Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор и выбор направления исследования 11
1.1. Характеристика технологического процесса как источника выделений вредных веществ
1.2. Анализ существующих способов очистки выбросов от сажи 17
1.3. Анализ эффективности аппаратов, применяемых для улавливания сажи 22
1.4. Выбор направления исследования 32
1.5. Выводы по первой главе 33
Глава 2. Анализ физико-химических свойств сажи в системе локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей 35
2.1. Основы методики дисперсионного анализа сажи методом микроскопии 35
2.1.1. Подготовка к дисперсионному анализу 35
2.1..2. Микроскопический анализ ; 35
2.1.3. Программа анализа на ПЭВМ 36
2.2. Исследование дисперсного состава сажи в отработавших газах 40
2.3. Математические методы обработки результатов дисперсного состава 50
2.3.1. Аппроксимация функции распределения фракционного состава сажи сплайн-функциями 50
2.3.2. Знаковый метод анализа дисперсного состава сажи 55
2.4. Анализ физико-химических свойств уловленной сажи 58
2.5. Выводы по второй главе 59
Гллвл 3. Теоретические и экспериментальные исследования эффективности улавливания сажи из отработавших газаов дизельных двигателей вихревыми сажеуловителями и сажеуловителями-разделителями 61
3.1. Математическое описание процесса сажеулавливания в са
жеуловителях со встречными закрученными потоками с
нижним отсосом из сеиарациониой камеры 61
3.1.1. Оценка сил, действующих на частицу сажи внутри цилиндрического сажеуловителя со встречными закрученными потоками 61
3.1.2. Уравнение движения твердой фазы 66
3.1.3. Расчет радиальной составляющей скорости частицы 67
3.1.4. Расчет вертикальной составляющей скорости частицы 72
3.1.5. Уравнение движения газовой фазы 73
3.1.6. Фракционная эффективность 79
3.2. Экспериментальные исследования эффективности саже улавливания систем с использованием сажеуловителей- разделителей и аппаратов ВИП 80
3.2.1. Описание экспериментальной установки 80
3.2.2. Программа и методика исследований 82
3.2.3. Основные результаты экспериментальных исследований,... 84
3.3. Выводы по третьей главе 86
Глава 4. Практическая реализация результатов исследований 87
4,1. Конструктивные решения сажеуловителей со встречными закрученными потоками 87
4.2. Конструктивные решения сажеуловителей-разделителей ... 89
4.3. Опытно-промышленная установка улавливания сажи 91
4.4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 92
4.5. Экономическая и экологическая эффективность применения разработанных сажеуловителей-разделителей и сажеуловителей ВЗП 93
4.5.1. Экономическая и экологическая эффективность от внедрения установки сажеулавливания и разделения 93
4.5.2. Экономическая и экологическая эффективность от снижения объемов отходов, образующихся в системе локализующей вентиляции 102
4.6. Выводы по четвертой главе 114
Заключение 115
Список литературы 117
Приложения 129
- Анализ существующих способов очистки выбросов от сажи
- Исследование дисперсного состава сажи в отработавших газах
- Экспериментальные исследования эффективности саже улавливания систем с использованием сажеуловителей- разделителей и аппаратов ВИП
- Конструктивные решения сажеуловителей-разделителей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Отработавшие газы, отводимые системами локализующей вентиляции от испытательных станций моторных заводов, содержат около 280 компонентов. В их состав входят: оксиды азота (удельные выделения от одного дизельного двигателя при установившемся режиме в условиях испытательного стенда составляют 8-30 г/(кВт/ч)), оксид углерода (удельные выделения 2-20 г/(кВт/ч)), сернистый ангидрид (0,4 - 2,5 г/(кВт/ч)), углеводороды и т.д., а также твердые частицы, н том числе сажа, удельные выделения которой - 0,2 - 2 г/(кВт/ч). Частицы сажи, содержащиеся в выхлопных газах, обладают повышенной токсичностью, так как на их поверхности адсорбируются канцерогенные вещества.
Вместе с тем, при эксплуатации существующих систем местной вытяжной вентиляции испытательных станций моторных заводов основное внимание уделяется очистке выбросов от газовых компонентов с использованием метода каталитической нейтрализации. При этом, с одной стороны, степень улавливания сажи не превышает 60%, с другой стороны, - осаждение сажевых частиц на поверхности катализаторов резко сокращает срок эффективного действия последних. В этой связи для обеспечения качественной работы локализующей вентиляции необходимо добиться максимального снижения содержания сажи в отработавших газах перед нейтрализацией газовых компонентов.
Анализ показал, что в общем случае для очистки выбросов от сажи используются в основном электрофильтры и мокрые пылеуловители. Однако применение первых требует значительных эксплуатационных затрат, при использовании последних возникает проблема очистки сточных вод.
Таким образом, является актуальным решение задачи совершенствования установок очистки газовоздушпой смеси перед выбросом в атмосферу в системах локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы - совершенствование установок очистки выхлопных газов в системах локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей посредством повышения эффективности извлечения сажи.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- разработка расчетной модели, описывающей закономерности процесса
улавливания сажи в горизонтальных и наклонных аппаратах со встречными
закрученными потоками;
совершенствование оценочной расчетной модели, описывающей закономерности процесса улавливания сажевых частиц в вертикальном сажеуловителе со встречными закрученными потоками;
исследование дисперсного состава и основных физико-химических свойств частиц сажи, поступающих в системы локализующей вентиляции испытательных станций моторных заводов;
разработка конструкции батарейных установок сажеуловителей со встречными закрученными потоками для систем локализующей вентиляции испытательных станций моторных заводов;
разработка установок инерционного сажеулавливаиия с использованием вертикальных и горизонтальных аппаратов со встречными закрученными потоками и разделителей;
экспериментальная оценка эффективности сажеулавливаиия в установках с аппаратами со встречными закрученными потоками различных модификации, предназначенных для систем локализующей вентиляции испытательных станций моторных заводов.
Основная идея работы состоит в использовании аппаратов со встречными закрученными потоками (вертикальных, горизонтальных и наклонных сажеуловителей и сажеуловителей-сепараторов) для извлечения сажи из
газовоздушной смеси, поступающей в системы локализующей вентиляции испытательных станций моторных заводов.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытпо-промышлешшс исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что;
- усовершенствована расчетная модель, описывающая процесс улавливания
сажи в вертикальном сажеуловителе со встречными закрученными потоками;
- разработана расчетная модель, описывающая процесс улавливания
сажевых частиц в наклонных сажеуловителях и горизонтальных
сажеуловителях-сепараторах со встречными закрученными потоками;
установлены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность сажеулавливания в установках с аппаратами со встречными закрученными потоками различных модификаций;
апробирован знаковый метод обработки результатов измерений для описания дисперсного состава сажи, поступающей в системы локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей;
определены и систематизированы данные о дисперсном составе и основных физико-химических свойствах частиц сажи, содержащихся в выбросах испытательных станций дизельных двигателей.
Практическое знамение работы:
разработана конструкция горизонтального сепаратора со встречными закрученными потоками, новизна которой подтверждена свидетельством на полезную модель (№ 17457);
разработана конструкция разделителя, новизна которой подтверждена свидетельством на полезную модель (№25583);
разработана схема инерционного сажсулавливания и разделения дисперсных компонентов смешанного состава, позволяющая повысить эффективность извлечения сажи, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель (№35083);
для систем локализующей вентиляции разработаны конструкции батарейных установок из 2 и 4 сажеуловителей со встречными закрученными потоками;
разработаны и приняты к использованию рекомендации по проектированию и расчету батарейных установок из двух сажеуловителей со встречными закрученными потоками;
разработаны и приняты к использованию рекомендации по проектированию и расчету вертикальных, горизонтальных и наклонных сажеуловителей и сажеуловителей-сепараторов со встречными закрученными потоками;
разработаны и приняты к использованию рекомендации по проектированию установок извлечения сажи для систем локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей;
- получено положительное заключение о возможности использования сажи,
улавливаемой в системах местной вытяжной вентиляции испытательных
станций моторных заводов, и отделенной от посторонних включений, для
производства бытовых резинотехнических изделий.Реализация результатов работы:
- опытно-промышленная установка для извлечения сажи из газовоздушной
смеси, поступающей в системы локализующей вентиляции испытательныхстанций дизельных двигателей, с использованием сажеуловителей со встречными закрученными потоками внедрена на ОЛО "Волгоградский моторный завод";
опытно-промышленная установка разделения уловленной сажи и посторонних включений внедрена на ОЛО "Волгоградский моторный завод";
батарейные установки из двух сажеуловителей со встречными закрученными потоками внедрены на ОАО "Волгоградский завод технического углерода";
материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВЭП ВолгГАСУ в курсах лекций, а также в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности "Теплогазоснабжснис и вентиляция".
На защиту выносятся:
оценочная расчетная модель, описывающая процесс улавливания частиц сажи в вертикальном сажеуловителе со встречными закрученными потоками, в том числе, для батарейных установок аппаратов;
расчетная модель, описывающая процесс улавливания частиц сажи в наклонном сажеуловителе и горизонтальном сажеуловителе-сепараторе со встречными закрученными потоками;
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность сажеул а вливания в вертикальном и наклонном аппаратах со встречными закрученными потоками при различных параметрах крутки потоков в верхнем и нижнем вводах;
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность улавливания сажевых частиц в горизонтальном сажеуловителе-сепараторе со встречными закрученными потоками при различных параметрах крутки потоков в верхнем и нижнем вводах аппарата;
- данные исследований состава и основных физико-химических свойств
частиц сажи, поступающей в системы местной вытяжной вентиляции
испытательных станций моторных заводов.Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях "Пробле.чы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 1999 - 2001 г.г.); научно-практических конференциях "Безопасность, экология, энергосбережение" (Гизель-Дерс, 2000 - 2001 гл\); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2000 — 2002 г.г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 работах, в том числе; в 7 научных публикациях, 2 свидетельствах на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 167 страницы, в том числе: 116 страниц - основной текст, содержащий 16 таблиц на 16 страницах, 35 рисунков на 34 страницах; список литературы из 119 наименований на 12 страницах, 4 приложения на 39 страницах.
II ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Характеристика технологического процесса как источника выделений вредных веществ
Одной из ступеней технологического процесса на моторных заводах являются испытания готовых двигателей.
Полный цикл испытаний дизельных двигателей включает несколько видов обкаток и испытаний, продолжительность и периодичиость которых, а также число испытываемых дизелей приведены в табл. 1.1 [86].
Таблица 1.1 - Виды обкаток и испытаний дизельных двигателей
Сначала двигатели проходят холодную обкатку, затем горячую. После окончания испытаний устраняют течи и другие дефекты, затем двигатели проходят приемно-сдаточные испытания (ПСИ). Горячая обкатка, как и ПСИ, проходит при различных оборотах двигателей - от 800 до 1750 об/мин.
В рабочем цикле двигателя внутреннего сгорания образуются выхлопные газы, представляющие собой сложную смесь компонентов воздуха с продуктами полного и неполного сгорания органического топлива. В состав выхлопных газов входят около 280 компонентов, среди которых можно выделить: азот, кислород, оксид и диоксид углерода, оксиды азота, углеводороды, водяные пары, сажу. Усредненный состав основных вредных компонентов в отходящих газах дизелей при работе на режиме полной нагрузки (по данным испытаний) приведен в табл. 1.2 [86]. Разброс показателей выбросов в однотипных дизелях не превышает 30 - 50% от среднего уровня, в двигателях одной серии 15-25%.
Таблица 1.2 - Основные вредные компоненты в выхлопных газах дизельных двигателей
Определено, что при работе на установившемся режиме полной мощности вновь изготовленный дизель в условиях испытательного стенда характеризуется следующими величинами удельных пыбросов: оксиды азота — 8 - 30 г/(кВт-ч); диоксид углерода - 2 - 10 г/(кВт-ч); сажа - 0,2 - 2,0 г/(кВт-ч). При горячей обкатке двигателя, продолжительность которой составляет 275 мин., а
атмосферу выбрасывается окислов азота 8771,3 г., оксида углерода 2560,2 г., углеводородов 1290,1 г., сажи 319,5 г.
На состав выхлопных газов существенное влияние оказывают конструктивные особенности двигателя, состав топлива, режимные параметры, качество изготовления и сборки основных узлов и деталей. Наиболее важным конструктивным признаком, определяющим уровень вредных выбросов, является тип камеры сгорания: суммарный выброс вредных веществ у дизеля с разделенной камерой сгорания в 1,5 - 2,5 раза меньше, чем у дизеля такой же мощности с непосредственным впрыскиванием топлива.
Один из наиболее значимых токсичных компонентов отработавших газов - твердые частицы. Основной составляющей является сажа, которая в свою очередь состоит в основном из углерода С (до 95-98%) и химически связанного водорода II (1-3%). Причем на начальных стадиях сгорания частицы сажи состоят почти из чистого углерода, а затем насыщаются большим количеством углеводородов и их соединений.
Механизм образования сажи представляет собой последовательность процессов термического разложения углеводородных топлив, образования активных углеводородных частиц в пламени, роста ядер сажи, агломерации частиц и окисления сажи. Таким образом, содержание сажи в отработавших газах является результатом протекания двух определяющих процессов - образования и окисления сажи.
В составе испытательной станции ОАО "Волгоградский моторный завод" имеется 34 бокса, предназначенных для проведения полного цикла испытаний серийных дизельных двигателей типа 8ДВТ-330А, В-400, а также их экспортных и тропических исполнений. Экспериментальному цеху завода принадлежат с 1 по 15 боксы, из которых только 8 боксов оснащены па испытание полноразвернутого дизеля и 2 боксов па испытания одноцилиндровых установок.
Безмоторные испытания проводятся в 16-25 боксах новой испытательной станции и в 1 - 9 боксах вспомогательных цехов. Режим работы определяется программой испытаний, и может быть одно- или двухсменным. На отдельных стендах выполняются исследовательские работы по специальной программе.
Для отвода отработавших газов в боксах испытательных станций устраивается система локализованной вентиляции. Основными компонентами системы являются: напольные местные отсосы, присоединенные к выходному коллектору дизельного двигателя, воздуховоды, вентилятор, установка очистки газовоздушной смеси от токсичных компонентов перед выбросом в атмосферу (рис. 1.1, 1.2).
На испытательной станции ОАО "Волгоградский моторный завод" были проведены натурные обследования существующей системы локализующей вентиляции. Результаты проведенных замеров приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 - Результаты замеров
600x400
16.000
Рис. 1.1. Система локализующей вентиляции бокса №7
16.00.
Г.
9,200
Отсос местным от
испытательного стснла
015-771.00.00.00.-01
испытательного стенда
015-771.00 00 00
Рис. 1.2. Аксонометрическая схема системы локализующей вентиляции: 1-5 - точки замеров
1.2. Анализ существующих способов очистки выбросов от сажи
Среди существующих способов очистки газовоздушных смесей от сажи можно выделить следующие:
сухое механическое инерционное улавливание;
мокрое улавливание;
фильтрация (рукавные, волокнистые и др. фильтры);
электрическое улавливание;
термическая, термокаталитическая очистка;
сорбционный (химический) метод очистки;
комплексная очистка.
На рис. 1.3 показаны диапазоны размеров частиц, улавливаемых устройствами, реализующими перечисленные выше способы очистки.
Рис. 1.3. Диапазон размеров частиц, улавливаемых устройствами различных типов [44]:
диапазон воз-
зона отсутствия эффекта улавливания
- диапазон эффективной работы устройств;!
можного их применения; частиц
На рис. 1.4. и 1.5. показаны схемы установок, применяемых для улавливания сажи (технического углерода) на предприятиях, производящих и потребляющих технический углерод.
На рис. 1.4. приведена схема улавливания печного полуактивного технического углерода ПМ-250 [66].
лтААтШг,
iXA'AAXXyvyvX
Газ па обдувку изоляторов
Сажсгазовая
СМССЬ
-^Г^Пн-5-
на мокрое дочлавливанис
Рис. 1.4. Схема очистки газов в производстве технического углерода ПМ 250: 1-электрофильтр; 2, 6-циклоиы; 3, 4, 5-веитиляторы
Сажегазовая смесь после охлаждения и увлажнения поступает в трехпольный электрофильтр СГ, где часть технического углерода осаждается, и происходит электрическая коагуляция частиц. Дальнейшая очистка газов осуществляется в двух последовательно установленных циклонах типа СК-ЦН-34. Уловленный в циклонах технический углерод поступает в систему пневмотранспорта. Газ для пневмотранспортирования отбирается от напорной линии. В системе пневмотранспорта установлен циклон, в котором технический углерод отделяется от транспортирующего потока и через шлюзовой затвор подается в шнек электрофильтра, а газ направляется на доочистку в электрофильтр.
Нарис. 1.5 показана схема улавливания сажи с циклонами и рукавными фильтрами.
Сажегазовая
На сжигание
смесі
6 A
) >-CZ] MZZl
2 A A A A—A A A A
Рис.1.5. Схема улавливания при производстве печного активного и полуактивпого технического углерода [12]:
1 - циклоіі; 2 - рукавный фильтр; 3,5,8 - вентиляторы; 4 - гидрозатвор; 6 - задвижка; 7 - шлюзовые затворы
Технологическая схема одного из способов очистки выхлопных газов двигателей на испытательных станциях приведена на рис. 1.6 [62].
Л 5
Рис. 1.6. Технологическая схема очистки отходящих газов двигателей па испытательных станциях:
1 - двигатель; 2 - реактор; 3 - газопромыватель; 4 - газодувка; 5 -абсорбер; б - емкость для приготовления "свежего" абсорбента; 7 -сборник циркулирующего поглотительного раствора; 8 - насос
Выхлопные газы от двигателя через коллектор поступают в каталитический реактор, где при температуре 250 - 350С иа поверхности катализатора протекают реакции окисления окиси углерода и углеводородов до безопасных продуктов СС>2 и Н2О. Катализатор представляет собой слой металлической стружки с нанесенными на ее поверхность соединениями палладия.
Одновременно с процессом нейтрализации па поверхности катализатора происходит отложение частиц сажи.
Из реактора выхлопные газы поступают в газопромыватель, который представляет собой аппарат пенного типа. В процессе взаимодействия газа с водой, поступающей па орошение, происходит интенсивное охлаждение выхлопных газов, очистка от сажи и частичное поглощение оксидов азота (в основном NOj). Загрязненная вода самотеком поступает на флотатор для осветления и нейтрализации вредных примесей. Температура выхлопных газов на выходе из газопромывателя составляет 60 - 80С.
Далее выхлопные газы поступают в абсорбер, который представляет собой колонный аппарат, оборудованный теило-массообменными контактными устройствами (тарелками).
На верхнюю тарелку абсорбера подастся поглотительный раствор (абсорбент), который последовательно самотеком перетекает с выше расположенной тарелки па ниже расположенную. В процессе взаимодействия газа с абсорбентом на тарелке образуется пенный слой с развитой поверхностью контакта фаз. В абсорбере выхлопные газы очищаются от NOx и от остаточного количества сажи.
Нижняя секция абсорбера оборудована теплообмениыми элементами дли отвода тепла, поступающего в абсорбер с выхлопными газами. Из абсорбера выхлопные газы с температурой 30С выбрасываются в трубу и далее - в атмосферу.
Поглотительный раствор (абсорбент) циркулирует в системе "сборник абсорбента - насос - абсорбер". По мере связывания активных компонентов поглотительная емкость раствора уменьшается, в растворе накапливаются продукты сгорания и сажа. "Свежий" поглотительный раствор приготовляется в емкости и периодически подается в сборник после удаления оттуда отработавшего абсорбента на очистные сооружения.
По данным, приведенным в [62], суммарная степень очистки выхлопных газов но отдельным вредным компонентам составляет: от окислов азота - 70%, от оксида углерода и углеводородов - 95%, от сажи - 99%. При этом газоочистная установка обеспечивает снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах до санитарных норм при условии одновременной работы не более 10 стендов.
Недостатками этого способа являются: применение в качестве катализатора дорогостоящих соединений палладия; необходимость периодической очистки поверхности катализатора от отложений; необходимость устройства дополнительной системы для приготовления и подачи в абсорбер поглотительного раствора и удаления отработавшего абсорбента на очистные сооружения.
Таким образом, проведенный обзор технической литературы позволил выявить основные способы, применяемые для очистки выхлопных газов от сажи при установке предназначенных для этого устройств непосредственно после коллектора отходящих газов.
Как правило, в этих случаях применяемые в основном методы сажсулав-ливаия (электростатические, пористые фильтры, каталитические, дожит) достаточно высокие по стоимости, требуют высоких эксплуатационных затрат и занимают значительные площади в производственных помещениях. Поэтому наиболее приемлемыми являются динамические методы.
1.3. Анализ эффективности аппаратов, применяемых для улавливания сажи
Опыт эксплуатации рукавных фильтров в системах очистки технического углерода показал, что они имеют достаточно высокую эффективность улавливания (до 99%). Применение стеклоткаиевых рукавов позволяет очищать газы при температурах до 200 - 300С. При этих условиях исключена конденсация влаги из газов, вызывающая коррозионное повреждение аппаратуры.
Однако, рукавные фильтры громоздки, занимают много места и требуют высококвалифицированного обслуживания. Кроме того, отмечается непостоянство эффективности очистки с течением времени.
Применение электрофильтров обеспечивает высокую эффективность улавливания, но требует значительных затрат, в том числе и на устройство полых скрубберов, в которых сажегазовая смесь после генератора охлаждается и разбавляется водяными парами [54].
В последние годы в России и за рубежом из средств сухой очистки получили распространение аппараты инерционного типа улавливания, как наиболее экономичные. Из них следует выделить вихревые пылеуловители па встречных закрученных потоках (ВЗП).
Внедрение вихревых пылеуловителей обусловлено рядом преимуществ по сравнению с циклонными: более высокая степень улавливания мелкодисперсной пыли; меньшая чувствительность фракционной эффективности к колебаниям расхода газа и концентрации пыли в нем; меньшая степень абразивного износа аппарата; большая удельная производительность; возможность более эффективной очистки горячих газов и регулирования процесса пылеулавливания изменением соотношений расходов газа через потоки [44]. Циклоны, аналогичные по производительности вихревым пылеуловителям, имеют значительно большие габариты и характеризуются меньшей эффективности улавливания.
Характерное отличие пылеуловителя со встречными закрученными потоками от циклонного аппарата состоит в том, что кроме традиционного тангенциального ввода запыленного воздуха, осуществляется ввод вторичного потока по оси аппарата в нижней его части.
Вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками состоит из цилиндрического корпуса, включающего в себя непосредственно сспара-ционную и послссспарапионную камеры и цилиндрический пылесборпик в нижней части аппарата.
Запыленный газ поступает в аппарат по двум вводам одновременно: первичный поток по осевому патрубку в нижней части аппарата, снабженному завихрителем, вторичный поток - по патрубку, расположенному в верхней части аппарата, где находится также осевой вывод очищенного газа. Поступивший в пылеуловитель запыленный газ закручивается завихрителем. Под действием центробежных сил частички пыли перемещаются к стенкам аппарата, где попадают в зону вращения вторичного закрученного потока. Взаимодействие потоков газа усиливают центробежные силы, действующие на частицы пыли, которая отбрасывается и, достигая стенки цилиндрического корпуса, направляется в нижнюю часть аппарата (иылесборпик) под отбойную шайбу. Очищенный газ выводится через осевой коаксиальный вывод вверху аппарата. Вращение потоков внутри аппарата имеет одно направление [59].
Качество очистки газа в таком аппарате зависит от величины центробежной силы, выбрасывающей частицы пыли из потока, поэтому многие авторы разработок конструкций вихревых пылеуловителей большое внимание уделяют конструктивному оформлению узлов ввода первичного и вторичного потока газопылевой смеси, разработке внутренних устройств, позволяющих увеличить закрученностъ потоков [60].
Вихревой пылеуловитель па встречных закрученных потоках (ВЗП), конструкция которого представлена на рис. 1.7, имеет цилиндрический корпус 1, к нижней части которого присоединен газоход 2 очищаемого первичного потока, заканчивающийся тангенциальным завихрителем 3, в цилиндрической части которого расположены радиальные окна 4 с козырьками. Тангенциальный закручиватель заканчивается лопаточным закручивателем 5. На цилиндре б вокруг тангенциального закручиватсля закреплена отбойная шайба 7. Лопаточный завихритсль 5 снабжен обтекателем 8, выполненным в виде цилиндрической трубки с конусным концом. В верхней части аппарата размещен патрубок ввода вторичного потока 9, выполненный тангенциально и
патрубок для вывода очищенного газа 10, выполненный коаксиалыю корпусу. В нижней части аппарата размещен бункер 11 для сбора уловленной пыли.
Рис, 1,7. Вихревой пылеуловитель ПВ ВЗП: 1 - корпус; 2 - газоход первичного потока; 3 - закручиватель первичного потока; 4-радиальные окна; 5 - лопаточный закручиватель; 6 - цилиндр; 7 - отбойная шайба; 8 -обтекатель; 9 - ввод вторичного потока; 10 - выход очищенного газа; 11 - бункер
Пылеуловитель работает следующим образом. Первичный запыленный поток входит в нижнюю часть аппарата через тангенциально расположенный патрубок 2, попадает в тангенциальный завихритель 3, и в его цилиндрической части разделяется на два потока; первый с повышенной концентрацией пыли вращается в периферийной зоне и через радиальные окна 4, образованные отогнутыми козырьками, выходит в кольцевой канал между цилиндрической частью тангенциального завихрителя 3 и наружным цилиндром 6, а затем в сспарационную камеру; второй ноток с пониженным содержанием пыли
дополнительно закручивается лопаточным закручивателем 5 и после выхода в сспарациопную камеру оттесняет первый поток к периферии, чем повышается эффективность улавливания. Обтекатель 8 служит для предотвращения образования зоны обратных токов в центральной части выходящего из завихрителя 5 закрученного потока, вытесняет улавливаемые частицы из приосевого малоактивного пространства. Сверху вниз, вращаясь в том же направлении движется вторичный запыленный поток, который перемещает частицы уловленной пыли в бункер 11 под отбойную шайбу 7. Очищенный газ по коаксиальному газоходу 10 в верхней части аппарата выносится из пылеуловителя. Вращение всех потоков внутри аппарата имеет одно направление.
Одной из разновидностей аппаратов на встречных закрученных потоках является пылеуловитель-коллектор КП-ВЗП [28, 32, 58, 93,104]. Такие аппараты наиболее удобны в разветвленных системах аспирации и пневмотранспорта.
Вихревой пылеуловитель-коллектор [93] работает следующим образом. Вторичный поток газа подастся на очистку в корпус через тангенциально установленные три патрубка, благодаря чему он закручивается и движется по спирали сверху вниз. Первичный поток очищаемого газа подается на очистку в корпус через тангенциально отдельно установленный патрубок, закручивается завихрителем и движется по спирали, снизу вверх расширяясь от центра к стенкам корпуса. Под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются к стенкам корпуса. Взаимодействие первичного и вторичного потоков очищаемого газа усиливает центробежные силы, действующие на частицы пыли. При этом под действием центробежных сил и сил земного тяготения частицы пыли движутся винтообразно по спирали сверху вниз и от центра к стенкам корпуса и направляются в пылесборник. Часть частиц пыли, попадая па коническую отбойную шайбу, скользит по ее наклонной поверхности и через кольцевой зазор между стенками корпуса и отбойной шайбой попадает в конический пылесборник. Очищенный газ выводится через
осевой вывод в верхней части корпуса. Пылеуловитель-коллектор позволяет повысить надежность и эффективность пылеулавливания.
Вихревой пылеуловитель, разработанный Киселевым с соавторами [111], отличается тем, что газопровод подачи загрязненного газа снабжен коаксиалыю размещенной в его полости трубкой, соединяющей бункер с зоной разряжения завихрителя, причем для регулирования количества отсасываемого из бункера газа трубка снабжена регулирующим устройством (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Вихревой пылеуловитель
Под действием центробежных сил пыль концентрируется в периферийных слоях основного потока и вторичным потоком газа транспортируется в бункер 7. Часть газа из бункерного пространства через трубку 8 и регулирующее устройство 9 поступает в зону разряжения, создаваемую завихрителем, и смешивается с основным потоком очищаемого газа. С помощью регулирующего устройства 9 количество отсасываемого из бункера газа может изменятся.
Такая конструкция позволяет увеличить степень пылеулавливания за счет дополнительного сепарирования части восходящего газового потока, возвращаемого в зону сепарации без специальных механических отсасывающих устройств.
Описанный пылеуловитель (рис. 1.8) стал основой для разработки усовершенствованных конструкций вихревых пылеуловителей.
Авторы Сажин Б.С., Белоусов А.Г. и др. [90] предлагают следующее техническое решение узла ввода первичного потока для улучшения структуры потоков в пылесборной камере (рис. 1.9).
Ввод газа в нижней части аппарата осуществляется через колеиообраз-иую подводящую трубу 7, которая установлена с углом не менее 147,5 к центральному вводу 3 и соединена с ним изогнутым участком 8, расположенным ниже цилиндрической части 9 пылесборной камеры 2.
Ввод вторичного потока осуществляется через цилиндроконическую вставку 12 и лопаточный завихритель 13. Конструкция вводов центрального и периферийного потоков позволяет реализовать в аппарате режим течения, который наиболее выгоден сточки зрения эффективности пылеулавливания.
Рис. 1.9. Вихревой пылеуловитель
Часть потока проходит в пространство пылссборпой камеры, образуя закрученное течение в цилиндрической части 9 пылссборпой камеры. В результате происходит практически полная сепарация пыли в пылссборпой камере, так как закрученный поток перемещает частицы к стенкам, уменьшая вторичный унос.
Конструкция позволяет осуществить предварительную обработку запыленных потоков до ввода в сепарациониую камеру, т. е. улучшить условия подачи материала. Эффективности очистки газа до 98-99% при одновременном снижении в 1,5-2 раза удельных затрат.
Авторами В.Н. Мартьяновым, В.Н. Азаровым, и Е.И. Богуславским [93] предложена конструкция вихревого пылеуловителя с пысокой надежностью и эффективностью пылеулавливания. Кроме того, данный аппарат работает как коллектор. Известно, что если вес ответвления вентиляционной сети будут подключены к одному сборнику или коллектору, то надежность ее работы повышается.
Вихревой коллектор-пылеуловитель (рис.1.10) содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого расположены тангенциальный ввод вторичного потока очищаемого газа, выполненный в виде нескольких отдельно друг от друга установленных иа поверхности цилиндрического корпуса по его высоте патрубков, и осевой вывод очищенного газа. В нижней части корпуса расположены конический пылесборник и осевой ввод первичного потока очищаемого газа с размещенной на нем отбойной шайбой.
Отличием является то, что патрубки тангенциального ввода вторичного потока очищаемого газа (3, 4, 5) установлены на поверхности цилиндрического корпуса в один ряд по винтовой линии в направлении закручивания газа со смещением друг от друга по кругу через 120.
Осевой ввод первичного потока очищаемого газа содержит люк для осмотра с диаметром равным 0,7-0,8 диаметра трубы и подводящий газ патрубок,
который выполнен с прямоугольным поперечным сечением сторон 1:1,5-2,0 и установлен тангенциально к трубе осевого ввода. Отбойная шайба выполнена конусной, большой диаметр которой равен 0,8-0,9 диаметра корпуса.
I /
1 ! I
Рис. 1.10. Вихревой коллектор-пылеуловитель
Кроме того, первый сверху патрубок 2 тангенциального ввода вторичного потока очищаемого газа имеет прямоугольное сечение с соотношением сторон 1:1,5-2,0, а каждый из остальных патрубков тангенциального ввода имеет круглое поперечное сечение с диаметром, равным половине или меньше половины разности между диаметром корпуса и диаметром осевого вывода очищаемого газа.
Анализ патентных материалов показывает, что одним из основных на-
правлений совершенствования пылеуловителей является изменение конструкции узла ввода первичного потока запыленного газа, а также разработка внутренних устройств, обеспечивающих закручивание потока, создание значительной центробежной силы, действующей на частицы пыли и, как следствие, эффективную очистку технологических газов различных производств.
Так, В.Н. Азаровым, Б.Т. Донченко, С.А. Кошкаревьш, B.II. Мартьяновым предложена конструкция вихревого пылеуловителя, совокупность технических решений которого защищена патентом Российской Федерации №2124384 [91]. На рис. 1.11 показан общий вид пылеуловителя.
Рис. 1.11. Вихревой пылеуловитель
Отличием является то, что патрубки вводов очищаемых потоков газа (первичного 3 и вторичного 5) и патрубок рециркуляционного вывода газа 10 выполнены с прямоугольным поперечным сечением и тангенциально подсоединены к цилиндрическим поверхностям элементов пылеуловителя. Отбойная шайба 8 представлена в виде пустотелого усеченного конуса: под отбойной шайбой установлен цилиндрический короб, полость которого
сообщена с полостью рециркуляционого вывода газа. Ввод очищаемого первичного потока газа 3 осуществляется в виде двух прямых и одного среднего криволинейного участков. В торцевой части начального прямого участка выполнен люк осмотра и завихритель 4 в виде ленточной спирали. Конструкция позволяет повысить надежность работы пылеуловителя и эффективность пылеотделения.
1.4. Выбор направления исследований
Как показал проведенный анализ, при решении вопросов очистки выхлопных газов двигателя основное внимание уделяется нейтрализации газовых компонентов. Предлагаемый для этого каталитический способ очистки является дорогостоящим, вследствие применения драгоценных металлов или их соединений, и обеспечивает эффективность улавливания сажи в пределах 54 - 80%.
Кроме того, одновременно с процессом нейтрализации газовых компонентов происходит отложение частиц сажи на поверхности катализатора, что увеличивает продолжительность периодической очистки катализатора от отложений.
Анализ способов очистки промышленных газов от сажи показал, что применяемые, в основном, для этой цели аппараты характеризуются либо высокой степенью очистки при значительных капитальных и эксплуатационных затратах (электрофильтры, рукавные фильтры), либо незначительной эффективностью, но при снижении затрат (циклоны).
Перечисленные выше факторы обусловили выбор направления исследований: разработка и обоснование выбора инженерно-экологической системы, позволяющей обеспечить высокую эффективность улавливания сажи из выхлопных газов двигателей на испытательной станции при минимальных затратах материальных ресурсов; изучение и оптимизация режимов работы системы.
1.5. Выводы по первой главе
Анализ особенностей технологического процесса испытания двигателей на моторных заводах как источника выделений вредных веществ показал, что отработавшие газы, отводимые системами локализующей вентиляции от испытательных станций моторных заводов, содержат около 280 компонентов. В их состав входят; оксиды азота (удельные выделения от одного дизельного двигателя при установившемся режиме в условиях испытательного стенда составляют 8-30 г/(кВт/ч)), оксид углерода (удельные выделения 2-20 г/(кВт/ч)), сернистый ангидрид (0,4 - 2,5 г/(кВт/ч)), углеводороды и т.д., а также твердые частицы, в том числе сажа, удельные выделения которой - 0,2 - 2 г/(кВт/ч). Частицы сажи, содержащиеся в выхлопных газах, обладают повышенной токсичностью, так как на их поверхности адсорбируются канцерогенные вещества.
На основании проведенного литературно-патентного обзора определены достоинства и недостатки существующих методов очистки выбросов от газовых компонентов и от сажи. Анализ методов очистки выбросоо от сажи показал, что в основном используются электрофильтры и мокрые пылеуловители.
Установлено, что для очистки выбросов испытательных станций моторного завода от газовых компонентов, как правило, используется метод каталитической нейтрализации. Однако, его использование в системах локализующей вентиляции моторных заводов ограничивается высоким содержанием сажи в выбросах. В связи с чем необходимо добиться максимального снижения содержания сажи в отработавших газах перед нейтрализацией газовых компонентов.
Проведенный анализ позволил определить выбор направления исследования по совершенствованию установок очистки газовоздушной смеси
перед выбросом в атмосферу в системах локализующей вентиляции испытательных станций дизельных двигателей.
Анализ существующих способов очистки выбросов от сажи
Среди существующих способов очистки газовоздушных смесей от сажи можно выделить следующие: - сухое механическое инерционное улавливание; - мокрое улавливание; - фильтрация (рукавные, волокнистые и др. фильтры); - электрическое улавливание; - термическая, термокаталитическая очистка; - сорбционный (химический) метод очистки; и увлажнения поступает в трехпольный электрофильтр СГ, где часть технического углерода осаждается, и происходит электрическая коагуляция частиц. Дальнейшая очистка газов осуществляется в двух последовательно установленных циклонах типа СК-ЦН-34. Уловленный в циклонах технический углерод поступает в систему пневмотранспорта. Газ для пневмотранспортирования отбирается от напорной линии. В системе пневмотранспорта установлен циклон, в котором технический углерод отделяется от транспортирующего потока и через шлюзовой затвор подается в шнек электрофильтра, а газ направляется на доочистку в электрофильтр.
Нарис. 1.5 показана схема улавливания сажи с циклонами и рукавными фильтрами. опные газы от двигателя через коллектор поступают в каталитический реактор, где при температуре 250 - 350С иа поверхности катализатора протекают реакции окисления окиси углерода и углеводородов до безопасных продуктов СС 2 и Н2О. Катализатор представляет собой слой металлической стружки с нанесенными на ее поверхность соединениями палладия.
Одновременно с процессом нейтрализации па поверхности катализатора происходит отложение частиц сажи.
Из реактора выхлопные газы поступают в газопромыватель, который представляет собой аппарат пенного типа. В процессе взаимодействия газа с водой, поступающей па орошение, происходит интенсивное охлаждение выхлопных газов, очистка от сажи и частичное поглощение оксидов азота (в основном NOj). Загрязненная вода самотеком поступает на флотатор для осветления и нейтрализации вредных примесей. Температура выхлопных газов на выходе из газопромывателя составляет 60 - 80С.
Далее выхлопные газы поступают в абсорбер, который представляет собой колонный аппарат, оборудованный теило-массообменными контактными устройствами (тарелками).
На верхнюю тарелку абсорбера подастся поглотительный раствор (абсорбент), который последовательно самотеком перетекает с выше расположенной тарелки па ниже расположенную. В процессе взаимодействия газа с абсорбентом на тарелке образуется пенный слой с развитой поверхностью контакта фаз. В абсорбере выхлопные газы очищаются от NOx и от остаточного количества сажи.
Нижняя секция абсорбера оборудована теплообмениыми элементами дли отвода тепла, поступающего в абсорбер с выхлопными газами. Из абсорбера выхлопные газы с температурой 30С выбрасываются в трубу и далее - в атмосферу.
Поглотительный раствор (абсорбент) циркулирует в системе "сборник абсорбента - насос - абсорбер". По мере связывания активных компонентов поглотительная емкость раствора уменьшается, в растворе накапливаются продукты сгорания и сажа. "Свежий" поглотительный раствор приготовляется в емкости и периодически подается в сборник после удаления оттуда отработавшего абсорбента на очистные сооружения.
По данным, приведенным в [62], суммарная степень очистки выхлопных газов но отдельным вредным компонентам составляет: от окислов азота - 70%, от оксида углерода и углеводородов - 95%, от сажи - 99%. При этом газоочистная установка обеспечивает снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах до санитарных норм при условии одновременной работы не более 10 стендов.
Недостатками этого способа являются: применение в качестве катализатора дорогостоящих соединений палладия; необходимость периодической очистки поверхности катализатора от отложений; необходимость устройства дополнительной системы для приготовления и подачи в абсорбер поглотительного раствора и удаления отработавшего абсорбента на очистные сооружения.
Таким образом, проведенный обзор технической литературы позволил выявить основные способы, применяемые для очистки выхлопных газов от сажи при установке предназначенных для этого устройств непосредственно после коллектора отходящих газов.
Как правило, в этих случаях применяемые в основном методы сажсулав-ливаия (электростатические, пористые фильтры, каталитические, дожит) достаточно высокие по стоимости, требуют высоких эксплуатационных затрат и занимают значительные площади в производственных помещениях. Поэтому наиболее приемлемыми являются динамические методы.
Исследование дисперсного состава сажи в отработавших газах
Обработка микрофотографий включала в себя определение эквивалентных диаметров и подсчёт числа частиц на микрофотографиях; распределение частиц по размерам в заданных размерных сетках; математическую обработку результатов с построением дифференциальных и интегральных кривых распределения [3,36].
В табл. 2.1 и на рис. 2.2 - 2,8 приведены результаты проведенного дисперсионного анализа сажи, отобранной из системы аспирации, обслуживающей испытательные станции дизельных двигателей на Волгоградском моторном заводе.
На рис. 2.2 представлены изображения частиц сажи в выхлопных газах, полученные в результате микрофотографирования. С учётом неправильной геометрической формы эквивалентный размер частиц определялся с помощью среднего проектированного диаметра, который вычислялся как диаметр круга, площадь которого равна площади изображения проекции частицы на микрофотографии [3,36]. В табл. 2.1 приведены результаты измерения размеров частиц, а также результаты определения основных параметров распределения: среднего размера совокупности частиц dj, показателей однородности распределения среднего квадратичного отклонения с ) и коэффициента вариации у.
Графическое изображение результатов дисперсионного анализа представлено в виде дифференциальной кривой плотности распределения (p„(dj числа частиц по диаметрам на рис. 2.3. На рис. 2.4 - 2.7 показаны кривые распределения D(dn) массы по диаметрам частиц. При этом в основу перехода от распределения по числу частиц к массовому распределению положена пропорциональность массы величине ,)3. С целью выявления аналитической зависимости, наиболее четко описывающей распределение, полученное при анализе дисперсного состава, экспериментальные точки нанесены на логарифмически вероятностную (рис. 2.4), на двойную логарифмическую (рис. 2.5), на логарифмическую (рис. 2.6) координатные сетки и на координатную сетку, отвечающую распределению по исправленной формуле Ромашова (рис.2.7) [52].
Рис.2.3. Дифференциальная кривая плотности распределения числа частиц сажи по диаметрам фч(сЬг)
Спрямление интегральной кривой распределения D(d4)D координатной сетке, показанной на рис. 2.5, свидетельствует о том, что распределение массы по диаметрам частиц для сажи, содержащейся в выхлопных газах, в первом приближении может быть выражено формулой Ромашова [42].
Плотность распределения Фч(со) числа частиц по скоростям падения и плотность распределения р, (d ) числа частиц по диаметрам связаны соотношениями:
Чтобы получить плотность распределения ф,ДсІч) массы частиц по диаметрам, вернемся к выражению (2.6). Учитывая, что масса частицы равна rcd43p„/6, получим: где А - постоянная.
Функция распределения массы частиц по диаметрам в соответствии с уравнением (2.15) равна:
На рис. 2.8 представлены интегральные кривые функции прохода, характеризующие дисперсный состав сажи до улопитсля и после него в системе аспирации испытательных станций дизельных двигателей.
Из рис. 2.8. видно, что максимальный размер частиц пыли до системы сажеулавливания составляет 23 мкм, а после системы пылеочистки уменьшился до 13 мкм; S50 соответственно составляет 19мкм и 8мкм,
Фракционный состав твердой фазы в инженерно-экологических системах промышленных предприятий наиболее часто описывается функцией распределения D (d4) массы материала по диаметрам частиц d4, функцией плотности распределения q n(d4) числа частиц по диаметрам и рядом других. При этом основные теоретические распределения (потенциальное, логарифмически-нормальное, Ромашова, Розииа-Рамлсра-Шперлипга-Бенпста и др.) допускают преобразование координат такие, что D(d.,) в новой сетке имеет линейный вид. Например, логарифмически-нормальное распределение изображается прямой па сетке, где по оси ординат откладываются квантили вероятностной функции, по оси абсцисс - логарифм от размера частиц d4. Особо следует отметить, что, как правило, дисперсный состав ныли, отобранной из инженерно-экологических систем, может описываться в соответствующих координатах не прямой, а кусочно-линейной функцией. Анализ состава большинства промышленных пылей на различных участках систем аспирации и пылеулавливания, а также в выбросах в атмосферу показывает, что функция распределения D(d4) с высокой степенью точности может быть описана непрерывной ломаной линией.
Пусть D(D(d4)) и d(d4) - монотонные, непрерывные функции преобразования координат (d.,, D(d4)) в (d, D). В новой системе координат интегральную кривую, состоящую, например, из двух участков ломаной, можно находить методом наименьших квадратов. Пусть, например, Di„.DN -значения интегральной функции, полученные в результате замеров в точках dj ...d .
Экспериментальные исследования эффективности саже улавливания систем с использованием сажеуловителей- разделителей и аппаратов ВИП
ЭксперименталЕныс исследования эффективности вихревого инерционного сажеуловителя со встречными закрученными потоками для сажи с посторонними включениями проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 3.5.
Основным элементом установки является вихревой инерционный сажеуловитель со встречными закрученными потоками ВИП 1, имеющий цилиндрический корпус диаметром 180 мм. Размеры основных элементов (высота и ширина верхнего ввода первичного потока; диаметр патрубка нижнего ввода вторичного потока; диаметр отбойной шайбы и т.д.) приняты в соответствии с соотношением конструктивных параметров, характерных для аппаратов ВИП [6, 86]. Перед вихревым аппаратом 1 имеется узел приготовления сажевоздушной смеси 2. Расход воздуха, поступающего в систему, регулируется шибером 3. Соотношение расходов сажевоздушной смеси в верхних и нижних вводах в аппарат регулируется шибером 4.
Для закручивания вторичного потока па нижнем вводе в сажеулавливаю-щий аппарата установлен завихритель ленточно-спиралыюго типа 5, обеспечивающий необходимый угол раскрытия струи и устойчивость потока. Сажеуловитель 1 снабжен бункером 6 для приема уловленной сажи. Па воздуховодах первичного и вторичного потоков, очищенного газа для проведения замеров установлены штуцеры 7 с завинчивающимися крышками.
Экспериментальные замеры проводились в соответствии с принятыми стандартными методиками.
По величинам давлений, измеряемых в воздуховодах при помощи трубок Прандтля и микроманометров ММН-250, определялись: общий расход воздуха в установке; соотношение расходов сажегазовой смеси в верхних и нижних вводах сажеулавливающего аппарата; расход воздуха, отсасываемого из бункера сажеуловителя; аэродинамические характеристики.
Оценка эффективности улавливания осуществлялась на основе сопоставления массы поступающей и выходящей сажи, определяемых путем отбора проб и измерений в замерных сечениях воздуховодов. Для измерения запыленности использовался стандартный комплект пылезаборного оборудования, разработанного и изготовленного НИИОГАЗ. Отбор проб осуществлялся одновременно во всех замерных сечениях, чем обеспечивалась идентичность отбора проб в каждом из сечений режиму работы системы и поступления сажи [26, 76]. При проведении исследований методами планирования эксперимента [24] на основании проведенного с позиций вероятностно-стохастического подхода теоретического анализа процесса сажсулавливания в вихревом инерционном аппарате со встречными закрученными потоками с отсосом из бункера в качестве варьируемых факторов были выбраны: xi - расход газа, поступающего па очистку, м3/ч; Х2 - соотношение расходов воздуха, подаваемого в аппарат через верхний и нижний ввод; ХІ - соотношение формпараметров закрутки в верхнем и нижнем вводах; х - концентрация сажи в верхнем входящем потоке воздуха, мг/м ; х5 - концентрация сажи в нижнем входящем потоке воздуха, мг/м3.
На первом этапе был реализован полный факторный эксперимент первого порядка типа 3" (где и = 5 - число факторов). Для получения математической модели области оптимума в виде уравнения второго порядка на втором этапе ЭксперименталЕ ныс исследования эффективности вихревого инерционного сажеуловителя со встречными закрученными потоками для сажи с посторонними включениями проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 3.5.
Основным элементом установки является вихревой инерционный сажеуловитель со встречными закрученными потоками ВИП 1, имеющий цилиндрический корпус диаметром 180 мм. Размеры основных элементов (высота и ширина верхнего ввода первичного потока; диаметр патрубка нижнего ввода вторичного потока; диаметр отбойной шайбы и т.д.) приняты в соответствии с соотношением конструктивных параметров, характерных для аппаратов ВИП [6, 86]. Перед вихревым аппаратом 1 имеется узел приготовления сажевоздушной смеси 2. Расход воздуха, поступающего в систему, регулируется шибером 3. Соотношение расходов сажевоздушной смеси в верхних и нижних вводах в аппарат регулируется шибером 4.
Для закручивания вторичного потока па нижнем вводе в сажеулавливаю-щий аппарата установлен завихритель ленточно-спиралыюго типа 5, обеспечивающий необходимый угол раскрытия струи и устойчивость потока. Сажеуловитель 1 снабжен бункером 6 для приема уловленной сажи. Па воздуховодах первичного и вторичного потоков, очищенного газа для проведения замеров установлены штуцеры 7 с завинчивающимися крышками.
Экспериментальные замеры проводились в соответствии с принятыми стандартными методиками.
По величинам давлений, измеряемых в воздуховодах при помощи трубок Прандтля и микроманометров ММН-250, определялись: общий расход воздуха в установке; соотношение расходов сажегазовой смеси в верхних и нижних вводах сажеулавливающего аппарата; расход воздуха, отсасываемого из бункера сажеуловителя; аэродинамические характеристики.
Оценка эффективности улавливания осуществлялась на основе сопоставления массы поступающей и выходящей сажи, определяемых путем отбора проб и измерений в замерных сечениях воздуховодов. Для измерения запыленности использовался стандартный комплект пылезаборного оборудования, разработанного и изготовленного НИИОГАЗ. Отбор проб осуществлялся одновременно во всех замерных сечениях, чем обеспечивалась идентичность отбора проб в каждом из сечений режиму работы системы и поступления сажи [26, 76]. При проведении исследований методами планирования эксперимента [24] на основании проведенного с позиций вероятностно-стохастического подхода теоретического анализа процесса сажсулавливания в вихревом инерционном аппарате со встречными закрученными потоками с отсосом из бункера в качестве варьируемых факторов были выбраны: xi - расход газа, поступающего па очистку, м3/ч; Х2 - соотношение расходов воздуха, подаваемого в аппарат через верхний и нижний ввод; ХІ - соотношение формпараметров закрутки в верхнем и нижнем вводах; х - концентрация сажи в верхнем входящем потоке воздуха, мг/м ; х5 - концентрация сажи в нижнем входящем потоке воздуха, мг/м3.
На первом этапе был реализован полный факторный эксперимент первого порядка типа 3" (где и = 5 - число факторов). Для получения математической модели области оптимума в виде уравнения второго порядка на втором этапе исследований был реализован центральный композиционный ортогональный план второго порядка.
При числе степеней свободы, равном 5, проведена оценка дисперсий факторов, онределешл коэффициенты уравнения регрессии, доверительный интервал и средняя квадратическая ошибка в определении этих коэффициентов. Полученные результаты показали, что коэффициенты взаимодействия значимы и линейная модель неадекватна.
С учетом этого был сделан вывод о необходимости аппроксимации функции отклика- эффективности улавливания полиномами второго и третьего порядка [36, 68, 83] с удовлетворительной дисперсией воспроизводимости (R2 = 0,98 - 0,99).
Конструктивные решения сажеуловителей-разделителей
В конструкциях вихревых аппаратов традиционным является вертикальное расположение корпуса с нижним основным и верхним (боковым) вводом вспомогательного потока газа. Однако в патентной литературе имеется информация о технических решениях, в которых предусмотрено горизонтальное расположение цилиндрического корпуса вихревого сажеуловителя.
Известен горизонтальный сепаратор, содержащий загрузочное устройство и несколько последовательно установленных цилиндрических рабочих камер с закручивающими аппаратами и сборниками фракций. Цилиндрические рабочие камеры выполнены с отсекающими конусами и с последовательно увеличивающимися по ходу воздушного потока диаметрами.
Кроме того, известен сепаратор, содержащий цилиндрический корпус, расположенный горизонтально и образующий в его полости вихревую камеру. Завихритель установлен в патрубке ввода загрязненного газа, вокруг которого размещены кольцевые концентрические перегородки. Патрубок вывода чистого газа расположен по оси корпуса и заглублен в его полость. Сажеиыпускные патрубки и сборники фракций расположены в зоне патрубка ввода загрязненного газа и в зоне патрубка вывода очищенного газа.
Однако, недостатком известных горизонтальных сепараторов является недостаточная эффективность улавливания.
Например, в [104] предложено устройство для выделения взвешенных частиц сажи из потока загрязненного газа и одновременного разделения их на фракции. Сепаратор (рис. 4.4) содержит цилиндрический корпус 1, расположенный горизонтально и имеющий в своей полости вихревую камеру. Загрязненный газ поступает по основному 2 и вспомогательному 3 вертикальным вводам. Основной ввод установлен тангенциально к корпусу, его выход направлен в сторону патрубка вывода чистого газа 4, расположенного но оси корпуса. На выходе вспомогательного вертикального ввода установлена отбойная шайба 7, Ближе к торцу корпуса установлен дополнительный патрубок отсоса из сепарационной части чистого газа 5. Сажеуловитель-разделитель (сепаратор) снабжен двумя сборниками 8 и 9, тангенциально подсоединенных к корпусу, для сбора фракций, выделившихся в процессе очистки. Сажа с посторонними включениями в сборник поступает через продольную прорезь 11. При этом в сборнике 8 накапливаются металлические включения, в сборнике 9 - сажа. Рис. 4.4. Горизонтальный сажеуловитель-сепаратор: 1 - корпус; 2 - патрубок основного вертикального ввода; 3 - патрубок вспомогательного вертикального ввода; 4 - патрубок вывода чистого газа; 5 -дополнительный патрубок вывода чистого газа; 6 - закручиватсль; 7 -отбойная шайба; 8,9 - сборники фракций; 10 - торец корпуса; 11 -продольная прорезь Такая конструкция позволяет отделить сажу от металлических включений и использовать ее для производства резинотехнических изделий бытового назначения.
К устройствам для отделения сажи от газов или воздуха и отделения сажи от посторонних включений относится установка разделения [107], содержащая последовательно соединенные вентилятор, циклонный сепаратор и центробежный сажеуловитель. Циклонный сепаратор выполнен в виде многоступенчатого аппарата разделения, включающего, по крайней мере, три последовательно расположенные по направлению снизу вверх и заглубленные одна в другую цилиндрические ступени, верхняя из которых соединена осевым выходом со всасывающим отверстием вентилятора. Центробежный сажеуловитель выполнен с улиточной входной камерой, периферийным желобом и горизонтальной осевой трубой, на цилиндрической поверхности которой, в нижней ее части, выполнены винтовые прорези, под которыми установлены бункеры, выходы которых подключены тангенциально к соответствующим ступеням аппарата разделения.
Это позволяет повысить эффективность очистки и разделять уловленный продукт на сажу и металлические включения.
Похожие диссертации на Совершенствование систем очистки локализующей вентиляции испытательных станций моторного завода
