Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы. Обсуждение состояния вопроса 16
1.1 Классификация мокрых пылеуловителей 16
1.2 Конструкции, особенности эксплуатации мокрых пылеуловителей 17
1.3 Механизм инерционного осаждения частиц пыли на сферические капли жидкости 24
1.4 Способы и устройства орошения и дробления жидкости в мокрых пылеуловителях 31
1.4.1 Классификация распыливающих и оросительных устройств и области их применения 31
1.4.2 Основные характеристики распыливающих устройств 34
1.4.3 Распыливание жидкости центробежными форсунками. Определение размера капель и их скоростей 36
1.4.4 Распределение капель жидкости по величине и в факеле центробежной форсунки 42
1.5 Расчет полых газопромывателей, рекомендуемый в [3,4,20] 44
Глава 2 Разработка метода расчета полых противоточных форсуночных скрубберов 46
2.1 Простое приближенное решение для коэффициента проскока полого противоточного скруббера 46
2.2 Результаты расчета и его анализ 49
2.2.1 Сопоставление приближенных решений с точным для фракционного коэффициента проскока 49
2.2.2 Расчет полных проскоков 60
2.3 Расчет процесса пылеулавливания в полом форсуночном скруббере с многоуровневой установкой форсунок 74
2.3.1 Постановка задачи и расчетные зависимости 74
2.3.2 Результаты расчета и их анализ ; 79
2.4 Сопоставление расчетных и опытных значений фракционного коэффициента проскока 82
2.4.1 Сопоставление с опытными данными работы [27] 82
2.4.2 Сопоставление с опытными данными работы [37] 85
2.5 Анализ зависимостей для коэффициента сопротивления капель в условиях их движения в полом противоточном скруббере 92
Глава 3 К расчету скоростей витания частиц пыли 95
3.1 Обобщенные зависимости для скорости витания частиц пыли при нестоксовском законе сопротивления их движения 95
3.2 Сопоставление полученных расчетных формул для скоростей витания с экспериментальными данными 99
Глава 4 Разработка метода расчета промывных камер с поперечным движением газа 102
4.1 Постановка задачи 102
4.2 Расчетные зависимости 104
4.3 Номограммы для расчета полного проскока 105
Заключение 121
Библиографический список 124
Приложения
- Конструкции, особенности эксплуатации мокрых пылеуловителей
- Сопоставление приближенных решений с точным для фракционного коэффициента проскока
- Обобщенные зависимости для скорости витания частиц пыли при нестоксовском законе сопротивления их движения
- Номограммы для расчета полного проскока
Введение к работе
Актуальность работы.
Предприятия по производству стройматериалов входят в первую пятерку промышленных загрязнителей атмосферы [1]. Для "сухой" очистки газов от пыли на них широко используются циклоны НИИОГАЗ [2]. Для более глубокого пылеулавливания применяются "мокрые" способы газоочистки. Наиболее эффективными пылеуловителями "мокрого" типа являются скрубберы Вентури [3,4,5]. Однако они обладают большим гидравлическим сопротивлением до несколько десятков кПа, или, что то же самое, большими удельными энергозатратами на очистку единицы объема газов [6]. Меньшее сопротивление имеют пенные аппараты (ПА) [3,5], но высокая эффективность пылеулавливания в них достигается для частиц с размерами большими 5 мкм. Частицы пыли с размерами до 1 мкм затруднительно улавливать как "сухим" способом в циклонах НИИОГАЗ, так и "мокрым" в ПА. В литературе представлены и обсуждены различные возможности повышения эффективности улавливания мелких частиц в различных аппаратах в [7-14] и, в частности, в "мокрых" пылеуловителях [15,16,17]. Особо обращает на себя внимание способ конденсации водяных паров на мелких частицах, который наиболее целесообразно осуществлять в малых объемах при высокой интенсивности протекания тепломассообменных и гидродинамических процессов. Такие условия могут быть реализованы в ПА и центробежно-барботажных аппаратах (ЦБА) в пузырьках, формирующихся на отверстиях и щелях их газораспределительных решеток.
Существенное повышение эффективности улавливания мелких частиц может быть достигнуто и в полых форсуночных скрубберах (ПФС), оросительных камерах с противоточным и поперечным движением пылегазового потока, где основным механизмом улавливания частиц пыли является их столкновение с падающими каплями, за счет также конденсации паров на частицах, их укрупнения, повышения инерционности и, как следствие, повышения коэффици-
5 ента захвата мелких капель с частицами внутри каплями, генерируемыми форсунками. Теория конденсации паров жидкости на частицах подробна изложена в [18,19,20,21]. В [3] Ужовым В.Н., Вальдбергом А.Ю. представлены общие положения ее применения для повышения эффективности улавливания мелких частиц в "мокрых" пылеуловителях.
Анализ осаждения пыли на капли, генерируемые одним рядом форсунок в приближении их скорости падения, равной постоянной скорости стационарного осаждения под действием силы тяжести Р^, проведен С. Калвертом [15,22]. Им
получена формула для фракционного коэффициента проскока для этих условий, которая приводится в [3]. Однако вопрос о нестационарном движении капли с начальной скоростью Vk0, существенно превышающей скорость стационарного осаждения (витания) и достигающей 50 м/с, до работ М.И. Шиляева с сотрудниками [23] никем не рассматривался. Процесс улавливания частиц на капли при установке нескольких рядов форсунок, а в реальных аппаратах их число достигает 14-И 6 [4], до сих пор не изучался. В настоящей работе такая задача поставлена и решена, построены номограммы для расчета полых проти-воточных скрубберов с несколькими рядами форсунок, которые могут быть с успехом использованы в инженерной практике. Наиболее простым полым газопромывателем является промывная камера. В работе рассмотрен также процесс улавливания пыли на капли диспергируемой форсунками жидкости при поперечном движении очищаемого газа, описанный в [23], и построены номограммы для расчета этого устройства.
Цель работы.
Разработка методов расчета полых противоточных форсуночных скрубберов и промывных камер, в том числе и с многоуровневой установкой форсунок.
Научная новизна работы.
1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного скруббера, проведены его анализ и сопоставление с точным решением, опреде-
лен диапазон режимно-геометрических параметров его применимости, соответствующий реальным условиям.
Впервые осуществлено сопоставление расчетных и опытных значений фракционного коэффициента проскока в ПФС с однорядным устройством форсунок.
Получены аналитические обобщенные зависимости и аппроксимаци-онные формулы для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксов-ском режиме движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в различных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных приложениях.
Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления падающих капель Ь,к в противоточном форсуночном скруббере. Из ряда формул
для коэффициентов сопротивления движения капель выбрана наиболее приемлемая, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и достаточную для практических целей точность в широком диапазоне чисел Рей-нольдса.
Практическая значимость работы.
На основе анализа приближенного решения для фракционного коэффициента проскока впервые построен метод, алгоритм и программное обеспечение расчета полых скрубберов с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограммы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффициент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможности таких аппаратов.
Разработан инженерный метод расчета эффективности пылеулавливания в промывных камерах с поперечным движением очищаемого газа в форме номограмм с программным обеспечением.
Разработанные методы расчета переданы предприятию ОАО "Томск-вентиляция" и используются при проектировании и создании высокоэффективных и экономичных аппаратов газоочистки и систем тепловлажностной обра-
7 ботки воздуха по заказам различных производств, а также ипользуются в учебном процессе ТГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий со студентами специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков» и «Методы расчета и проектирование пылегазоочистного оборудования».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на:
- четвертой Всероссийской научно-технической конференции "Фунда
ментальные и прикладные проблемы современной механики" (г. Томск, ТГУ,
2004 г.);
десятой Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность"(г. Томск, ТПУ, 2004 г.);
седьмом Всероссийском студенческом научно-практическом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (г. Томск, ТПУ, 2005 г.);
63-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сиб-стрин), 2006 г.);
седьмой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Энергия молодых - экономике России" (г. Томск, ТПУ, 2006 г.);
тринадцатом Международном семинаре АТАМ. Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2006 г.);
пятой Всероссийской научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (г. Томск, ТГУ, 2006 г.);
64-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2007 г.);
пятой Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (г. Волгоград, 2007 г.).
8 Публикации.
По основным результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, одна из которых в рекомендуемом ВАК издании (Ж-л "Известия вузов. Строительство") [24+34].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 59 рисунков и 7 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.т.н., профессору М.И.Шиляеву за неоценимую помощь при постановках задач, их решении и обсуждении результатов, а также особую благодарность
к.ф.-м.н., доц. |А.М.Шиляеву| и другим соавторам, с которыми выполнены от-
дельные части диссертации.
Конструкции, особенности эксплуатации мокрых пылеуловителей
Улавливание пыли в полых форсуночных скрубберах и оросительных камерах с противоточным и поперечным движением пылегазового потока, отличающихся малым гидравлическим сопротивлением, простотой устройства и эксплуатации, а также большой эффективностью пылеулавливания, нашло широкое применение в промышленности, в частности при производстве чугуна, серной кислоты, глинозема, в керамическом производстве и др.
В полых газопромывателях запыленные газы пропускаются через завесу распыленной жидкости. При этом частицы пыли захватываются каплями жидкости и осаждаются, а очищенные газы удаляются из аппарата. Орошаемые газоходы. Наиболее простым полым газопромывателем является орошаемый газоход, когда ряд форсунок или брызгал встраиваются в газопровод или дымовую трубу для создания на пути запыленного газового потока водяных завес (рис. 1.2.1). Во избежание значительного уноса брызг скорость газов в орошаемом газоходе следует принимать не более 3 м/с. Расход воды принимают в пределах от 0,1 до 0,3 л/м В большинстве случаев после орошаемых газоходов необходимо устанавливать каплеуловители и снабжать газопроводы дренажными устройствами для отвода оседающей жидкости.
Оросительное устройство: 1 - газоход; 2 - форсунки; 3 - дымовая труба; 4 - шламовая труба. Промывные камеры. Промывную камеру (рис. 1.2.2) сооружают из металла, железобетона или кирпича. Внутри камеры в несколько рядов, чаще всего в шахматном порядке размещают распылители - форсунки для создания водяных завес на пути очищаемого газового потока.
Иногда для повышения эффективности очистки на пути движения газов в промывной камере устанавливают отбойные пластины, перфорированные листы или сетки. В конце промывной камеры устанавливают брызгоуловитель.
Размеры промывных камер выбирают так, чтобы скорость движения газов в них составляла от 1,5 до 2,5 м/с, а время пребывания газов в камере было не менее 3 с. Расход воды на промывку газов составляет при этом от 0,2 до 1,0 л/м3. Промывные камеры чаще всего применяют для очистки от пыли и увлажнения воздуха в вентиляционных установках и установках кондиционирования воздуха. Гидравлическое сопротивление промывных камер вместе с брызгоуловителями не превышает 300+500 Па.
Процесс улавливания пыли на капли диспергируемой форсунками жидкости при поперечном движении очищаемого газа подробно описан в [23]. Однако полученные решения для этого случая весьма громоздки и их непросто использовать в инженерной практике. В этой связи считаем необходимым проведение дальнейших исследований в этом направлении с целью разработки удобных для практических нужд методов расчета таких устройств, позволяющих обоснованно и быстро подбирать все необходимые параметры орошения и газоходов.
Методы расчета таких газопромывателей в литературе не приводятся. Трудность разработки таких методов состоит в многорядности установки форсунок в противотоке и прямотоке, а также в учете осаждения частиц на пленках, формирующихся на отбойных пластинах.
Полые форсуночные скрубберы. Полый форсуночный скруббер (рис. 1.2.3) представляет собой колонну круглого или прямоугольного сечения, в которой осуществляется контакт между очищаемыми газами и каплями жидкости, распыливаемой форсунками.
По направлению движения газов и жидкости полые скрубберы делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. Обычно применяются аппараты с противонаправленным движением газов и жидкости и реже с поперечным подводом жидкости, в которых жидкость вводится под прямым углом к направлению газового потока.
В противоточном скруббере капли из форсунок падают навстречу запыленному потоку газов. Они должны быть достаточно большими, чтобы не быть унесенными газовым потоком, скорость которого обычно составляет от 0,6 до 1,2 м/с. При более высоких скоростях газов в аппарате после него необходима установка каплеуловителя. Форсунки устанавливают в аппарате в одном или нескольких сечениях: иногда ярусами (до 14-И 6 в сечении), иногда только по оси аппарата.
Сопоставление приближенных решений с точным для фракционного коэффициента проскока
Расчеты были проведены по формулам (2.3.14)-(2.3.20) при 0 = 0,75, Я= 2,0 м, 0 = 20 м/с, 8 =600 мкм, р„ = 2650 кг/м3, цг = 18,Ы0" Па -с, р = 1,2 кг/м для различных пылей, различных коэффициентов орошения и числа уровней установки форсунок. Расчет интеграла (2.3.14) представлен на рисунке 2.3.2. Из рисунка видно, что для сравнительно крупных пылей (Stk.5o = l,0, стч=2), кривая 2, установка многоярусного орошения не имеет смысла. При установке одного ряда форсунок в этом случае эффективность составляет порядка 95%, так и при установке двадцати рядов эффективность не превышает 97%. Одинаковый результат может быть достигнут увеличением коэффициента орошения для мелких пылей (кривые 1 и 5) при одном и том же числе ярусов форсунок, в данном случае 10.
Очень тонкие пыли (Stkso =0,01) требуют установки большого числа рядов форсунок (кривая 3) - больше двадцати и при этом эффективность пылеулавливания все равно достигается невысокой, порядка 60 % для данных условий расчета. Кривая 4 иллюстрирует возможность улавливания тонкой пыли (Stkso = 0,1) с высокой эффективностью ( 95 %) при значительной величине коэффициента орошения (ql =5,0 л/мэ, Д / = 0,Ц) и достаточном числе рядов форсунок (т = 5). Установка числа рядов т 5 при заданных параметрах, как видно из рисунка 2.3.2, не имеет смысла. Эффективность достигает при т 5 своего предельного значения г =95ч- 97 %.
Таким образом, подобные номограммы дают возможность определить достаточное и предельное количество уровней орошения, выше которого эффективность пылеулавливания остается практически постоянной, в то время как расход воды нерационально, неоправданно растет, как и расходы на газоочистку в целом.
В работе [58] изложены результаты экспериментальных исследований улавливания пыли в ПФС, работающим в различных тепловых режимах. Предложен метод расчета эффективности процесса мокрого пылеулавливания, сопровождающегося конденсацией водяных паров.
Проанализируем работу [58]. Сначала приведем цитаты, дающие информацию об условиях проведения эксперимента, необходимую для анализа: «Для подтверждения корректности полученной зависимости были проведены экспериментальные исследования с использованием полого скруббера. Диаметр аппарата составляла 0,3 м, высота рабочей части - 1,2 м, вода на орошение аппарата подавалась центробежной форсункой с заполненным факелом распыла. Форсунка была установлена (заметим, одна!) по центру в верхней части аппарата».
Технологический процесс Абсолютноедавление газов,кПа Вид скруббера(Дш - диаметр аппарата,м) Улавливаемая пыль (z - концентрация пыли на входе, г/м3) Электрокрегинг метана 140 Полый, Дп = 0,3; Сажа, z = 2,6...3,0 Далее: «Для противоточной схемы использовались две марки пыли ..., параметры которых на входе в аппарат (при пересчете на плотность, равную 1000 кг/м3) соответственно составляли: 5W=4,8 мкм, lga4=0,2, начальная концен-трация 0,26...0,66 г/нм и 5т =8,3 мкм, lga4=0,275, начальная концентрация -0,28...1,38 г/нм3». Экспериментальные данные при исследовании скруббера, работающего в различных тепловых режимах [58] приведены в таблице 2.4.2.
В связи с выше полученным результатом, заметим, что форсунка, генерирующая капли имеет определенный корневой угол распыла жидкости и, поскольку она одна, то не все рабочее пространство покрывается каплями (рисунок 2.4.3). В данном случае уместно ввести либо эффективную высоту #эф, меньшую Н, либо эффективное значение коэффициента орошения q эф, меньшее q, в такое же число раз. Значение ?,ф должно быть Рис. 2.4.3. Учет угла распыла а на величину мертвых зон орошения X тем меньше, чем меньше плотность установ-и на выход капель из потока за счет столкновения со стенками ки форсунок и больше угол распыла, аппарата. При этом еще надо принять во внимание, что капли, достигающие при движении (под углом к оси) стенки аппарата, уходят из потока и больше не участвуют в столкновительном процессе с частицами. Т.е. необходимо рассчитывать траектории капель в поле сил тяжести и определять сепарацию капель на стенку хотя бы в приближенном виде.
Обобщенные зависимости для скорости витания частиц пыли при нестоксовском законе сопротивления их движения
В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: 1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного скруббера, проведен его анализ, сопоставление с точным решением и определены режимно-геометрические параметры его применимости, соответствующие реальным условиям. 2) На основе анализа приближенного решения для фракционного коэффициента проскока впервые построен метод и алгоритм расчета полого скруббера с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограммы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффициент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможности таких аппаратов. В работе приведены примеры расчета полых противоточ-ных скрубберов с использованием предложенных номограмм.
Показано, что при организации пылеулавливания в ПФС необходимо обеспечивать равномерность распыла жидкости по сечению аппарата с целью исключения мертвых зон и значительного выхода капель из потока за счет столкновения их со стенками.
В представленной диссертационной работе на основе экспериментальных данных [57] для фракционного коэффициента проскока получена зависи ( О 89 мость К =ехр -34,3 Stk и введена в банк данных инерционных пылеуло 8 ч s )
вителей, составленным Шиляевым М.И. и др. [20] (прил. 2). Так что, ПФС можно с использованием этой зависимости рассчитывать, применяя универсальную номограмму для расчета известных инерционных пылеуловителей [20] (прил. 3) и ее программное обеспечение, ограничивая высоту эффективного пылеулавливания величиной порядка 1,5+2 м. Сопоставление с известными опытными данными номограмм и результатов расчета К по массмедианному размеру дает удовлетворительные согласования и позволяет полученную зависимость для К использовать в инженерных расчетах.
Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления падающих капель \к в ПФС. Показано, что из ряда выбранных формул для стационарного и нестационарного движения капель наиболее приемлема зависимость, отвечающая автомодельной области ньютоновского режима сопротивления \к = 0,44, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и достаточную для практических целей точность.
Получены аналитические зависимости и аппроксимационные формулы для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксовском режиме движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в различных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных приложениях.
Разработан инженерный метод расчета эффективности пылеулавливания в промывных камерах с поперечным движением очищаемого газа в форме номограмм, построенных в виде зависимостей от трех обобщенных комплексов, учитывающих режим пылеулавливания, а также свойства пыли и очищаемого газа и их программное обеспечение. Метод расчета позволяет строго и быстро подобрать необходимые и наиболее выгодные параметры орошения и газохода, обеспечивающие требуемую эффективность газоочистки.
Таким образом, рассмотрены и построены методы расчета для наиболее простых схем: однорядная установка форсунок в противотоке, многорядная установка форсунок, поперечное движение газа в промывной камере. В дальнейшем усложнение схем может осуществляться по модульному принципу в виде каскадов, что рассмотрено в [20]. Интегральный коэффициент проскока пыли в каскаде к последовательно соединенных аппаратов при известной дифференциальной функции распределения частиц по размерам g(8) выразится интегралом [20]
Номограммы для расчета полного проскока
Наиболее фундаментальным трудом по описанию способов и физических основ мокрого пылеулавливания, по-видимому, следует считать монографию [3]. Однако эти вопросы в той или иной степени представлены также в [4,15, 35-44]. Следует отметить, что мокрые газоочистители часто одновременно используются и как тепломассообменные аппараты.
Как указывается в [4], единой классификации мокрых газоочистных аппаратов нет. По способу действия мокрые аппараты авторами этого справочного издания, а также авторами [41] подразделяются на следующие группы: - полые газопромыватели; - насадочные газопромыватели; - барботажные и пенные аппараты; - мокрые аппараты ударно-инерционного типа; - мокрые аппараты центробежного действия; - динамические газопромыватели (механические скрубберы, дезинтеграторы); - скоростные газопромыватели.
К мокрым пылеуловителям могут быть отнесены орошаемые волокнистые фильтры и аппараты конденсационного действия. Однако в [4,39] замечено, что первые и вторые относят, как правило, к разделу фильтрования и электрической очистки газов, а третьи не получили сколько-нибудь широкого применения в промышленности в связи, как нам представляется, недостаточной изученности процессов совместного тепломассообмена и пылеулавливания, протекающих в них. Этой проблемой, как уже отмечалось во введении, интенсивно занимается коллектив кафедры отопления и вентиляции ТГАСУ под руководством проф. М.И. Шиляева [20,21,45-50]. В некоторых типах мокрых аппаратов жидкость распыляется в очищаемых газах и процесс улавливания является результатом взаимодействия между ними и распыленными капельками промывной жидкости. В других типах мокрых газоочистных аппаратов контакт взвешенных частиц с жидкостью в основном осуществляется при прохождении газов через слой жидкости (при барбо-таже). Некоторые типы газоочистных аппаратов основаны на использовании пленок стекающей жидкости, с которыми контактируют взвешенные частицы. В общем случае в аппаратах мокрой очистки газов имеют место одновременно несколько видов взаимодействия частиц с промывной жидкостью.
В [39] обращается внимание на то, что с точки зрения принципов работы аппаратов мокрой газоочистки их более целесообразно разбить по механизму улавливания частиц пыли на: - аппараты с осаждением частиц пыли на каплях жидкости; - аппараты с осаждением частиц на пленку жидкости. Закономерности осаждения частиц на препятствие рассмотрены подробно в [3,4,15,35,39]. Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные.
