CC BY
35
УДК 658.567
К ВОПРОСУ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗНОТЕМПЕРАТУРНОГО КОНДЕНСАЦИОННОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
П.А. Солженикин, В.Г. Стогней, В.В. Черниченко
В статье проводится сравнительный анализ работы общеизвестных газоочистных установок и обосновывается целесообразность применения универсального разнотемпературного фильтра, обладающего способностью очищать высокотемпературные потоки больших расходов. Приводится описание установки для очистки воздуха от аэрозольных частиц на основе конденсационного фильтра, и экспериментальных исследований по изучению тепломассобменных закономерностей для использования их при разработках промышленных разнотемпературных конденсационных фильтров для очистки газообразных выбросов. Искомые зависимости определялись на основе изменения разности температур между рабочими стенками газового тракта фильтра, меняющегося расхода загрязненного газового потока через установку и давления в рабочем канале. Высокая эффективность фильтра обусловлена разнотемпературной организацией температурного поля в нем. Исследуемый фильтр обладает высокой степенью очистки, малым гидравлическим сопротивлением и малой энергоемкостью. Применение предлагаемого конденсационного метода очистки даст значительный экономический эффект при использовании на предприятиях металлургической промышленности, при улавливании ценных продуктов, находящихся в тонкораспыленном состоянии, при работе на предприятиях нефтяной и газовой промышленности для удаления твердых частиц, конденсата тяжелых углеводородов и водяных паров. На данный способ очистки и на конструкцию установки получены 10 патентов на изобретение
Ключевые слова: фильтр, пересыщение, конденсация, газовый поток
Введение
В настоящее время, одновременно с ростом и бурным развитием промышленности, все большее внимание уделяется ее экологической обоснованности, а именно: проблеме очистки и утилизации отходов. На данном этапе, когда безотходная технология находится в периоде становления, основной задачей очистки является доведение содержания токсичных примесей в отходах, в частности, в газовых смесях, до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами [1]. Многие промышленные предприятия еще не оснащены в достаточной степени необходимыми установками, обеспечивающими требуемое качество очистки газовых потоков, в связи с чем исследования, направленные на решение данной проблемы, являются необходимыми и актуальными.
При выборе установок для разделения неоднородных систем следует учитывать целый ряд факторов. Прежде всего, следует принять во внимание основные требования, которые предъявляются к качеству разделения этих систем. Они могут быть обусловлены требованиями технологии (к примеру, защитой насосов или вентиляторов от быстрого износа из-за разрушения их лопастей твердыми частицами), экологическими соображениями (в целях обеспечить чистоту водоемам и воздушной атмосфере), а также ценностью взвешенных частиц в газе или жидкости. Помимо этого, важно
Солженикин Павел Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: scorpion-050806@yandex.ru Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, Заслуженный работник ВШ, профессор, e-mail: sto@sci.vrn.ru Черниченко Владимир Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vlad1427@yandex.ru
учитывать еще и концентрацию дисперсных частиц, их распределение по тем или иным размерам, температуру и агрессивность среды и так далее. И, разумеется, следует принимать в расчет технические и экономические показатели работы самих аппаратов.
Постановка задачи
Произведём небольшое сравнение распространённых промышленных фильтров, отметив их преимущества и недостатки. Рассмотрим для примера рукавные фильтры, электрофильтры, пылеосадительные камеры и циклоны.
Наиболее предпочтительными по эксплуатационным и капитальным затратам в плане использования являются такие установки, как циклоны и пылеосадительные камеры. Однако они способны улавливать только лишь довольно крупные частицы. Именно поэтому в качестве самостоятельной аппаратуры их лучше всего применять для очистки газов от крупных пылинок на объектах, имеющих малую мощность. Основными недостатками циклонов являются: высокое гидравлическое сопротивление (12501500 Па); низкая эффективность улавливания частиц размером менее 5 мкм; невозможность использования для улавливания слипающейся пыли. Они также не могут обеспечить полную очистку газов от мелких частиц пыли из-за сил инерции и центробежных сил, которые возникают тогда, когда происходит перемена направления газового потока. Кроме того, такие фильтры на продвижение газа затрачивают огромное количество электроэнергии, да и сами от воздействия абразивной пыли подвергаются быстрому износу.
Стоит отметить, что такие установки, как электрофильтры, способны обеспечить высокую степень очистки газа, в том числе и от мельчайших частичек. Однако такие устройства довольно часто требуют предварительной
подготовки газов. К тому же они совершенно не подходят для отделения частиц, имеющих небольшое удельное электрическое
сопротивление а также для очистки взрывоопасных газов.
Рукавные фильтры способны давать высокую степень очистки от любого размера пылинок более 1 микрона, однако они могут эффективно работать лишь при относительно небольшой запыленности исходных газов. Кроме того, эти аппараты требует поддержания температуры газов в определенных рамках. Рукавные фильтры по капитальным затратам несколько дешевле тех же электрофильтров, но у них больше расходы на эксплуатацию. К недостаткам рукавных фильтров можно отнести тот факт, что они не могут очищать газы от химически агрессивных газов, влажной и липкой пыли
Выбор газоочистительного фильтра обусловлен следующими факторами:
- свойствами пылевых частиц;
- размером пылинок;
- уровнем влажности;
- начальным содержанием пыли в газе;
- необходимой степенью очистки газа.
Для удобства сравнения газоочистительных установок по таким показателям, как начальная концентрация пыли, размер отделяемых частиц пыли, создаваемое гидравлическое
сопротивление, степень очистки, отобразим данные в таблице ниже.
Достаточно различная степень очистки, ограниченный размер отделяемых частиц пыли, несовершенство конструкций, малая
эффективность, громоздкость и другие недостатки говорят о несовершенстве газоочистительного оборудования, в связи с чем целесообразно применение универсальной газоочистительной установки, не имеющей подобных недостатков, - разнотемпературного конденсационного фильтра.
Сравнение газоочистителей
Тип аппаратов Начальная концентрация пыли, мг/м3 Размер отделяем ых частиц пыли, мкм Гид-равли-ческое сопро-тивле-ние, мм вод.ст Степень очистки, %
Рукавные фильтры >200 >2 70-100 >99,5
Электрофильтры — >0,005 — <99,5
Пыле-осади-тельные камеры — >100 — 40-60
Циклоны: конические батарейные >1000 >15 >15 40-70 <90 >95
Методика эксперимента
Исследования по очистке газовых потоков с помощью разнотемпературного
конденсационного фильтра проводились на установке (рис. 1), основными узлами которой являются компрессор 1, увлажнитель сжатого воздуха 4, подогреватель 5, разно-температурный конденсационный фильтр 6 (рис. 2), влагоотделитель 7. Фильтр выполнен в виде цилиндрической емкости, внутри которой двумя поверхностями (горячей и холодной стенками) образован канал для прохода газового потока [2]. При этом расстояние между холодной и горячей поверхностями поддерживается равным 80 мм при высоте канала 500 мм. Пространство между неподвижной горячей стенкой 3 и корпусом фильтра 1 заполнено горячей водой, требуемая температура которой достигается с помощью электронагревателей. Холодная стенка канала фильтра 5 может перемещаться по специальным направляющим и фиксироваться в заданном положении, определяющем ширину канала. Необходимая температура холодной поверхности обеспечивается изменением параметров и расхода проточной холодной водой, проходящей через коробчатую емкость. Коробчатая емкость соединяется с трубопроводом холодной воды 6 съемным эластичным элементом. Для сбора и измерения количества выделяемого конденсата в нижней части камеры предусматривается система отвода конденсата 7. Сжатый воздух, вырабатываемый поршневым компрессором, подавался в разнотемпературный фильтр, в котором происходила конденсация влаги. Часть конденсата улавливалась в фильтре, а оставшаяся часть - в расположенном за ним влагоотделителе. Комплект, состоящий из увлажнителей и подогревателя, позволял изменять влажность и температуру воздушного потока в широком диапазоне. Изменение расхода и давления сжатого воздуха осуществлялось с помощью регулирующих задвижек и настройки компрессора.
В процессе экспериментальных
исследований изучались закономерности тепломассообмена в фильтре для использования их при разработках промышленных разнотемпературных конденсационных фильтров для осушения больших количеств газовых потоков или для очистки газообразных промышленных выбросов [3]. Рассматривались много-численные варианты изменения
влагосодержания, относительной влажности воздуха в фильтре и количество выделяемого конденсата при изменении разности температур, расстояния между холодной и горячей поверхностями и температуры, влажности и давления воздуха на входе в камеру.
15 <з го а 17 4 го 5 ц
е. юдолооаоднас
нп
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования режимов работы разнотемпературного конденсационного фильтра: 1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - дополнительный увлажнитель; 4 - основной увлажнитель; 5 - подогреватель; 6 - разнотемпературная конденсационная камера; 7 - влагоотделитель; 8 - регулирующий вентиль; 9 - манометр редуктора; 10 - измерительный блок; 11 - холодная стенка; 12 - горячая стенка; 13 - водопроводные шланги; 14 - вентиль; 15 -уровнемер воды; 16 - измеритель-регулятор температуры; 17 - водяной тэн; 18 - автотрансформатор; 19 - вентиль редуктора; 20 - хромель-копелевая термопара; 21 - ротаметр; 22 - термопары; 23 - потенциометр; 24 - образцовый манометр; 25 - водопроводный вентиль; 26,27,28 - сливной вентиль
Рис. 2. Разнотемпературный конденсационный фильтр: 1 - корпус; 2 - подвод и отвод горячей воды; 3 - горячая стенка; 4 - поток в камере (канал); 5 - холодная стенка; 6 - подвод и отвод холодной воды; 7 - слив конденсата
Характер изменения критериев Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта и других характерных величин при изменении параметров конденсационного фильтра и газового или воздушного потоков показаны на рис. 3, 4, 5. Из них следует, что изменение разности температур горячей и холодной поверхности фильтра приводит к изменению степени пересыщения потока и интенсивности конденсации. Это позволяет осуществлять автоматическую настройку конденсационного фильтра на оптимальный режим работы при изменении параметров осушаемого или очищаемого потока.
Зависимости диффузионного критерия Нуссельта № и коэффициента массоотдачи Р позволяют определить диапазон разности температур горячей и холодной поверхностей фильтра, при которых обеспечиваются наилучшие условия конденсации. Этот диапазон At равен 35 - 55 °С. Зависимость критерия Рейнольдса от разности температур поверхностей характеризует процесс
конденсации водяных паров в потоке. Рост температуры капельной жидкости (воды), содержащейся в воздушном потоке, приводит к существенному уменьшению критерия Прандтля,
что позволяют определять интервал температур стенок фильтра, при которых он начинает
работать
в режиме сушилки [3].
Рис. 3. Изменение критерия №д и коэффициента р при изменении (температура потока на входе в канал) 16 -
14
12
„ 10 о
х 8 э
2 6 4
м
А
I >2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 /\ ^ °С
1
N Ч
V
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 /1 I, °С
5
4
о 3
X
О) 2
о.
1
0
—1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
/\ ^ 0С
8
7,75
о
* 7,5
Оь
7,25
7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
10
2
0
0
/\ t, 0С
Рис. 4. Изменение критериев Re, Рг, Nu и коэффициента р при изменении At (высота канала: 1 - 0,6 м; 2 - 0,4 м)
10 1 9 ' 1 3 8 х 7 6 о ° 5 , * >< 4 '2 > -г 3
8 -
7 .
6 -
5 .
3 1 2 О- О. 3 4 2
1 ' 1 х о 0
0,2
0,25 Р, МПа
0,3
10 11
Q, м3/ч
Рис. 5. Изменение критериев подобия при изменении давления (а) и расхода газов (б): а) 1 - Re х 104; 2 - № х103; 3 - Nuд х 102; б) 1 - Re х 104; 2 - Рг х 10; 3 - № х 103; 4 - Ргд х 10; 5 - Шд х 102
Анализ экспериментально выявленных температуры газов на входе в
зависимостей показывает, что повышение разнотемпературный канал не снижает
эффективности работы конденсационного фильтра. Это имеет большое значение для очистки загрязненных высокотемпературных газовых потоков перед их утилизацией.
Характер изменения экспериментальных кривых, приведенных на рис.5, говорит о том, что эффективность процесса очистки в конденсационном фильтре повышается с увеличением расхода и давления газа в разнотемпературном канале. В то же время, при дальнейшем увеличении скорости газового потока в фильтре может наблюдаться значительный унос аэрозольных примесей ввиду того, что они не будут успевать осесть в рабочем канале. Это приведет к резкому снижению эффективности очистки такого аппарата, поэтому в каждом конкретном случае необходимо определять оптимальные режимы течения очищаемого газового потока.
Принцип метода, на котором основан процесс очистки, заключается в следующем: при очистке загрязненный газовый поток подается в разнотемпературный канал, в котором происходит конденсация паров примеси на ядрах конденсации, например, механических частицах, газовых ионах и их рост до размеров капель.
Фильтр имеет газовый тракт прямоугольного сечения, противоположные стенки которого поддерживаются с разной температурой. При такой организации температурного поля внутри канала обеспечивается смещение зоны конденсации от холодной стенки в ядро потока, что приводит к более эффективному ведению процесса.
Данная установка должна отвечать следующим техническим требованиям: степень очистки конденсационного фильтра - до 99%; гидравлическое сопротивление
конденсационного фильтра - до 500 Па; производительность 0-120000 м3/ч, малая энергоемкость, легкость монтажа в технологический процесс.
Анализ экспериментально выявленных зависимостей показывает, что повышение температуры газов на входе в разнотемпературный канал не снижает эффективности работы конденсационного фильтра. Это имеет большое значение для очистки загрязненных высокотемпературных газовых потоков перед их утилизацией.
Характер изменения экспериментальных кривых говорит о том, что эффективность процесса очистки в конденсационном фильтре повышается с увеличением расхода и давления газа в разнотемпературном канале. В то же время, при дальнейшем увеличении скорости газового потока в фильтре может наблюдаться значительный унос аэрозольных примесей ввиду того, что они не будут успевать осесть в рабочем
канале. Это приведет к резкому снижению эффективности очистки такого аппарата, поэтому в каждом конкретном случае необходимо определять оптимальные режимы течения очищаемого газового потока. Разнотемпературный конденсационный фильтр обладает универсальностью по температурным и расходным характеристикам рабочих сред. Он имеет меньшие размеры, менее энергоемок по сравнению с существующими установками для тонкой очистки газовых потоков -электрофильтрами и матерчатыми фильтрами, и его работа может обеспечиваться за счет частичной утилизации теплоты самих выбросов. Положительным фактором является то, что при соблюдении расчетных параметров рабочей камеры ее конфигурация может быть выполнена с учетом возможного размещения конденсационного фильтра в цехе. Это позволяет при необходимости устанавливать его прямо в газоходах, вентиляционных каналах и других газовоздушных трактах.
Заключение
Возможность создания конденсационных фильтров с заведомо весомо малыми сопротивлениями и при отсутствии забивающихся загрязнениями очищаемого потока представляет самые широкие возможности для разработки широкой гаммы конденсационных фильтров для различных предприятий всего народного хозяйства, и, в частности, предприятий металлургической промышленности.
Конденсационный метод очистки также может быть эффективно использован и для тонкой очистки промышленных газов, где наряду с санитарно-инженерным, он может дать значительный экономический эффект при улавливании ценных продуктов, находящихся в тонкораспыленном состоянии.
Применение предлагаемого
разнотемпературного способа газоочистки значительно облегчит работу предприятий нефтяной и газовой промышленности. Природный газ, получаемый с промыслов, содержит посторонние примеси: твердые частицы (песок и окалину), конденсат тяжелых углеводородов, водяные пары и часто сероводород и углекислый газ. Присутствие твердых частиц в газе приводит к быстрому износу соприкасающихся с газом деталей компрессоров. Твердые частицы засоряют и портят арматуру газопровода и контрольно-измерительные приборы скапливаясь на отдельных участках газопровода, они сужают его поперечное сечение. Жидкие частицы, оседая в пониженных участках трубопровода, также вызывают уменьшение площади его поперечного
сечения. Они, кроме того, оказывают коррозирующее действие на трубопровод, арматуру и приборы. Влага в определенных условиях приводит к образованию гидратов, выпадающих в газопроводе в виде твердых кристаллов. Гидратные пробки могут полностью закупорить трубопровод.
Согласно техническим требованиям на природные и нефтяные газы содержание жидкой взвеси в транспортируемом газе не должно превышать 25 - 50 г на 1000 м3 газа. Еще более жесткие требования необходимо предъявлять к содержанию твердой взвеси (не более 0,05 мг/м3), которая способствует эрозионному износу технологического оборудования газопроводов. Так, при содержании 5 - 7 мг/м3 твердой взвеси к.п.д. трубопроводов уменьшается на
3 - 5 % в течение двух месяцев эксплуатации, а при запыленности более чем 30 мг/м3
трубопровод выходит из строя через несколько часов из-за полного эрозионно-ударного износа.
На данный способ очистки и на конструкцию установки получены 10 патентов на изобретение.
Литература
1. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара/ А.Г. Амелин. Изд. 3-е, доп. и перераб. М.: «Химия», 1972 - 304 с.
2. Математическая модель тепломассообменного процесса в конденсационной камере / В.И. Ряжских, В.Г. Стогней, П.А. Солженикин, В.В. Черниченко // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2006): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. шк.- М.: Радио и связь, 2006. Т. 2. Ч. 5. С. 74 - 78.
3. Солженикин П.А. Моделирование тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений // Дис. канд. техн. наук / ВГТУ. - Воронеж, 2008. 179 с.
Воронежский государственный технический университет
TO THE QUESTION WHETHER THE USE OF THE DIFFERENT TEMPERATURE CONDENSATION FILTER FOR PURIFICATION OF GAS STREAMS
PA. Solzhenikin1, V.G. Stognei2, V.V. Chernichenko3
'PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: scorpion-050806@yandex.ru 2 PhD, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: sto@sci.vrn.ru
3 PhD, Associate professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: vlad1427@yandex.ru
Paper provides comparative analysis of the prominent acting gas purification plants and justifies the expediency of using universal multi-temperature filter, which is able to purify high-temperature flows of large expenditures. Special facility which helps to purify air from aerosol particles based on a condensation filter is represented. The possibility to use the heat-base regularities in the development of industrial multi-temperature condensation filters for the purification of gaseous emissions is proved experimentally. The required inter-dependencies were determined on the basis of the observed change of the temperature difference between the working surfaces of the gas path of the filter, the varying flow rate of the contaminated gas flow through the facility and the pressure in the working channel. The high efficiency is achieved by the differentiation of the temperatures within the temperature area of the filter. The filter under investigation has a high degree of purification, low hydraulic resistance and low energy intensity. The proposed "condensational purification method" provides significant economic effects as applied to metallurgical industry, trapping out valuable products in a finely dispersed state, removing particulate matter, heavy hydrocarbon condensate and water vapor in the oil and gas industry. Overall ten author's certificates for this particular method of cleaning as well as for the plant design were received by the author
Key words: filter, supersaturation, condensation, gas stream
References
1. Amelin A.G., "Theoretical basis of fog formation during the process of steam condensation", ("Teoreticheskiye osnovy obrazovaniya tumana pri kondensatsii para"),., Moscow, (The third reviewed edition), "Chemistry", 1972, 304 p.
2. Ryazhskikh V.I., Stogney V.G., Solzhenikin P.A., Chernichenko V.V., "Mathematical model of the heat and mass exchange process within the condensation chamber", System problems of reliability, quality, information and electronic technologies in innovative projects, Innovations, Materials of the International conference and Russian school of sciences, Moscow, Radio and Communication, 2006, Part 5, vol. 2, 74 - 78 pp.
3. Solzhenikin P. A., "Simulation of a heat and mass exchange and enhancement of construction of the device for cleaning of industrial gases from aerosol switching on" ("Modelirovaniye teplomassoobmena i sovershenstvovaniye konstruktsii apparata dlya ochistki promyshlennykh gazov ot aerozol'nykh vklyucheniy"), Ph.D thesis, Voronezh State technical University, Voronezh, 2008, 179 p.
