Енерго- і ресурсозберігаюча технологія пилоуловлювання в комбінованому вихровому апараті

????????? ?? http://www.allbest.ru/

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Автореферат

Енерго- і ресурсозберігаюча технологія пилоуловлювання в комбінованому вихровому апараті

1.ЗАГАЛЬНА характеристика РОБОТИ

сепарація пилоуловлювач ресурсозберігаючий

Актуальність теми. Теплоенергетичні об'єкти (ТЕС на твердому паливі, доменні печі, конвертери, обертові і шахтові печі, барабанні сушарки) є основними джерелами виділення в атмосферу запилених високотемпературних газів, для знепилювання яких використовуються металомісткі апарати, що споживають значну кількість електроенергії і води, вимагають великих експлуатаційних витрат і наявності на підприємствах шламового господарства. Тому основним актуальним напрямком рішення задач пилоуловлювання є розробка нових технологій комбінованого сухого пилоуловлювання з повною утилізацією вловленого продукту і фільтруючих елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися у 1992-1999 р.р. у відповідності з науковими програмами ДКНТ України 4.12 "Економічні та технологічні засоби енерго- та ресурсозберігання: стратегія розвитку енергетики" і 2.03. "Стан і шляхи поліпшення якості атмосферного повітря". Упровадження результатів досліджень реалізовано під час здійснення госпдоговірної роботи з УВТК "Дорремтреста" м. Одеси №2250 "Удосконалення систем пилоочищення АБЗ".

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - розробка і упровадження енерго- та ресурсозберігаючого комбінованого вихрового пилоуловлювача для зниження забруднення повітряного басейну від теплоенергетичного обладнання.

Задачі дослідження:

- розвиток теоретичних уявлень про процес сепарації пилу у закрученому потоці та нерухомому дрібнозернистому шарі;

- експериментальні дослідження і пошуки раціональних умов відцентрової і інерційної сепарації пилу в взаємодіючих закручених потоках, уловлення пилу у фільтрі з організованим дрібнозернистим шаром;

- упровадження нових енерго- та ресурсозберігаючих пилоуловлювачів, які забезпечують потрібні санітарні норми.

Наукова новизна одержаних результатів. Для базових галузей промисловості (теплоенергетики, хімічної, металургійної, харчової промисловості і промисловості по виробництву будівельних матеріалів) обгрунтована доцільність використання нової енерго- і ресурсозберігаючої комбінованої технології сухого пилоуловлювання. Це дозволило на основі використання нової технології при забезпеченні потрібного ступеня очищення газів від пилу, значно знизити експлуатаційні витрати, металомісткість пилоуловлюючого обладнання без потреби в наявності на підприємстві шламового господарства; повернути в виробництво дрібнозернистий шар фільтраційного матеріалу із уловленим пилом.

Розвинуті теоретичні уявлення про механізм пилоуловлювання у комбінованому апараті з використанням відцентрової та інерційної сепарації і дрібнозернистого фільтру: розроблені математичні моделі аеродинаміки вихрового апарату із вбудованим фільтром, які дозволяють розраховувати пилоуловлювачі даного типу та прогнозувати вплив основних конструктивних і режимних характеристик на ефективність пилоуловлювання.

Розроблений і упроваджений дослідно- промисловий зразок комбінованого вихрового пилоуловлювача, який відповідає сучасним вимогам енерго- і ресурсозберігання, забезпечує високий ступінь очищення газів від пилу і санітарні норми, захищений патентом України №86.

Практичне значення одержаних результатів міститься у розробці і упровадженні ефективної енерго- і ресурсозберігаючої технології пилоуловлювання у комбінованому вихровому пилоуловлювачі та приладу для її реалізації, дозволяючих підвищити ступінь уловлювання пилу до 99,65%, отримати економію матеріальних коштів за рахунок зниження металомісткості пилоуловлюючих систем та повторного використання у виробництві дрібнозернистого матеріалу фільтру із уловленим пилом; поліпшити екологію навколишнього середовища та знизити вартість очищення газів від пилу. Комбінований пилоуловлювач може бути використаний у тепловій енергетиці, харчовій, хімічній, металургійній промисловості, промисловості по виробництву будівельних матеріалів. Розроблений пилоуловлювач упроваджений на Одеському припортовому заводі у схемі припливної вентиляції харчового блоку цеху карбаміду із реальним економічним ефектом 1500 грн./рік та прийнятий до упровадження на асфальтобетонному підприємстві УВТК "Доррембудтреста" м. Одеси з очікуваним економічним ефектом 90557 грн./рік.

Наукові розробки по технології комбінованого пилоуловлювання використані у навчальному процесі Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, що наведені у дисертаційній роботі, отримані автором у період роботи в ОДАБА з 1993 по 1999 рік.

Розроблення теоретичних основ запропонованої технології, конструкцій технічних засобів пилоуловлювання та методики експериментальних досліджень виконані автором особисто. Співавторами проводилися консультації по роботі та подавалась технічна допомога в проведенні експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації обговорені та схвалені на наступних науково-технічних конференціях і нарадах:

міжнародній конференції "Днестр-SОS", Одеса, 1993;

науково-практичній конференції “Екологічні проблеми Одеського регіону і їх вирішення”, Одеса, 1994;

комплексі наукових заходів країн СНД "Вибротехнология-97", у розділі "Механічна обробка сипких дисперсних матеріалів та середовищ", Одеса, 1997;

III, IV міжнародних науково-методичних конференціях "Удосконалення підготовки спеціалістів", Одеса, 1998, 1999.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані у збірках науково-технічних праць, в матеріалах і тезах доповідей конференцій (8 статей), у тому числі три публікації у фахових виданнях, затверджених ВАК України. Отримано патент України на пристрій для пилоуловлювання.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, бібліографії та додатків. Загальний обсяг дисертації складає стор., у тому числі малюнків, таблиць. Додатки наведені на стор. Список використаних джерел складає найменувань.

2.Основний Зміст РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі роботи, наведені основні теоретичні та експериментальні результати, які винесені на захист, підкреслена їх наукова новина й практична цінність.

Перший розділ присвячений вивченню стану проблеми пилоуловлювання у тепловій енергетиці, хімічній, металургійній та харчовій промисловості, на підприємствах по виробництву будівельних матеріалів. Проаналізовані умови експлуатації та ефективність пилоуловлювання сухих інерційних пилоуловлювачів, тканинних і зернистих фільтрів, мокрих пилоуловлювачів. Установлено, що системи пилоуловлювання, які експлуатуються у теперішній час в базових галузях промисловості, не відповідають сучасним вимогам енерго- та ресурсозберігання: споживають значну кількість електроенергії та води, мають великі габарити, вимагають великих експлуатаційних витрат і наявності на підприємстві шламового господарства.

Одним з найбільш перспективних напрямків модернізації існуючих систем пилоуловлювання є комбінування у одному компактному апараті різних способів сепарації пилу: відцентрового, інерційного та фільтраційного. Це було реалізовано у фільтрах-циклонах НИИОГАЗа (Рис. 1), які не дістали широкого розповсюдження через недосконалу конфігурацію апарату: у фільтрів-циклонів площа поперечного перетину фільтру у 8-10 разів більше площі перетину циклону.

У відповідності із сучасними вимогами енерго- та ресурсозберігання запропонована та захищена патентом України №86 конструкція компактного комбінованого пилоуловлювача із взаємодіючими закрученими потоками та вбудованим в верхній частині дрібнозернистим фільтром (Рис.2). Створенню раціональної конструкції такого апарата, в якому послідовно реалізуються три способи сепарації пилу: відцентрова сепарація пилу за рахунок формування закручених потоків у двох вхідних соплах з осьовими лопаточними завихрувачами; інерційна сепарація пилу за рахунок взаємодії протилежно закручених потоків та їхнього гальмування перед фільтром; фільтрування пилу у дрібнозернистому фільтрі, наповнювач якого (гравій із вловленим пилом) повертається у виробництво і присвячена ця робота.

В роботі на основі математичних моделей відцентрової сепарації пилу в закручених потоках та її фільтрування у дрібнозернистому шарі, результатах планування експерименту розвинуті теоретичні уявлення про механізм пилоуловлювання у комбінованому вихровому апараті.

Другий розділ присвячений розробці математичної моделі процесу відцентрової сепарації пилу у вихровому пилоуловлювачі із аксіальними лопаточними завихрувачами. Для проведення моделювання роботи пилоуловлювача об'єкт дослідження був розбитий на ряд окремих взаємодіючих моделюючих блоків:

У першому блоці виконується інженерний розрахунок труби Вентурі.

В другому блоці моделюється аеродинаміка вільного закрученого потоку

Третій блок забезпечує дослідження аеродинаміки закрученого потоку з полідисперсною твердою фазою та відцентровою сепарацією пилу.

Розрахунок аеродинамічних характеристик вільного закрученого потоку виконується на спрощеній моделі течії нестиснутої рідини, зневажаючи турбулентністю газу та його тертям об обмежуючи поверхні.

У відповідності з розглянутої моделлю течії газу в закрученому потоці розподіл тангенціальної швидкості газу в робочій частині потоку визначався наступним чином:

при радіусах r R_Я - за законом

u=(u₀ R_ср)/r (1)

при радіусах r- за законом

u=(u₀ R_ср)/R_Я)=[(u₀ R_ср) r]/R_Я² ; (2)

де R_Я - радіус ядра, яке обертається за законом твердого тіла, R_ср - середній радіус завихрувача, u₀ - тангенціальна швидкість на радіусі завихрувача.

У моделюючому блоці “рух в закрученому струмі та сепарація твердих частинок” розглядається рух одиничних частинок у формі кулі, не враховується дія сили тяжкості, вплив турбулентності та взаємодія частинок між собою, що дозволяє одержати якісну картину процесу сепарації та досліджувати вплив основних параметрів закрученого потоку на процес сепарації.

Радіальна V_r та окружна V швидкості частинок на кожній елементарній ділянці траєкторії визначалися вирішенням методом ітерації наступної системи рівнянь, яка одержана із диференціальних рівнянь руху твердих частинок

; (3)

; (4)

де - кутова швидкість закрученого потоку, - седиментаційний діаметр частинки,; ; ?_т,?? - густина та в'язкість газу; A, n - постійні, що визначаються числом Рейнольдса 0,6 Re 10⁵ (А=11,5-26,5; n=0-1).

З урахуванням впливу рикошетів, внаслідок яких можливі пропуски частинок пилу, парціальний коефіцієнт пропуску пилу визначають з залежності

; (5)

де Єп- коефіцієнт додаткового пропуску частинок пилу даного діаметру.

На рис. 3 представлені розрахункові траєкторії частинок різного діаметру, розраховані для двох інтенсивностей закрутки. Як видно з малюнку, для обох випадків закрутки спочатку відокремлюються дрібні частинки, далі вниз по потоку - більш крупні, що зумовлене інерцією крупних частинок та більш повільним їх втягненням в обертальний рух.

На рис. 4 представлені розрахункові залежності від куту?? загального коефіцієнту пропуску пилу Є₀ та максимального діаметру??_кр пропущених частинок. Як видно з графіку, при збільшенні?? від 60⁰ до 90⁰ коефіцієнт пропуску Є₀ зменшується в 1,8 разів та??_кр у 1,5 разу. Отже, для забезпечення високої ефективності очищення газу бажано, щоб лопатки завихрувача були з установочним кутом, близьким до 90⁰.

Проведений аналіз явища взаємодії закручених потоків, що перетинаються, показав, що використання такої взаємодії повинно забезпечити рівномірне аеродинамічне навантаження на дрібнозернистий фільтр за рахунок утворення потенційної течії середовища та рівномірного результуючого поля тангенціальних швидкостей.

Третій розділ включає у себе розробку математичної моделі аеродинаміки фільтру з нерухомим зернистим шаром НЗШ, теоретичні дослідження впливу геометрії фільтру, газорозподільної решітки та проникності зернистого шару на аеродинамічні характеристики НЗШ.

Для опису руху газу крізь пористе середовище використаний двочленний закон фільтрування

; (6)

де - швидкість фільтрації, - перепад тиску на одиницю висоти шару, - динамічна в'язкість, K, L - коефіцієнти проникності (гідравлічної провідності) пористого середовища.

Опис течії у вільному просторі зроблений на основі моделі Навьє - Стокса

 (7)

А течії в пористому середовищі по рівнянню

(8)

Тензор характеризує проникність пористого середовища. У нашому випадку ізотропного середовища, течія усередині якого підкоряється закону Дарсі, - є скалярна величина/K, де K - звичайна проникність Дарсі.

Результати розрахунку аеродинамічних характеристик НЗШ показали, що характерною неоднорідністю апаратів із осьовим входом-виходом потоку є підвищена швидкість пилогазової суміші у центральній частині шару. Ця неоднорідність зменшується при віддаленні місця входу-виходу від шару, при збільшенні товщини шару, та при збільшенні вхідного і вихідного перерізів. Можливість знаходити і досліджувати обурення течії, обумовлені геометрією фільтру, є основним достоїнством розробленої моделі.

На основі результатів теоретичних досліджень аеродинаміки НЗШ рекомендовані два способи завантаження зернистих шарів для покращення сепараційної спроможності фільтру: із додатком піску у пристінну зону та покриттям стінки фільтру легко деформуючим матеріалом, що значно вирівнює профіль швидкості газового потоку у шарі.

Четвертий розділ присвячений розробці та експериментальним дослідженням дослідно - промислового зразка вихрового комбінованого пилоуловлювача.

У відповідності із відомими вимогами єдиної методики порівняльних випробувань пилоуловлювачів розроблена і виготовлена експериментальна установка, на якій досліджувався вплив конструктивних та режимних параметрів і способів завантаження фільтру на ефективність сепарації пилу та гідравлічний опір пилоуловлювача.

Експериментальні дослідження сепараційних характеристик вихрового комбінованого пилоуловлювача включали у себе два етапи:

Дослідження впливу ступеню взаємодії закрученого потоку (куту нахилу вхідних сопел) на ефективність роботи пилоуловлювача.

Експериментальні дослідження впливу способу завантаження зернистого шару на ефективність пилоуловлювання.

На експериментальній установці досліджені п'ять варіантів орієнтації взаємодіючих закручених потоків із кутами нахилу вхідних сопел 0⁰ (горизонтальне положення), 15⁰, 30⁰, 45⁰, 60⁰. При монтажі зйомних вхідних конусів з кутами нахилу 0⁰, 15⁰, 30⁰ та 60⁰ встановлено, що аеродинамічне навантаження на білий лавсановий фільтр, вставлений перед НЗШ, не є рівномірним: корисна використана площа фільтру становила 60% (для = 15⁰, 60⁰), 80% (для =30⁰).

Варіант орієнтації взаємодіючих потоків під кутом 45⁰, що співпадає з кутом нахилу стінок зернистого фільтру, є найкращим, тому що використовується вся поверхня зернистого фільтру. З метою зменшення висоти пилоуловлювача та зниження його металомісткості рекомендується встановлювати зернистий фільтр на висоті Н_{у. ф..}/Д_ап. =0,5 - це є мінімально допустима відстань між основою зернистого фільтру та верхнім кінцем вхідних сопел для формування рівномірного поля швидкості та аеродинамічного навантаження на вході у фільтр.

Результати вимірювання профілів швидкості для звичайного (вільного) завантаження шару (крива 1) та із застосуванням деформованої стінки (крива 2) представлені на мал. 5. У результаті використання деформованої стінки, швидкість газу в області біля стінки знизилася, а у центральній частині шару збільшилася, тобто профіль швидкості по перетину зернистого шару стає більш рівномірним. Самий рівномірний профіль швидкості по перетину шару (крива 3) одержується при використанні водночас двох способів завантаження фільтру: із застосуванням добавки піску та матеріалу ,що деформується. Тому для виключення проскакування пилу крізь зернистий фільтр цей варіант був обраним в якості базового.

П'ятий розділ включає до себе оптимізацію технологічних параметрів пилоуловлювача та аналіз показників енерго- та ресурсозберігання.

Для оптимізації технологічних параметрів пилоуловлювача з використанням методів планування експерименту отримана статистична модель процесу знепилювання відходячих газів АБЗ у виді полінома по плану повного факторного експерименту типу 2³. Досліджуваний об'єкт при плануванні експерименту подає схему із трьома входами (розмір зерен фільтруючого матеріалу d₃, товщина фільтруючого шару Н_ш., швидкість потоку на вході в завихрувач V_вх) та двома виходами (гідравлічний опір??Р, ступінь пилоуловлювання ).

Рівняння регресії для y₁ - гідравлічний опір та y₂-ефективність очищення відповідно мають вид:

y₁=1546-267x₁+182x₂+172x₃-64x₁x₂-173x₁x₃-99x₁x₂x₃ (9)

y₂=94, 125-1, 625x₁+1, 125x₂+1, 625x₃-0, 625x₁x₃-0, 875x₂x₃ - 0,625 x₁x₂x₃ (10)

За рівняннями (9) і (10) побудовані ізолінії поверхні відгуку, по яким визначалися значення параметрів пилоуловлювача d₃, Н_ш, V_вх, при яких ступінь очищення газу від пилу максимальний при заданому значенні гідравлічного опору (рис. 6). Наприклад, при Па найбільший ступінь очищення 5% досягається при наступних параметрах пилоуловлювача: d₃ =1мм; Н_ш. =100мм; V_вх=18м/с.

Випробування дослідно-промислового зразка пилоуловлювача проведені на технологічній лінії знепилювання асфальтозмішувача Д-117-2К УВТК “Дорремтреста” м. Одеси та у системі припливної вентиляції Одеського припортового заводу, розташованої поруч з цехом карбаміда. Розроблена система знепилювання відповідає усім сучасним вимогам енерго- та ресурсозберігання та принципам безвідхідної технології: до технологічного процесу буде повернуте 116,83 тони пилу на рік; система пилоуловлювання виключає необхідність використання мокрого очищення, витрат на воду та експлуатацію шламового господарства; затрати на електроенергію знижуються у 1,8 рази.

ВИСНОВКИ

Сухі та мокрі пилоуловлюючі апарати, що експлуатуються у базових галузях промисловості ( пилоосаджуючі камери; циклони та інші інерційні апарати; мокрі скрубери; пінні та турбулентні апарати; тканинні, волокнуваті та зернисті фільтри) не відповідають сучасним вимогам енерго- та ресурсозберігання, споживають значну кількість електроенергії та води, мають великі габарити і вимагають великих експлуатаційних витрат.

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-практична задача комбінування в апараті декількох сухих способів пилоуловлювання: відцентрового, інерційного та фільтрування у дрібнозернистому шарі, що дозволило значно зменшити розміри пилоуловлювача.

Розвинуті в роботі теоретичні уявлення про механізм пилоуловлювання у вихровому комбінованому апараті, засновані на розроблених математичних моделях відцентрової сепарації пилу у закручених потоках та її фільтрування у дрібнозернистому шарі, результатах планування експерименту, дозволили створити інженерну методику розрахунку комбінованого пилоуловлювача.

Для забезпечення максимальної сепараційної ефективності при мінімальному гідравлічному опорі на основі аналізу результатів експериментально-теоретичних досліджень запропоновані раціональні конструктивні та режимні характеристики пилоуловлювача: геометричні характеристики завихрувача (кут установки лопаток =90⁰, відношення внутрішнього R₁ та зовнішнього R₂ радіусів завихрувача R₁/R₂=0.6/0.7), вхідна швидкість потоку _вх =18 м/с, висота зернистого шару Н_ш=100 мм та діаметр зерен dз=1 мм.

Методами планування експерименту в доповнення до розроблених математичних моделей для розрахунку гідравлічного опору пилоуловлювача та загального ступеня очищення одержані рівняння регресії у виді поліному по плану повного факторного експерименту типу 2³.

Дрібнозернистий фільтр може бути вбудований тільки у вихровий апарат з протилежно закрученими взаємодіючими потоками, які забезпечують максимально можливу попередню сепарацію пилу, рівномірне аеродинамічне навантаження на поверхню фільтру, невеликі металомісткість і габарити пилоуловлювача.

Установлено, що найбільш ефективними способами упакування шару у фільтрі, які забезпечують підвищення сепараційної ефективності, є застосування деформованої стінки та завантаження фільтру у пристінній зоні із дрібною фракцією піску.

Науково обгрунтовані нові технічні вирішення (комбінування в одному компактному апараті відцентрового, інерційного та фільтраційних способів пилоуловлювання, використання взаємодіючих закручених потоків та дрібнозернистого фільтру з повною утилізацією уловленого продукту та фільтруючого матеріалу) закладені в конструкцію дослідно-промислового зразка енерго- та ресурсозберігаючого комбінованого вихрового пилоуловлювача, упровадження якого тільки на вітчизняних АБЗ може привести до покращання екологічної обстановки та одержання економічного ефекту у розмірі 90557 грн./рік для одного асфальтозмішувача продуктивністю 32 т/годину. Пилоуловлювач упроваджений у системі припливної вентиляції харчоблоку ОПЗ з реальним економічним ефектом 1500 грн./рік, одержаним за рахунок зниження експлуатаційних витрат.

Одержані результати досліджень можна рекомендувати для практичного використання при уловлюванні пилу на високотемпературному теплоенергетичному обладнанні ТЕС, хімічної, металургійної, харчової промисловості та промисловості по виробництву будівельних матеріалів.

В якості направлення подальших досліджень доцільно рекомендувати аналіз можливості часткового знешкоджування токсичних газових викидів у запропонованій конструкції пилоуловлювача за рахунок їх адсорбції у зернистому фільтрі.

СПИСОК ОПУБЛІКУВАНИХ ПРАЦЬ

1. Афтанюк В.В. Экспериментальные и теоретические исследования пылеуловителя ПВЗП-ОДАБА // Строительные конструкции, строительные материалы, инженерные системы, экологические проблемы : Сб. научн. тр. ОГАСА- Одесса, 1998. -С.125-126.

2. Афтанюк В.В., Стоянов Н.И. Вихревые аппараты для средств охраны труда и окружающей среды.// Холодильная техника и технологии .- Вып. 66. - 2000г. - С. 5-8.

3. Афтанюк В.В. О методике инженерного расчета пылеуловителя ПВЗП-ОДАБА в учебном процессе // Матеріали IV міжнар. наук.-метод. конф. “Удосконалення підготовки спеціалістів”. - Одесса: ОДАБА. - 1999. - С.136.

4. Афтанюк В.В., Стоянов Н.И. К вопросу о совершенствовании газоочистки асфальтобетонных производств // Труды междунар. НПК “Экологические проблемы Одесского региона и их решение”. - Одесса. - 1994. - С.26 - 28.

5. Афтанюк В.В., Стоянов Н.И. Использование математической модели процесса пылеулавливания в учебных расчетах // Матеріали III мiжнар. наук.-метод. конф. “ Удосконалення підготовки спеціалістів”. - Одесса: ОДАБА. - 1998. - С.92.

6. Стоянов Н.И., Афтанюк В.В. О косвенном загрязнении компонентов окружающей среды // Сборник докладов НТК. - Одесса : ОГАСА. - 1994. - с.43.

7. Стоянов Н.И., Афтанюк В.В., Зайцев О.Н. Интенсификация сепарационных процессов на асфальтобетонных производствах // Материалы КНМ стран СНГ “Вибротехнология-97”. -Часть 4 : Механическая обработка дисперсных (сыпучих) материалов и сред. - Одесса , 1997. -С.72.

8. Стоянов Н.И., Зайцев О.Н., Афтанюк В.В. О разработке методических указаний по дисциплине “Теоретические основы технологии очистки газовых выбросов” // Матеріали IV міжнар. наук.-метод. конф. “Удосконалення підготовки спеціалістів”. - Одесса : ОДАБА. -1999. - С.142.

9. Пат. України № 86, МКИ ВО1Д 46/30. Пристрій для очищення газу / Афтанюк В.В., Стоянов М.I., Аветисян А.Г. Заявл. 08.02.95; Опубл. 25.12.97, Бюл. №6.

????????? ?? Allbest.ru