимости от диаметра пережима. Неустойчивый, низкочастотный пульсационный режим (0,5-2Гц) наблюдается при давлении топлива ниже 0,2 МПа (350 кг/ч) и давлении пара на гаорсунку ниже 0,2 МПа при диаметре пережима 600 мм. При диаметре пережима 450 мм ( с/Ь =0,Ь) устойчивость горения сохранялась до полного отключения мазута даже при предварительном отключении распиливающего пара.
На рис. 3.19 приведено распределение концентрации компонентов продуктов сгорания, температуры и локального коэффициента избытка воздуха в Факеле, выходящем из сопла?для различных видов топлива и относительных диаметров сопла двух моделей (5 и 15 МВт).
Анализ графиков показывает, что при изменении относительного диаметра пережима возрастает неравномерность температурного поля по радиусу и снижается концентрация продуктов неполного сгорания, повышается уровень избытка воздуха в зоне горения, т.е. интенсифицируются процессы перемешивания и горения. На рис. 3.20 приводится приближенная зависимость видимой длины зоны горения от относительного пережима, которая тлеет линейный характер: "чЬц УЛ е/Ьк //$ . Существенная неравномерность температурного поля в модели 5 МВт ( /j H / ) связана с влиянием атмосферного воздуха, окружающего открытый гбакел и аксиальной подачей топлива. При относительном диаметре сопла c/DK-0,5 (15 МВт) наблюдается ярко выраженная зона газовоздушного периферийного вихря ( tr =200С). Об интенсивном перемешивании в этой зоне свидетельствует изменение концентрации R0% » максимум которой лежит на с = 0,9, тогда как зона интенсивного горения ограничивается Rc = 0,6. С уменьшением диаметра сопла наблюдается также увеличение максимальной температуры в зоне горения (рис.3.17). Максимальная температура при / к = 0,5 ( % = 1,3) составляет 1320С, а содержание .// 320 г 350 мг/м3 ( (%0х = + 20%).
Таким образом, уменьшение сечения выхода с /DK = 0,667 до 0,5 способствует улучшению характеристик работы камеры: - интенсифицируется испарение и горение топлива за счёт повышения степени крутки (увеличивается размерность температурных полей, сокращается на 30% длина зоны горения); - снижается температура металла пламенной трубы за счёт улучшения перемешивания и снижения содержания сажистных частиц (при снижении избытка воздуха на входе с 2,17 до 1,85); - повышается устойчивость процесса горения с обеднением горючей смеси (поддержание горения вплоть до полного выключения топлива); - снижается требование к качеству распиливания топлива (сохранение устойчивости горения при отключении распиливающего пара).
При с/&к= 0,5 на выходе отмечается ярко выраженная зона периферийного газовоздушного вихря с высокой степенью турбулентного перемешивания.
Гидравлические и акустические характеристики форсунов с прямоетруйным и вихревым излучателем
Форсунка с ггоямоструйным излучателем. ТТроливка форсунки на воде с определением расхода штдкости объемньм способом ( и посредством расходомерной диафрагмы) показала отсутствие влияния числа Ке на коэффициент расхода /6/с (рис. 4.7.а.) в рабочем диапазоне. Коэффициент расхода определялся для одного, двух, трех и четырех отверстий (рис. 4.7.а.) При этом было установлено уменьшение величины коэффициента расхода»с увеличением количества отверстий. Коэффициент расхода единичного отверстия fr = 0,66 близок к коэффициенту расхода при истечении из отверстия в тонкой стенке. Установлено, что при изменении количества отверстий от одного до четырех при заданных соотношениях размеров (рис. 4.7.А.) коэффициент расхода подчиняется зависимости: Pi -fr1 , где:. /С = 0,912 , і - количество отверстий.
Продувка форсунки сжатым воздухом (рис. 4.7.Б.) с определением расхода воздуха посредством нормальной диафрагмы показала изменение коэффициента расхода ffB в зависимости от отношения давлений с "V/? кольцевого сопла, где f$ - давление за соплом, R, - давление торможения (перед соплом). Б максимальном режиме при = 0,5 МПа коэффициент расхода имел величину М& =0,959.
При проверке давления Pt в зависимости от изменения давления (рис. 4.8) выявлено, что по мере увеличения/?, Pf возрастает до определенной величины, а затем наблюдается скачкообразное падение / , которое обуславливает изменение течения воздуха при достижении определенной величины скорости, создающей эжекционный эффект. Нижняя кривая указывает изменение /5 без подачи воды на Форсунку. С увеличением расхода эжекционный эффект наблюдается слабее, но все же имеет место и при давлении воды 0,4 МПа. После
"скачка" давление практически не меняется. Следует отметить, что скачообразное изменение Fj имеет место в области ниже рабочего давления.
Определение акустических характеристик производилось с помощью прецезионного импульсного шумомера 00017, изготовленного нар.предпр. Микройонтехник, Гефель, ГДР, с диапазоном от 0 до 140 дБ при среднеоктавных полосах частот ІКГц, 2КГц, 4 КГц, 8 КГц, 16 КГЦ. В качестве датчика использовался микрофон І02/М с разрешающей способностью ТО Гц - 20 КГц.
Измерения относительного звукового давления производились на расстояние 0,5м; 0,7м; 1,0м; 2м; 3 м от источника при изменении расстояния сопло-резонатор fy =8-21 мм. При этом угол раскрытия менялся от 40 до 180 за счет изменения направления воздушного потока (рис. 4.9).
При основных размерах:: с=16мм, ор =25, Пр =із максимальная интенсивность излучения (рис. 4.10) наблюдается на частотах, близких к 4 КГЦ при расстоянии сопло-резонатор ,=15-16 мм и давлении сжатого воздуха перед соплом 0,3-0,4 МПа, что согласуется с экспериментальными данными других авторов [37,71,72]
Форсунка с вихревым излучателем. Акустические параметры форсунки измерялись преце зионннм импульсным щумомером го/=202 и анализатором спектра частот СКИ-58 под углом + 22, 0, - 22 к оси форсунки на расстоянии 0,5 и 1,0 м от среза сопла. Изменение акустических характеристик и степени .диспергирования в зависимости от начальных параметров потоков приведены на рис. 4.4.
С повышением давления воздуха при работе Форсунки (рис.4.4.) наблюдается некоторый сдвиг в сторону увеличения частоты, а при давлении 0,4 МПа - появление дополнительных гармоник на частотах 10 и 14 КГц, интенсивность излучения резко возрастает.
