CC BY
15
Влияние элементов геометрии ИВЗ на эффективность улавливания золы Белоглазов В. П.1, Белоглазова Л. В.2
1 Белоглазов Владимир Петрович /Beloglazov Vladimir Petrovich - кандидат технических наук, доцент;
2Белоглазова Любовь Владимировна /Beloglazova Lubov Vladimirovna - магистр, младший научный сотрудник, кафедра «Теплоэнергетика», энергетический факультет,
Омский государственный технический университет, г. Омск
Аннотация: в настоящее время, в связи с вступлением России в ВТО, существенно возрастают штрафы за вредные выбросы в атмосферу золы ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 г. Омска. Существующие системы золоочистки (мокрые скруббера и электрофильтры) не справляются с задачей снижения выбросов золы до уровня 99,5 %. Предлагаемые инерционно-вакуумные золоуловители в паре с электрофильтрами способны выполнить требуемые нормы очистки. В этом плане работа «Влияние элементов геометрии ИВЗ на эффективность улавливания золы» авторов Белоглазова В. П., Белоглазовой Л. В. полностью соответствует поставленной задаче - совершенствованию систем золоулавливания, отличается новизной полученных экспериментальных данных и рекомендуется к опубликованию.
Ключевые слова: золоулавливание, ИВЗ, эффективность.
УДК 621.184.82
Ключевой целью статьи является идентификация влияния дополнительных элементов «ушей» на эффективность улавливания ИВЗ. В данной статье также поясняется физика процесса, которая осуществляется в этом элементе, приводятся его различные высоты и объясняется, из-за чего было выбрано то значение, которое уже сейчас присутствует в чертежах разработки аппарата. Разработка аппарата ИВЗ выполняется по заданию фонда «Энергия без границ».
ИВЗ [1] (инерционно-вакуумный золоуловитель) - аппарат для газоочистных работ, принцип действия которого основывается на разделении потока газов от мельчайших взвешенных в нем частиц (рис. 1). От стандартного циклона ИВЗ отличается наличием «сомбреро» (рассекателя и колец, расположенных на удерживающих их крестовине) и прочих дополнительных элементах (конфузорных и диффузорных участков), улучшающих работу установки.
«Уши» - это дополнительный элемент, расположенный по краям верхней части бункера установки, который необходим для подсасывания частиц из положения их разворота на выход.
1 - входной патрубок, 2 - выходной патрубок, 3 - рассекатель, собранный из конусов,
4 - кольца, 5 - бункер, 6 - «уши»
Для того чтобы описать физические процессы и само движение потока, происходящие в установке, необходима математическая модель, которая представлена ниже уравнениями неразрывности, движения и k-е модели. Замыкающим является четвертое уравнение для эффективной и суммарной вязкости. Математическая модель состоит из простейших уравнений гидрогазодинамики:
Уравнение неразрывности:
д(Ри) | дОО | д(рса) _Q (1) дх ду dz ’
Уравнения движения:
ды ды ды др д . ды . д . ды . д . ды.
Р — + PV— + ра- = -— + — (Ре—) + ~ (Ре—) + ~ (Ре—), дх ду д1 дх дх дх ду ду д1 д1
ду ду ду др д . ду. д . ду. д . ду.
рн-г + ру1т + Р®^ = -^ + ^~ (Р^-) + Т“ (Ps^) + ^~ (Ps^\ дх ду дх ду дх дх ду ду дх дх
да да да др д . да, д . да, д . да,
Р^Т + Р^~ + Ра^- = -^Т + ^Г + ^Т+ 1Т
дх ду дх дх дх дх ду ду дх дх
(1.1)
Уравнения k-е модели:
д .. д .. д д дк д . дк . д . дк .
ри—(к)+pv—(к)+рю—(к) = —(к,—) +—(к,—) +—(к,—) + E,D - pe, дх ду дх дх дх ду ду дх дх
д_
дх'
д_
ду'
д_
дх'
El д!) + д( El дЕ)+д( El дх-
дх аЕ дх ду аг ду дх ае дх
рих—(Р) + pvxr (в) + рюЕ~ (в) = ^(—хг) + хг(—хт) + хг(—^;-) + Си e,-D - C2 р-
(1.2)
2
Уравнение для эффективной и суммарной вязкости:
^ с к2
Ps =P + Pt, Pt = СР — >
s (1.3)
Так как в расчете участвует гетерогенный поток, необходимо также указать уравнение, которым описывается движение частиц. Влияние частиц на поток будет минимальным из условия, что поток слабозапыленный (70 г/м3 на 150000 м3/ч расхода уходящих газов). Силы, действующие на частицу, которые влияют на её ускорение за счет разницы скоростей между частицей и жидкостью, а также перемещение жидкости с помощью частицы. Уравнение движения такой частицы было получено Бассетом, Буссинеском и Озееном:
mp j = Fd + Fb + Fr + Fvm + Fba (14)
dt
Физический смысл сил, находящихся по правую сторону уравнения:
Fd - сила сопротивления, действующая на частицу.
Fb - выталкивающая сила земного притяжения.
Fr - силы, возникающие за счет вращения потока (центростремительная и сила Кориолиса).
Fym - виртуальная (или добавочная) массовая сила. Это усилие, для того чтобы ускорить виртуальную массу жидкости в объеме, занимаемом частицами. Этот термин имеет важное значение, когда смещенная масса жидкости превышает массу частиц, например, в движении пузырьков. В данном случае равна нулю.
Fba - сила Бассета или расчет той части, на долю которой приходится отклонение в структуре потока от стационарного состояния. Этот термин не применяется в CFX. Равна нулю в данном расчете.
«Уши» помогают подсасывать в себя частицы. Там они теряют свою кинетическую энергию и ссыпаются за счет силы тяжести в бункер.
Однако необходимо было провести эксперимент (рис. 2) в связи с тем, насколько эффективной будет реализация этой идеи в рамках области золоулавливания, т. к. уходящий газ является гетерогенным потоком и сложно предсказать поведение частицы при заданных граничных условиях.
Рис. 2. Четыре положения «ушей», при которых были проведены расчеты
Граничными условиями были выбраны: давление на входе в 1 атм, давление на выходе 99340 Па, введены в учет силы гравитации, влияние слабозапыленного потока на уходящие газы. Дисперсный состав частиц, которые движутся в потоке - 5-30 мкм, расход газа - 150 000 м3/ч, модель турбулентности - k-e, кинетическая энергия - 1 м2/с2, диссипация - 0,0001 м2/с3. Процесс изотермичен при температуре в 179 оС.
Расчеты выполнялись в программном модуле ANSYS CFX методом конечных объемов.
Таблица 1. Зависимость влияния изменения высоты «ушей» на эффективность ИВЗ
Изменение длины в мм КПД, %
1750 78
595,62 99,95
340,93 98
0 («уши» отсутствуют) 73
Исходя из таблицы 1 с полученными результатами можно сделать вывод, что при большой высоте «ушей» кинетической энергии потока не хватает для подсоса частицы на такое большое расстояние, тем самым принято в связи с экономией материала сделать этот элемент меньше. При 340,93 и 595,62 мм результаты были получены хорошие, однако выбор 595,62 мм был обоснован лучшей эффективностью установки. Отсутствие «ушей» приводило либо к тому, что частицы на скорости 60,8м/с (рис. 3) движутся напрямую к стенке бункера, в связи с чем происходит повышенный абразивный износ поверхности. Также частицы не успевают всасываться бункером и улетают на выход. Элемент «уши» необходим для улучшения качества ИВЗ, т. к. его наличие улучшает показатель качества улавливания установки на 20 %.
Рис. 3. Наглядный эксперимент в программе ANSYS
Литература
1. Пат. 93298 Российская Федерация, МПК7 В 01 D 45/06. Инерционно-вакуумный пылеуловитель / Белоглазов В. П.; заявитель и патентообладатель ООО «Вихрь». - № 2009144229/22; заявл. 30.11.09; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12 - 6 с.
