Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих энергосберегающих процессов сухого пылеулавливания в производстве огнеупоров 12
1.1. Обзор и анализ теоретических и экспериментальных результатов энергосберегающего подхода к организации сухого пылеулавливания 12
1.2. Характеристики и параметры пылегазовых потоков после технологических агрегатов и в аспирационных системах 20
1.3. Медицинский мониторинг и проблемы рационального энергосберегающего сухого пылеулавливания при производстве огнеупоров 33
1.4. Перспективы защиты техносферы и утилизации пыли при дополнительном аэродинамическом совершенствовании пылеуловителей 38
1.5. Выводы. Задачи теоретических и экспериментальных исследований 41
ГЛАВА 2. Выбор и обоснование направления экспериментальных исследований. Организация и методология эксперимента 44
2.1. Общие и специальные пневмометрические измерения в пылегазовом потоке. Безразмерные поля и оценка степени неравномерности распределения скоростей 44
2.2. Определение массовой концентрации и дисперсности пыли в пылегазовом потоке
2.3. Оценка общей и фракционной эффективности пылеулавливания и факторное планирование экспериментов 59
2.4. Методика оценки погрешностей пылегазовых и гшевмомет-рических измерений 62
2.5. Экспериментальные стенды и опытно-промышленные установки. Особенности и преимущества организации эксперимента на реальных пылегазовых потоках 67
2.6. Методологические решения 72
ГЛАВА 3. Анализ и усовершенствование энергосберегающих аэродинамических способов повышения эффективности пылеулавливания. Экспериментальные исследования 74
3.1. Оценка влияния коэффициента Буссинеска на эффективность пылеулавливания- 74
3.2. Анализ и экспериментальная оценка современных устройств для равномерного распределения пылегазового потока
3.3. Анализ выравнивающего действия распределительных решеток 95
3.4. Оценка энергетических и технологических возможностей применения выравнивающих поток устройств 102
3.5. Исследование выравнивающего действия комбинированных распределительных устройств 109
3.6. Предварительные инженерные рекомендации и перспективные направления разработки энергосберегающих аэродинамических способов повышения эффективности сухого пылеулавливания 103
ГЛАВА 4. Анализ альтернативного решения - применения зернистых фильтровальных слоев при выравнивании пылегазовых потоков 117
4.1. Анализ кинетики процесса в гравитационном поле 117
4.2. Исследование зернистых фильтровальных слоев в центробежном поле 128
4.3. Построение и анализ интерполяционных моделей для оценки общей и фракционной эффективности при фильтровании и выравнивании пылегазовых потоков зернистыми слоями ... 133
4.4. Определение предпочтительной гидродинамической области применения зернистых слоев при фильтровании и выравнивании пылегазового потока 141
4.5. Разработка перспективных решений зернистых фильтров 147
ГЛАВА 5. Экономические аспекты применения разработанных энергосберегающих аэродинамических способов повышения эффективности сухого пылеулавливания 152
5.1. Экономические аспекты защиты техносферы при использовании разработанных аэродинамических способов повышения эффективности сухих пылеуловителей 152
5.2. Расчет эффективности зашиты атмосферы от пылевых выбросов при внедрении разработанных рекомендаций 155
5.3. Технико-экономические и коммерческие перспективы применения результатов работы 158
Основные выводы по диссертации 165
Список использованных источников 167
Приложения 181
Внедрение результатов работы 195
- Характеристики и параметры пылегазовых потоков после технологических агрегатов и в аспирационных системах
- Оценка общей и фракционной эффективности пылеулавливания и факторное планирование экспериментов
- Оценка энергетических и технологических возможностей применения выравнивающих поток устройств
- Построение и анализ интерполяционных моделей для оценки общей и фракционной эффективности при фильтровании и выравнивании пылегазовых потоков зернистыми слоями
Введение к работе
Выполненная работа направлена на дальнейшее развитие и совершенствование аэродинамических энергосберегающих процессов сухого пылеулавливания из отходящих технологических газов и аспирационных выбросов в производстве огнеупоров, что позволит обеспечить надежную защиту техносферы и окружающей среды от токсичных пылей, утилизацию ценного сырьевого компонента и высокую рентабельность социально-экономических мероприятий в этом направлении.
Актуальность темы.
О напряженности в районе расположения огнеупорных заводов говорят такие цифры: в России предприятиями по производству огнеупоров ежегодно выбрасываются в атмосферу 60 тыс. тонн твердой неорганической пыли. Сверхнормативный выброс - 18 тыс. тонн. На территориях, примыкающих к огнеупорным заводам, годовой осадок пыли достигает 7 кг/м:, а размеры частиц пыли колеблются от 0,01 до 10 мкм, что представляет наибольшую опасность для органов дыхания. Эти пылевые выбросы, весьма токсичные сами по себе, не остаются в атмосфере без изменений и под действием солнечных лучей и озона образуют новые, еще более токсичные соединения. При этом атмосферная турбулентность и ветер не успевают удалять из воздушного бассейна предприятий постоянно растущие в связи с интенсификацией производства пылевые выбросы.
В связи с этим важной задачей является предупреждение загрязнения атмосферы промышленными пылевыми выбросами, что в значительной мере связано с совершенствованием пылегазовых трактов и аспирационных систем [74, 76-82, 84].
Эксплуатация аспирационных систем в огнеупорном производстве показала, что при неравномерном распределении пылегазового потока по рабочему сечению трубопроводов или при неравномерном распределении этого потока
по отдельным пылеуловителям, расчетные показатели эффективности не достигаются, что приводит к увеличению токсичных выбросов в атмосферу и потере дефицитного сырья. Иногда неравномерное распределение пылегазового потока является причиной аварийной ситуации и во всех случаях ухудшает технологические показатели систем пылеулавливания [42-45],
Поэтому исключительную актуальность приобретает разработка аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеулавливания. Эти способы, обеспечивая высокую и многостороннюю результативность, требуют минимальных затрат на свою реализацию.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой РОСТРОМ РФ по научному направлению «Разработка систем теплогазоснабжения с целью.экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных выбросов энергетических установок».
Цель работы - развитие, совершенствование, апробирование и внедрение в практику аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеуловителей в производстве огнеупоров.
Задачи исследований потребовали комплексного решения следующих вопросов: анализ существующих энергосберегающих способов сухого пылеулавливания в производстве огнеупоров; выбора и обоснования направления экспериментальных исследований и соответствующей методологии; разработки условий и способов усовершенствования аэродинамики движения пылега-зовых потоков и экспериментальной оценки распределения этих потоков по рабочим сечениям пылеуловителей различных типов; всестороннего обсуждения полученных результатов в печати и их апробирования на научных форумах; оценки экономических и социальных результатов работы, ее технических и коммерческих перспектив.
Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании классических закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных
Н. А. Фуксом, И. В. Петряновым-Соколовым, Е. П. Медниковым, В. А. Жужико-вым, Т. А. Малиновской, И. Е. Идельчиком, Ю. В. Красовицким, А. Ю. Вальдбер-гом, которые в сочетании с экспериментально-статистическим и методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов использованы апробированные методики НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им. Л. Я. Карпова, что обеспечило получение достаточно представительных и воспроизводимых данных [34]. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 18 % с доверительной вероятностью 0,95.
Научная новизна работы состоит в следующем:
доказан перспективный характер применения аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеуловителей в производстве огнеупоров и впервые получен представительный банк комплексних данных для широкой реализации этих способов в смежных отраслях (производство стройматериалов, химическая и нефтегазовая промышленность, теплоэнергетика);
предложены и экспериментально подтверждены новые унифицированные функции единого типа, связывающие коэффициенты изменения проскока с коэффициентом Буссинеска;
при расчете зернистых слоев, используемых для аэродинамической стабилизации пылегазовых потоков, впервые комплексно учтены различные механизмы осаждения твердых частиц в поровых каналах, установлена доминирующая роль фактора турбулентной миграции и предложена формула для определения общего коэффициента проскока частиц дисперсной фазы пылега-зового потока через такие слои;
изучены кинетические закономерности фильтрования пылегазового потока вертикально расположенными зернистыми слоями, обеспечивающими равномерное распределение этого потока, при постепенном закупоривании
поровых каналов слоя и предложены аналитические выражения в обобщенных переменных для расчета и прогнозирования рабочих параметров этого процесса;
предложены конкретные способы и уточненные технические параметры условий регенерации зернистых слоев, обеспечивающих аэродинамическую и энергосберегающую стабилизацию пылегазового потока;
разработаны оригинальные модификации унифицированных экспериментальных стендов, позволяющих осуществить широкий спектр исследований аэродинамических энергосберегающих способов сухого пылеулавливания, как в лабораторных условиях, так и на реальных пылегазовых потоках;
впервые показаны преимущества одновременного применения квазивиртуальных импакторов НИИОГАЗ и группы циклонных сепараторов при выполнении дисперсного экспресс-анализа промышленных пылей в производстве огнеупоров;
показана перспективность факторного планирования экспериментов для получения интерполяционных моделей, прогнозирующих общие и фракционные коэффициенты проскока при фильтровании полидисперсных пылегазовых потоков промышленного происхождения;
впервые предложен анализ технических и коммерческих перспектив реализации результатов работы.
На защиту выносятся указанные выше положения, составляющие научную новизну работы.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке рекомендаций Семилукскому огнеупорному и Воронежскому керамическому заводам по внедрению аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности систем и аппаратов для улавливания пылей из отходящих технологических газов и аспирационных выбросов (пневмотранспорт глинозема из силосных башен в бункера - диффузоры с удлиненными разделительными стенками; аспирационные выбросы от пересыпных устройств, дозаторов, ме-
шалок, шаровых и трубомельниц - распределительные решетки с переменным живым сечением; технологические газы после сушильных барабанов - зернистые фильтрующие слои; вращающихся и шахтных печей - диффузоры с укороченными разделительными стенками). Инженерно-технические рекомендации, содержащиеся в диссертации, внедрены и приняты к использованию на Оскольском электрометаллургическом комбинате, Таганрогском металлургическом заводе, Семилукском комбинате строительных материалов, причем, экономический эффект только на Семилукском огнеупорном заводе составил 779362 руб. Результаты работы, представленные в МАНЭБ (С.-Петербург), награждены в 2003 г. Дипломом «За значительный вклад в дело охраны окружающей среды от пылевых выбросов промышленных предприятий, обеспечение.норм ПДВ и безопасности жизнедеятельности».
Отдельные разделы работы переданы отраслевым НИИ (С.-Петербургский институт огнеупоров, АО «НИИОГАЗ») и заинтересованным проектным организациям, а также систематически используются в учебной практике кафедр «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», «Промышленная энергетика», «Машины и аппараты пищевых производств» ВГТА (расчетная оценка степени неравномерности распределения пылегазоного потока по рабочему сечению, конструктивное оформление и расчет процесса регенерации пылеуловителей, оценка ресурса работы отдельных устройств для аэродинамической стабилизации потока).
Материалы диссертации использованы при подготовке и издании t.IV-1 2 «Машины и аппараты химических и нефтехимических производств» энциклопедии «Машиностроение» (ОАО «Издательство «Машиностроение», М.: 2004 г.).
Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на: Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерная защита окружающей среды». - Москва, 2001; научных чтениях «Стратегия выхода из глобального экологического кризиса». - С.Петербург, МАНЭБ, 2001; V Международной научной конференции «Теоре-
11 тические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования)), Институт химии растворов, РАН, - Иваново, 2001; Международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XX век», Волгоград, 2001; XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-15», Тамбов, ТГТУ, 2002; Международной конференции «Инженерная зашита окружающей среды», Москва, МГУИЭ, 2002; XL и XLI отчетных научных конференциях ВГТА за 2001 и 2002 г.г., Воронеж, ВГТА, 2002 и 2003 г.г.; Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», Москва, МГУИЭ, 2003 г.; Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, ИГХТУ, 2004 г.; техническом совещании участников российско-китайского научно-практического семинара «Современная техника и технологии машиностроительного комплекса: оборудование, материалы, экология производства и эксплуатации», 07-14/XIL 2000 г., г. Пекин (КНР).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 1 патент на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве, перечень которых приведен в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [5, 16, 26, 30, 34] - концептуальный подход к решению проблемы; в [1, 2, 10, 11, 13, 17-21, 33] -аэродинамические и кинетические аспекты работы; в [3, 6, 7, 31] - инженерные методы расчета устройств, обеспечивающих энергосберегающий эффект в процессе пылеулавливания; в [14, 24, 25, 27, 32] - методология и аппаратура для производства пылегазовых измерений; в [4, 8, 9, 12, 15, 22, 23, 28, 29, 35] -оригинальные конструктивные решения и публикации, подтверждающие практическую значимость работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 107 наименований, 3 Приложений и 14 документов, подтверждающих результаты диссертации.
Общий объем работы 213 стр., в том числе 40 рис., 26 табл.
Характеристики и параметры пылегазовых потоков после технологических агрегатов и в аспирационных системах
Особую сложность при использовании в системах пылеулавливания представляют короткие диффузоры, эффективные только при установке в них разделительных стенок, обеспечивающих деление диффузора на ряд диффузоров с меньшими углами расширения. Об эффективности разделительных стенок в коротких диффузорах с большим углом расширения можно судить по полям скоростей, приведенным в [8-10, 42-45].
Весьма эффективны системы направляющих лопаток - дефлекторов, которые отклоняют часть потока вблизи входа из средней области диффузора к его стенкам, вследствие чего зона отрыва уменьшается. В результате улучшается распределение скоростей и снижаются гидравлические потери.
При невозможности устройства в коротких диффузорах разделительных стенок или направляющих лопаток применяют ступенчатые диффузоры, состоящие из сравнительно короткого плавного участка с небольшим углом расширения и участка с. внезапным расширением сечения. Распределение скоростей за ступенчатыми диффузорами получается даже несколько более благоприятным, поскольку оно симметрично по сечению.
Некоторое выравнивание потока по сечению коротких диффузоров с большими углами расширения достигается установкой перфорированных (распределительных) пластин, тормозящих движение пылегазового потока в центральной части газохода.
В результате уменьшается зона отрыва, более эффективно происходит расширение струи и снижаются потери давления на выходе из диффузора.
Комплексное решение поставленных в работе задач предусматривает не только аэродинамическое усовершенствование аспирационных систем (газоходов и пылеуловителей), но и технологическое вмешательство, направленное . к..снижению .-расхода- пылегазовых- потоков и массовой концентрации пыли.
В этой связи весьма показательна характеристика некоторых техноэкономических показателей, приведенная в табл. 1.1. Данные табл. 1.1 убедительно подтверждают преимущества безобжиговой технологии при энергосберегающем аэродинамическом усовершенствовании аспирационных систем, а приведенный в настоящем разделе анализ - достаточную обоснованность намеченной стратегии исследований. Технология получения огнеупорных материалов основана на термической обработке измельченного сырья, теряемого, в известной мере, с аспира-иионными выбросами и отходящими технологическими газами. Поэтому в производстве огнеупоров усовершенствование пылегазовых устройств и аспирационных систем - неотъемлемая часть технологического процесса. В табл. 1.2 приведены фрагменты из перечня и краткая эксплутационная характеристика аспирационных выбросов по основным цехам огнеупорного производства, полученная нами на одном из передовых предприятий отрасли в РФ - Семилукском огнеупорном заводе (СОЗ). Отдельные , наиболее актуальные для производства технологические схемы и конструктивные параметры аспирационных систем, усовершенствованные нами совместно с сотрудниками лаборатории защиты окружающей среды и отдела главного механика СОЗ, представлены в приложении П.1. Анализ табл. 1.2 и П.1 показывает, что суммарный объем аспирируемых газов на современном предприятии по производству огнеупорных изделий достигает 800000 м3/ч, что убедительно подтверждает актуальность проблемы. При этом энергосберегающие аэродинамические способы повышения эффективности аспирационных систем, являющиеся предметом настоящей работы, вполне применимы и к основным технологическим агрегатам смежных производств. Результаты наших исследований [12] показали, что в большинстве случаев расчетные количества дымовых газов, отходящих из технологических агрегатов, существенно отличаются от полученных в процессе эксплуатации. Обычно они значительно выше величин, принятых в проектах, при этом скорость газов в пылеулавливающих аппаратах превышает предельно допустимую, что вызывает нежелательные последствия. Объемы дымовых газов зависят от многих факторов, основными из которых являются состав и степень подготовленности обжигаемого сырья, вид применяемого топлива, режим ведения технологического сырья, количество подсасываемого воздуха по газовому тракту, состояние активной зоны печей и т.д. Полученные лабораторией защиты окружающей среды СОЗ совместно с нашим участием [105] характеристики пылегазовых потоков, отходящих из вращающихся печей и сушильных барабанов СОЗ - основных теплотехнических агрегатов огнеупорного производства, приведены в табл.1.3. Опыт показывает, что в некоторых случаях, расход отходящих газов увеличивается при изменении состава обжигаемого сырья или интенсификации процесса обжига с целью увеличения производительности технологического агрегата. Пылеунос является одним из основных показателей при проектировании и эксплуатации аспирационных систем и. аппаратов пылеулавливания. Этот параметр является определяющим и при выборе мощности эксгаустеров и транспортирующего пыль оборудования (бункера, насосы, воздушные компрессоры и т.п.).
Оценка общей и фракционной эффективности пылеулавливания и факторное планирование экспериментов
При аспирации аэрозолей из потока возможны три режима работы зонда: до изокритериальный (Stke/Stkj l), изокритериальный (Stke/Stkj=l) и послеизокритериальный (Stke/Stki l). Полную представительность аспирационного отбора пробы пылегазового потока обеспечивает изокритериальный режим. Такой режим достигается не при равенстве скоростей ue=Uj (условие изокинетичности), а при более высоком значении ие, определяемым выражением.
В производственных условиях достичь соосности промышленного газохода и аспирационного зонда достаточно сложно. Поэтому для получения представительной пробы Б работе использован сферический зонд, имеющий радиальные каналы.
Основная часть изокритериальной схемы отбора - аспирационный зонд, состоящий из наконечника со сменным носиком, изогнутой трубки, телескопического узла крепления, алонжа, реометра и воздуходувки.
Условия для реализации двухкритериальной модели отбора пробы состоят в следующем: совпадение полей запыленности и скоростей по характеру профиля, поддержание температуры в аспирационном канале на 15-20 С выше точки росы газа, отклонение носика зонда от линии тока не более, чем на 12 %, поправка на седиментацию пыли в аспирационном канале.
Если размер частиц менее ЫСГ6 м и имеет место развитый турбулентный режим, соблюдение изокритериальности не требуется. В работе использован неохлаждаемый температуро стойкий наконечник заборной трубки, изготовленный из стали 36Х18Н25С2, как это показано на рис. 2.3. Такой подход способствовал соблюдению изокритериальности. При проведении экспериментов в лабораторных и производственных условиях нами использована заборная трубка НИИОГАЗа с электрическим обогревом (рис.2.4, а). При температуре обогрева заборной трубки выше температуры отбираемого газа в результате термофореза уменьшается осаждение пыли на ее стенках. Обогрев также необходим для предотвращения конденсации водяных паров при высоком влагосодержаний газов. Определенный интерес представляет заборная трубка, снабженная дополнительным устройством для вдува воздуха через стенки диффузора с целью предотвращения отложения пыли на стенках отсосного устройства. Такая трубка, представленная на рис.2.4, б, использована нами при анализе нестабильных по массовой концентрации дисперсной фазы пылегазовых потоков. Скорость газов в канале трубки - 14-25 м/с. При значениях сог 25 м/с увеличивается гидравлическое сопротивление канала. Расход отбираемого газа, приведенный к нормальным условиям Vp, определяли по формуле Как показали наши эксперименты, при работе с полидисперсными аэрозолями промышленного происхождения, характерными для условий огнеупорного производства, допустимо использовать и принцип из оки неточности, но абсолютное предпочтение следует отдавать двухкритериальной концепции отбора пылегазовых проб. Описанные способы определения массовой концентрации частиц справедливы при значениях скорости газа сог 4 м/с. Анализ дисперсного состава пылей огнеупорного производства необходим для объективной оценки и прогнозирования эффективности пылеуловителей и решения задач оптимизации пылеуловителей. Эти данные необходимы для расчета фракционных степеней очистки, показывающих долю каждой фракции, задерживаемой пылеуловителем. При выборе метода дисперсного анализа пыли в работе обеспечивали представительный отбор проб в нестабильных, типичных для огнеупорного производства условиях, учитывая степень дисперсности аэрозоля, физико-химические свойства дисперсной системы, назначение результатов анализа и возможности аппаратуры. Решению этой проблемы посвящены классические труды П.А. Коузова [48], Н.А. Фукса [91], Н.А. Фигуровского [89], Г.С. Ходакова [92], С.С. Янковского [107], Штрауса В. [96] и ряда других исследователей. В условиях огнеупорного производства оказалось целесообразным одновременно использовать в различном сочетании ступенчатые импакторы НИИОГАЗа [52], группу циклонных сепараторов С.С. Янковского [48] и микроскопический метод [85], применяемый эпизодически для качественной оценки дисперсного состава пылей. Для проведения экспериментов в работе был использован квазивиртуальный импактор ОАО "НИИОГАЗ" [46]. Отличительная особенность этой модели - подложки с ячеистой структурой, позволяющие объединить в одном приборе достоинства обычных каскадных импакторов (компактность, простота эксплуатации) и их виртуальных модификаций (отсутствие вторичного уноса осажденных в каскадах частиц дисперсной фазы). Приборы этого типа основаны на избирательной сепарации частиц по размерам при пропускании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл уменьшающегося сечения, под которыми расположены подложки. На каждой из подложек происходит инерционное осаждение частиц, причем, анализируемые частицы оказываются разделенными на фракции, число которых равно общему числу ступеней импактора.
Оценка энергетических и технологических возможностей применения выравнивающих поток устройств
Несомненные перспективы факторного планирования эксперимента для построения интерполяционных моделей и прогнозирование полученных результатов предъявили весьма жесткие требования к организации системы пылепитания и обеспечения достаточно стабильного состава пыли.
Из пылевого генератора 1 образовавшийся пылегазовый поток поступает в стабилизирующую емкость 2 и далее в лабораторный циклончик 3 типа ЦН-15 с бункером.
Схема предусматривает наличие . байпасной линии, позволяющей направлять пылегазовый поток, минуя циклончик, непосредственно к фильтрам. При этом оказывается возможным дополнительно регулировать дисперсный состав и массовую концентрацию аэрозоля.
Непосредственно перед входом в различные модификации фильтров 4, 5, 6 организован контроль дисперсного состава аэрозоля квазивиртуальными импакторами 7 конструкции НИИОГАЗа.
Для оценки кинетики изменения коэффициента проскока и определения массовой концентрации до и после фильтра одновременно с импакторами использованы аналитические фильтры типа АФА-В-І8 или мембранные нитроцеллюлозные фильтры 8. Следует отметить, что эти фильтры после просветления в парах ацетона эпизодически использовались нами и для контроля дисперсного состава с помощью микроскопов МБИ-3 и МБИ-6 с фотонасадками.
Фотоэлектрические аэрозольные счетчики 9 типа АЗ-8 были использованы для экспресс-анализа дисперсного состава и определения счетной концентрации аэрозоля. Расход пылегазового потока контролировали реометрами-индикаторами 10 типа Т-2-80 с поворотными диафрагмами; перепады давления измерялись U-образными дифференциальными манометрами. Для обеспечения работы под нагнетанием; что необходимо при проведении аэродинамических исследований, использован мембранный компрессор 11 типа УК-40/2,0. Для измерения локальных скоростей потока удобно использовать полупроводниковый термоанемометр 12, имеющий датчик в виде цилиндра диаметром 0,8 мм. Незначительные размеры датчика обеспечивают сохранение аэродинамической структуры потока, что позволяет получить удовлетворительные отношения сигнала к шуму. Таким способом в дальнейшем нами была исследована степень неравномерности распределения пор коррозионностойких фильтровальных лент марки Х18НІ5-ПМ (ФНС-5; ПНС-5; ПНС-30), а также цилиндрических втулок из пористых металлов, изготовленных из порошка стали 0X18Н10 (фракции +0,1 - 0,2 мм) с добавкой -8 % медного порошка. Поршневой компрессор 13 в сочетании с масловлагоотделителем 14 и ресивером 15 обеспечивал широкие возможности эксперимента. Особый интерес представляют конструктивные решения корпусов лабораторных пылеуловителей. Так, корпус фильтра 4 позволяет менять расположение фильтрующего элемента для изучения влияния аэродинамических условий ввода пылегазового потока на степень его неравномерности и коэффициент проскока. По нашему мнению, стенд может иметь самостоятельный интерес для лабораторий контроля технических сред (ЛКТС) на радиоэлектронных предприятиях при изыскании высокоэффективных средств локальной очистки газов, в процессе организации отбора газовых проб на анализ в черной и цветной металлургии, теплоэнергетике, нефтехимической промышленности и пищевой технологии. Как известно [50, 51], важнейшая характеристика процесса пылеулавливания - проскок К определяется рядом критериев. Эта зависимость может быть представлена в виде Рейнольдса, Эйлера, Стокса, гомохронности, диффузионный параметр, параметр механизма касания, седиментационный параметр, параметр электростатических сил, безразмерный концентрационный комплекс, критерий Кнудсена и безразмерный эквивалент скорости осаждения за счет турбулентной миграции соответственно. Становится очевидным, что одновременное соблюдение этих безразмерных комплексов в процессе приближенного моделирования пылегазового потока в лабораторных условиях при фильтровании через ФППМ практически невыполнимо. Эти условия только при использовании реального пылегазового потока, отобранного непосредственно из промышленных газоходов: Однако пыль, полученная таким способом, при хранении и транспортировке к месту проведения лабораторных исследований меняет дисперсный состав, образуя конгломераты за счет сил сцепления, молекулярных сил, действующих между частицами, относительной влажности атмосферного воздуха или помещения лаборатории, гидрофильности пыли." До настоящего времени эффективные методы устранения или компенсации отмеченных явлений отсутствуют, и поэтому оптимальная организация перевода пыли из агрегированного состояния в . состояние -первичного аэрозоля, осуществляемая в пылепитаюших устройствах различного . типа, является основой получения представительных экспериментальных, данных в лабораторных условиях. При этом выбор оптимального метода распыления решается только экспериментально.
Построение и анализ интерполяционных моделей для оценки общей и фракционной эффективности при фильтровании и выравнивании пылегазовых потоков зернистыми слоями
Основной поток запыленных газов поступает через верхний завихритель, а дополнительный - через нижний. Сепарация пыли и отбрасывание ее к наружной стенке происходит под действием центробежной силы. Дополнительный поток усиливает закручивание основного, что особенно важно в нижней части аппарата, и удаляет из него мелкую пыль. Отсепарированная пыль попадает в бункер. Уточненный поэлементный расчет аппарата, приведенный в П.3.3, показал, что гидравлическое сопротивление пылеуловителя АР05ш=1134 Па.
Следует отметить, что положительный опыт эксплуатации пылеуловителей со встречными потоками достаточно велик [28, 72], Важным преимуществом аппаратов этого типа является универсальность их аэродинамических и пылеулавливающих характеристик, позволяющая за счет изменения соотношения расходов основного и дополнительного пылегазового потоков регулировать процесс пылеулавливания. Высокая эффективность этих аппаратов связана с повышением значений тангенциальных составляющих скорости потока до 40 - 50 м/с, уменьшением радиальной составляющей, образованием устойчивой циркуляционной зоны, удерживающей высокодисперсную пыль в потоке до агрегирования за счет кинематической коагуляции.
Одновременно обеспечивается устойчивый нисходящий поток пыли по всей высоте стенки аппарата. Существует мнение, что вихревые аппараты со встречными закрученными потоками по своей эффективности занимают промежуточное положение между циклонами и фильтрами. Сопоставление параметров работы классических циклонов и вихревых аппаратов показало, что частицы крупнее 3 мкм экономичнее улавливать циклонами, а мельче -вихревыми пылеуловителями. Известны вихревые пылеуловители со встречными закрученными потоками типа DSE (ФРГ) [72]. В качестве дополнительного потока иногда используют чистый воздух, подаваемый через сопла, расположенные в кольцевой камере. При этом уменьшается эрозионный износ аппарата и оказывается возможным очищать горячие газы, охлаждаемые этим дополнительным потоком воздуха.
Расчеты, приведенные в [28], показывают также, что сопротивление завихрителей составляет существеннуго часть суммарного гидравлического сопротивления аппарата - 99,8 % и поэтому их совершенствование в сочетании с выравнивающими поток энергосберегающими устройствами -основной путь снижения энергозатрат при использовании закрученного потока.
Уместно отметить, что максимальное гидравлическое сопротивление исследованных перспективных пылеуловителей не создает трудностей при внедрении энергосберегающих выравнивающих поток устройств, так как современные эксгаустеры обладают необходимым резервом мощности.
Формирование улучшенной структуры пылегазового потока на входе в аппараты типа ПИ-10 и его модификаций и в вихревой пылеуловитель возможно также за счет установки разделительных стенок, а на выходе - путем устройства разделительных решеток и перераспределяющих лопаток [26].
В вихревых аппаратах осевая составляющая скорости потока в центральной части меняет свое направление на противоположное - вверх. Поэтому для снижения выбросов целесообразно углубить выхлопной патрубок до зоны, в которой пылегазовыи поток в значительной мере уже свободен от высокодисперсной пыли. Можно считать, что для вихревых пылеуловителей со встречными закрученными потоками [72] где Нпогр, - глубина погружения выхлопного патрубка; D - диаметр аппарата.
Весьма перспективно подавление турбулентности в пристенной области, что уменьшает повторное увлечение высокодисперсных частиц газа и существенно уменьшает выброс частиц при dp 10 мкм. Вращение стенки аппарата снижает частоту и интенсивность турбулентных пульсаций. Установлено, что скорость перемещения частиц к стенке возрастает с увеличением скорости вращения. Это явление использовано нами при разработке и создании оригинального пылеуловителя, защищенного патентом Российской Федерации (саморегенерирующийся фильтр-циклон) [70].
Следует рекомендовать и организацию отсоса небольшого количества запыленного газа из бункерной части аппаратов. При этом за счет роста перепада давлений между рабочей зоной и бункером возрастает аксиальная составляющая скорости движения частицы, направленная вниз. Отсос через бункер составляет 10-15 % от общего расхода пылегазового потока. Так, для вихревого пылеуловителя НИПИОТСТРОМ эта величина составит 700-1050 м3/ч. Отобранный из бункера газ следует распределить между основным и дополнительным потоками, поступающими в пылеуловитель, сохранив при этом соотношение расходов 1:4. Отсос и рециркуляция части потока существенно повышают фракционную эффективность. Так, при dm=24 мкм и lgoy=0,34 отсос 5 - 6 % пылегазового потока из бункера вихревого пылеуловителя обеспечил эффективность 99,6 %.
Достаточно перспективен щелевой отбор пыли из цилиндрической части вихревого пылеуловителя [72]. При этом оказывается возможным удалить часть пылегазового концентрата из рабочей зоны аппарата и стабилизировать работу пылевыпускного устройства. Установлено, что расход рециркуляционного газа, длина щелей отбора и высота селарационной зоны имеют оптимальные значения, соответствующие максимальной эффективности.
Известные ранее [1,2, 28] преимущества инерционных пылеуловителей со щелевым отбором и встречным закрученным потоком рециркуляционного газа использованы при разработке циклона-сепаратора. Достигнутая при этом достаточно рациональная схема движения потоков, использующая выравнивающие устройства, обеспечивает уменьшение пылеуноса со стенок рабочей камеры за счет щелевого отбора концентрированной пылегазовой смеси [70].
Преимущества инерционных пылеуловителей со щелевым отбором и встречным закрученным потоком рециркуляционного газа объясняются и достаточно рациональной схемой движения потоков, уменьшением пылеуноса со стенок рабочей камеры за счет щелевого отбора концентрированной пылегазовой смеси. Встречный закрученный поток рециркуляционного газа позволяет устранить обмен частицами пыли между центральной и периферийными зонами рабочей камеры. При этом резко уменьшается вынос высокодисперсных фракций пыли.
Известны попытки интенсифицировать работу инерционных, в том числе, вихревых аппаратов установкой коронирующих электродов по оси выхлопного патрубка с одновременным отказом от выравнивающих поток энергосберегающих устройств и предварительной коагуляцией дисперсной фазы в акустическом или магнитном поле.
