Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы в большинстве отраслей промышленности передовых, технически развитых стран наметилась тенденция к расширению области применения фильтров-пылеуловителей как одного из наиболее эффективных аппаратов очистки промышленных пылегазовых выбросов. Такая тенденция обусловлена: реальным медико-экологическим мониторингом ситуации; появлением ряда новых технологических процессов; расширением производства новых уникальных фильтровальных материалов; возможностью совмещения в фильтре функций пылеулавливания и нейтрализации токсичных газообразных компонентов.
Вместе с тем, на пути более интенсивного внедрения пылеулавливающих фильтров в промышленную практику имеется ряд объективных трудностей:
недостаточно изучен процесс фильтрования пылегазовых потоков, особенно высокотемпературных, что не позволяет правильно выбрать эксплуатационные параметры работы фильтра; высокая стоимость современных фильтровальных материалов и ошибки персонала; в ряде случаев недостаточно высокий уровень эксплуатации.
Эффективная и надежная работа фильтров возможна лишь при надежной регенерации фильтрующих элементов.
Низкая эффективность регенерации ведет к повышению гидравлического сопротивления аппарата, что увеличивает расход электроэнергии и ведет к росту остаточной запыленности или к необходимости более частой регенерации, что отрицательно сказывается на сроке службы фильтроэлементов.
Оптимизация процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров за счет импульсных энергетических воздействий является серьезной научной проблемой.
В работе изучены эксплуатационные параметры пылеулавливающих фильтров в различных отраслях промышленности, и дана сравнительная оценка технических возможностей и экономических показателей таких установок.
Работа проводилась в рамках основных направлений научных исследований кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств (ПАХПП)» и «Машины и аппараты химических производств (МАХП)» ГОУ ВПО ВГТА (№ гос. регистрации НИР - 0120.0603139) «Разработка инновационных и совершенствование современных технологий, оборудования, моделей, способов и средств автоматизации и управления пищевыми и химическими производствами» по направлениям «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» (код ГРНТИ 55.30.33.) и «Разработка и исследование процессов и оборудования для переработки твердых углеводородо-целлюлозных отходов в режимах собственного энергообеспечения» (код ГРНТИ 55. 01.91.), в рамках стипендии Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), а также Немецкой службы академических обменов (DAAD).
Цель работы. Совершенствование процесса регенерации, проведение анализа энергетических воздействий на пылевые слои, научное обоснование и разработка энергосберегающей регенерации и внедрение полученных результатов в технологические процессы.
Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс задач: проведены теоретические и экспериментальные исследования технологических и энергетических характеристик процессов регенерации; дано научное обоснование методов расчета и проектирования промышленных пылеулавливающих фильтров; разработана методология интенсификации процесса регенерации, внедрение эффективных промышленных пылеулавливающих фильтров с устройствами энергетического воздействия.
Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании 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 экспериментально-статистическими методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При этом расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований, в среднем, не превышало 12 % с доверительной вероятностью 0,95.
Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации действующих и создания новых высокоэффективных систем регенерации пылеулавливающих фильтров на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса фильтрования совместно с изучением физико-химических и структурно-механических характеристик модельных объектов.
Научная новизна работы. 1. На основе теоретического обобщения физико-химических эффектов в пылевых слоях, анализа и синтеза энергетических воздействий разработаны методы интенсификации процесса регенерации пылеулавливающих фильтров;
2. Разработаны и экспериментально проверены модели в обобщенных переменных, описывающие кинетику фильтрования с учетом проскока частиц (dK/d 0), что позволило сформулировать условия энергосберегающей регенерации.
3. Получены уравнения, описывающие кинетику разделения аэрозолей с твердой дисперсной фазой при регенерации фильтрующих элементов в поле центробежных сил, учитывающие гидродинамическое и временное подобие, а также ряд безразмерных параметров, которые характеризуют процесс и позволяют определить режим стабильной регенерации.
4. Предложен метод оценки степени неравномерности распределения регенерирующего агента по поверхности фильтровальных элементов с использованием модернизированных коэффициентов Буссинеска (Мк) и Кориолиса (Nк) для специфических форм рабочего сечения фильтровальных элементов, что позволило определить оптимальную аэродинамическую структуру потока регенерирующего газа.
5. Предложена математическая модель пневмоимпульсной регенерации и на её основе разработана методика расчета, позволяющая прогнозировать показатели эффективности очистки фильтровальных элементов (восстановление первоначального гидравлического сопротивления, освобождение от дисперсной фазы поровых каналов фильтровального слоя).
6. Разработан метод определения оптимального значения удельной газовой нагрузки для различных систем регенерации и структуры фильтровального слоя с учетом гидродинамических условий проведения процесса.
7.Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования для интенсификации процесса регенерации импульсных устройств с наложением акустических колебаний в безопасном для обслуживающего персонала ультразвуковом частотном диапазоне.
На защиту выносятся следующие положения:
- основные направления интенсификации процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров, базирующиеся на анализе и синтезе энергетических воздействий и физико-химических эффектов в пылевых слоях осадков;
- способ определения оптимальной удельной газовой нагрузки в период регенерации на фильтровальных перегородках с различной структурой слоя;
- зависимости, описывающие кинетику фильтрования пылегазовых потоков с отложением осадка с учетом их сжимаемости при dK/d 0 и оптимальные условия, при которых энергозатраты на проведение процесса пылеулавливания минимальны;
- математические, в том числе, нейроносетевые модели регенерации, позволяющие установить оптимальные параметры этого процесса;
- уравнения, описывающие кинетику фильтрования полидисперсных аэрозолей в центробежном поле, позволяющие определить критическое число гомохронности, при котором обеспечивается стабильный энергосберегающий гидродинамический режим проведения такого процесса;
- оригинальные конструкции пылеулавливающих фильтров с системами интенсификации процесса регенерации, защищенные патентами РФ.
Практическая ценность диссертации. На основе предложенных моделей и методик расчета разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего фильтровального оборудования, обеспечивающие интенсификацию процесса регенерации.
Предложенные в работе технические решения внедрены на Воронежском керамическом (ВКЗ), на Семилукском огнеупорном заводе (СОЗ), на Семилукском комбинате строительных материалов (СКСМ), в ООО «Придонхимстрой Известь» (г. Россошь, Воронежская обл.) в ОАО « Русский Реактор» (г. Москва), техническими службами Филиала ОАО «Вагонреммаш» «Воронежского вагоноремонтного завода».
Результаты работы используются систематически в практике ряда высших учебных заведений – Воронежской государственной технологической академии, Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, Белгородском государственном техническом университете им.В.Г. Шухова.
Специальные рекомендации по методологии и проведению пылегазовых замеров выданы Федеральной службе по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Территориальное управление по Воронежской области).
Достоверность научных разработок подтверждена приведенными в диссертации результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях (ПКФ ВКЗ, СОЗ, ФГУП «Аннинский элеватор», Филиал ОАО «Татспиртпром» «Тюрнясевский спиртзавод», ОАО «Россошанский элеватор»).
Для реализации энергосберегающей регенерации промышленных фильтров - пылеуловителей разработаны перспективные конструкции (Пат. РФ 2147915, 2156642, 2276618, 2205678, 2251445, 2282482, 2299089, 2310498, 2414306), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на
Международных конференциях «Инженерная защита окружающей среды», Москва, 1999, 2001; 2002; 2003; V Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования», Иваново, 2001; Международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XX век», Волгоград, 2001; XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-15», Тамбов, 2002; XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19», Воронеж, 2006; XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-23», Саратов, 2010; Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004; V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза, 2005; Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития», Тамбов, 2004; 2-й Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов, 2006; Третьей Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2008; II Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию РУДН «Инновационные процессы в АПК», Москва, 2010; III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)», Воронеж, 2009; Международной научно-технической конференции «Биотехнология: экология крупных городов», Москва, 2010; IX Всероссийском конгрессе «Экология и здоровье человека», Самара, 2004; XLI, XLII, XLIII, XLIV отчетных научных конференциях ВГТА, Воронеж, 2002-2010; IX Региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ», Липецк, 2005; Научно-практической конференции «Проблемы и инновационные решения в химической технологии», Воронеж, 2010.
Материалы диссертации экспонированы на Региональной выставке «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» и награждены Дипломом Торгово-промышленной палаты Воронежской обл. (20-21.Х.2005).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 106 работ, в том числе, 1 монография, 1 учебное пособие с грифом УМО, 19 статей в центральных изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, получено 9 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть глав, основные результаты и выводы, список литературных источников (559 наименований) и 10 приложений. Работа изложена на 326 страницах основного текста, содержит 130 рисунков и 40 таблиц.
