Обоснование применения современных программных комплексов при разработке и оптимизации конструкции электрофильтров нового поколения

Климат, преобладающий на территории России и характеризующийся температурами ниже нуля на протяжении большего количества дней в году, обуславливает применение значительного количества объектов теплоснабжения. Обогрев жилых и производственных зданий на предприятиях и в населенных пунктах, а так же частных домов и муниципальных организаций по всей России согласно различным источникам обеспечивают около 485 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), 6,5 тысяч котельных мощность которых превышает 20 Гкал/час, более 100 тысяч мелких котельных и около 600 тысяч автономных индивидуальных теплогенераторов [1].

Вопрос очистки дымовых выбросов мощных котельных и ТЭЦ на сегодняшний день решен в наилучшей форме. Очистка осуществляется различными способами, основанными в основном на использовании сил инерции, тяжести, центробежных или на образовании коронного разряда между электродами и направленного движения газа. Очистка дымовых газов малых и средних котельных, мощность которых составляет менее 20 Гкал/час практически никак не реализована, не считая оптимизации процесса горения, что лишь незначительно позволяет уменьшить концентрацию несгоревших частиц содержащихся в дыму. Не смотря на это ежегодные выбросы подобных котельных существенны. Если рассмотреть широко представленные на рынке малые котельные, мощность которых составляет около 1,6 Гкал/ч, с установленными котлами типа HP-18 или КСВ-1,86 [2] можно определить, что подобные котельные производят в год валовый выброс твердых частиц около 4,32 т., при сжигании древесных пеллет или 35,35 т. при сжигании угля [3].

Возможность использования электростатического поля для удаления твердых взвешенных частиц (пыли, сажи и т.д.) из потока воздуха известна и используется уже достаточно давно. Принцип действия электростатических фильтров заключается в ионизации частиц, находящихся в пропускаемом через него дымовом потоке, после чего данные частицы начинают двигаться к осадительному либо коронирующему электроду, в зависимости от знака полученного заряда. Траектория движения частиц совпадает по направлению с траекторией силовых линий электрического поля. Как известно, линии электрического поля разноименных зарядов замыкаются между ними, одноименных не пересекаясь расходятся в разные стороны. По данному принципу организуется поле и в электрофильтре, где осадительные и коронирующие электроды имеют разноименные потенциалы. Классическая конструкция электростатического фильтра предполагает использование осадительных электродов плоской формы и игольчатых коронирующих электродов. Картина поля в такой конструкции представляет собой силовые линии, одни концы которых равномерно распределены вдоль всего осадительного электрода, а другие концы секторально сконцентрированы у каждой иглы коронирующего электрода.

Наличие определенных недостатков в конструкции и принципе действия существующих моделей применяемых электростатических фильтров, например на крупных ТЭЦ, (фильтров типа ЭГА [4]) ограничивает возможность их применения на котельных малой и средней мощности.

Основными затруднениями для их использования являются:

- большие габаритные размеры, обосновываемые значительным объемом выбросов дымовых газов и принципом работы электростатического фильтра; электрофильтр мелкодисперсный частица напряженность

- высокая стоимость электростатических фильтров и мероприятий необходимых для его подготовки, включающих процесс ввода его в эксплуатацию, что зачастую несопоставимо с бюджетом организации владеющей котельной.

Электрофильтр, исключающий данные затруднения при этом имеющий возможность эффективного применения в котельных малой и средней мощности должен удовлетворять ряду требований, таких как:

- компактность конструкции, желательно модульность;

- эффективность очистки дымовых газов, не уступающая промышленным образцам;

- простота обслуживания;

-автоматизированный режим работы;

- минимальная стоимость.

Данным требованиям удовлетворяет вертикальный трубчатый электрофильтр, предлагаемый авторами, оригинальность конструкции которого подтверждена патентом на изобретение [5]. Конструкция вертикального электрофильтра в отличие от классической конструкции [6] имеет цилиндрические осадительные электроды (ЦОЭ). На определенном расстоянии от осадительного электрода, образуя активный воздушный зазор вдоль всей его окружности, располагаются игольчатые коронирующие электроды [7]. Для оптимизации любой конструкции электрофильтра важным является вопрос эффективного распределения поля между его электродами. Ввиду невозможности визуального наблюдения электростатического поля, в частности у предлагаемой конструкции электрофильтра, был использован программный пакет Ansys позволяющий моделировать и определять электрические поля при любой величине воздушного зазора и независимо от геометрии электродов.

На (рис. 1 а) для наглядности представлен поперечный вид смоделированной картины электрического поля вокруг одного ЦОЭ с одним коронирующим электродом в рассматриваемой конструкции вертикального трубчатого электрофильтра.

Поперечная характеристика распределения напряженности электрического поля согласно (рис. 1 а) представленная на рис 2, позволяет оценить значения создаваемой напряженности электрического поля при одном коронирующем электроде (характеристика 1) и при нескольких коронирующих электродах (характеристика 2), (в данном случае рассматривалось три коронирующих электрода).

На (рис. 3) представлены характеристики продольного распределения напряженности электрического поля вдоль поверхности ЦОЭ, полученные также с применением программного комплекса. Напряженность, характеризующаяся равномерными значениями на всем протяжении электрода (характеристика 1), определяется при гладкой форме коронирующего электрода, периодично изменяющиеся значения (характеристики 2) обусловлены игольчатым исполнением формы коронирующего электрода.

Количество коронирующих электродов как и наличие на них игл в целом позволяет повысить напряженность и усложнить картину электрического поля на пути проходящего через фильтр дымового потока, что в итого значительно повлияет на эффективность очистки электрофильтром данного потока.

Помимо этого, основываясь на экспериментальных данных, полученных при исследовании зависимости осаждения частиц от типов коронирующих электродов [7], можно сделать выводы о наибольшем осаждения частиц в местах с резко изменяющейся напряженностью поля. Данного изменения поля, согласно характеристикам представленным на рис. 2 и рис. 3 можно добиться варьируя количеством и типом коронирующих электродов.

Дополнительного изменения поля в воздушном зазоре между электродами, можно добиться выполнив поверхность ЦОЭ рифленой формы (рис. 4).

Как видно из представленной картины электрического поля рифленая поверхность ЦОЭ (участок а, рис. 4) позволяет дополнительно создать локальные области с высокой напряженностью на своей поверхности, тем самым еще более усложнив общую картину создаваемого электрического поля. Данное исполнение будет способствовать осаждению частиц сажи непосредственно в местах высокой напряженности поля, что дает возможность заранее определять места с наибольшей концентрацией осевших частиц, и позволяет еще на этапе проектирования заложить критерии равномерного распределения осаждаемых частиц по всей поверхности ЦОЭ. В отличие от рассмотренного, поле, образуемое между игольчатым коронирующим электродом и гладкой поверхностью осадительного электрода (участок б, рис. 4) характеризуется меньшими показателями изменения значений поля, что как раз таки и показывают характеристики представленные на рис. 3. Максимальное осаждение частиц сажи при данном исполнении электродов будет наблюдаться по торцам ЦОЭ, где дополнительные области коронирования, а следовательно и изменение картины поля будут создавать края ЦОЭ.

Для подтверждения достоверности получаемых картин электрического поля, а так же уверенности в возможности применения данного программного комплекса при дальнейшем исследовании электрофильтра проведена частичная экспериментальная апробация построения линий электрического поля (рис.1 б). Эксперимент проводится с использованием блока высокого напряжения ИВН-30, емкости с касторовым маслом и ионизируемых частиц.

Как видно из представленной картины, при подаче напряжения на электроды, имитирующие ЦОЭ и коронирующий электроды вертикального электрофильтра [5], частицы выстроились по линиям электрического поля, повторяя картину, смоделированную в программном комплексе. Полученный результат совместно с данными экспериментального замера величины напряжённости электрического поля также проводимых авторами [8], подтверждает достоверность данных получаемых с помощью программного комплекса и обосновывает его применения для оптимизации конструкции, распределения полей и повышения эффективности работы электрофильтра в целом.

Таким образом, можно сделать выводы о том, что применение компактного электрофильтра рассматриваемой конструкции отличающейся от существующих использованием осадительных электродов цилиндрической формы позволяет:

- обеспечить непрерывный режим подачи напряжения на электроды, что определяется принципом работы фильтра [5], так как нет необходимости в снятии напряжения с электродов для выполнения их очистки, к тому же это будет способствовать упрощению системы питания электрофильтра;

- реализовать систему автоматической очистки электродов, что также определяется принципом его работы [5];

- отказаться от механизмов встряхивания электродов, что позволит снизить его металлоемкость, габариты и в итоге упростит конструкцию.

Полученные результаты исследований рассмотренной конструкции и возможность её реализации позволят значительно облегчить решение проблем очистки дымовых газов котельных средней и малой мощности, а так же снизить себестоимость очистки выхлопных газов котельных. Так же, данные полученные в результате исследований могут быть полезными при разработке устройств очистки, сортировки, озонирования и т.д.

Список литературы

1. Реутов Б.Ф., Наумов А.Л., Муравьев В.В., Пыжов И.Н. Национальный доклад. Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса // под ред. Семенова В.Г. М.: АНО «РУСДЕМ-ЭнергоЭффект», - 2002. - 141 с.

2. Котлы серии КВр “ТехноМашХолдинг»

3. Тайлашева Т.С., Красильникова Л.Г., Воронцова Е.С. Оценка вредных выбросов в атмосферу от котельных Томской области // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 233. № 4. С. 52-55.

4. Электрофильтры ЭГА [Электронный ресурс].

5. Свидетельство о государственной регистрации патента на изобретение № 2608402. Вертикальный трубчатый электрофильтр / Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, М. В. Охотников, В. Е. Вавилов; опубл. 18.01.2017, Бюл. № 2.

6. Павленко А. М. Электрофильтры. Инновационные технические решения. // Сборник докладов v международной конференции «пылегазоочистка-2012» - С. 24-28.

7. Давлетова А. Р., Охотников М. В., Нусенкис А. А. Влияние формы коронирующего электрода на осаждение мелкодисперсных частиц // X Всероссийская молодежная научная конференция МАВЛЮТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Уфимский государственный авиационный технический университет. - 2016.

8. Исмагилов Ф. Р., Хайруллин И. Х., Нусенкис А. А., Охотников М. В., Вавилов В. Е. Трассировка частиц в электрическом поле электрофильтра с цилиндрическими осадительными электродами // Фундаментальные исследования. - 2016. № 7, (часть 1). - С. 23-28.

Размещено на Allbest.ru