Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса очистки газов от пыли 10
1.1. Классификация аэрозолей и газоочистных аппаратов 10
1.2. Существующие конструкции электроциклонов 12
1.3. Вторичный унос в электрофильтрах и методы борьбы с ним 17
1.4. Вторичный унос в циклонах и методы борьбы с ним 22
1.5. Методики расчета электроциклонов 26
1.6. Постановка задач исследований 28
2. Характеристика объектов и методов исследований 30
2.1. Характеристика исследуемых материалов 30
2.2. Описание экспериментальной установки 36
2.3. Методика проведения эксперимента 41
2.4. Расчетные формулы и погрешности измерений 45
3. Исследование эффективности процесса улавливания технологических пылей и оценка вторичного уноса в электроциклонах 49
3.1. Влияние скорости потока и фракционного состава на эффективность процесса улавливания технологических пылей 49
3.1.1. Исследование процесса улавливания перкарбоната натрия 49
3.1.2. Исследование процесса улавливания железо-ванадиевого концентрата 51
3.1.3. Исследование процесса улавливания возгонов медеплавильных печей 53
3.1.4. Исследование процесса улавливания золы 54
3.2. Количественная оценка вторичного уноса в электроциклоне 57
3.2.1. Исследование процесса улавливания золы в электроциклоне в сухом режиме 57
3.2.2. Исследование процесса улавливания аэрозоля в электроциклоне в мокром режиме
3.2.3. Анализ величины вторичного уноса 67
3.3. Исследование эффективности применения профилированных элементов для снижения вторичного уноса в электроциклоне 68
3.4. Электрические характеристики лабораторного электроциклона 78
3.5. Гидравлические характеристики лабораторного электроциклона 83
3.6. Выводы по главе 85
4. Модель вторичного уноса частиц в электроциклоне 86
4.1. Уравнения, описывающие работу электроциклона 87
4.2. Результаты расчетов траекторий частиц на 2D-модели 94
4.3. Результаты расчетов траекторий частиц на 3D модели 103
4.4. Верификация 2D-модели 106
4.5. Верификация 3D-модели 110
4.6. Методика расчета электроциклона 112
4.6.1. Расчет технологических характеристик 112
4.6.2. Расчет гидравлического сопротивления и подбор электроагрегата 115
4.7. Выводы по главе 118
Выводы 119
Список литературы 121
- Существующие конструкции электроциклонов
- Методика проведения эксперимента
- Исследование процесса улавливания возгонов медеплавильных печей
- Результаты расчетов траекторий частиц на 3D модели
Существующие конструкции электроциклонов
Газы и воздух, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, называются аэрозолями.
Аэрозоли условно подразделяются на: собственно аэрозоли (размер частиц или капель от 0,01 до 0,1 мкм), дым (размер твердых частиц от 0,1 до 5 мкм), пыль (размер твердых частиц от 5 до 100 мкм), туман (размер капель жидкости от 0,1 до 5 мкм). В технической литературе пылью также называют осажденные из гетерогенной газовой системы частицы твердой фазы.
Под газовзвесью понимается гетерогенная газовая система с размером твердых частиц или капель жидкости свыше 100 мкм [1].
Для очистки аэрозолей от взвешенных частиц существует большое количество аппаратов, отличающихся по принципу работы и по конструкции. Очистка аэрозолей производится для защиты от загрязнений атмосферного воздуха (особенно при выбросе отходящих промышленных газов), технологической подготовки газов и извлечения из них ценных продуктов. Пылеулавливание осуществляют с помощью аппаратов, встроенных в основное технологическое оборудование, а также выносных.
Степень очистки газа в электроциклоне (эффективность пылеулавливания, коэффициент полезного действия) определяется, как правило, отношением массы частиц пыли, уловленных (осажденных) в пылеуловителе ть к массе частиц пыли на его входе т2 [2]. Степень очистки выражается процентами либо долей единицы в соответствии с уравнением (1.1):
Основные методы очистки газов от вредных примесей подразделяются на две группы: физико-механические и физико-химические. Физико-химические методы служат в основном для очистки гомогенных газовых систем, т. е. для удаления вредных газовых или парообразных веществ из потока газовой смеси. Физико-механические методы служат в основном для очистки гетерогенных газовых систем.
При физико-механических методах очистки газовых смесей в различных типах оборудования действуют один или несколько механизмов осаждения (выделения) частиц из газового потока.
Гравитационное осаждение (седиментация) происходит под действием силы тяжести, действующей на частицы, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.
Центробежное осаждение происходит под действием центробежных сил, действующих на частицы, двигающиеся в газоочистном аппарате.
Инерционное осаждение происходит под действием сил инерции, возникающих при резких изменениях направления движения частиц, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.
Осаждение зацеплением (касанием) происходит за счет поверхностных сил, возникающих при касании частиц фильтровальных перегородок, жидкостных пленок и капель, рабочих элементов газоочистного оборудования при движении сквозь них гетерогенных систем.
Электрическое осаждение происходит под действием электрического поля, действующего на заряженные частицы, при движении гетерогенных систем через газоочистной аппарат.
Диффузионное осаждение происходит под действием непрерывно направленного воздействия молекул газа, находящихся в броуновском движении, на частицы, что приводит к их осаждению на поверхности [1].
Также существуют комбинированные газоочистные аппараты [3]. 1.2. Существующие конструкции электроциклонов Электроциклон – комбинированный пылеуловитель, сочетающий центробежный и электростатический эффект для очистки аэрозолей.
Первые лабораторные и промышленные конструкции начали появляться в 50–60-х годах XX века: конструкция МТИПП (1954) [4], электроциклон Веселова С. А. и Душина В. Н. [5]. С того времени были предложены многочисленные конструкции, отличающиеся по форме, размеру и компоновке деталей. Рассмотрим некоторые из них.
Кочетов О. С. и Кочетова М. О. предложили электроциклон [6] с центральным коронирующим электродом, схема которого показана на рисунке 1.1. Авторы отмечают, что такая конструкция имеет степень очистки и надежность выше, чем у аналогов.
Конструкция, разработанная в УНИХИМ [7], имеет центральную перфорированную газопроницаемую трубу и оригинальное устройство на выхлопной трубе, что уменьшает унос уловленной пыли из бункера и тем самым повышает степень очистки. Схема аппарата показана на рисунке 1.2.
Воздухоочиститель [8], разработанный в Воронежском государственном аграрном университете им. К. Д. Глинки, имеет раздельные зоны зарядки и осаждения, а также фильтрующий элемент для грубой очистки газа. Схема электроциклона показана на рисунке 1.3.
Методика проведения эксперимента
Гладкие электроды просты в изготовлении, хорошо встряхиваются, но имеет место значительный вторичный унос с поверхности. По этой причине плоские осадительные электроды применяются при скоростях до 1 м/с. Для уменьшения вторичного уноса при более высоких скоростях и обеспечения жесткости и прочности разработано большое количество осадительных электродов, что вызвано не только техническими требованиями, но и патентными соображениями изготовителей. Наиболее распространены прутковые, карманные, желобчатые, С-образные конструкции профилированных осадительных электродов [3].
Карманные электроды выполняются в виде двух- или трехстенной коробки, в наружных стенках которой выштампованы отверстия различной формы. При работе электрофильтров с такими электродами часть выли должна попадать во внутренние полости и при встряхивании удаляться в бункеры изолированно от газового потока. Но на практике оказывается, что отверстия забиваются, а вторичный унос снижается незначительно [3].
Желобчатые электроды выгоднее карманных по металлоемкости, но также заметно не снижают вторичный унос [3].
На вторичный унос как при встряхивании, так и при ударах крупных частиц, оказывает влияние и интенсивность встряхивания осадительных электродов для регенерации. Автор [24] приводит оптимальное значение ускорения встряхивания 250 g.
Анализ конструкций, проведенный в работе [3], показал, что наиболее эффективными для снижения вторичного уноса оказались осадительные электроды С-образной формы. Они имеют наименьшую металлоемкость (20 кг/м2) среди остальных (до 60 кг/м2), позволяют увеличить степень очистки на 15 %.
Способ регенерации [34] осадительных и коронирующих электродов, заключающийся в одновременном их встряхивании при увеличенном интервале времени между встряхиваниями, несомненно снижает вторичный унос, но вследствие больших интервалов между встряхиваниями на электродах накапливается больший слой пыли, что ухудшает электрогазоочистку. Принципиальным отличием гидродинамического режима работы электроциклона от пластинчатого электрофильтра является высокая скорость движения запыленного газового потока. В пластинчатых электрофильтрах скорость газа не превышает 1–2 м/с. В кольцевых же каналах электроциклона окружная скорость газа достигает 16–18 м/с, т. е. на порядок больше. Поэтому большинство из известных конструкций профилированных осадительных электродов не способно удержать осажденную на них пыль. Ее будет сдувать высокоскоростным газовым потоком, а степень очистки будет снижаться.
В данной работе для исследования выбрана конструкция наиболее простых С-образных элементов с различным соотношением геометрических размеров «карманов» по глубине и длине.
Явление вторично уноса [35] присуще также и центробежным пылеуловителям-циклонам [36]. Поскольку скорости в них существенно выше, чем в электрофильтрах, то и унос значительней. Вторичный унос в циклонах снижает степень очистки [37, 38]. Факторы, влияющие на величину вторичного уноса, различны [39]: скорость и концентрация аэрозоля [40], угол наклона входного патрубка, геометрия циклона [41], физико-химические свойства пыли и аэрозоля и т. д. [42–44].
Авторы [45] описывают вторичный унос как явление, возникающее при конкуренции силы адгезии и силы отрыва частиц от поверхности, приводят уравнение, аналогичное уравнению Аррениуса, вводя в него вместо традиционных констант члены, характеризующие конкурирующие силы. Существует несколько моделей, где в основу берется одна из упомянутых сил [46–49].
Один из важных подходов к описанию вторичного уноса – стохастический [50]. В его рамках появляется возможность учесть многочисленные факторы с помощью вероятностной модели [51]. Авторы приводят хорошо согласующуюся с экспериментальными данными математическую модель, используя при расчетах метод Монте-Карло [52]. Алиев Г. М.-А. [53] описывает следующий механизм вторичного уноса в циклоне: область циклонного процесса, или зона улавливания пыли, расположена между концом выхлопной трубы и пылеотводящим отверстием циклона. Часть этой зоны занимает корпусный патрубок. В нем оканчивается циклонный вихрь. В цилиндрическом циклоне (без корпусного патрубка) циклонный вихрь опирается на пылевой слой в бункере аппарата. При этом частицы вторично уносятся из бункера, т. е. происходит явление, аналогичное действию атмосферных вихрей на предметы, находящиеся на поверхности земли. Вторичный унос частиц возникает и тогда, когда выбран чрезмерно большой угол конусности нижней части корпуса циклона.
Также вторичный унос возможен со стенок циклона вследствие отскока частиц, формы, коэффициента трения материала и т. д. [54–56].
Сугак Е. В. [57] предлагает также и формулу (1.4) для расчета степени очистки в циклоне с учетом вторичного уноса: где – доля частиц, подвергающихся вторичному уносу; wZ – осевая скорость аэрозоля в активной зоне; – плотность среды; L – длина активной зоны; – вероятность вторичного уноса; – угол закрутки потока; – диаметр частицы; d – плотность частицы; D – диаметр циклона.
Как видно из формулы, по ней невозможно рассчитать значение степени очистки без дополнительных вычислений доли частиц, подвергающихся вторичному уносу и вероятности вторичного уноса.
Для уменьшения эффекта вторичного уноса частиц пыли из нижней конической части корпуса циклона и бункера, а также увеличения производительности, «Сантехпроект» в 1985 г разработал модернизированные конструкции циклонов СИОТ: СИОТ-М (рисунок 1.7) – повышенной эффективности и СИОТ-М1 – повышенной эффективности и производительности.
В циклонах СИОТ-М между корпусом и бункером устанавливается глухая цилиндрическая вставка. Благодаря этому искусственно снижается интенсивность вихря в нижней части корпуса и в бункере на поверхности отложившейся пыли и, как следствие, уменьшается вторичный унос. В результате общий унос пыли уменьшается в 2–2,5 раза по сравнению с конструкцией циклона СИОТ.
В циклонах СИОТ-М между корпусом и бункером устанавливается вставка-закручиватель. В этом случае запыленный поток газа разделяется на две части: в верхнюю часть циклона подается основной поток, в нижнюю – дополнительный поток, закрученный в ту же сторону, что и основной поток, и равный, соответственно, 30–35 % общей производительности циклона. Аэродинамические испытания показали, что при одних и тех же потерях давления, коэффициент гидравлического сопротивления циклона СИОТ-М1 в 2 раза меньше, а производительность в 1,4–1,5 раза больше, чем у обычных циклонов СИОТ.
Оптимальная скорость очищаемого воздушного потока на входе в завихритель для всех циклонов СИОТ равна 15 м/с. Температура воздушного потока не должна превышать 400 С [58].
Помимо циклона СИОТ-М, существуют авторские конструкции, для которых построена математическая модель, учитывающая вторичный унос. Так, например, имеются работы А. Н. Литра по вторичному уносу жидкости в циклонах [59], Е. В. Сугака [60], учитывающая массообмен в кольцевом потоке, а также работа П. К. Ляпустина [61] по сепарации в прямоточном циклоне.
Исследование процесса улавливания возгонов медеплавильных печей
Особенно следует рассмотреть влияние WВХ на степень очистки. При увеличении окружной скорости газа в активной зоне возрастает центробежная сила, что благоприятствует осаждению частиц. Но при постоянной длине аппарата время пребывания уменьшается, снижается величина зарядка частиц, увеличивается унос, частицы не успевают осесть на осадительный электрод, и увеличивается вторичный унос, т. к. уже осевшие частицы, особенно мелкие, выбиваются из слоя осадка крупными частицами и турбулентными вихрями.
Численное моделирование и использование метода конечных элементов позволило авторам [71] получить картину распределения электрического поля и векторов скоростей в электроциклоне с импульсной электрической короной. Данные, полученные при решении с помощью ЭВМ, хорошо согласуются с опытными данными, что отмечено и в других работах [72–73].
Для очистки газов от взвешенных твердых и жидких частиц применяется разнообразное оборудование, отличающееся как по конструкции, так и по принципу действия.
Среди негативных явлений, происходящих в процессе очистки газов в циклонах, электрофильтрах и электроциклонах особо выделяется вторичный унос – возвращение в поток газа уловленного материала вследствие различных причин.
Природа вторичного уноса в электрофильтрах и циклонах различна. Так в электрофильтрах значительное влияние на вторичный унос оказывает механическое воздействие крупных частиц и механическая регенерация электродов, тогда как в циклонах основной причиной вторичного уноса является гидродинамика потока, паразитные вихри в бункере и активное турбулентное перемешивание газа. Возможности перспективного газоочистного аппарата – электроциклона – ограничены нагрузкой по очищаемому газу, поскольку при превышении определенной (критической) скорости движения газа в электроциклоне резко снижается его степень очистки, что может быть вызвано 2 причинами:
Для оценки влияния вторичного уноса на степень очистки в электроциклоне требуется провести эксперименты на лабораторной установке, оценить величину вторичного уноса в общем уносе, а также найти конструктивные решения для устранения либо существенного снижения вторичного уноса в электроциклоне.
В качестве объектов исследований выбраны материалы с различными физико-химическими свойствами и дисперсностью, представляющие собой продукты и отходы промышленных производств Поволжского и Уральского региона:
Перкарбонат натрия с первой и второй стадий очистки отходящих газов распылительной сушилки на ОАО «Перкарбонат», г. Новочебоксарск, Чувашская Республика.
Пыль железо-ванадиевого концентрата, выделяющаяся в процессе обжига руды на ОАО «Качканарский горно-обогатительный комбинат» (ОАО «КГОК»), г. Качканар, Свердловская область.
Возгоны печей выплавки черновой меди медеплавильного цеха ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод», г. Ревда, Свердловская область.
Перкарбонат натрия (персоль) – кристаллическое вещество с химической формулой Na2CO31,5H2O2. Применяют перкарбонат натрия в основном в качестве отбеливателя в составе синтетических моющих средств, для окисления красителей и расшлихтовки тканей в текстильной и химической промышленности как дезинфицирующее, бактерицидное и деконтаминирующее средство.
В производстве перкарбоната натрия при сушке продукта в аппарате кипящего слоя наблюдается большой пылеунос. Существующую схему трехступенчатой очистки газов от персоли иллюстрирует рисунок 2.1. Улавливание высушенного продукта осуществляется в циклонах типа СК-ЦН-34 диаметром 2,4 м каждый. На рисунках 2.2 и 2.3 приведен фракционный состав материала после 1-й и 2-й группы циклонов. Пыль тонкодисперсная, медианный диаметр частиц из бункера 2-й ступени циклонов d50=30–40 мкм. На рисунке 2.2 видно, что крупная фракция имеет широкую функцию распределения частиц по размерам. Преимущественный размер частиц находится в интервале 40–100 мкм со средним диаметром 70 мкм. Более мелкая фракция улавливается в циклонах 2-й группы (рисунок 2.3).
Степень очистки газа от персоли в циклонах 2-й ступени относительно низкая и не превышает 60 %. Гидравлическое сопротивление циклонов составляет от 1,0 до 2,5 кПа, что вызвано особенностями монтажа подводящих газоходов. Для обеспечения ПДВ установлена третья ступень мокрой очистки – комбинированный очиститель пыли, после которой газы вентилятором выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу.
Результаты расчетов траекторий частиц на 3D модели
В электроциклоне поле потока газа, электрическое поле и движение заряженных частиц взаимосвязаны. Для упрощения такой сложной системы должны быть сделаны некоторые допущения. Двумерная модель лежит в горизонтальной плоскости, поэтому силой тяжести можно пренебречь. Поскольку скорость ионов намного больше, чем скорость газа в электроциклоне [21], предполагается, что электрическое поле не влияет на поле потока воздуха, а поле потока не влияет на электрическое поле. Объемная доля частиц очень мала, следовательно, ее влиянием на поле потока и электрическое поле также можно пренебречь. Это допущение называется односторонней связью. где и - скорость; p - давление; - плотность; - вязкость; - тензор вязкостных напряжений; /, j - компоненты Декартовой системы координат, знак апострофа соответствует наличию флуктуации.
Для расчета поля потока использована стандартная к--модель турбулентности. Выбор продиктован большой популярностью модели в решении задач вычислительной гидродинамики, поскольку модель имеет большую по сравнению с другими методами сходимость результата с экспериментальными данными, а также меньшими вычислительными ресурсами, необходимыми для реализации метода на ЭВМ.
Движение частицы
На частицу, находящуюся в рассматриваемом канале действуют силы, вызывающие ее движение. К этим силам можно отнести кулоновскую силу FK и силу сопротивления среды FQ. В рамках нашего исследования можно пренебречь силой тяжести, поскольку рассматривается горизонтальное сечение - двухмерная модель, а также ряд сил, влияние которых незначительно. Кулоновская сила определяется выражением: Fc=6nr\xw. {А.21) После определения уравнений, описывающих движения частицы в электроциклоне, была составлена компьютерная модель, введены уравнения, составлена расчетная сетка, заданы граничные условия и запущен решатель. После завершения работы решателя были получены данные, интерпретированы в графическую форму и проанализированы.
Расчеты показывают, что электрическое поле (рисунок 4.2) в канале неравномерное, наибольшая напряженность наблюдается в области коронирующих электродов. Цветом показан потенциал электрического поля коронного разряда (В).
Поле потока, рассчитанное при различных скоростях, показано на рисунке 4.3. Картины распределения скоростей идентичны, различия наблюдаются только в величине скоростей, с увеличением скорости гидродинамическая тень за коронирующими электродами сужается. Цветом показана скорость (м/с).
Были рассчитаны траектории частиц при скоростях аэрозоля на входе 1, 3 и 5 м/с. Диаметр частиц принимался равным 1, 10, 50 и 100 мкм. На рисунке 4.4 показаны рассчитанные траектории частиц в криволинейном канале. Цветом обозначено значение скорости частиц (м/с) на каждом участке. В каждом случае трассируется по 3 частицы. Жирная темно-синяя точка показывает место осаждения частицы на электроде.
Частица размером 10 мкм (рисунок 4.4г) при скорости 1 м/с осаждается в области последнего коронирующего электрода, влияние кулоновской силы на частицы заметнее – одна из них отклоняется почти перпендикулярно от первого коронирующего электрода, траектории двух других лежат ближе к осадительным электродам. При повышении скорости до 3 м/с (рисунок 4.4д) влияние скорости сильнее – отклонение средней частицы от коронирующего электрода меньше, траектория плавнее, траектории других частиц лежат дальше от осадительных электродов, одна частица осаждается, но на большем расстоянии, чем при скорости 1 м/с. На скорости 5 м/с (рисунок 4.4е) влияние поля потока еще больше, изгибы траектории менее выражены.
Поведение частиц диаметром 50 мкм существенно отличается от предыдущих случаев. Поле потока при скорости 1 м/с очень слабо действует на частицы (рисунок 4.5а), движение от входа идет по инерции, но имеется снос. Движение частиц идет преимущественно у внешнего осадительного электрода, амплитуда скачков незначительна. Увеличение скорости до 3 м/с (рисунок 4.5б) приводит к увеличению амплитуды и длины скачков по внешнему осадительному электроду. При скорости 5 м/с (рисунок 4.5в) влияние поля потока настолько велико, что частица, начавшая движение против основного течения вследствие отскока, сносится потоком в обратную сторону, амплитуды и расстояния скачков еще больше, чем ранее, все частицы покидают канал. В случае движения частиц размером 100 мкм со скоростью 1 м/с (рисунок 4.5г) траектории скачков имеют максимальную амплитуду, расстояние скачков соразмерно с амплитудой. Повышение скорости до 3 м/с (рисунок 4.5д) приводит к увеличению расстояния скачков, все частицы сносятся к внешнему осадительному электроду, отскок идет почти под углом отражения, траектории практически прямые. При скорости 5 м/с (рисунок 4.5е) изгибы траекторий не так выражены, траектории практически прямые. Для всех частиц размером 100 мкм характерна инерционность, влияние электрического поля заметно только при скорости 1 м/с, поле потока влияет также очень слабо.
Во всех случаях частицы размером 50 и 100 мкм отскакивают, следовательно, вторичный унос следует ожидать и в криволинейных каналах электроциклона. Однако время пребывания в рассматриваемом канале мало, частицы пролетают всего 20–50 см активной зоны, тогда как трехмерная геометрия лабораторного электроциклона позволяет частицам проходить несколько раз по винтовой траектории.
Поскольку физический эксперимент имеет определенные ограничения (возможности изготовления конструкций, время, затрачиваемое на опыты), то интересным представляется рассчитать с помощью ЭВМ степень очистки при различных конструкциях профилированных элементов.
Были выбраны 5 наиболее распространенных конструкций элементов. Схемы элементов представлены на рисунке 4.6.
На рисунке 4.6 показаны следующие конструкции элементов: С-образный элемент с ориентацией по ходу газа (а), С-образный элемент с ориентацией против хода газа (б), сдвоенный С-образный элемент (в), закругленные С-образные элементы (г), Z-образные элементы (д).
Расчеты были проведены с использованием той же модели при различной геометрии элементов. Результаты расчета гидродинамики, электрического поля и траектории частиц показаны на рисунках 4.7 и 4.8.
На рисунках 4.7а–е видно, что распределение скоростей идентично у всех конструкций. За каждым элементом наблюдается гидродинамическая тень. Наибольшая гидродинамическая тень у С-образных элементов всех направлений. В целом установка элементов не меняет общей картины потоков и не создает больших гидравлических сопротивлений.
Электрическое поле (рисунки 4.8а–е) в каналах с профилированными элементами неоднородное, сходное со случаем без них. Искажения поля элементами не происходит. Величина напряженности вблизи коронирующих электродов практически одинакова во всех случаях, зона развитого коронного разряда не уменьшается. Таким образом, установка профилированных элементов не оказывает негативного влияния ни на гидродинамику аппарата, ни на его электрические характеристики.
