CC BY
22
УДК 669.162.252
Н. В. Юшков \ В. Я. Губарев2
^оволипецкий металлургический комбинат (НЛМК), г. Липецк, Российская Федерация;
2Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ), г. Липецк, Российская Федерация
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ДОМЕННОГО ГАЗА В ПОЛЫХ ФОРСУНОЧНЫХ ПРЯМОТОЧНЫХ
СКРУББЕРАХ
Аннотация. Одним из самых распространенных является мокрый способ очистки доменного газа от частиц колошниковой пыли. Полый форсуночный скруббер - аппарат мокрой очистки доменного газа, в котором обеспыливание доменного газа осуществляется за счет взаимодействия частиц колошниковой пыли с каплями диспергированной технической воды. Принцип очистки доменного газа в полом форсуночном скруббере основан на инерционном механизме столкновения частиц колошниковой пыли с каплями диспергированной технической воды, после которого частицы смачиваются, слипаются и под действием силы тяжести выпадают из потока очищаемого газа. В данной работе предлагается методика расчета эффективности очистки доменного газа в полом форсуночном прямоточном скруббере, которая основана на разделении объема данного аппарата газоочистки на расчетные участки. С учетом того, что траектория движения капли в потоке доменного газа в полом форсуночном скруббере имеет параболическую форму, в данной методике по определению эффективности улавливания частиц колошниковой пыли учитывается радиальная составляющая абсолютной скорости капли. Поправочный коэффициент в выражении для определения фракционного коэффициента эффективности очистки доменного газа от колошниковой пыли определяет наличие мертвых зон при орошении запыленного газа технической водой, распыленной эвольвентными форсуночными устройствами. Кроме того, в представленной методике учитывается повышение эффективности очистки доменного газа за счет процесса конденсации водяных паров из потока запыленного газа в нижней части полого форсуночного скруббера.
Ключевые слова: полый форсуночный прямоточный скруббер, фракционный коэффициент эффективности очистки доменного газа, осевая составляющая абсолютной скорости капли, радиальная составляющая абсолютной скорости капли.
1 2 Nikolay V. Yushkov , Vasily Ya. Gubarev
*NLMK, Lipetsk, Russian Federation;
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russian Federation
THE METHOD OF RESEARCH OF EFFICIENCY OF CLEARING OF BLAST FURNACE GAS IN THE HOLLOW NOZZLE STRAIGHT-THROUGH SCRUBBER
Abstract. The wet method of cleaning the blast furnace gas from the particles of grate dust is one of the most common. The hollow nozzle scrubber is the device for wet cleaning of blast furnace gas in which the cleaning of blast furnace gas is carried out due to the interaction of particles of grate dust with droplets of dispersed technical water. The principle of cleaning the blast furnace gas in the hollow nozzle scrubber is based on the inertial mechanism of collision of grate dust particles with droplets of dispersed process water. After the particles are wetted, stick together and fall out of the flow of the cleaned gas under the influence of gravity. In this paper, we propose a method for calculating the efficiency of blast furnace gas purification in a hollow nozzle straight-through scrubber, which is based on the division of the volume of this gas purification apparatus into even sections. Because the trajectory of the droplet in the blast furnace gas flow in the hollow nozzle scrubber has a parabolic shape, radial component of the absolute velocity of the droplet s taken into account in this technique to determine the efficiency of catching dust particles. The correction factor in the expression for determining the fractional efficiency coefficient of the blast furnace gas purification from the grate dust determines the presence of «dead zones» when the dusty gas is irrigated with technical water sprayed by involute injectors. In addition, the presented method takes into account the increase in the efficiency of cleaning the blast furnace gas due to the process of condensation of water vapor from the flow of dusty gas in the lower part of the hollow nozzle scrubber.
Keywords: a hollow nozzle straight-through scrubber, fractional efficiency coefficient of blast furnace gas purification, axial component of the absolute velocity of the droplet, radial component of the absolute velocity of the droplet
Одним из самых распространенных является мокрый способ очистки доменного газа от частиц колошниковой пыли. Данный способ газоочистки основан на свойстве частиц колош-
никовой пыли при взаимодействии с каплями распыленной технической воды смачиваться, слипаться и под действием силы тяжести выпадать из потока очищаемого доменного газа. Основными факторами, определяющими механизм инерционного осаждения частиц колошниковой пыли с каплями диспергированной технической воды, являются следующие: величина скорости капель относительно скорости частицы колошниковой пыли и диаметр капель распыленной воды [1].
Самым распространенным аппаратом мокрой очистки доменного газа является полый форсуночный скруббер. Конструктивно скруббер - это круглая цилиндрическая колонна, в которой запыленный поток колошникового газа взаимодействует с каплями распыленной форсуночными устройствами технической воды. В зависимости от направления движения капель относительно очищаемого доменного газа выделяют прямоточные и противоточные полые форсуночные скрубберы.
Подвод запыленного Отвод очищенного
доменного газа доменного газа
Подвод технической воды
Подвод технической воды
Отвод очищенного доменного газа
Подвод запыленного доменного газа
а б
Рисунок 1 - Принципиальная схема полого форсуночного скруббера: противоточные (а) и прямоточные (б) полые форсуночные скрубберы
Полые форсуночные скрубберы являются аппаратами полутонкой очистки доменного газа: качественная и эффективная очистка доменного газа обеспечивается при фракционном размере частиц колошниковой пыли 5ч > 10 - 20 мкм [2].
В настоящее время отсутствуют точные методики расчета эффективности очистки доменного газа в полых форсуночных скрубберах. Существующие методики основываются на использовании осевой составляющей абсолютной скорости капли, при этом траектория ее движения в полом форсуночном скруббере определяется как осевой, так и радиальной составляющими. Кроме того, не учитывается то, что форма траектории движения капли в полом форсуночном скруббере параболическая, что обеспечивает наличие мертвых зон при взаимодействии доменного газа с каплями диспергированной технической воды [3].
В данной работе предлагается методика расчета эффективности очистки доменного газа в полом форсуночном прямоточном скруббере со схемой установки форсуночных устройств по оси аппарата в линию.
Эффективность очистки доменного газа за счет механизма инерционного осаждения частиц колошниковой пыли на поверхности капель диспергированной технической воды определяется критерием Стокса [4, 5]:
stk = гч —. а к
(1)
где Stk - значение критерия (числа) Стокса; тч - время динамической релаксации частицы колошниковой пыли, с; - диаметр капель распыленной технической воды, м;
w - скорость движения капли относительно скорости движения частицы пыли в конце рас-
сматриваемого участка, м/с.
С учетом относительно высоких значений скоростей движения доменного газа и капель диспергированной технической воды, характерных для процесса газоочистки в полых прямоточных форсуночных скрубберах, имеет место потенциальный режим обтекания частиц колошниковой пыли, следовательно, значение коэффициента осаждения определяется с учетом выражения Лэнгмюра - Блоджетта [6, 7]:
Г
ц
0,771п(4 Ъгк)
1 +
V 2 Бгк
, (2)
1,214 )
где цк - коэффициент осаждения частиц колошниковой пыли на поверхности капель диспергированной технической воды.
Для определения фракционного коэффициента эффективности очистки доменного газа в полых форсуночных скрубберах используется приближенное выражение, полученное в работах [8 - 10]:
Рчр
Ж
ц8
w
w
СН
02
;
кэ
2
w
V со
w
02
0,44р
ц
Ш
(3)
кэ )
где ц& - фракционный коэффициент эффективности улавливания частиц колошниковой пы-
ли; w - скорость движения капли относительно скорости движения частицы пыли в конце
СН
рассматриваемого участка, м/с ; w - скорость движения капли относительно скорости
С0
движения частицы пыли в начале рассматриваемого участка (на выходе из форсунки), м/с ;
w
кя
- скорость стационарного осаждения капли в потоке запыленного газа, м/с ; р - плот-
ж
ность диспергируемой жидкости, кг/м3; р - плотность запыленного газа, кг/м3; / - по-
Г
правочный коэффициент.
С целью повышения точности методики определения фракционного коэффициента эффективности при очистке доменного газа объем полого форсуночного прямоточного скруббера по оси разделим на расчетные участки (в соответствии с количеством форсуночных устройств, использующихся для распыла технической воды). Следовательно, эффективность очистки доменного газа в данном аппарате газоочистки будет определяться как сумма коэффициентов на всех расчетных участках.
Для распыла технической воды в полых форсуночных скрубберах используются эволь-вентные форсуночные устройства, для которых характерно нормальное распределение по диаметрам капель [11, 12]. При этом график нормального распределения условно разделим на две части: капли, которые взаимодействуют с доменным газом по всей высоте аппарата мокрой очистки доменного газа, и капли, которые в определенный момент при движении в потоке запыленного доменного газа попадают на стенки скруббера. Для первой области среднее значение диаметра капель - 0,85 мм, для второй - 3,00 мм.
2
1
Р^к)
%
25 20 15 10
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
&т-^
4,5
Рисунок 2 - Нормальное распределение по значениям диаметра капель при распыле эвольвентными форсуночными устройствами
С учетом перечисленного выше эффективность пылеулавливания на расчетном участке будет определяться как сумма фракционных коэффициентов, рассчитанных для определенных значений капель диспергированной технической воды (0,85 и 3,00 мм) для каждого форсуночного устройства.
В дальнейшем значение критерия Стокса и, следовательно, значение коэффициента осаждения частиц колошниковой пыли будут определяться с учетом средней на расчетном участке величины скорости движения капель относительно скорости частиц пыли.
Значение средней относительной скорости движения капель на расчетном участке будет определяться как среднеарифметическое значение между относительной скоростью на входе в расчетный участок и скоростью на выходе из расчетного участка. Кроме того, необходимо отметить, что в расчетах по определению фракционного коэффициента эффективности очистки доменного газа используется значение осевой составляющей абсолютной скорости движения капли.
Для первых расчетных участков значение осевой скорости капли на входе в расчетный участок будет равно значению скорости капли на выходе из сопла форсуночного устройства. В то же время значение абсолютной скорости капли на выходе из расчетного участка будет определяться исходя из решения системы уравнения движения капли в потоке доменного газа численными методами, например, методом Рунге-Кутта IV порядка:
^Н = 0 - ^ГН ; (4)
(5)
(6)
(7)
(8)
СН
^СН + ^0
= гт
Р.У
ц
( ^к ру)
ш
(№ ру + 0,125)2
где ^СН - скорость доменного газа на расчетном участке, м/с; 0 - осевая составляющая скорости капли на входе в расчетный участок (на выходе из сопла форсуночного устройства), м/с; wКZН - осевая составляющая скорости капли на выходе из расчетного участка,
м/с; ^ - среднее значение скорости капли на расчетном участке относительно скорости
№ 3( 201
5
0
частицы пыли, м/с; - среднее значение на расчетном участке числа Стокса; -
3(к
среднее значение коэффициента осаждения на расчетном участке.
Выражение для определения фракционного коэффициента эффективности осаждения за счет инерционного механизма осаждения примет следующий вид:
/яр
ц = 1
8( 0,85 мм / 3,00мм)
К8 =
w
w
СН
02
;
кэ
2 02 w - w
V С0 кэ )
-— ц
0,44р ш
(9)
где ц
- фракционный коэффициент эффективности очистки доменного газа на
' 8(0, 85мм / 3, 00мм)
расчетном участке для диаметров капель диспергированной технической воды 0,85 или 3,00 мм.
Поправочный коэффициент учитывает следующий фактор: за счет того, что форсуночные устройства имеют определенный угол конусности факела, объем аппарата мокрой газоочистки доменного газа не полностью заполнен каплями диспергированной технической воды. Для учета наличия мертвых зон орошения доменного газа в полом форсуночном скруббере в выражении (9) вводится поправочный коэффициент Д
Объем скруббера, и котором они| /нот) ет взаимадейсткне капель с очищаемым гаюм
Полезный объем скруббера в ¡пи. 1 юдейсгпви и кип ель / с ('читанным гамм
Рисунок 3 - Схема учета мертвых зон орошения при расчете величины коэффициента эффективности пылеулавливания
Кроме того, при оценке эффективности очистки доменного газа в полых форсуночных скрубберах необходимо учитывать эффект коагуляции (слипания и утяжеления) частиц колошниковой пыли вследствие процесса конденсации водяных паров из потока очищаемого газа. Относительное увеличение фракционного размера частиц колошниковой пыли определяется с учетом выражения
8
КЧ
3
рСУХ Ай
(1+-
уд рч
р
)
(10)
Т.В.
где рСУХ - среднее значение плотности сухого доменного газа (без учета содержания водя-
ных паров) на расчетном участке, кг/м3; АйК. - изменение величины удельного паросодер-
УД
жания доменного газа на расчетном участке вследствие конденсации водяных паров, кг/кг
2
с
сухого газа; с1 - запыленность доменного газа (весовая концентрация частиц колошниковой
пыли в доменном газе) на входе в расчетный участок, кг/м 3.
В выражении для определения коэффициента эффективности очистки доменного газа за счет инерционного механизма осаждения будет использоваться величина фракционного размера частиц с учетом их слипания вследствие конденсации водяных паров.
При определении коэффициента эффективности очистки доменного газа в полых форсуночных скрубберах систем мокрых газоочисток доменного газа необходимо учитывать также радиальную составляющую абсолютной скорости движения капель диспергированной технической воды в потоке запыленного газа. Конструктивные параметры форсуночных устройств, установленных в полых скрубберах, обеспечивают относительно большой угол конусности факела распыла, следовательно, высокое значение радиальной составляющей абсолютной скорости капель. При относительно высоких значениях радиальной составляющей скорости часть капель при распыле попадает на стенки аппарата мокрой газоочистки и не участвует в дальнейшем взаимодействии с доменным газом с точки зрения очистки и охлаждения.
Далее для анализа качества очистки доменного газа по высоте расчетного участка построим в одной системе координат графики изменения фракционного коэффициента эффективности очистки доменного газа и осевой составляющей абсолютной скорости капель диспергированной технической воды.
м/с
14 12
10
8 6 4 2 0
Осевая составляющая абсолютной скорости капли
__диаметре« 3,0 мм
Осевая составляющая
—_________аЗсодвдтиой скорости капли
Суммараный коэффициент диаметром 0,85 мм
э фф ектн в нос ти ул авлнваиня
частиц колошниковой п ылн Коэффициент эффективности
1,5
2,5 г 3,5
Номер расчетного участка
4,5
Рисунок 4 - Графики изменения фракционной эффективности очистки доменного газа и осевой составляющей абсолютной скорости капель
С учетом графика, приведенного на рисунке 4, и расчетной модели можно сделать следующие выводы:
1) за счет большей площади контакта с частицами колошниковой пыли для капель распыленной технической воды диаметром 0,85 мм по отношению к каплям диаметром 3,00 мм имеет место более высокая эффективность очистки запыленного доменного газа;
2) для капель диспергированной технической воды диаметром 0,85 мм характерно более интенсивное торможение в потоке очищаемого газа; это приводит к тому, что в конце расчетного участка величина осевой составляющей абсолютной скорости капли становится близкой по значению к скорости стационарного осаждения и, соответственно, захвата частиц колошниковой пыли за счет инерционного механизма столкновения не происходит;
№ 3( 201
3) в то же время для капель диаметром 3,00 мм характерно медленное снижение осевой составляющей абсолютной скорости капли в потоке доменного газа и, следовательно, незначительное уменьшение эффективности очистки по высоте расчетного участка;
4) для капель диспергированной технической воды диаметром 3,00 мм по отношению к каплям диаметром 0,85 мм за счет более высокого значения радиальной составляющей скорости имеет место невысокий коэффициент использования капель из-за их попадания при распыле форсуночными устройствами на стенку полого форсуночного скруббера.
В заключение необходимо отметить, что представленная в работе методика определения суммарного фракционного коэффициента улавливания частиц колошниковой пыли в полом форсуночном скруббере, во-первых, позволяет получить более точную оценку качества очистки доменного, что дает возможность ее использования для расчетов по определению эффективности работы аппаратов мокрой очистки доменного газа, во-вторых, учет влияния конденсации водяных паров при очистке доменного газа в представленной выше методике позволит определить оптимальные режимы орошения доменного газа в полых форсуночных скрубберах для возможности снижения расхода технической воды на газоочистку.
Список литературы
1. Старк, С. Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии [Текст]/ С. Б. Старк. -М.: Металлургия, 1977. - 328 с.
2. Сталинский, Д. В. Решение проблем очистки доменного газа и энергосбережения [Текст]/ Д. В. Сталинский, Г. М. Каненко, В. В. Алхазов // Сталь. - 2008. - № 6. С. 85 - 90.
3. Юдашкин, М. Я. Пылеулавливание и очистка газов в черной металлургии [Текст]/ М. Я. Юдашкин. - М.: Металлургия, 1984. - 320 с.
4. Алиев, Г. М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов [Текст] / Г. М. Алиева - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
5. Сперкач, И. Е. Новые технологические и технические решения по газоочистной системе доменной печи [Текст] / И. Е. Сперкач // Сталь. - 2007. - № 3. - С. 97 - 103.
6. Шиляев, М. И. О механизме улавливания пыли в пенных аппаратах [Текст]/ М. И. Шиляев, А. Р. Дорохов, П. Г. Нечаев // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск -1996. - №11. - С. 86 - 90.
7. Старицкий, В. И. Газовое хозяйство заводов черной металлургии [Текст]/ В. И. Старицкий. - М.: Металлургия, 1973. - 496 с.
8. Ужов, В. Н., Очистка промышленных газов от пыли [Текст] / В. И. Ужов,
A. Ю. Вильдберг. - М.: Химия, 1981. - 390 с.
9. Губарев В. Я. Совершенствование систем газоочисток доменного газа [Текст] /
B. Я. Губарев, Н. В. Юшков // Молодой ученый. - 2016. - №10. - С. 166 - 169.
10. Хавкин, Ю. И. Центробежные форсунки [Текст] / Ю. И. Хавкин. - Л.: Машиностроение, 1976. - 168 с.
11. Бородин, В. А. Распыливание жидкостей [Текст] / В. А. Бородин. - М.: Машиностроение, 1967. - 265 с.
12. Калиткин Н. Н. Численные методы [Текст] / Н. Н. Калиткин. - М.: Наука, 1978. -512 с.
References
1. Stark S. B. Pyleulavlivanie i ochistka gazov v metallurgii. (Dust collection and purification of gases in metallurgy). Moscow: Metalurgiya, 1977, 328 p.
2. Stalinsky D. V., Kanenko G. M., Alhazov V. V. Solving the problems of blast furnace gas purification and energy saving [Reshenie problem ochistka domennogo gaza i energosberezenie]. Stal. 2008, no 6, pp 85 - 90.
3. Yudashkin M. Ya. Pyleulavlivanie i ochistka gazov v chernoi metallurgii. (Dust collection and purification of gases in metallurgy). Moscow: Metalurgiya, 1984, 320 p.
4. Aliev G. M. Technika pyleulavlivaniya i ochistka promyshlennych gazov. (Dust collection and purification of industrial gases). Moscow: Metalurgiya, 1986, 544 p.
5. Stalinsky D. V. New technological and technical solutions for blast furnace gas cleaning system [Novye tehnologii i tehnologicheskie resheniya]. Stal, 2007, no. 3, pp 97 - 103.
6. Shilyaev M. I., Dorohov A. R., Nechaev P. G. On the mechanism of dust capture in foam apparatus [O mehanizme ulavlivaniya pyli v pennyh apparatah]. Izvestiay vuzov. Stroitelstvo, 1996, no. 11, p. 86 - 90.
7. Staritskiy V. I. Gazovoe hozyaistvo zavodov chernoi metallurgii. (Gas economy of ferrous metallurgy plants). Moscow, Metalurgiya, 1973, 496 p.
8. Uzhov V. N., Vildberg A. Yu. Ozhistka promyshlennych gazov ot pyli. (The cleaning of industrial gases from dust). Moscow, Himiya, 1981, 390 p.
9. Gubarev V. Ya., Yushkov N. V. Improvement of blast furnace gas cleaning systems. [Sover-henstvovanie sistem gazoochistok domennogo gaza]. Molodoy ucheny, 2016, no. 10. C. 166 - 169.
10. Havkin Yu. I. Tsentrobezhnye forsunki. (The centrifugal nozzles). Leningrad, Mashi-nostroenie, 1976, 168 p.
11. Borodin V. A. Raspylivanie zhidkostei. (The spraying of liquids). Moscow, Mashi-nostroenie, 1967, 265 p.
12. Kalitkin N. N. Chislennye metody. (The numerical method). Moscow, Nauka, 1978, 512 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Юшков Николай Владимирович
ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК)».
Славянова ул., д. 3, кв. 57, г. Липецк, 398070, Российская Федерация.
Главный специалист ПАО «НЛМК».
Тел.: +7 (952) 594-33-65.
E-mail: yushk.nikolai@yandex.ru.
Губарев Василий Яковлевич
Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ).
Гагарина ул., д. 43, кв. 15, г. Липецк, 398002, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика», ЛГТУ.
Тел.: +7 (910) 742-98-65.
E-mail: gv_lipetsk@rambler.ru.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Юшков, Н. В. Методика исследования эффективности очистки доменного газа в полых форсуночных прямоточных скрубберах [Текст] / Н. В. Юшков, В. Я. Губарев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2019.- № 3 (39). - С. 126 - 133.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Yushkov Nikolai Vladimirovich
Novolipetsk Steel (NLMK).
57, 3, Slavyanova st., Lipetsk, 398070, the Russian Federation.
The main specialist NLMK.
Phone: +7 (952) 594-33-65.
E-mail: yushk.nikolai@yandex.ru.
Gubarev Vassily Yakovlevich
Lipetsk state technical university (LSTU).
15, 43, Gagarina st., Lipetsk, 398002, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Professor of the department «Industrial heat», LSTU.
Phone: +7 (910) 742-98-65.
E-mail: gv_lipetsk@rambler.ru.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Yushkov N. V., Gubarev V. Ya. The method of research of efficiency of clearning of blast furnace gas in the hollow nozzle straight-through scrubber. Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 3, no. 39, pp. 126 - 133 (In Russian).
