CC BY
4
DOI: 10.15587/2312-8372.2017.109172
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФУНКЦ1ОНУВАННЯ ВИХРОВО1 ТРУБИ ПРИ ПОДАЧ1 В ТРУБУ ДИСПЕРСНОГО ПОТОКУ (ГАЗ-ЧАСТИНКИ ПИЛУ)
Шапорев В. П., Штак I. В., Штак О. Я., Брянк1н С. В.
1. Вступ
Сучасна техшка знепилення технолопчних та аспiрацiйних газових вики-дiв базуеться на комбiнованих технолопчних схемах газоочищення, якi вклю-чають сухi та мокрi пиловловлювачi. Газовi викиди мiстять дисперсну фазу (пил) до 200 г/нм , а також токсичш газоподiбнi речовини (CO, NOx, SOx, HCl та ш.) в вiдносно невеликих концентращях (до 150 мг/нм ). Вищеозначеш схе-ми особливо поширенi у випадках якщо технологiчнi газовi викиди мають ви-соку температуру (бшьше 373 К) [1, 2].
На стадп сухого пиловловлювання в якост апаратiв використовують цик-лони, мотоколони. На стади мокрого очищення використовують апарати, в яких очищення засновано на промиванш газу рiдиною (водою) при бшьш розвиненiй поверхнi контакту часток аерозолю з рiдиною та штенсивним змiшуванням фаз. До останшх апаратiв вiдносяться: насадковi скрубери, вщцентроваш скрубери, труби Вентурi, пiннi апарати та iншi [1, 2].
Недолжи апаратiв та процесiв очищення газових викидiв на кожнiй стади вiдомi [1-3]. Циклони рiзних конструкцiй не спроможш вловлювати частинки пилу менше 20 мкм [4, 5]. Важливим е питання про найбiльш ефективш форми циклону та його оснастка (бункер, патрубок вводу-виводу газу та шше) вирь шуються бiльше емшричним шляхом [4, 5]. Щодо друго! стади, то мокрi пилов-ловлювачi складнi конструктивно, потребують значнi енергетичш витрати, а також потребують використання води в залежност вiд типу пиловловлювача до 10 л/нм . В результат експлуатаци утворюються значш об'еми промислових стокiв, якi необхщно утилiзувати використовуючи додаткове обладнання [1-3].
На даний час, одним з перспективних напрямiв дослщжень щодо технологи i апаратури знепилення технолопчних та асшрацшних газових викидiв вва-жаеться розвиток теори вiдцентрованого вловлювання твердих часток з газових викидiв. Також перспективним напрямком е розвиток наукових розробок в частит апаратурного оформлення [4-7]. Це робиться з метою тдвищення ефекти-вност сухого очищення газових викидiв. Вс вдосконалення в частинi апаратурного оформлення можливо роздiлити на наступи три групи. Перша група -при пiдводi запиленого потоку в апарат (вхщний патрубок). Друга група - сам корпус апарата (циклон, вихровi труби, вихровi камери, газовi центрифуги, що працюють за рахунок ди сил Лоренца, при протшанш радiального електричного току поперек силових лшш магнiтного поля). Третя група - при вiдводi очище-ного пов^я з апарату (вихiдний патрубок чистого повгтря) i пил (бункер i ви-хiдний патрубок для видшеного з нього пилу).
Зпдно вищенаведено! класифшаци очевидно, що основним е тип та конструктивы особливост апарату. Це пов'язано з тим, що останш визначають
умови течи газового потоку (пдродинамшу, термодифузшний розподш часток в газовому потощ та iнше) i вiдповiдно ефектившсть видалення пилу. Згiдно су-часних уявлень та практику, високу ефектившсть пиловловлювання можливо досягти при використанш вiдцентрованих iнерцiйних апаратiв, в яких реашзу-ються вихровi закрученi потоки [8, 9]. В таких потоках сумарний коефщент роздшення газових молекул i часток е наслiдком декшькох процесiв:
- вiдцентрованого роздiлення;
- термодифузшного роздiлення;
- за рахунок збшьшення просторово! неоднорiдностi при протжанш хiмiч-но! реакцп; за рахунок утворення вщносно крупних часток (молекулярних клас-терiв i агломерацп пилу) в зош реакцп.
Основну роль при цьому мае значення коефщенту вiдцентрованого роздшен-ня, який експоненцшно залежить вiд вдаосно1 рiзницi мас i вiдношення кшетично1 енерги обертання до теплово! енерги потоку газу - вадентрованого параметру:
0=Ми/Т,
де М - маса молекул i часток в газовому потощ; V - дрейфова швидюсть газового потоку; Т - термодинамiчна температура.
Експоненцшна залежшсть свiдчить про те, що майже невелике зростання цього параметру призводить до значного збшьшення ступеню роздшення. Якщо дисперсiйний газовий потж обертаеться iнтенсивно, то частки аерозолю (пилу), що мають бшьшу масу нiж молекули газу несучого осередка, будуть рухатися вздовж стшок апарату. Стосовно бшьш легких газових молекул - вони будуть знаходитись в цен^ робочо1 камери.
Перерозподш часток з рiзними масами - це процес дифузшний i характер-ний час роздшення е обернено пропорцшний коеф1щенту дифузн, який змшю-еться з температурою як 1 Тому град1енти температур, яю виникають в ви-хрових закручених потоках, а також температура несучого осередку будуть впливати на перерозподш мас по радiусу камери i на коефщент розподiлу.
Виходячи з вищеозначеного, стае зрозумiлим можливiсть впливу за рахунок протшання хiмiчних реакцiй в потоцi i утворення вщносно великих часток пилу за рахунок агломерацп.
З перелiку тишв апаратiв для процесу сухого очищення вихлопних газiв вiд аерозолю, що наведеш ранiше по тексту, найбшьш ефективним е вихрова труба. Такий висновок зроблено тому, що в нш аеродинамiчна ситуацiя призводить до виникнення ефекту Ранка. Це ефект перерозподшу повно1 енергп в потощ, що обертаеться в залежност вщ вщповщно1 змiни динамiчноl структури потоку в залежностi вщ енергетично1 структури. Вказана аеродинамiчна ситуа-цiя виникае при рухливостi обертаемого двохфазного потоку при Яе>105 [8, 9].
Дослщження функцiонування вихрових труб, в яких робочим тшом е газ-аерозоль (система газ-тверде), в лггературних джерелах вiдсутнi, крiм загальних вказiвок щодо можливостi використання вихрових труб для вказано1 мети [10].
Викладене вище обумовлюе актуальнiсть дослщжень процесiв «сухого»
пилоочищення i 1х теоретичного обгрунтування з урахуванням вищеозначених впливових параметрiв. До цих параметрiв слiд вiднести:
- геометрда та конструкцiю вiдцентрованого апарату;
- вплив вхщних параметрiв газового потоку i хiмiчного складу часток пилу на 1х розподiл в потощ;
- можливiсть агломераци;
- можливють хiмiчноl взаемоди з газовими компонентами, як входять в склад газового потоку ^м часток пилу.
2. Об'ект дослiдження та його технолопчний аудит
Об 'ектом досл1дження е функцiонування вихрово! труби при подачi в не! од-нордаого газу. На основi вiдомих лггературних джерел [11-13] розглянемо ефект енергетичного роздшення, характер поля температур, структуру потоюв в рiзних перетинах вихрово! труби. На рис. 1 наведена принципова схема вихрово! труби.
!0
Рис. 1. Принципова схема вихрово! труби
До вихрово! труби газ тдводиться соплами пiд тиском (перетин 0-0 на рис. 1) i створюе в середин! труби обертаемий потiк. З одного боку (в перетиш А-А) потiк виходить через отвiр, розташований на вiсi труби. На протилежному боцi труби вихщний отвiр виконано у вигляд кшьцево! щiлини розташовано! на пери-фери (перетин Б-Б). Як показують дослщження, газ, що витшае кр!зь центральний отв!р в перетин! А-А, мае значно нижчу температуру гальмування, тж на пери-фери в перетин! Б-Б. Найбшьш низька температура гальмування, на вю! вщповь дае перетину I-I. Отже, в такш труб! проходить температурний розподш газового потоку, при цьому через центральний отв!р виходить охолоджений газ. Профш швидкостей у р!зних перетинах показують, що в труб! проходить штенсивна пере-будова потоку: швидкост до перифери штенсивно зменшуються к перетину lililí, а в ядр! на вю! декшька зростають. Нер!вном!рний розподш швидкостей по ра-д!усу е причиною штенсивно! дисипаци мехашчно! енерги, внутршнього тепло-вид!лення ! нер!вном!рного розпод!лу температур гальмування. Питомою холодо-продукцшностю qx при функцюнуванш труби вважаеться кшьюсть тепла, що вщ-несена до маси протжаючого газу Мо, яке вщняте вщ холодного потоку Мх í вщ-повщно передано гарячому потоку тг:
Ях = ВСрАТох = (1-Б)СрАГг;
шхМх.
В=—>>тХхАГох = Гоо~Гох; ^(1)
то Яо
^ Т Тог Тоо •
£
[м дiапc ться д^
Як видно, функцiя qx(B) мае максимум при В=0,6. Робочим дiапазоном ви-хрових труб, виходячи з лггературних даних [11-13], вважаеться дiапазон вiд 0,2 до 0,8. Для порiвняльноl оцiнки якостi вихрових труб при охолодженш газу використовують коефщент температурно1 ефективностi:
Л = АТ0х/АТ05, (2)
нтропiйI
де ДТоэ - температурний перепад у процес iзоентропiйного розширення вiд початкових параметрiв до параметрiв холодного потоку на виходь
Як вiдомо з джерел [11-13], в середин вихрово1 труби спостержаеться двi форми закручено1 течи. Профшь навколишньо1 зворотно1 течи близький до ква-зiтвердого типу обертання (зона 1-О-А), а периферiйна зона (перетин II-III-Б) — до квазшотенцшного типу обертання.
!нтенсивний перерозподiл енерги i температури потоку спостерiгаеться в зош I—О. В роботах [14, 15] було встановлено, що при введенш в потоцi газу аерозолю (часток пилу, або крапель рщини) останнi змiнюють рiвень швидкос-тей, але не змiнюють характер розподшу швидкостей. Крiм того, змiна профь лей тангенцiальних швидкостей практично не впливае на траекторш руху аеро-зольно1 частинки, якщо при цьому остаеться постшним середнiй рiвень швидкостей [14, 15].
Таким чином, можна вказати, що вищеописаш явища, як спостерiгаються у вихрових трубах при подачi однорiдного газу, будуть спостерiгатися i при подачi в не1 дисперсного потоку. Тому складений коефiцiент роздшення часток i газових молекул у вихровiй трубi може бути значно бшьшим нiж, наприклад, у циклонах.
3. Мета i задачi дослiдження
Мета досл1дження - дослщження процесу пиловловлювання у вихрових трубах i визначення ефективностi процесу сухого очищення газiв; доцiльнiсть використання вихрових труб, як високоефективних пиловловлювачiв для сухого очищення газiв. Це робиться з метою шдвищення ефективност сухого очищення газових викидiв.
Для досягнення вказано1 мети необхщно:
1. Дослiдити процес сухого пилоочищення вихлопних газiв виробництва цинкових бшил пiсля печей плавлення металiчного цинку у вихровiй трубi.
2. Експериментально встановити, що у вихровш трубi в зонi квазiтвердого обертання, утворення агломерацп часток аерозолю.
3. Довести можливють кататтично: деструкци газових домшок (СО, К0х, Б02).
4. Довести переваги вихрово! труби як сепаратора над циклонами.
4. Дослвдження кнуючих р1шень проблеми
Серед головних напрямкiв якi спрямованi на усунення проблеми знепи-лення технологiчних та асшрацшних газових викидiв, якi були виявлеш в ресурсах св^ово! лiтератури, можуть бути видiленi наступш:
- сучасна технiка знепилення технолопчних та аспiрацiйних газових вики-дiв поширенi коли технологiчнi газовi викиди мають високу температуру [1, 2];
- в результат експлуатаци апара^в знепилення утворюються значнi об'еми промислових стоюв, якi необхiдно утилiзувати використовуючи додат-кове обладнання [1 -3];
- високу ефектившсть пиловловлювання можливо досягти при викорис-танш вiдцентрованих iнерцiйних апаратiв [8, 9];
- аеродинамiчна ситуацiя в вихровш трубi призводить до виникнення ефекту Ранка [8, 9].
Розглянуто ефект енергетичного роздшення, характер поля температур, структуру потоюв в рiзних перетинах вихрово! труби [11-13].
Дослiдження функщонування вихрових труб, в яких робочим тшом е газ-аерозоль (система газ-тверде), в л^ературних джерелах вщсутш, крiм загальних вказiвок щодо можливост використання вихрових труб для вказано! мети [10, 18].
Таким чином, явища, якi спостерiгаються у вихрових трубах при подачi однорiдного газу, будуть спостержатися i при подачi в не! дисперсного потоку. Тому складений коефiцiент роздiлення часток i газових молекул у вихровiй трубi може бути бiльшим, нiж у циклонах.
5. Методи дослщжень
Експериментальш дослiдження щодо процесу пиловловлювання в вихровш трубi проводилися на дшчш технологiчнiй лiнi! виробництва сухих цинко-вих бiлил. Спосiб та устаткування виробництва по основним параметрам вщпо-вщае вiдомим технологiям, наприклад [16]. Джерелом запорошенос^ i загазо-ваностi вихлопних газоподiбних продуктiв е муфельна шч для плавлення мета-лiчного цинку. Продуктивнiсть по газовим викидам складала 1500-3000 нм /рш. Тиск, пiд яким вихлопш гази подавалися у вихрову трубу був 1,2-1,5 105 Па, температура газового потоку на входi складала 793-823 К. Конструкщя вихрово! труби представлена на рис. 2, а вивщ гарячого газу i се-парацшна частина представлена на рис. 3. Найбшьший дiаметр зони 5 (рис. 2) складав 250 мм, 1Г - 3000 мм.
Вузол Т
Рис. 2. Схема вихрово1 труби ЧКЗ-ЮГСОН: 1 - кшьцевий завихрювач; 2 - зона енергетичного розподшу; 3 - дiафрагма; 4 - камера вщводу холодного газу (0Х) (1Г/ё~10); 5 - камера зони квазшотенцшно1 течи ^Г) (1Г/ё1-10); 6 - дросельний клапан, що регулюе спiввiдношення (0Х/0Г); 7 - приграничний шар, який насичений аерозолем; 8 - привюьовий потж чистого газу. ПВ - пробовiдбiрники, Т - мiста вимiрювання температур
Параметр B=Qx/Qo при дослiдженнях змшювали в iHTepBani 0,3<B<0,7, тобто змшювали величину «d» в KaMepi вщводу холодного газу. Значення 1Г бу-ло 900 мм. В якост кiльцeвого завихрювача (рис. 2, поз. 1) використовували
_3
змшш кiльця з 8-ма тaнгeнцiaльними пpоpiзями шириною 0,110 м, висотою
_2 . _2
110 м з 16-ма круглими тангенщальними отворами дiaмeтpом 0,3 10 м i з 8-
_2
ма тaнгeнцiaльними надзвуковими соплами dkp=0,3 10 м. Yci кшьця мали дia-метр 0,4 м, ширину 0,015 м, пpоpiзi та отвори були piвномipно pозподiлeнi по периметру кшець. Вихiд з труби очищеного газу (рис. 3, поз. 17) був такий, що площа вихщного отвору (D1 на рис. 3) була у 10 paзiв бшьше складено! площi отвору (d на рис. 1), а площа (D3 на рис. 3) бшьше складених площ (d+D1) у 5 paзiв. На рис. 2, 3 показаш точки зaмipу температур Ti, а також мiсця вiдбоpу проб газового потоку (samplers).
В трубу
1 : /
г Г 1
/ 1
г г т 1/1 1 1 / \ 1 \ 1 1
Рис. 3. Схема вузлу (рис. 2, поз. 1): 5, 6, 7, 8 - вщповщае позначеним на рис. 1; 9 - блок пластинчатих вiдбивачiв з мехашзмом 10 для керування кута атаки (поз. 9); 11, 12 - теж. саме, що i 9, 10; 13 - люк для обслуговування; 14 - бункер; 15 - ви грузний шнек; 16 - трубопровщ очищеного газу; 17 - конус-трубопровщ для вщведення чистого газу. ПВ - пробовiдбiрники, Т - мюта ви-
мiрювання температур газу.
6
Точки 3aMipy Ti i T2 були на вiдстанi 1,8 Kani6pa вщ стiнки вихрово1 камери
(рис. 1), а Т4 на вiдстaнi 6,5 Kanï6pa. Дiaметр робочо1 частини цилшдра для дат_3
чиюв (Ti i ВП) складав 6 10 м. Як вщомо з [17] вплив датчика на розподш поля швидкостей незначний, особливо при великих витратах потоку газу, тобто при великих швидкостях. При проведеннi експериментальних дослiджень вихрова труба (рис. 1) та (рис. 2, поз. 14, 16, 20) була теплоiзольовaнa, температура на по-верхш iзоляцiï при функщонуванш установки не перевищувала 313_323 К.
Визначення концентрaцiï пилу у газовому потощ проводилося пило-пробовiдбiрником ПО-2 (Росiя), визначення концентрaцiï гaзоподiбних оксидiв виконано унiверсaльним гaзоaнaлiзaтором УГ-2 (Укрaïнa). В якостi дaтчикiв температури використовували термопари ХА (273-1173 К) (РоЫя). Тиск газо-повiтряноï сумiшi перед вводом в трубу визначали приладом НМП-52 (0_40 Мбар) (РоЫя), швидкiсть газопилового потоку визначали за допомогою газоа-нaлiзaторa Тест-350 M/XL № 412 (Росiя). Видалений з проби пил дослщжувався на дiфрaктометрi УРС-50ИМ (Росiя) з використанням шкелевого фiльтру при нaпрузi 17 кВ та силi току 3,5 мА. Tермiчний aнaлiз зрaзкiв пилу проводили на деривaтогрaфi МОМ Q1500 (Угорщина). Наважка зразка - 100 мг, плaтиновi rarai тaрiльчaтого типу, швидюсть нaгрiвaння 10 град/хв, максимальна температура 1473 К. Зaмiри розмiрiв часток пилу та визначення ïx структури проводили на електронному мiкроскопi УЕМВ-100 (Укрaïнa) та на просв^лювально-му електричному мiкроскопi фiрми «Сименс» - «Ельмiскоп-1» (Нiмеччинa).
Розподш часток пилу по розмiрaм розраховували на основi мультимодаль-но1' функци розподiлу у виглядi [18]:
f(x) = (3)
Y >
або в розгорнутому виглядг
/(x) = Щ Х- Xn У'Щ (Xmax - ^ +
J (Х- ХтЩ Г ( - ^ dx
^min^
Щ(Х- Хшп2 )а2Щ (Xmax2 - Х) Щ
(4)
'max2
f (Х- Х Xm (Х - X)mdX
J \Х ^2) ^m^ ^ аХ
де х - абсолютний розмiр; xmin, xmax - найменший та нaйбiльший розмiри, шдек-си (1, 2) вщносяться до мшко1" i крупно1' фрaкцiï, W - масова доля мшких часток (1_W) - масова доля грубо1' фракци.
При проведеннi дослiдження вiдбiр проб та aнaлiз димових гaзiв у повпря-вiдводax до i шсля виxровоï труби виконувала центральна заводська лaборaторiя (ЦЗЛ) шдприемства.
6. Результати дослщжень
На входi у вихрову трубу при проведенш дослщжень були зафiксованi на-ступнi показники (табл. 1).
Таблиця 1
Показники кшькосл пилу i концентраци токсичних речовин в потощ газу шсля _печей плавлення на входi у вихрову трубу_
№ Токсична речовина Концентрацiя речовини на вход^ мг/нм3 Продуктившсть по газу, нм3/год Пил Концентращя пилу в потоцi, мг/нм3
1 га 100 110 120 1500,0 Сумш часток 1829,0 2714,0 2905,0
118 95 120 3000,0 4470,0 2762,0 2435,0
2 SO2 80 21 36 1500,0 пилу Zn i ZnO —
38 28 50 3000,0 —
3 NOx 70 69 65 — — —
70 70 70 — — —
На рис. 4 наведет кривi розподшу по розмiрам часток пилу на входi у ви-хрову трубу.
п
30 -
г, |ш1
Рис.4. Кривi розподiлу по розмiрам часток пилу на входi у вихрову трубу
Як видно з графтв на рис. 4, основна маса часток пилу мае розмiр в штер-ваш вщ 5 до 10 мкм. Рентгенофазовий анашз зразкiв пилу на вход^ а також термографiчний ан^з диференцiйний термiчний аналiз (ДТА), диференцшний термогравiметричний (ДТГ) свiдчать про те, що основна маса часток пилу представляе собою порошок в деяких випадках щ частинки цинку вкрит оксидною плiвкою. Мжрофотографи цинкового порошку наведено на рис. 5.
Рис. 5. Мжрофотографп цинкового порошку на входi у вихрову трубу
Як видно з фотографш на рис. 5 частинки пилу на входi у вихрову трубу представлен у виглядi кульок з розмiрами вщ 5 до 10 мкм.
Питома поверхня цинкового порошку, яка визначалася по методу «БЭТ», складала вщ 2 до 3 м2/г.
Далi на рис. 6 наведет результата спостережень за функщонуванням вихро-во! труби по змiнi температури газового потоку зпдно точок замiру (рис. 2, 3).
Н <
5040302010-
Твх, к
н <
1020304050-
>? ии'г
3000 Оо, нм3/год
А А А А А
Рис. 6. Результати замiру температур при рухливост дисперсного потоку у ви-хровш трубi: Т1, Т2, Т3, Т4 - вiдповiднiсть точкам замiру на рис. 2; _•, о точки Т1, Т2 при умовах, коли на вхщ газового потоку додаеться стиснена водяна пара в кшькост^ що вiдповiдае спiввiдношенню МщО/1МТ (СО, NOx, S02)~10 при
тиску 2105 Па, Тп=513 К
Як свiдчать результати замiру температур (рис. 6), спостер^аеться розпо-дiл температур гальмування на межi кiльцевого на рiзних вiдстанях вiд завих-рювала та при рiзних витратах Qo, тобто непрямо! iнтенсивностi закрутки потоку. Так рiзниця температур в зош квазiтвердого закрученого потоку (Т1, Т2) до-сягае при витратах Qo=1500 нм /год близько 35 °С. При подальшому вiддаленнi вщ завихрювала (Т4) профiль гальмування температур стае стабшьним i в точщ Т4 рiзницi досягае бiля 18 °С. При витратах Qo=3000 нм /год вщповщно рiзниця досягае вщ 40 до 45 °С, а Т4=25 °С. Цi результати свщчать про нерiвномiрний розподiл швидкостей по радiусу труби, що приводить до штенсивно! дисипаци механiчно! енергi!, внутршнього тепловидiлення та розподiлу температури гальмування. Аналопчш залежностi спостерiгаються при умовах (рис. 6), коли у вхщний потж газу додавалася водяна пара. Кшьюсть водяно! пари брали вихо-дячи з спiввiдношення маси водяно! пари (мг) до складено! маси газових токси-кантiв (СО; N0^ SO2) мг (табл. 1)=10. Маса токсикантiв складала приблизно 220 мг, тобто витрата Н2О складала приблизно 2200—3000 мг/нм . Водяна пара додавалась в потж газу з метою забезпечити можливi гомогенш реакци, в яких пари води е каталiзаторами:
езпечит
3
/2S2. ^
С0+Ы20^С02+Н2, 2И2+02^2И20, 2Ш+02^2Ш2, (5)
N02+S02^N0+S03 С0+$02^2С02+1/2
Розрахунки АО вказаних реакцiй по методицi [19] довели, що таю реакци можуть протiкати при температурах бшьше 693 К в присутност парiв води.
На рис. 7 наведена крива розподшу по розмiрам часток пилу на виходi з вихрово! труби 5 i перед входом в форбункер 14 на рис. 3.
2418-
-►
г, цт Х|1
Рис. 7. Кривi розподiлу по розмiрам часток пилу на виходi з вихрово1 труби
Як видно з рис. 7 основна маса часток пилу мае розмiр в штерваш вщ 45 до 55 мкм. Мжрофотографи порошку наведет на рис. 8.
а б
Рис. 8. М1крофотографп порошку на виходi з вихрово! труби: а - зона квазггве-рдо! течи газового потоку; б - зона квазшотенцшно! течи газового потоку
З рис. 8 видно, що в зон квазггвердо! течи газового потоку пiсля завихрю-вача i далi в зот квазшотенцшно! течи газового потоку до виходу з труби (га-рячий кшець) при дисипаци енерги проходить агломеращя часток пилу. Це вщ-буваеться за рахунок високошвидкiсних зггкнень часток мiж собою, при цьому створюються агломерати з розмiрами близько 50 мкм. При цьому основна маса агломера^в зосереджена коло стшок труби, а бшьшють газових молекул в цен^ робочо1 камери. Тому запилений потш газу, що рухаеться вздовж стшок труби, виходить ^зь кшьцевий отвiр мiж корпусом труби 5 та корпусом 17 (рис. 3). Шсля цього, потрапляе в форбункер 14, в якому встановлеш блоки вщ-бивачiв поз. 10, 12. За рахунок рiзкого змшення напряму потоку, проходить ш-тенсивна сепаращя з видаленням часток пилу. Очищений газ, що рухаеться по центру вихрово1 труби 5 (рис. 3) через отвiр в корпус 17 та кшьцевий отвiр мiж корпусом 17 i дроселем витжае в камеру 20, в цю ж камеру поступае очищений газ з форбункера 14 по трубопроводу 16. В камерi 20 встановлет теплообмшт
пристро!' 18, 19 для уташзаци тепла очищеного газу перед подачею газу в трубу для викиду в атмосферу.
В табл. 2 показано кшькосп пилу та концентрацп токсичних речовин в по-тощ газу на виходi з вихрово!' труби тсля форбункера.
Таблиця 2
Показники якост очищення вихлопних газiв у вихровш трубi
Токсична речовина Концентра-цiя токсично!' речови- ни, мг/нм3 Продуктив-шсть по газу на входi в трубу, Кш /Иоиг Ефектив-нiсть очищення, %в1- дносно табл. 1 Пил Концент-ращя пилу в по-тоцi, мг/нм3 Ефектив-шсть очищення, %в1дносно табл. 1
СО 11,0 1500,0 89,5 Частинки 7и0 з до-мiшка ми цинку 58,0 97,0
9,0 3000,0 90,4 19,0 99,9
802 3,0 1500,0 92,1 - -
2,0 3000,0 99,6 - -
N0^ 13,0 1500,0 81,5 - -
11,0 3000,0 83,1 - -
Примiтка: ефективнiсть очищення наведена як середне значення за перюд експлуатаци за даними ЦЗЛ.
Як видно за даними наведеними в табл. 2, при реашзаци процесу очищення вихлопних газiв у вихровш трубi спостержаеться не тшьки процеси агломерацп пилу, а також деструкщя газових токсикантiв. Як i ранiше, значення показникiв ефективностi залежить вiд iнтенсивностi закрутки потоку.
На рис. 9 представлеш характеристики змши концентрацп аерозолiв на ви-ходi охолодженого газу (камера 4 на рис. 2) i на виходi пiдiгрiтого потоку (5, ПВ на рис. 3) при рiзних режимах функщонування вихрово!' труби в залежност вiд параметру «В» (рiвняння (1)).
В = б, / О,
Рис. 9. Характер змши концентращ! аерозолю на виход^ вихрово! труби при рь зних значеннях параметру «В»: 1, 4 - при продуктивности по газу 3000 нм /год;
2, 3 - при продуктивности по газу 1500 нм /год; 1, 2 - концентрация пилу охолодженого газу; 3, 4 - концентрация пилу гарячого
газу
Як свщчать даш, наведет на рис. 9, з зростанням параметру «В» вихщна пило концентрация охолодженого потоку (крив^ 1, 2) збшьшуеться. При цьому найменш^ концентращ! пилу в холодному потощ спостер^гаються при максима-льних значеннях витрат Q(), тобто витрат газу на вход^ в трубу. Щодо гарячо! дшьнищ, то тут з ростом параметру «В» спостер^гаеться зниження концентращ! аерозолю, суттеве зниження концентращ! аерозолю також спостер^гаеться при максимальних значеннях Qo.
Наведена даш на рис. 9 е важливими для практики при використанш ви-хрових труб як сепараторов аерозол^в, тому що дозволяють вибрати необхщний режим видалення зольних часток вщ несучого осередку. Мтмальний вихщ аерозолю спостер^гаеться в штервал^ параметру «В» вщ 0,3 до 0,6. Мтмальне значення вихщноТ концентращ! аерозолю досягаеться при «В»=0,4. Треба також вщмггити, що середнш розм^р часток пилу, що виходить з холодним потоком, складае менше 5 мкм.
Ефектившсть використання вихрово! труби як сепаратора аерозол^в мож-ливо визначити по формула:
1 -
^(1 - В)
¿2
¿0
¿0
100,
(6)
де 20 - вхщна концентрация аерозолю, мг/нм ; 21 - концентрация аерозолю на виход^ холодного потоку, мг/нм3; 22 - концентрация аерозолю на виход^ гарячого потоку, мг/нм3.
При вхщнш концентраци 2о=3000 мг/нм , В=0,45. 21 та 22 вiдповiдно (рис. 9) при продуктивност по газу 1500 та 3000 нм /год вщповщно складае близько 97,9 % та 99,96 %, що корелюеться з даними наведеними в табл. 2.
При дослщженнях продуктивное^ по газу 1500 та 3000 нм /год на вход^ перед подачею у завихрювач вщводили (рис. 3, поз. 16) частину очищеного газу пiсля бункеру 14. Кшьюсть газу становила 10-20 % вщ об'ему газового потоку, який виходив з бункера, з метою визначення впливу рециркуляци гарячого потоку на процес пиловловлювання.
На рис. 10 наведена залежшсть ефективност очищення вiд загально! ви-трати по газу i витрат по газу з рециркуляцiею.
лх 100—
9998 974
1500
3000
4500
Р0, нм /год
Рис. 10. Залежшсть ефективност очищення вщ загально! витрати по газу i витрат по газу з рециркулящею: 1 - без рециркуляци, 2 - рециркулящя 20%
Як св^ать данi на рис. 10, рециркулящя гарячого газу шдвищуе стушнь ефективностi очищення при низький продуктивност вихлопних газiв на входi в вихрову трубу. Це явище очевидно пов'язане з зростанням складеного потоку Qo.
Аналiз здобутих результат дослiджень процесу пиловловлення у вихро-вих трубах свiдчить про доцшьшсть використання таких апаратiв як високое-фективних пиловловлювачiв для сухого очищення газiв та використання !х бросово! теплово! енерги. Останне наведено в робот схематично, тому що вибiр теплообмiнного обладнання (рис. 3, поз. 18-20) i його розрахунки досить повно розглянут в роботах [20, 21]. Наведет експериментальт дослщження у вихро-вих трубах у порiвняннi з найкращим iз юнуючих апаратiв - центробiжним циклоном ЦН-11 (Укра!на) дозволяе стверджувати про значне (до 6-9 %) шдви-щення ефективностi уловлення дрiбнодисперсного пилу у запропонованш сис-темi пило очищення. Це вщкривае перспективи для впровадження вихрових труб i вихрових камер та дозволяе знизити промисловий негативний вплив на
атмосферу. Немаловажним е питання щодо зменшення загрози глобальних нас-лiдкiв для майбутшх поколiнь шляхом проведених шженерних рiшень з попе-редженням викидiв дрiбнодисперсних аерозолiв.
7. SWOT-аналiз результат дослiджень
Strengths. Аналiз здобутих результата дослiджень процесу пиловловлення у вихрових трубах свiдчить про доцiльнiсть використання таких апаратв як ви-сокоефективних пиловловлювачiв для сухого очищення газiв та використання !х бросово! теплово! енергii.
При реалiзацi! процесу очищення вихлопних газiв у вихровiй трубi спостериа-еться не тальки процеси агломерацй пилу, а також деструкщя газових токсикантiв.
Weaknesses. В робот були розглянут рiзнi методи знесилення газових по-токiв. Було виявлено наступне:
- циклони рiзних конструкцш не спроможнi вловлювати частинки пилу менше 20 мкм;
- мо^ пиловловлювачi складнi конструктивно, потребують значш енер-гетичнi витрати, а також потребують використання води в залежност вщ типу пиловловлювача;
- в результат експлуатаци утворюються значнi об'еми промислових сто-кiв, якi необхiдно утишзувати використовуючи додаткове обладнання.
Opportunities. Вщкриваються перспективи для впровадження вихрових труб i вихрових камер та можливють зниження промислового негативного впливу на атмосферу. Немаловажним е питання щодо зменшення загрози глобальних наслщюв для майбутшх поколшь шляхом проведених шженерних рь шень з попередженням викидiв дрiбнодисперсних аерозолiв.
Threats. Дослщжено, що у вихрових трубах у порiвняннi з iснуючим центробiжним циклоном ЦН-11 спостерiгаеться значне (до 6-9 %) шдвищення ефективностi уловлення дрiбнодисперсного пилу. Це вiдкривае перспективи для впровадження вихрових труб i вихрових камер та дозволяе знизити проми-словий негативний вплив на атмосферу. Шдприемству знадобиться збшьшити капiтальнi витрати на встановлення нового очисного обладнання. Каштальш витрати на впровадження пиловловлювача одноразов^
8. Висновки
1. Дослщжено процес сухого пило очищення вихлопних газiв виробництва цинкових бiлил шсля печей плавлення металiчного цинку у вихровш трубi при аеродинамiчнiй ситуаци, що призводить до виникнення ефекта Ранка. Доведено, що поведшка дослщженого газодисперсного потоку при течи у вихровш трубi така ж, як i газового потоку без аерозолю. Тобто, спостерiгаеться два види течи газодисперсного потоку шсля його закрутки вздовж труби в залежност вщ зони, що розглядаеться. Також спостержаеться ефект перерозподшу повно! ене-ргi! у обертаемому потоцi i вiдповiдно змiна динамiчно! структури потоку.
2. Експериментально встановлено, що у вихровш трубi в зонi квазгтвердого обертання, де спостерiгаеться найбiльш штенсивний перерозподiл енергi! i тем-ператури, спостер^аеться агломерацiя часток аерозолю за рахунок високошви-
дюсних зггкнень часток. Утвореш агломерати майже в 10 pa3iB бiльше часток пилу, що зафжсоваш на входi у вихрову трубу. Досягнута ефектившсть очи-щення становить 97,8-99,9 % в залежност вiд витрат газу на входi в трубу.
3. Не менш важливим результатом дослщжень е те, що доведена можли-вiсть катал^ично! деструкци газових домшок (CO, NOx, SO2) при додаванш у газовий потiк на входi в трубу водяно! пари в якост каталiзатора. В результатi чого стутнь очищення становить: C0=90,0 %, S02=92,0-99,0 %, N0x=81,0 %.
4. Дослiджено залежнiсть ефективностi використання вихрово! труби як сепаратора вiд рiзних факторiв, таких як рециркуляцiя очищеного гарячого газу та його дол^ параметру «B»=Qx/Qo, та iнших показниюв. Доведено переваги вихрово! труби як сепаратора над циклонами. Дослщження у вихрових трубах у порiвняннi з найкращим iз iснуючих апаратiв - центробiжним циклоном ЦН-11 дозволяе стверджувати про значне (до 6-9 %) шдвищення ефективност улов-лення дрiбнодисперсного пилу у запропонованiй системi пило очищення. Це вщкривае перспективи для впровадження вихрових труб i вихрових камер та дозволяе знизити промисловий негативний вплив на атмосферу.
Загалом, вищеозначене дозволяе зробити висновок, що мета поставлена у робот досягнута. Здобуп даш можуть бути використаш при дослщженнях ана-логiчних дисперсних систем.
Лггература
1. Zlygostev, A. S. Metody ochistki i obezvrezhivaniia ventiliatsionnyh i tehno-logicheskih vybrosov [Electronic resource] / A. S. Zlygostev // Zelenaia planeta. -2010. - 20 p. - Available at: \www/URL: http://ecologylib.ru/
2. Chekalov, L. V. Zashchita atmosfernogo vozduha ot vybrosov pyli, aerozolei i tumanov [Text] / L. V. Chekalov. - Yaroslavl: Rus, 2004. - 424 p.
3. Zaretskii, A. D. Promyshlennye tehnologii i innovatsii [Text] / A. D. Zaretskii, T. E. Ivanova. - St. Petersburg: Piter, 2014. - 480 p.
4. Batluk, V. A. Zalezhnist efektyvnosti pylovlovlennia vidtsentrovo-inertsiinykh aparativ vid konstruktsii bunkera [Text] / V. A. Batluk, M. V. Basov et al. // Promyslova hidravlika i pnevmatyka. - 2009. - Vol. 3, No. 25. - P. 40-43.
5. Batluk, V. A. Zalezhnist efektyvnosti pylovlovlennia vidtsentrovo-inertsiinykh aparativ vid konstruktsii bunkera [Text] / V. A. Batluk, O. V. Melniko, O. V. Mirus // Promyslova hidravlika i pnevmatyka. - 2011. - Vol. 2, No. 32. -P. 44-47.
6. Liapkov, A. A. Tehnika zashchity okruzhaiushchei sredy [Text]: Handbook / A. A. Liapkov, E. I. Ionova. - Ed. 2. - Tomsk: Tomsk Polytechnic University, 2008. - 317 p.
7. Aslamova, V. S. Avtomatizirovannaia sistema issledovaniia tsiklonov i skrubberov [Text] / V. S. Aslamova, A. A. Zhabei // Izvestiia Tomskogo politehnich-eskogo universiteta. Inzheniring georesursov. - 2010. - Vol. 3016, No. 1. - P. 71-76.
8. Kutepov, A. M. Vihrevye protsessy dlia modifikatsii dispersnyh sistem [Text] / A. M. Kutepov, A. S. Latkin. - Moscow: Nauka, 1999. - 270 p.
9. Gao, J. Simulations of gas-liquid-solid 3-phase flow and reaction in FCC riser reactors [Text] / J. Gao, C. Xu, S. Lin, G. Yang, Y. Guo // AIChE Journal. - 2001. -Vol. 47, No. 3. - P. 677-692. doi:10.1002/aic.690470315
10. Veretennikov, S. V. Experimental investigation of heat transfer in energy separation chambers of the vortex tube [Text] / S. V. Veretennikov, S. N. Barinov // VESTNIK of the Samara State Aerospace University. - 2015. - Vol. 14, No. 2. -P. 44-51. doi:10.18287/2412-7329-2015-14-2-44-51
11. Luo, G. Numerical simulation of gas-particle flows with different swirl numbers in a swirl burner [Text] / G. Luo, R. Li, L. Zhou // Tsinghua Science and Technology. - 2000. - Vol. 5, No. 1. - P. 96-99.
12. Deich, M. E. Tehnicheskaia gazodinamika [Text] / M. E. Deich. - Ed. 3. -Moscow: Energiia, 1974. - 592 p.
13. Molochko, F. I. O sushchnosti vihrevogo effekta Ranka-Hil'sha [Text] / F. I. Molochko // Problemy zahalnoi enerhetyky. - 2015. - Vol. 4, No. 43. - P. 5860.
14. Burov, O. O. Dedusting gas emissions drying plant [Text] / O. O. Burov, A. I. Burov, L. V. Vinogradenko // Ahrarnyi visnyk Prychornomoria. - 2014. -Vol. 74. - P. 140-143.
15. Maslov, V. E. Pylekontsentratory v topochnoi tehnike [Text] / V. E. Maslov. - Moscow: Energiia, 1977. - 285 p.
16. Piralishvily, S. A. Vortex effect and intensification of heat and mass transfer in cell energy technology [Text] / S. A. Piralishvily, S. V. Veretennikov // VESTNIK of Samara University. Aerospace And Mechanical Engineering. - 2011. - No. 31 (27). - P. 241-247.
17. Pitak, I. V. Issledovanie mokrogo protsessa ulavlivaniia pyli v rotornom vihrevom apparate [Text] / I. V. Pitak // Bulletin of the National Technical University «KhPI» Series: New solutions in modern technologies. - 2010. - No. 17. -P. 135-140.
18. Civan, F. Reservoir Formation Damage [Text] / F. Civan. - Ed. 3. - Elsevier, 2016. - 1042 p. doi:10.1016/c2014-0-01087-8
19. Karapetiants, M. H. Himicheskaia termodinamika [Text] / M. H. Karapetiants. - Moscow: Himiia, 1975. - 584 p.
20. Rotary mass-exchange apparatus [Electronic resource]: Patent UA 29985 U, MQK (2006) B01D 3/00 / Pitak I. V., Troshyn O. H., Moiseiev V. F., Shaporev V. P. - Appl. No. u200708025; Filed 16.07.2007; Publ. 11.02.2008. -Available at: \www/URL: http://uapatents.com/2-29985-rotornijj-masoobminnijj-aparat.html
21. Tovazhnianskyi, L. L. Mashyny i aparaty u khimichnykh, kharchovykh i pererobnykh vyrobnytstvakh [Text] / L. L. Tovazhnianskyi, V. P. Shaporev, I. V. Pitak et al. - Kharkiv: Kolehium, 2011. - 610 p.
