Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристика и анализ пылегазовых выбросов и современных способов повышения эффективности аспирационных систем в производстве огнеупоров 13
1.1. Технологические особенности производства огнеупоров и характеристика аспирируемых пылегазовых выбросов 13
1.2. Анализ современных способов повышения эффективности аспирационных систем. Аэродинамические, технологические и энергосберегающие аспекты проблемы 19
1.3. Токсикологическое воздействие пыли и онкологический мониторинг 28
1.4. Экономические преимущества совершенствования аспирационных систем 30
1.5. Постановка задач исследования 34
ГЛАВА 2. Методика и приборы для производства пылегазовых и пневмометрических измерений . 36
2.1. Определение массовой концентрации пыли в пылегазовых потоках 36
2.2. Анализ дисперсности пыли в аспирационных коммуникациях 44
2.3. Пневмометрические измерения, анализ безразмерных скоростных полей и оценка степени их неравномерности 47
2.4. Оценка общей и фракционной эффективностей пылеулавливания в аспирационных системах. 54
2.5. Анализ ошибок измерений и их оценка при проведении экспериментов 56
ГЛАВА 3. Анализ и разработка аэродинамических способов повышения эффективности пыле улавливания в аспирационных системах при производстве огнеупоров . 62
3.1. Экспериментальная оценка влияния коэффициента Бус-синеска на эффективность пылеулавливания в аспирационных системах 62
3.2. Анализ, расчет и экспериментальная оценка некоторых устройств для равномерного распределения пылегазового потока в пылеуловителях аспирационных систем 70
3.3. Особенности аэродинамического расчета пылеуловителей 82
ГЛАВА 4. Анализ альтернативного решения применения зернистых фильтровальных слоев при пылеулавливании в аспирационных системах 87
4.1. Особенности аэродинамики и механизмы фильтрования пылегазовых потоков зернистыми слоями 87
4.2. Анализ кинетики фильтрования пылегазовых потоков зернистыми слоями. Обсуждение результатов экспериментов ... 96
4.3. Экспериментальные исследования способов регенерации зернистых слоев 106
ГЛАВА 5. Инженерные и экономические аспекты применения разработанных аэродинамических способов повышения эффективности пылеуловителей в аспирационных системах при производстве огнеупоров . 115
5.1. Инженерные рекомендации по повышению эффективности пылеулавливания в аспирационных системах 115
5.2. Оригинальные конструктивные решения 120
5.3. Экономические преимущества защиты техносферы при использовании разработанных аэродинамических способов повышения эффективности пылеуловителей 124
5.4. Коммерческие перспективы применения результатов работы 127
Основные выводы по диссертации 131
Список использованных источников 133
Приложения 144
- Анализ современных способов повышения эффективности аспирационных систем. Аэродинамические, технологические и энергосберегающие аспекты проблемы
- Пневмометрические измерения, анализ безразмерных скоростных полей и оценка степени их неравномерности
- Анализ, расчет и экспериментальная оценка некоторых устройств для равномерного распределения пылегазового потока в пылеуловителях аспирационных систем
- Анализ кинетики фильтрования пылегазовых потоков зернистыми слоями. Обсуждение результатов экспериментов
Введение к работе
Выполненная работа направлена на совершенствование процессов и аппаратов сухого пылеулавливания аэродинамическими способами при производстве огнеупоров, что позволит обеспечить защиту окружающей среды от пылевых выбросов.
Актуальность темы.
О напряженности ситуации в районе расположения огнеупорных заводов говорят такие цифры: в России предприятиями по производству огнеупоров ежегодно выбрасываются в атмосферу более 60 тыс. тонн твердой неорганической пыли. Сверхнормативный выброс - 18 тыс. тонн. На территориях, примыкающих к огнеупорным заводам, годовой осадок пыли достигает 7 кг/м , а размеры частиц пыли колеблются от 0,01 до 10 мкм, что представляет наибольшую опасность для органов дыхания. Эти пылевые выбросы, весьма токсичные сами по себе, не остаются в атмосфере без изменений, под действием солнечных лучей и озона образуют новые, еще более токсичные соединения. При этом атмосферная турбулентность и ветер не успевают удалять из воздушного бассейна предприятий постоянно растущие в связи с интенсификацией производства пылевые выбросы.
В связи с этим важной задачей является предупреждение загрязнения атмосферы промышленными пылевыми выбросами, что в значительной мере связано с совершенствованием аспирационных систем [51].
Эксплуатация таких систем в огнеупорном производстве показала, что при неравномерном распределении пылегазового потока по рабочему сечению газоходов и пылеуловителей или при неравномерном распределении этого потока по отдельным пылеуловителям, расчетные показатели эффективности не достигаются, что приводит к увеличению токсичных выбросов в атмосферу и потере дефицитного сырья, а иногда неравномерное распределение пылегазо-
вого потока является причиной аварийной ситуации, ухудшая технологические показатели систем пылеулавливания.
Поэтому разработка аэродинамических способов повышения эффективности аспирационных систем достаточно актуальна. Эти способы, обеспечивая высокую и многостороннюю результативность, требуют минимальных затрат на свою реализацию.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом Минобразования России «Исследование закономерностей влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую среду» и планами бюджетных научно-исследовательских работ ВГТА на период 1999 -2004 г.п
Цель работы — повышение эффективности сухого пылеулавливания в производстве огнеупоров. Эта цель достигается комплексным решением следующих задач: анализом современных способов высокоэффективной аспирации и пылеулавливания из отходящих газов; исследованием влияния степени неравномерности распределения скоростей пылегазового потока на эффективность пылеулавливания; анализом и экспериментальной оценкой способов и устройств для равномерной раздачи пылегазового потока по рабочему сечению аспирационных трубопроводов и пылеуловителей; анализом экономических аспектов применения разработанных технических решений.
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, которые в сочетании с известными работами Г.М.Гордона, И.А.Пейсахова, П.А.Коузова и привлечением экспериментально-статистических методов анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.
Эксперименты проведены на лабораторных, опытно-промышленных и промышленных установках по общепринятым и достаточно апробированным методикам НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им. Л.Я.Карпова, что обеспечило получение достаточно представительных и воспроизводимых данных. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет 12*16 % с доверительной вероятностью 0,95.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложены и экспериментально подтверждены унифицированные функции единого типа, связывающие коэффициенты изменения проскока с коэффициентом Буссинеска;
при расчете зернистых слоев, используемых для аэродинамической стабилизации пылегазовых потоков, впервые комплексно учтены различные механизмы осаждения твердых частиц в поровых каналах и установлена доминирующая роль фактора турбулентной миграции;
- изучены кинетические закономерности фильтрования пылегазового по
тока зернистыми слоями при постепенном закупоривании поровых каналов
слоя и предложены выражения в обобщенных переменных для расчета и про
гнозирования рабочих параметров этого процесса.
На защиту выносятся:
Унифицированные функции единого типа, связывающие коэффициенты изменения проскока с коэффициентом Буссинеска.
Оценка совместного влияния различных гидродинамических механизмов фильтрования в зернистых слоях.
Выравнивающие и распределительные устройства для пылегазового потока, проходящего через рабочие сечения пылеуловителей различных типов.
Кинетические закономерности фильтрования пылегазовых потоков зернистыми слоями при постепенном закупоривании поровых каналов слоя и математические зависимости в обобщенных переменных для расчета и прогнозирования рабочих параметров этого процесса.
Комбинированный способ регенерации зернистых слоев, состоящий в сочетании обратной продувки и частичного удаления слоя (12 - 16 % масс.) и рекомендуемые параметры этого процесса.
Инженерные рекомендации по применению разработанных аэродинамических способов повышения эффективности сухих пылеуловителей.
Оригинальные, защищенные патентами РФ, конструктивные решения пылеуловителей, обеспечивающие стабильные аэродинамические условия и высокую эффективность пылеулавливания в аспирационных системах при производстве огнеупоров.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке рекомендаций Семилукскому огнеупорному и Воронежскому керамическому заводам по внедрению аэродинамических способов повышения эффективности систем и аппаратов для улавливания пылей из отходящих технологических газов и аспирационных выбросов (пневмотранспорт глинозема из силосных башен в бункера - диффузоры с удлиненными разделительными стенками; аспираци-онные выбросы от пересыпных устройств, дозаторов, мешалок, шаровых и трубомельниц - распределительные решетки с переменным живым сечением; технологические газы после сушильных барабанов - зернистые фильтрующие слои; вращающихся и шахтных печей - диффузоры с укороченными разделительными стенками). Оригинальные конструктивные решения пылеуловителей (саморегенерирующийся фильтр-циклон и циклон-сепаратор) приняты к внедрению в эксплуатационной практике.
Отдельные разделы работы систематически используются в учебной практике кафедр «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», «Промышленная энергетика», «Машины и аппараты пищевых производств» ВГТА (расчетная оценка степени неравномерности распределения пылегазово-го потока по рабочему сечению, идентификация процесса фильтрования с постепенным закупориванием пор, конструктивное оформление и расчет процесса регенерации зернистых слоев, оценка ресурса работы отдельных устройств для аэродинамической стабилизации потока).
11 Апробация работы. Материалы диссертации доложены наг
Международной научно-технической конференции «Газоочистка 98: Экология и технология», Хургада (Египет) 14-21 ноября 1998 г.;
Российско-датском научно-практическом семинаре «Технические меры снижения негативного влияния объектов промышленности и коммунального хозяйства на окружающую среду»,Копенгаген (Дания) 2-8 декабря 1999г;
Международной научно-технической конференции «Проблемы экополиса», Флоренция (Италия) 22-29 апреля 2000 г.;
Российско-китайском научно-практическом семинаре «Современная техника и технологии машиностроительного комплекса: оборудование, материалы, экология производства и эксплуатации», Пекин (Китайская народная республика) 7 — 14 декабря 2000 г.;
IV Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Техника и технология экологически чистых производств» (ЮНЕСКО), Москва 16-17 мая 2000 г.;
Международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: системы мониторинга и защиты», Пенза 28-30 мая 2000 г.;
Шестых академических чтениях «Современные проблемы строительного материаловедения» (РААСА), Иваново 7-9 июня 2000 г.;
Научных чтениях «Белые ночи-2000» Международного экологического симпозиума «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия», Санкт-Петербург 1-3 июня 2000 г.;
V Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», Москва 2003 г.
Материалы диссертации использованы при изложении специального курса «Современные способы и аппараты для очистки промышленных газов и аспирационных выбросов от пыли» специалистам и аспирантам Цицикарского Технического университета (г. Цицикар, Хейлунцзянь, КНР).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, в том числе получено два патента на изобретения (№ 2220784 «Саморегенерирующийся фильтр-циклон для очистки газов от пыли»; № 2226128 «Циклон-сепаратор»).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 88 наименований и 5 Приложений.
Диссертация изложена на 167 страницах и содержит 39 рисунков, 19 таблиц.
Анализ современных способов повышения эффективности аспирационных систем. Аэродинамические, технологические и энергосберегающие аспекты проблемы
В огнеупорной промышленности аспирационные системы являются неотъемлемой частью технологического процесса, так как обеспечивают максимальное извлечение ценных сырьевых компонентов из газовой среды. Выбор аспирационной схемы начинается с анализа исходных данных. Физико-химические свойства газов и пыли позволяют выбрать дополнительные устройства, тягодутьевое оборудование и конструкционные материалы для изготовления аппаратов и газораспределительных устройств [43].
Оценка гидравлического сопротивления и ожидаемой эффективности выбранных аппаратов позволяет сформулировать дополнительные требования к газоходам и газораспределительным устройствам. В этой связи особый интерес приобретает анализ структуры потока в газоходах и подводящих участках пылеуловителей. Как известно [23], равномерный профиль скорости в прямой трубе постоянного сечения можно получить только при входе в нее потока через раструб (коллектор) очень плавной конфигурации на ближайших от входа сечениях.
Характер стабилизированного профиля скорости, не меняющегося в дальнейшем, и длина начального участка 1нач, на котором происходит формирование профиля скорости, зависят не только от числа Re , но и от массовой концентрации и абразивных свойств дисперсной фазы пылегазового потока, так как абразивность пыли приводит к истиранию рабочих поверхностей газоходов, что вызывает перераспределение скоростей пылегазового потока в рабочем сечении.
Для каждой установки существует некоторый диапазон критических значений чисел ReKp, при которых происходит переход от ламинарного режима течения к турбулентному. Эти критические значения для газовых гетерогенных сред с твердой дисперсной фазой резко сдвинуты в сторону уменьшения по сравнению с аналогичными показателями для гладких труб и гомогенных сред [23].
При неизотермическом движении, когда температура протекающей жидкости не везде одинаковая и постоянная, вязкость и плотность (для газов) получаются различными в разных точках. В связи с этим изменяется профиль скорости, причем характер изменения профиля скорости зависит от того как расположена труба, вертикально или горизонтально, и совпадают ли направления свободного и вынужденного движений или они противоположны. Для вертикальной трубы в случае совпадения направлений свободного и вынужденного течений у стенки - трубы скорость возрастает, а в центре уменьшается. В случае противоположно направленных свободного и вынужденного течений скорость у стенки трубы становится меньше, а в центре больше. В горизонтальной трубе вследствие свободного движения (конвекции) возникает поперечная циркуляция пылегазового потока. Частицы дисперсной фазы одновременно участвуют в поперечной циркуляции и в продольном вынужденном движении. В результате сложения этих движений траектории частиц пыли приобретают сложный вид винтовых линий.
При повороте пылегазового потока возникают центробежные силы, повышающие статическое давление потока в направлении от центра кривизны. Так как полное давление вдоль радиуса кривизны остается постоянным, повышение статического давления приводит к соответствующему понижению скорости в том же направлении. Наоборот, к центру кривизны статическое давление падает, и соответственно скорость возрастает, как это показано на рис.1.1.
В отводе или колене при переходе пылегазового потока из прямолинейного участка в изогнутый вблизи внутренней стенки скорость потока возрастает, а статическое давление соответственно падает (конфузорный эффект), вблизи внешней стенки скорость уменьшается, а давление повышается (диффузорный эффект). Переход потока из изогнутой части отвода или колена в прямолинейный участок сопровождается противоположными эффектами: диффузорным вблизи внутренней стенки и конфузорным вблизи внешней стенки.
Диффузорные явления приводят к отрыву потока от обеих стенок. Вихревая зона, возникающая при отрыве потока от внешней стенки, незначительная, в то время как вихревая зона у внутренней стенки распространяется далеко за изгиб канала, значительно сужая сечение основного потока.
Чем больше угол поворота колена или отвода, тем интенсивнее вихреобразование у внутренней стенки, а следовательно, больше неравномерность распределения скоростей по сечению. Так, например, при угле поворота колена 5К = 90 и малом радиусе закругления (или при острой кромке) максимальная ширина вихревой зоны достигает половины поперечного сечения, а протяженность (3-4) DK [22].
Скругление кромок поворота колена значительно смягчает срыв потока и, следовательно, улучшает распределение скоростей. Чем больше относительный радиус закругления гк = гк /2ЪК, тем меньше неравномерность потока и тем короче участок выравнивания скоростей за поворотом, как это показано на рис. 1.2 [20]. При радиусе скруглення кромок колена гк = 0,5ЬК область отрыва потока исчезает и поле скоростей выравнивается, как это показано на рис. 1.2, в. При улучшении распределения скоростей соответственно снижается сопротивление колена.
Следует отметить, что поскольку вихревая зона возникает при обтекании внутренней кромки поворота, наиболее эффективный способ ее предотвращения - скругление именно этой кромки. В ряде случаев ошибочно скругляют внешнюю кромку поворота, оставляя внутреннюю острой или скругляя ее незначительно, что может привести даже к заметному ухудшению структуры потока и к повышению сопротивления.
Пневмометрические измерения, анализ безразмерных скоростных полей и оценка степени их неравномерности
Особый интерес представляет использование стационарных зернистых насыпных слоев или фильтровальных элементов со связанной структурой для равномерного распределения пылегазового потока и обеспечения высокоэффективного пылеулавливания. При этом оптимальная величина коэффициента сопротивления слоя сл.опт. Для одновременного решения этих задач приобретает первостепенное значение. Величину сл.0пт. в работе определяли по формуле [22]
Эта зависимость справедлива при 10 N0(FK/F0) 200, т.е. в диапазоне реально существующих конструктивных решений зернистых фильтров. Анализ литературы [20] показывает, что для равномерного распределения скоростей за слоем требуется меньшая величина С,, чем за одиночной решеткой.
Это связано с отсутствием в слое продольных разграничивающих поверхностей, что способствует растеканию струи внутри слоя. Если зернистый слой уложен непосредственно на днище аппарата с отверстием или расстояние Н от входа до фронта слоя незначительно, относительную глубину зернистого слоя Нс.з., на которой струя расширяется до поперечного размера аппарата, определяют в зависимости от размера зерна d, (с точностью до 15 %) по формуле [8]
Формулы (3.19) и (3.20) имеют важное практическое значение при формировании слоя и оптимизации аэродинамических условий движения пылегазового потока через слой. Переходя к анализу способов выравнивания потока в аппаратах с зернистым слоем, отметим, что существующая тенденция к увеличению толщины слоя по сравнению с расчетной не является перспективной, так как приводит к росту энергетических затрат, ухудшению условий регенерации, неоправданному повышению массы фильтрующего материала. В этой связи представляет особый интерес альтернативное решение — выявление и рациональное использование внутренних резервов зернистой структуры: особенностей аэродинамики при течении пылегазовых потоков в слое, анализ турбулентной миграции частиц дисперсной фазы к стенкам поровых каналов, изучение отдельных аспектов кинетики фильтрования и ряда других механизмов, влияющих на эффективность процесса. Именно эти вопросы, как будет показано ниже, были подвергнуты специальному изучению, что позволило решить ряд поставленных в работе задач. Аэродинамические расчеты пылеуловителей, выполненные автором [3,47], необходимы для оценки и прогнозирования гидравлического сопротивления аппаратов, что позволяет определить энергетические затраты на пылеулавливание. При реализации аэродинамического расчета в работе использован принцип наложения потерь, состоящий в сложении абсолютных значений гидравлического сопротивления отдельных элементов [47]. Таким образом, где і — номер рассчитываемого элемента аппарата; п - общее число рассчитываемых элементов; APj - суммарное сопротивление i-элемента, определяемое по формуле Принятая в работе методика уточненных поэлементных аэродинамических расчетов пылеуловителей требует предварительного составления расчетных схем аппаратов. Так, расчет инерционного пылеуловителя ПИ-10 [86] показал, что его общее сопротивление АР0бщ - 336,3 Па, а фильтра ФЗРИ-100 АР0бщ - 305,4 Па. Эти результаты вполне удовлетворительно согласовываются с экспериментальными данными и технической характеристикой аппарата [73].. Выполненный нами анализ [37, 78, 87] позволяет сформулировать рациональные аэродинамические условия движения пылегазового потока в инерционных пылеуловителях типа ПИ-10: а) система жалюзей, установленная для сепарации пыли, не является оптимальной. Эффективность этой системы может быть существенно повышена при использовании конструктивных решений, приведенных в [87]; б) конфигурация подводящей шахты должна быть выполнена без внезапных сужений, как это имеет место в существующей конструкции, и включать удлиненные разделительные стенки в сочетании с изоградиентным (dp/dx=const) криволинейным диффузором [87]; в) весьма высокая массовая концентрация пыли на входе в сочетании с полидисперсным характером аэрозоля позволяют рассчитывать на кинематическую коагуляцию частиц, количественные закономерности которой могут быть определены по [41]. Этот процесс может быть интенсифицирован аэрогидродинамическими и акустическими способами, что позволит существенно повысить эффективность пылеулавливания. Существенный интерес представляет вихревой пылеуловитель, разработанный в НИПИОСТРОМ [24]. Аппарат предназначен для обеспыливания отходящих газов вращающихся и шахтных печей.
Основной поток запыленных газов поступает через верхний завихритель, а дополнительный - через нижний. Сепарация пыли и отбрасывание ее к наружной стенке происходит под действием центробежной силы. Дополнительный поток усиливает закручивание основного, что особенно важно в нижней части аппарата, и удаляет из него мелкую пыль. Отсепарированная пыль попадает в бункер.
Анализ, расчет и экспериментальная оценка некоторых устройств для равномерного распределения пылегазового потока в пылеуловителях аспирационных систем
В качестве альтернативного и многоцелевого решения проблемы рассмотрено применение зернистых фильтровальных слоев, способствующих выравниванию скоростей пылегазового потока и обеспечивающих одновременно высокую эффективность пылеулавливания, а при соответствующем подборе гранул слоя - утилизацию уловленной пыли.
Зернистые насыпные слои отличаются искривленными продольными и поперечными каналами с переменной и нерегулярной площадью и формой сечения, изменением размеров пор в широком диапазоне, одновременным существованием различных режимов течения и механизмов осаждения в поровых каналах, высокой относительной шероховатостью поверхности зерен, термо- и электрофорезом, адгезией и когезией при течении реальных гетерогенных сред. Эти особенности не позволяют использовать дифференциальные уравнения Навье-Стокса при исследовании гидродинамических особенностей обеспыливания газов зернистыми слоями, поскольку для их решения требуется широкая информация об истинной структуре зернистого слоя. Поэтому в указанных исследованиях обычно используют гипотетические структуры (капиллярные модели Гагена-Пуазейля, Козени-Кармана, Вилли-Спанглера, Карнелла-Катца, сетевые Дюллиена, дискретные с осесимметричными и криволинейными каналами), позволяющие создать математические модели процесса [68, 19, 4]. Однако эти модели далеко не всегда подтверждаются экспериментально в связи с наличием застойных зон, непредсказуемой турбулизацией режима течения гетерогенной среды, полидисперсностью исходных зернистых материалов, естественным или технологическим искажением формы зерен слоя, микрошероховатостью их поверхности, возрастанием извилистости поровых каналов и постоянным уменьшением их пористости.
Известны модели на основе ансамбля шаров [25], описываемые квазистационарной задачей в сферических координатах и дающие расчетные зависимости для определения перепада давления в зернистом изотропном слое, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными данными, но только при фильтровании гомогенных систем.
Сложные криволинейные профили поровых каналов, предусмотренные моделью Венкатесана, новейшие стохастические модели Хванга и Шоу весьма эффективны при расчете общей задерживающей способности зернистых слоев, но не обеспечивают получения адекватных зависимостей при оценке фракционных коэффициентов проскока.
Таким образом, предлагаемые модели реальных, зернистых слоев, несмотря на большое разнообразие и сложность, не могут дать универсального описания структуры пористого пространства. Затруднения при использовании идеализированных моделей усугубляются непрерывным изменением формы каналов и их пористости при обеспыливании промышленных газов.
Очевидно, наиболее представительные сведения о структуре порового пространства можно получить только экспериментально. В связи с этим следует отметить, что при фильтровании промышленных пылей зернистыми слоями возникает раннее качественное изменение режима движения и турбулентный режим наступает при критическом значении Re, намного меньшем, чем для гомогенного потока, так как частицы пыли являются дискретными турбулизаторами, дестабилизирующими устойчивость ламинарного течения.
Выполненная нами обработка опубликованных экспериментальных данных показывает, что для зернистых слоев из сферических и несферических гранул 0,5 Re ll. Установлено [25, 78], что турбулизация потока в поровых каналах приводит к тому, что размер улавливаемых частиц оказывается намного меньше минимального размера поры и определяется совместным действием различных механизмов.
Теоретические и экспериментальные исследования [3, 5, 27, 43, 79] показали, что эффективность обеспыливания газов зернистыми слоями определяется одновременным и совместным действием различных механизмов улавливания частиц - инерционным осаждением, зацеплением, седиментацией, диффузией, кинематической коагуляцией, турбулентной миграцией, термо- и электрофорезом и негидродинамическими факторами (магнитными, электростатическими и акустическими полями).
Весьма перспективно использование механизма представляющего особую форму поперечного движения частиц в сдвиговом турбулентном потоке [30-33]. Эта форма, открытая Фортье, Флетчером и независимо от них Е.П.Медниковым, имеет в механике аэрозолей фундаментальное значение [33,31,32,30].
Негидродинамические факторы пока не учитывают в промышленности при обеспыливании газов зернистыми слоями в связи с достаточной сложностью вспомогательного оборудования, необходимого для их реализации. Однако, теоретические и экспериментальные работы [81] показывают, что в определенных условиях (улавливание ферромагнитных пылей, канифоли, сажи) учет этих факторов целесообразен.
При изменении физико-химических параметров пылегазового потока и геометрии фильтровальной перегородки преобладают различные из названных механизмов, а их совокупное воздействие обеспечивает определенные экстремальные значения величины проскока.
Такое воздействие создает трудности для развития теории фильтрования. При этом суммировать эффекты действия отдельных механизмов нельзя, поскольку общий эффект хотя и больше каждого отдельного, но меньше их суммы.
Анализ кинетики фильтрования пылегазовых потоков зернистыми слоями. Обсуждение результатов экспериментов
Для предотвращения возвращения частиц в газовый поток на цилиндрическом корпусе меньшего диаметра предусмотрены продольные щели. В эти щели и затем зазор между цилиндрическими корпусами 1 и 5 и коническими диаметрами 2 и 6 попадают частицы. Наклонное по отношению к вертикали расположение щелей обеспечивает удачные аэродинамические условия движения пылегазового потока, что повышает эффективность пылеулавливания.
Предлагаемый циклон-сепаратор обеспечивает высокую эффективность пылеулавливания при повышенных значениях входной концентрации, не требует регенерации, компактен и отличается устойчивым аэродинамическим режимом эксплуатации.
Пылегазовый поток по штуцеру 8, установленному тангенциально к корпусу 1 фильтр-циклона, поступает в аппарат и вращается в нем с некоторой окружной скоростью, воздействуя при этом на лопасти 5, закрепленные на вершинах, образующих поверхности звездообразного фильтра 4. За счет кинетической составляющей удельной механической энергии газового потока фильтр начинает вращаться вокруг своей оси в подшипниковых узлах 6, причем скорость вращения фильтра равна окружной скорости движения запыленного воздуха. Установка в корпусе циклона фильтра уменьшает площадь живого сечения вращающегося пылегазового потока, что делает возможным увеличение его окружной скорости при той же производительности по запыленному газу и приводит к росту центробежной силы, действующей на частицы пыли. Частицы пыли, вращаясь вместе с пылегазовым потоком, достигнув стенок корпуса, почти сразу же попадают в желоб пластины 11 и под действием осевой составляющей скорости опускаются по поверхности пластины цилиндрической формы в коническую часть 2 к штуцеру.
Под действием избыточного давления газовый поток, освобожденный от основной массы твердых частиц пыли, проходит через пористую боковую поверхность звездообразного фильтра, и одновременно освобождается от мельчайших частиц пыли, размер которых определяется структурой пористого материала фильтра. Частицы пыли осаждаются на поверхности фильтра и образуют слой осадка, а очищенный газовый поток из внутренней полости фильтра по верхней полой оси 7 и штуцеру 10 выводится из аппарата. С увеличением толщины слоя осадка на поверхности вращающегося фильтра увеличивается центробежная сила, действующая на каждый элемент (единичной площади) массы осадка. При достижении некоторого значения, она станет больше радиальной составляющей силы давления, действующей по нормали к боковой поверхности звездообразного фильтра (и не совпадающей с направлением действия центробежной силы) и силы трения элемента массы о поверхность фильтра, что приведет к срыву осадка с поверхности фильтра, т.е. ее регенерации.
Фильтр-циклон обеспечивает высокую эффективность пылеулавливания, стабильный аэрогидродинамический режим, постоянную регенерацию фильтрующей поверхности и пониженное гидравлическое сопротивление. Экономические аспекты защиты техносферы при использовании разработанных аэродинамических способов повышения эффективности пылеуловителей
Общие и очевидные экономические преимущества затрат на оптимизацию аэродинамических условий пылеулавливания, для защиты техносферы от токсичных пылевых выбросов и организации мало- или безотходной технологии в огнеупорном производстве были затронуты ещё во «Введении» и в 1-ой главе настоящей работы. При этом необходимо сравнение производственных затрат и полученных доходов.
Известно, что определение реального ущерба является исключительно сложной задачей. Так, невозможно охарактеризовать целый ряд разрушительных эффектов, поскольку они могут проявиться как при наличии антропогенных или природных воздействий, так и в результате совместного влияния различных компонентов загрязняющих веществ, причём наиболее серьёзным эффектам, разрушающим человеческое здоровье, нельзя дать точную денежную оценку.
Например, практически неопределим ущерб, наносимый пылевыми выбросами зелёным насаждениям на территории завода ив примыкающих районах, при выращивании сельскохозяйственной продукции, в городских парках и садах, зданиям и производственным помещениям из-за неудачной комбинации природных условий с пылевыми выбросами, и т.д.
В производстве огнеупорных изделий выбрасываемые в атмосферу пылевые компоненты содержат значительное количество сырья, которое подлежит возврату в технологический процесс. Поэтому уже сейчас на таких предприятиях доля затрат на защиту атмосферы от пылевых выбросов достигает 21 % суммарных капиталовложений, из которых 6,5 % приходится на долю аэродинамического несовершенства пылеуловителей. Становится очевидным, что стоимость защиты атмосферы от пылевых выбросов, как и стоимость нанесённого ущерба, определить весьма сложно. В этой связи заслуживает особого внимания наиболее состоятельный подход к решению этой проблемы, содержащийся в работе [26]. Авторы этой работы рассматривают экономическую эффективность мероприятий по уменьшению загрязнённости атмосферы на двух уровнях -первичном и вторичном.
