Введение к работе
Актуальность работы. Проблема охраны воздушного бассейна от промышленных газовых выбросов, содержащих механические и газовые контами-нанты, в связи с ростом народонаселения на планете, ростом производственных мощностей, исчерпаемостью углеводородных энергоносителей таких как нефть и газ, необходимостью их замещения каменным углем в основном низкой калорийности и высокой зольности с каждым годом усугубляется. Основными загрязнителями атмосферы пылью являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия, нефтехимия, производство строительных материалов. Проблема очистки газов от пыли в ближайшей перспективе в основном должна решаться за счет совершенствования пылеулавливающего оборудования в направлении повышения его эффективности газоочистки и снижения удельных энергозатрат на ее осуществление. На кафедре «Отопление и вентиляция» в ТГАСУ разработан под руководством проф. Шиляева М.И. универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей (УМР), позволяющий в каждом конкретном случае решать эту проблему за счет последовательной установки пылеуловителей одного типа в каскадные системы.
Этот метод дает возможность производить расчеты всех типов инерционных пылеуловителей и каскадов из них в отличие от известных частных методов, пригодных только для конкретного типа аппаратов (метод расчета циклонов НИИОГАЗ, метод расчета мокрых пылеуловителей А.Ю. Вальдберга, энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей, метод отсечного диаметра). Он включает в себя универсальную номограмму (УН) и математическое выражение энергетического принципа (ЭП) сравнения энергозатрат на очистку газов от пыли в пылеуловителях и каскадных системах из них. На основе обработки известных экспериментальных данных для более чем 50-ти типов инерционных пылеуловителей сформирован банк данных (БД) по их характерным параметрам, позволяющий использовать УМР в инженерных расчетах как отдельных аппаратов, так в своей основе и каскадных систем из них. Однако, как показывает опыт, фракционные эффективности пылеулавливания от ступени к ступени каскада понижаются, и это не предусмотрено в УН и ЭП. Актуальность работы обусловливается необходимостью усовершенствования УМР для каскадных систем пылеуловителей, учитывающего понижение фракционной эффективности от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады.
В этой связи целью настоящей диссертационной работы является на основе теоретических и экспериментальных исследований в разработанный ранее УМР внести поправочные коэффициенты для каскадных систем, учитывающие понижение фракционной эффективности пылеулавливания от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады. Разработать ме-
тод экспериментального определения постоянных в фракционном коэффициенте пылеулавливания для пополнения БД новыми аппаратами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе литературных экспериментальных данных проанализировать закономерности изменения фракционной эффективности пылеулавливания в каскадных системах от одной ступени к другой.
-
Определить количественное различие результатов расчетов общих эф-фективностей и энергозатрат на газоочистку с учетом понижающих коэффициентов фракционной эффективности пылеулавливания по ступеням каскадов циклонов различных типов и без их учета. Внести поправочные коэффициенты в исходный УМР для каскадных систем, учитывающие фракционный состав пыли и типоразмеры циклонов.
-
Для выявления наиболее высокой общей эффективности улавливания пыли каскадными системами определить порядок установки разнотипных циклонов в этих системах.
-
Разработать способ оперативного экспериментального определения постоянных в обобщающей экспоненциальной зависимости для фракционного коэффициента проскока инерционных пылеуловителей с целью пополнения БД новыми аппаратами.
-
Экспериментально подтвердить в лабораторных и производственных условиях количественные поправки к исходному УМР на каскадные пылеулавливающие системы как для расчета общей эффективности, так и энергозатрат на газоочистку.
Научная новизна работы:
-
Внесены поправочные коэффициенты к расчету эффективности газоочистки каскадных систем пылеулавливания с помощью УН.
-
Выявлен физический механизм снижения фракционной эффективности пылеулавливания в последующих ступенях каскада после первой, определяющийся влиянием турбулентности потока очищаемого газа, действующей на частицы пыли и тем сильнее, чем мельче частицы.
-
Предложен оперативный способ определения постоянных в обобщающей зависимости фракционного коэффициента проскока для БД, являющегося основной характеристикой пылеуловителя конкретного типа.
-
Установлено преимущество каскадной компоновки пылеулавливающих систем в сравнении с одиночными аппаратами по энергозатратам на газоочистку.
Практическая значимость работы выражается:
1. В рекомендациях использования УМР для расчета и оптимизации каскадных систем пылеулавливания с корректировочными коэффициентами на реальные условия их эксплуатации, как по эффективности газоочистки, так и по энергозатратам.
-
В практическом применении способа определения постоянных, определяющих пылеулавливающие качества инерционных пылеуловителей как для известных конструкций, но не внесенных в банк данных (БД), так и новых.
-
В определении оптимального порядка установки аппаратов в каскадные системы в направлении обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки при минимальных энергозатратах.
Результаты исследований использованы при реконструкции системы пылеулавливания на предприятии ООО «Томлесдрев», а также используются в учебном процессе ТГАСУ при преподавании дисциплин «Методы расчета пылеуловителей», «Охрана воздушного бассейна», «Диагностика пылегазовых выбросов и контроль газоочистного оборудования» специальности «Теплогазо-снабжение и вентиляция».
Методология и методы исследования. При теоретическом исследовании использовались численные методы расчета эффективностей пылеулавливания циклонов. При экспериментальном исследовании для определения дисперсных составов пылей применялись: метод микроскопического анализа, метод 3-х прямоточных циклонов, метод жидкостной седиментации и метод отбора проб с помощью касадного импактора.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов расчетов и фактических показателей работы отдельных пылеулавливающих аппаратов и систем в целом в производственных условиях. Сопоставлением результатов, полученных экспериментально и теоретически в данной работе, с результатами исследований других авторов, опубликованных ранее. Воспроизводимостью результатов дисперсного анализа экспериментальных и натурных образцов пыли различными методами.
Положения выносимые на защиту
-
Правомерность внесения и количественные значения поправочных корректив в расчеты реальных каскадных систем с использованием УМР;
-
Способ и методику оперативного экспериментального определения постоянных в обобщенной зависимости фракционного коэффициента проскока, определяющих пылеулавливающие качества аппаратов, для отсутствующих в банке данных как новых, так и известных типов аппаратов и необходимых для использования УМР в инженерной практике;
-
Рекомендации по порядку установки аппаратов в каскадные системы с целью обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки;
4. Результаты расчетов эффективности пылеулавливающей каскадной
системы для предприятия 000 «Томлесдрев», выполненных на основе прове
денных в диссертации исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 56-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых (г. Томск, ТГАСУ, 2010г.); IX Международной научной конференции, «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Кошалин, 2011г.)); XVII-й
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); П-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); VII-ом Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Кемерово, КузГТУ, 2011г.); Семнадцатой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность», (г. Томск, ТПУ, 2011г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерно-экологические проблемы энергоресурсосбережения и безопасности производств в строительстве и ЖКХ» (г. Томск, ТГАСУ, 2013г.).
Публикации. Основное содержание изложено в 11 публикациях, включая 2 статьи в изданиях входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 75 наименований. Текст диссертации изложен на 134 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 22 таблицы, 3 таблицы и 6 рисунков приложения.
