Высокотемпературная очистка дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов Гасанов, Зугум Сагидович

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор и анализ современной научно-технической литературы в области создания высокоэффективных установок очистки газов котельных, использующих в качестве топлива продуктов переработки отходов

1.1 Анализ способов пиролизной переработки отходов в различные виды топлива 13

1.2 Анализ схем высокотемпературной очистки дымовых газов 18

1.3 Анализ высокотемпературных фильтров 28

1.4 Выводы и постановка задач исследования 34

2 Разработка возможных направлений проведения высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов и методы исследований решаемой проблемы

2.1 Разработка принципиального решения высокоэффективной установки очистки газов котельных, использующих в качестве топлива продуктов переработки отходов 37

2.2 Выбор и характеристики компонентов химической очистки отходящих газов 45

2.3 Разработка методик экспериментальных исследований и лабораторные установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов 48

2.4 Выводы 57

3 Определение параметров процессов фильтрования и регенерации фильтровальных перегородок при высокотемпературной очистке дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов

3.1 Анализ и выбор высокотемпературных фильтровальных материалов для тонкой очистки дымовых газов

3.2 Исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра 72

3.3 Исследование работы высокотемпературного фильтра при изменении параметров эксплуатации установки комплексной очистки дымовых газов 81

3.4 Выводы 88

4 Разработка модели для экспериментальной установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов

4.1 Разработка прикладного программного продукта 90

4.1.1 Математическое моделирование процесса фильтрования аэрозолей с катализатором зернистыми фильтрами 91

4.1.2 Модели структур реальных зернистых слоев 91

4.2 Разработка моделей анализа и оптимизации параметров процесса 96

4.3 Математические модели глубинного фильтрования слабоконцентрированных высокодисперсных аэрозолей при нелинейных законах изменения коэффициента уноса 105

4.3.1 Моделирование процесса фильтрования аэрозолей зернистыми слоями с учетом диффузионного осаждения 108

4.4 Разработка программной документации на прикладное программное обеспечение для экспериментальной установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов 115

4.4.1 Особенности и специфика расчета 115

4.4.2 Описание программного обеспечения 117

4.5 Выводы 121

5 Разработка рекомендаций по использованию результатов в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках

5.1 Новые проектные решения и научные разработки для решения поставленной задачи 122

5.2 Разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов проведенной в реальном секторе экономики

5.2.1 Печи сжигания отходов 134

5.2.2 Керамическая промышленность 138

5.2.3 Производство цемента, извести, штукатурки, гипса 141

5.3 Оценка социально-экономической и экологической эффективности рекомендуемых решений 144

Основные выводы 149

Список использованных источников 151

• Анализ схем высокотемпературной очистки дымовых газов
• Разработка методик экспериментальных исследований и лабораторные установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов
• Исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра
• Математическое моделирование процесса фильтрования аэрозолей с катализатором зернистыми фильтрами

Введение к работе

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технического комплекса России на 2007—2013 годы» (государственный контракт ГК № 16.516.11.6129).

Актуальность темы. Появление новых технологических процессов, нарастающее загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления, а также повышение стоимости электроэнергии стимулировало в последние годы развитие отрасли переработки отходов с целью получения из них различных видов топлива для использования на тепловых электростанциях. Рекуперация энергии из сжигаемых отходов при средней их теплотворной способности около 10 МДж/кг обеспечивает дополнительные преимущества.

В качестве исходного сырья для получения топлива могут быть использованы отработанные масла, отходы переработки пищевых продуктов (птичий помет, кости и субстанции животных, свекловичный жом и т.д.), использованные шины, полимерная тара, отходы деревообрабатывающих предприятий и многое другое.

Утилизация тепла и энергии отработанных газов (например, с помощью теплообменников, расширительных турбин) обеспечивает экономию топлива на 7—15 %, удельных капиталовложений до 25 % и электроэнергии до 15 %. Однако непременным условием эффективной и надежной работы теплообменных аппаратов является осуществление высокотемпературной очистки газов с высокой степенью эффективности.

Так, например, в процессе газификации твердого топлива в системах с комбинированным циклом дымовые газы, поступающие на турбину, должны быть очищены до остаточной концентрации, не превышающей 4 мг/м³, причем 99 % частиц должно быть менее 6 мкм, а наличие частиц размером более 10 мкм в дымовых газах вообще не допускается. Такие жесткие нормы пыле- содержания можно обеспечить лишь методом очистки фильтровальными перегородками.

Имеющийся практический опыт использования высокотемпературной очистки показал, что, кроме утилизации тепла газов, потенциальные преимущества ее могут выражаться также в возможности:

1. повышения срока службы оборудования за счет эксплуатации его выше точки росы (в особенности кислотной);

2. экономии капитальных и эксплуатационных затрат;

3. повторного использования и рециркуляции очищенных горячих газов.

Высокотемпературная очистка газов фильтрами при температурах 500—

800 ^оС предлагает решение многих проблем, однако сам процесс фильтрования при этих температурах мало изучен, что не позволяет правильно выбрать эксплуатационные параметры работы фильтра.

Необходима объективная социально-экономическая оценка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов, что позволит в дальнейшем реализовать бизнес- планирование инновационных проектов.

Цель работы — разработка научно-технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов котельных.

Задачи исследования:

4. исследование кинетики процесса высокотемпературного фильтрования;

5. исследование зависимости эффективности работы системы регенерации высокотемпературного фильтра;

6. исследование очистки газов от комплекса токсичных компонентов и оценка влияния сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок;

7. исследование работы высокотемпературного фильтра при изменении параметров отходящих газов пиролизной установки;

8. исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра, что позволит создать прототип установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов.

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. Жужиковым, Т. А. Малиновской, И. Е. Идельчиком, Ю. В. Красовицким, А. Ю. Вальдбергом, и обеспечиваются использованием стандартизованных методов исследований, положительными результатами сопоставительного анализа расчетных, экспериментальных и литературных данных, а также проверкой предложенных решений в промышленных условиях. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20 % с доверительной вероятностью 0,95.

Научная новизна работы состоит в следующем:

8. 1. В соответствии с поставленной целью предложен, научно обоснован, разработан и реализован новый способ высокотемпературного фильтрования дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов; способ состоит в комплексной очистке от ряда вредных компонентов, способствующей высокоэффективному и энергосберегающему использованию фильтровальных перегородок различного типа;

   2. Разработана математическая модель процесса улавливания на фильтровальном элементе с работающим слоем катализатора и учётом диффузионного осаждения. Отличие модели от известных состоит в том, что включает уравнение для определения коэффициентов массоотдачи в слое катализатора с учётом режимов движения газового потока;

   3. На основании предложенной математической модели определены и экспериментально проверены условия регенерации различных фильтровальных материалов с разной концентрацией аэрозоля, скоростью подачи пылегазового потока, температурой процесса, видами катализатора, концентрацией и количеством подаваемого сорбента и давлением регенерирующего импульса при комплексной очистке дымовых газов с учетом сопутствующих массообменных процессов;

   4. Экспериментальная проверка подтверждает гидродинамическую обстановку и условия регенерации, возможность проведения процесса фильтрования с регулируемым перепадом давления на фильтровальной перегородке, а также показывает высокую эффективность комплексного улавливания твёрдых частиц и нейтрализации вредных газовых компонентов;

   5. Определено влияние сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию. Установлено, что при прохождении аэрозольного потока через слой катализатора, где протекает гетерогенная каталитическая реакция, частицы осаждаются в слое катализатора во много раз интенсивнее. Эффект осаждения аэрозолей с работающим катализатором определяется влиянием катализофореза, выраженного в совместном действии термофореза, диффу- зиофореза, электрофореза и фотофореза;

   6. Разработаны алгоритмы и программный комплекс расчёта процесса фильтрования с учётом осаждения на работающем слое катализатора. Интерфейс обеспечивает визуальный анализ работы установки и её режимные параметры, а также изменение гидравлического сопротивления слоя катализатора во времени.

   Практическая ценность диссертации. На основе предложенных моделей и экспериментальных исследований разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего фильтровального оборудования, обеспечивающие комплексную высокотемпературную очистку дымовых газов.

   Достоверность научных разработок подтверждена экспериментальными исследованиями в промышленных условиях (ОАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ООО НПП «АГК-ТК», Филиал ОАО «Татспиртпром» Тюрня- севского спиртзавода).

   Предложенные в работе технические решения внедрены на ОАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ООО «Придонхимстрой Известь» (г. Рос- сошь, Воронежская область), ООО «ТЕХИНМАШ.

   Для реализации высокотемпературных фильтров-пылеуловителей разработаны перспективные конструкции (пат. РФ 2437710, 109984, 109985, 109987), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

   Результаты работы также используются в учебном процессе Воронежского государственного университета инженерных технологий.

   Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010 г.); научно-практической конференции «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» (Воронеж, 2010 г.); XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производств» (ЭПАХПП-2011) (Воронеж, 2011 г.); 4-й международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011 г.); XI международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2011 г.); 3-й всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло- массообменных процессов, промышленная безопасность» (Казань, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012 г.).

   Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 5 научных статьях общим объёмом 13 страниц. Пять работ опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Новые огнеупоры», «Строительные материалы», «Химическое и нефтегазовое машиностроение».

   В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работах [1, 2, 5] показаны особенности и проблемы, возникающие при высокотемпературном фильтровании с использованием различных обработок и покрытий, и влияние их на регенерацию; в работе [3] предложены перспективные способы измерения влажности, температуры и подсосов воздуха в пылегазовых трактах; в работе [4] рассмотрены различные виды коагуляций частиц мелкодисперсной фазы и механизмы использования энергосберегающего пылеулавливания. Получено четыре патента РФ.

   Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и четырех приложений. Диссертация изложена на 175 страницах основного машинописного текста и содержит 55 рисунков и 15 таблиц.

   Анализ схем высокотемпературной очистки дымовых газов

   Высокотемпературный газ несет в себе большое количество теплоты, а при таких методах очистки газ теряет часть своего тепло, а другую часть выбрасывают в атмосферу, так как она не востребована в большинстве случаев, либо отсутствует возможность её использования. Теплоту можно аккумулировать на стадии очистки газа и использовать как вторичный источник энергии, пустив её на обогрев населённых пунктов, на турбину для выработки электроэнергии и

   ДР Предложен способ очистки отходящих из установок для сжигания мусора, промышленных отходов и осветлителей шламов газов, содержащих пыль, SO2, НС1, HP, Hg, диоксины, фураны и определенное количество кислорода. Способ заключается в том, что обеспыленные в электрофильтре газы с температурой 200 -500 С сначала обрабатываются в распылителе абсорбере суспензией Са(ОН)г и затем после выхода из абсорбера с температурой 60 - 180 С и остаточным содержанием SO2 20 - 500 мг/м3 подвергаются двухступенчатой фильтрационной очистке в тканевых фильтрах, причем перед поступлением на вторую ступень очистки в газы вводится тонкодисперсный активный кокс (размер зерен 1 - 200 мкм) в смеси с СаСОз и (или) летучей золой при их соотношении от 1:0,3 до 1:5. После выхода из второй ступени очистки газы дополнительно промываются в скруббере водой, растворами NaOH, ІЯагСОз или суспензией Са(ОНЬ или СаСОз. Предлагаемый способ позволяет в конечном итоге получить газ с остаточным содержанием пыли 10, SO2 30, НС1 10, HF 1, Hg 0,05 мг/м3 и 0,1 нг полигалогенизированных дибензодиоксина и дибензофурана [39].

   Предлагается система очистки дымовых газов котельной установки, работающей на угле, от SOx, NOx и твердых частиц. В поток дымовых газов перед экономайзером вводится сорбент, реагирующий с SOx, например, СаО или

   Са(ОН)2; температура в этой зоне может лежать в пределах 315 - 760 С. В результате реакции образуются CaS03, CaS04 и Н20. На входе дымовых газов в рукавный фильтр инжектируется NH3, который в присутствии 02 переводит NOx в N2 и Н20. Рукавный фильтр рассчитан на работу при температуре 260 - 400 С: фильтрующие элементы изготовлены из керамических нитей. Внутри фильтрующих элементов размещается катализатор. Дымовые газы проходят внутрь фильтрующих элементов, где происходит реакция NOx с NH3 на катализатор при температуре 260 - 400 С, а твердые частицы задерживаются на внешней ПВ фильтрующих элементов и периодически удаляются продувкой газом в обратном направлении. Приведены технологическая схема установки, конструкция фильтра и его детали, характеристики системы очистки [40].

   Для эффективного удаления S02 и др. загрязнений из образующихся при переработке нефти газов применён фильтр с послойной загрузкой. Состав газа, %, S02 1; 02 4; Н20 15; N2 80. Использован трубчатый фильтр диаметром 11 мм. Расход газа 360 - 500 см3/мин. Загрузка фильтра выполнена абсорбентом с частицами диаметром 0,25; 0,7 и 1,7 мм. Степень удаления S02 82%. Концентрация S02 в очищенных газах 20 мг/л [41].

   Предложен многоступенчатый способ очистки отходящих газов, содержащих пары воды, кислорода и вредных веществ типа галогенводородов, хлорированных углеводородов, NH3, SOx, NOx, соединений тяжелых металлов и т.д. Приведена и описана схема установки для реализации предлагаемого способа [42].

   Для очистки промышленных дымовых газов от пыли и вредных газообразных веществ (NOx, СО, CnHm и др.) предлагается использовать изготовляемые вакуумным формованием фильтры из керамических волокон, каталитически активированные оксидами металлов (оксидами Ti/V и Ti/Fe). Сообщено об исследованиях эффективности работы подобных фильтров при различных температуре газов (350 - 500 С), объемах проходящего через них газов и молярном отношении в них N03/NO [43].

   Описан метод контроля за содержанием SOx, NOx и твердых частиц в отходящих газах котельных электростанций [44].

   Описаны результаты фильтрации очистки дымовых газов из установок для сжигания медицинских отходов (операционных отходов, медикаментов и т. д.) от пыли, диоксинов, фуранов и ртути с применением в качестве фильтрационного материала полиакрилнитрилового войлока FFF Tamifeit 8187 - 02, выпускаемого фирмой Filzfabrik Fuld GmbH. С помощью этого материала количество пыли в дымовых газах удалось уменьшить с 500 до 1 мг/м3 (при допустимых значениях по нидерландским нормам RV 89-NL 10 мг/м3), диоксинов и фуранов с 2,2 до 0,05 нг/м3 (при допустимых значениях 0,1 нг/м3) и ртути с 240 до 20 мкг/м3 (при допустимых значениях 50 мкг/м3) [45].

   Предложен способ и технологическая схема установки для предупреждения образования канцерогенных многохлористых дибензодиоксинов и дибензофуранов в дымовых газах при сжигании веществ, выделяющих хлор и соляную кислоту. Приведены технологическая схема установки и ее модификации [46].

   Установка для очистки дымовых газов, образующихся при сжигании мусора, от пыли, оксидов серы и азота и галогенированных углеводородов [47].

   Предложена система очистки дымовых газов, образующихся при сжигании природного топлива, в частности, каменного угля, от SOx, NOx и золы. Приведена технологическая схема установки, конструкция рукавного фильтра и его детали, а также результаты очистки дымовых газов [48].

   Предложены способ и установка для каталитической очистки дымовых газов тепловых электростанций или установок для сжигания мусора от оксидов азота с помощью их восстановления аммиаком до N2 и Н20. Приведена и описана схема установки для реализации предлагаемого способа [49].

   В связи с ужесточением в Японии норматива на допустимое содержание диоксина в отходящих газах при сжигании твердых бытовых отходов (не выше 0,1 х10"9 г/м3), компания NKK предложила новую технологию по его извлечению. Приведены блок-схемы различных комбинаций упомянутых методов; дана подробная характеристика динамики физико-химических процессов, используемых в каждом методе [50].

   Разработка методик экспериментальных исследований и лабораторные установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов

   Простейшая схема (рис. 2.1) предусматривает применение абсорбера 1, орошаемого суспензией или раствором с последующим улавливанием оставшейся пыли и капель абсорбента в мокром электрофильтре 2 шлам, состоящий из солей и пыли, отводится с установки и подвергается захоронению. При необходимости вывода твердого шлама и возврата оборотной воды схема должна предусматривать узел сгущения шлама или фильтрации (центрифугирования) суспензии.

   При большой запыленности газа на первой ступени устанавливается фильтр 1 (рис. 2.2а), далее обеспыленный газ поступает в абсорбер 2, орошаемый поглотительной суспензией. Часть циркулирующей суспензии отводится в узел вывода шлама 3, подвергаемого захоронению, а осветленный раствор возвращается в узел приготовления абсорбента.

   Схема, представленная на рис. 2.26, применяется при необходимости обеспечить высокую эффективность очистки газа. Предварительно газ очищается в пылеулавливающем оборудовании (например, в циклоне 7), выбор которого определяется дисперсным составом и концентрацией пыли. Схема предусматривает двухступенчатую очистку газов. На первой ступени и цикле абсорбции 2 применяют суспензию щелочных отходов. Часть циркулирующей суспензии отводится в узел вывода шлама 4, подвергаемого захоронению, а осветленный раствор, также как и в предыдущей схеме, возвращается в узел приготовления абсорбента. Второй по ходу газа абсорбер 3 орошается раствором эффективного сорбента (Na2C03, Са(ОН)2 и др.). Часть циркулирующего отработанного раствора направляется в слив или на переработку.

   Другой вариант двухступенчатой очистки газов (рис. 2.2в), кроме двух абсорберов 3 и 4 предусматривает использование распылительной сушилки 1 на участке входа горячих дымовых газов, очищаемых в циклоне 2. На орошение в распылительную сушилку подается отработанная суспензия из первого по ходу газа абсорбера 3, за счет чего достигается частичная очистка газов и в этом узле. Снижение температуры очищаемого газа при тонком распылении суспензии сопровождается испарением влаги из отработанного абсорбента и получением твердой смеси пыли и солей, подвергаемой захоронению.

   Аналогичная схема с применением распылительной сушилки 1 и очисткой твердых продуктов в фильтре 2 используется и в одноступенчатой схеме абсорбции 3 (рис. 2.2г). При этом в узле абсорбции 3 могут быть применены растворы и суспензии как отходов, так и специально приготовленных сорбентов (Ма2СОз,Са(ОН)2ит.д.).

   Выбор метода очистки определяется технико-экономическим расчетом и зависит от ряда конкретных условий: концентрации вредного компонента в очищаемом газе и требуемой степени очистки, которая в свою очередь зависит от фонового загрязнения атмосферы в данном регионе; объемов очищаемых газов и их температуры; наличия сопутствующих газообразных примесей и пыли; потребности в тех или иных продуктах утилизации и наличия в достаточном количестве требуемого хемосорбента; наличия шламоотвала или мест для его сооружения; размеров площадей, имеющихся для сооружения газоочистной установки и т. д.

   В ряде случаев экономически оправданными становятся методы с использованием дешевых сорбентов - отходов основного производства. Часто это позволяет осуществить на практике мало- или безотходную технологию. В условиях осложненной экологической обстановки простые схемы газоочистки с использованием в качестве сорбентов отходов производств или дешевых и доступных природных сорбентов становятся единственно приемлемыми из-за отсутствия или крайней ограниченности производственных площадей на действующих предприятиях.

   По мере накопления опыта эксплуатации газоочистных установок, усовершенствования газоочистной и вспомогательной аппаратуры, оптимизации технологических параметров газоочистки, применения новых эффективных и дешевых поглотителей или добавок к ним и т. д. капитальные, и эксплуатационные затраты на процессы очистки отходящих газов снизятся. При использование в качестве пылезолоуловителя электрических фильтров существует проблема улавливания золы с низким и высоким удельным электрическим сопротивлением (УЭС). Такая проблема возникает, например, при улавливании хлопьев сожженной бумага, которые имеют УЭС ниже 104 Ом-см. Уловленные хлопья при очистке газов быстро разряжаются и попадают в газовый поток при регенерации электродов.

   В ряде случаев ожидается заметное нарушение процесса электрогазоочистки вследствие высокого значения УЭС, достигающего 10п Ом-см.

   Это прежде всего связано с наличием в золе окислов металлов А1203 и БегОз и относительно высокой температурой дымовых газов котельных агрегатов, достигающей 250 С.

   Поэтому с целью исключения появления обратной короны в электрофильтре и обеспечения высокой эффективности рекомендуется рабочие температуры принимать в пределах до 100 С. Сильная зависимость эффективности электрофильтра от величины УЭС золы явилась одной из главных причин, сдерживающих широкое применение электрической фильтрации дымовых газов мусоросжигательных котельных агрегатов.

   В предлагаемом процессе три загрязнителя (SOx, NOx и твердые частицы) удаляются из дымовых газов в высокотемпературном рукавном фильтре. Процесс включает в себя ввод сорбентов на основе кальция (СаСОз, Са(НСОз)2, Са(ОН)г, муравьинокислый кальций, пропионовокислый кальций, кальций-магний ацетат) и натрия для связывания S02, селективное каталитическое восстановление (СКВ) NOx с помощью аммиака (NH3) или аммиачных соединений (мочевина, (NH SOd, циануровая кислота и т. п.) и улавливание твердых частиц в высокотемпературном фильтре из волокон или гранул каталитически активированными оксидами металлов (оксидами Ті, V, Fe) с импульсной регенерацией (рис. 2.3).

   Исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра

   В процессе работы фильтра масса пыли на поверхности и в объеме пористой перегородки увеличивается, и соответственно растет гидравлическое сопротивление. В тот момент, когда оно достигнет заранее заданного оптимального значения, включается система регенерации, и пыль сбрасывается в бункер. При этом, однако, гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки не снижается до уровня сопротивления чистого материала. Постоянное изменение гидравлического сопротивления—одна из особенностей аппаратов фильтрующего типа.

   Продолжительность г фильтровального цикла — время, в течение которого в одном и том же фильтровальном элементе (секции) осуществляется непрерывный процесс фильтрования.

   Периодичность регенерации тмр — время, протекающее от начала регенерации одного и того же фильтровального элемента (секции) до начала следующего цикла регенерации этого же фильтровального элемента.

   Информационные функции системы автоматики регенерации фильтра включает в себя прямые измерения и косвенное определение параметров фильтруемого газового потока, главным образом концентрации пыли и расхода очищаемого газа.

   Кроме того, косвенно определяется отношение величины гидравлического сопротивление фильтра к расходу очищаемого газа.

   Система регенерации пылеулавливающего фильтра может быть рассчитана на работу в 3 режимах.

   Критерием работы системы регенерации в первом режиме является достижение гидравлического сопротивления фильтра АР ,, при котором система включается в работу. Критерием работы системы регенерации во втором режиме является величина, определяемая отношением гидравлического сопротивления фильтра к расходу газа через него. Q a = JKP (1) Величина, при которой начинается регенерация, подбирается при накладке фильтра. ЬР(ЬР\ Достижение V У Л? допускается при соблюдении условия . Третий режим регенерации осуществляется по циклической временной программе. При работе фильтра в третьем режиме возможно варьирование числа п циклов срабатывания продувочных клапанов.

   Неправильно спроектированная система регенерации не будет должным образом очищать фильтровальную перегородку, что приводит к более коротким интервалам между очистками.

   Неоптимальная очистка фильтров при соответствующей степени остаточной запыленности способствует увеличению энергозатрат и уменьшению срока службы фильтрующих элементов.

   В процессе регенерации при высоких температурах возникают два противоположных явления. Во-первых, из-за высоких температур пыль лишена как физически, так и химически связанной воды, что исключает действие капиллярных сил сцепления, делает ограниченной тенденцию образования агломератов и создает определенные трудности при осаждении пыли и удерживания ее на фильтровальной поверхности. Удаленная в результате регенерации с поверхности такая пыль не осаждается в бункер, а захватывается поступающим пылегазовым потоком и вновь транспортируется к фильтровальной поверхности, вследствие чего уменьшается время межрегенерационного периода, и гидравлическое сопротивление фильтра очень быстро понимается до критической отметки (рис. 3.13). #33 g

   Эту проблему может решить регенерация при отключенной газовой нагрузке, но такая схема связана с высокими аппаратурными затратами.

   Во втором случае при достаточно высоких температурах частицы пыли или золы могут существовать в расплавленном состоянии, образовывать когезионные контакты и, таким образом, относительно быстро забивать фильтровальные перегородки. Повьшіение давления пневмоимпульса не приводит к сколько-нибудь существенному росту эффективности регенерации (рис. 3.14).

   При этом пылевой осадок отделяется от фильтровальной поверхности в виде плотной корки (рис. 3.15), иногда с повреждением поверхности фильтровального материала (рис. 3.16).

   Исследование показали, что особо сильное прилипание частиц модельной пыли (рис. 3.18 б) происходит в диапазоне температур 650...700 С.

   На рис. 3.17 приведены зависимости AP=f(x) при импульсной регенерации для двух температур.

   При температуре 600 С интервалы времени между двумя регенерирующими импульсами сокращались с 10 мин вначале до 6 мин после седьмого цикла. В результате импульсной очистки при 600 С перепад давления достигает первоначального значения (500 Па).

   При температуре 650 С интервалы времени между двумя импульсами сокращаются от 5 мин до 2,5 в одиннадцатом цикле (рис. 3.17).

   После импульсной очистки при 650 С первоначальное значение перепада давления (550 Па) не было достигнуто. Потеря давления увеличивается примерно до 700 Па.

   Был проведен визуальный осмотр поверхности образцов после импульсной очистки фильтра (рис. 3.18).

   На рис. 3.18 а, в показаны фильтровальные образцы после пяти циклов фильтрования при 600 С с последующей импульсной очисткой. Поверхности не повреждена, и весь пылевой осадок был удален.

   На фильтровальных образцах после одного цикла фильтрования при температуре 700 С (рис. 3.18 б, г) с последующей импульсной очисткой значительная часть пылевого слоя по-прежнему удерживаются на фильтровальной поверхности.

   В целях снижения сил сцепления между фильтровальным материалом и пылью исследовалась возможность нанесения на поверхность фильтра вспомогательного вещества - частиц Ті02.

   Рисунок 3.19 показывает зависимости AP f(x) фильтровальных образцов с покрытием и без него. Пылевой осадок на покрытых образцах мог быть удален даже при 700 С без повреждения поверхности фильтра.

   Характер изменения потери давления для покрытого образца может быть объяснен доминирующей ролью поверхностного фильтрования, в то время как для образца без покрытия имеет место, и глубинное фильтрование с проникновением частиц пыли внутрь материала.

   Однако после нескольких десятков циклов фильтрования-регенерации визуальный осмотр показал наличие постоянного слоя пыли на поверхности. Эта пыль в дальнейшем может способствовать увеличению адгезии вновь поступающей пыли и снижению эффективности покрытия.

   В целом данное решение следует признать перспективным, но требуются дополнительные исследования по веществам, способам нанесения и удержания покрытий на поверхности фильтровальной перегородки.

   Математическое моделирование процесса фильтрования аэрозолей с катализатором зернистыми фильтрами

   Различают аналитический и экспериментальный методы математического описания [147]. При аналитическом составлении математической модели технологического процесса необходимо формирование уравнений статики и динамики на основе использования фундаментальных законов сохранения вещества, энергии, кинетических закономерностей массо- теплопереноса и химических превращений в рассматриваемой системе с учетом ее аппаратурно-конструктивных особенностей.

   Создание общей математической модели фильтрования зернистыми слоями в настоящее время является исключительно трудной задачей в связи с влиянием на процесс большого числа факторов: природы гетерогенной системы, концентрации и фракционного состав дисперсной фазы, адгезионных и когезионных свойств системы, действия многочисленных механизмов осаждения, образованием автофильтра, забивкой пор фильтрующего слоя и т.д. [148].

   Внутренняя структура зернистых слоев представляет собой искривленные продольные и поперечные каналы с переменной и нерегулярной площадью и формой поперечного сечения. Она характеризуется изменением размеров пор в широком диапазоне, одновременным существованием различных режимов течения и механизмов осаждения в соседних каналах, высокой относительной шероховатостью поверхности зерен, облитерацией, термо- и электрофорезом, адгезией и когезией при течении реальных гетерогенных сред [149].

   При описании движения газа в зернистом слое рассматривают две задачи [151]: внешняя - зернистый слой рассматривается как совокупность большого количества частиц, обтекаемых внешним потоком, а общий перепад давления в слое определяется как сумма гидродинамических сопротивлений отдельных частиц; внутренняя - зернистый слой представляет разветвленную систему изогнутых капилляров переменного сечения, движение потока в которых подобно течению в одиночных капиллярах. При выводе уравнений процесса фильтрования с закупориванием пор принимают гипотезу об одной из геометрических моделей пористой среды [158].

   Наиболее известные и широко используемые модели идеализированных структур зернистых слоев.

   Авторы работ [150-161] отмечают, что наиболее существенные характеристики зернистых слоев (форма и шероховатость частиц, распределение их по размерам, тип упаковки слоя, порозность, режим движения) значительно затрудняют строгое исследование и математическое описание гидродинамики зернистых засыпок.

   При протекании пылегазового потока через пористые среды существуют три основных режима течения: молекулярный, ламинарный и турбулентный [148].

   Переход от одного режима к другому связан с извилистостью пор, их сужениями и расширениями, шероховатостью поверхности зерен пористой среды, способствующей вихреобразования и возмущениям потока, постепенным распространением турбулентности с больших пор на малые.

   При фильтровании газа через стационарный зернистый слой переход от ламинарного режима движения к турбулентному в каналах слоя зависит от формы и размеров частиц, отношения диаметра аппарата к диаметру гранул, порозности и других факторов [147, 148, 157, 162-166, 167].

   Для малых скоростей потока, т.е. при ламинарном режиме движения, в работах [148, 156] поровое пространство зернистого слоя представлено в виде совокупности параллельных капилляров одного и того же гидравлического диаметра dT и определенной геометрической формы. Для ламинарного движения в каналах различной геометрической формы предложена следующая зависимость: AP = K0Ha(l 3g)2 МУф, (4.1) где Я - высота слоя; ао - удельная поверхность частиц; є - порозность слоя; /л коэффициент динамической вязкости; Кф - скорость фильтрования; К0 численный множитель, зависящий от профиля канала [156]. Для учета реальной извилистости поровых каналов предложен коэффициент

   Из соотношения (4.3) следует уравнение для расчета коэффициента гидравлического сопротивления: Я = _ Р= (1- 300 Я рУф 6і Re d3 2

   Главным недостатком модели Блейка-Козени-Кармана [168-170], как отмечается в [151], является предположение об ориентации капилляров в направлении движения потока и постоянство диаметра капилляров по всей их длине. Поэтому Дюллиеном [170] была предложена сетевая модель структуры зернистого слоя в виде системы из трех взаимно перпендикулярных капилляров, пересекающихся в узлах пространственной кубической решетки. Для этой модели зависимость для расчета гидравлического сопротивления имеет вид [170]: = 106 —Кф, (4.5) где d - диаметр капилляров. Коэффициенты в (4.15) (4.3) и (4.17) (4.4) не являются универсальными, а зависят от конфигурации частиц и от фракционной неоднородности зернистого слоя.

   Приведенные выше уравнения неприменимы при движении потока через пористые среды со сравнительно большими определяющими размерами и при высоких скоростях фильтрации. В этих случаях используют более сложные нелинейные зависимости.

   В широком интервале чисел Рейнольдса, выражение для определения значений АР имеет вид [150, 151]: AP = H(AU + BU2), (4.6) где А и В - коэффициенты, зависящие от структуры слоя, U - определяющая скорость. В реальных зернистых слоях с течением времени наблюдается изменение поперечного сечения каналов. В моделях Федкина и Ньюмена [171], Паятакса и Нейра [172] авторами были предприняты попытки учесть изменение живого сечения каналов слоя. В качестве основных характеристик зернистых слоев использовались порозность слоя - є, средний диаметр зерен - d3, минимальный диаметр каналов - dc.

   На основе модели зернистых слоев из дробленых материалов, предложенной Р.С. Бронштейном, ВВ. Померанцевым, С.Л. Шагаловой [173, 174], была экспериментально исследована гидродинамика и массоотдача в зернистых слоях [175]. Модель основана на допущении, что зернистый слой состоит из отдельных пространственных элементов (рис. 4.2), в вершинах которых расположены сферы. Она была впервые предложена Слихтером [176] и детально изучена В.М. Боришанским [177]. Рис. 4.2. Геометрия слоя шаров [173,174]: а) ромбоэдрическая укладка; б) пространственный элемент слоя шаров.

   Авторы предположили, что наиболее вероятная укладка зерен -ромбоэдрическая, а характеристики зернистого слоя (порозность и минимальное живое сечение каналов) являются функциями диаметра зерен - d3 и угла ромба -а, образующего грани ромбоэдра. Формулы для расчета порозности - є, высоты элементарной ячейки - п, и коэффициента минимального живого сечения каналов - / в этом случае имеют вид:

   Предельные значения угла a - 60 и 90, а значения порозности для данного интервала, вычисленные по формуле (4.19), составляют 0,26 - 0,47. Так как основной экспериментально определяемой характеристикой реальных зернистых слоев является порозность, то для перехода от гипотетической шаровой засыпки к реальной структуре необходимо было установить зависимость межрядного расстояния h и просвета / от порозности слоя е. Авторы [173] полагают, что эти зависимости для среднего значения а можно использовать также и в случае нерегулярной укладки. В процессе SNRB три загрязнителя (SOx, NOx и частицы ROx) удаляются из дымовых газов в высокотемпературном рукавном фильтре. При этом представляет интерес оценка влияния сопутствующих массообменных процессов на фильтрование аэрозолей.

   На основании [178-181] следует отметить глубокую аналогию между переносом количества движения и массы. Поэтому наиболее представительными являются такие модели течения аэрозоля в порах зернистого слоя, которые позволяют удовлетворительно описать не только гидродинамику, но и массоотдачу в зернистых слоях.

   Модель предложенная Р.С. Бернштейном, В.В. Померанцевым, С.Г. Шагаловой [173], является в этом плане наиболее представительной, проверенной на обширном экспериментальном материале по гидродинамике зернистого слоя [182].

   Похожие диссертации на Высокотемпературная очистка дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов

   

   Оптимизация режимно-технологических параметров нейтрализации серосодержащих примесей в системах промысловой очистки природных газов Воронцов Роман Александрович

   

   Комплексная очистка дымовых газов теплогенерирующих установокКазарян Артур Сергеевич

   

   Совершенствование очистки дымовых газов теплогенерирующих установок систем теплоснабженияТарасовский Александр Валентинович

   

   Совершенствование метода комплексной утилизации теплоты и адсорбционной очистки топочных газов теплогенерирующих установокГригорьев Сергей Александрович

   Совершенствование оборудования очистки попутных нефтяных газов для систем газоснабжения коммунально-бытовых и сельскохозяйственных объектовКотов Алексей Викторович

   Разработка технологии и оборудования по пиролизной утилизации отходов переработки продуктов растениеводстваАгеев, Максим Сергеевич

   

   Легкие бетоны на основе комплексного использования отходов и продуктов переработки кокосовых ореховРадзаунаси Иантара

   

   Обоснование применения отходов переработки Cucumaria Japonica в технологии эмульсионных продуктов Табакаева Оксана Вацлавовна

   Разработка комплексных технологий переработки серосодержащих отходов нефтеперерабатывающих производств с получением целевых продуктовБадикова, Альбина Дарисовна

   

   Научные основы технологии переработки полимерных отходов в фильтрующие материалы для биологической очистки производственных сточных водЖуравлева Людмила Леонидовна