CC BY
209
УДК 66.067.1
МНОГОЦЕЛЕВЫЕ ЗЕРНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ - ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ И АСПИРАЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ
И.А. Чугунова, Н.Н. Лобачева, Ю.В. Красовицкий, Е.В. Романюк, М.Н. Федорова
Показана технологическая и экологическая целесообразность использования зернистых фильтров при сухом пылеулавливании из технологических газов и аспирационных выбросов. Представлены наиболее перспективные технологии такого способа пылеулавливания
Ключевые слова: зернистый фильтр, аспирационные выбросы, конструктивные решения, расчетные модели, оптимальная удельная нагрузка
Серьезным источником пылевыделения в окружающую среду является производство строительных и огнеупорных материалов. Пылевые выбросы в атмосферу этих предприятий достигают несколько миллионов тонн в год. Нарушаются не только санитарно-гигиенические нормы, но и теряются тонны дефицитного сырья. Для решения данной проблемы используются безотходные производства и создаются новейшие пылеулавливающие установки.
Так, для сухой очистки аспирационного воздуха от не слипающейся и слабослипающейся пыли и для очистки парогазовых смесей широко используются фильтры с зернистыми фильтрующими слоями. Эти аппараты отличаются не только дешевизной и доступностью, но и обеспечивают высокую эффективность пылеулавливания [1].
Повысить эффективность позволяют зернистые фильтры с вращающимся двухфракционным динамическим заполнителем.
Устройство для очистки воздуха, представленное на рис.1, снабжено осью вращения 1, образующим пространство для мелкого заполнителя 2 вращающимся перфорированным барабаном 3 с перегородками и заполнителем.
Вращающийся перфорированный барабан снабжен внутренним цилиндром, а перегородки установлены радиально между барабаном и цилиндром.
В пространстве между барабаном и цилиндром находится заполнитель фракции 30-50 мм, в полости цилиндра - заполнитель фракции 10-15 мм. Аппарат состоит из корпуса 4, в котором установлен перфорированный барабан 3. Внутри барабана
Чугунова Ирина Анатольевна - ВГТА, аспирант,
тел. (4732) 27-15-39
Лобачева Наталья Николаевна - ВГТА, аспирант,
тел (4732) 52-19-05
Красовицкий Юрий Владимирович - ВГТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 63-25-98 Романюк Елена Васильевна - ВГТА, аспирант,
тел. (4732)-79-41-80
Федорова Маргарита Николаевна - ОАО «Минудобрения», инженер- экономист, тел. 8-(47396) 2-77-26
расположен перфорированный цилиндр 5, прикрепленный к барабану 3 посредством радиальных перегородок.
Образовавшиеся между перегородками, цилиндром 5 и барабаном 3 камеры заполнены крупнозернистым заполнителем 6 (размер гранул
30-50 мм). Внутреннее пространство цилиндра 5 заполнено зернистым слоем 2 крупностью 10-15 мм. Барабан 3 соединен с электродвигателем. К корпусу 4 присоединены воздуховоды для подачи запыленного воздуха и для отвода очищенного газа.
Рис.1. Схема конструкции зернистого фильтра с вращающимся двухфракционным заполнителем
1 - ось вращения барабана; 2 - пространство для мелкого заполнителя; 3 - перфорированный барабан; 4 - корпус фильтра; 5 - перфорированный цилиндр; 6 - пространство для крупного заполнителя
Через подающий воздуховод, запыленный поток направляется в перфорированный барабан. Вначале запыленный воздух проходит через крупный заполнитель, расположенный между барабаном и цилиндром. Здесь задерживаются наиболее крупные частицы пыли. При прохождении частично очищенного запыленного воздуха через более мелкий заполнитель происходит тонкая очистка от пыли. При работе аспирационной системы вращается барабан 3, частицы заполнителей 2 и 6 перемещаются относительно друг друга, полости перегородок и цилиндра 5 заполнены не полностью,
что заставляет уловленную пыль перемещаться в пылесборник. Скорость вращения барабана меняют в зависимости от вида пыли, величины запыленности и дисперсности пыли.
Барабан легко заменяют новым при истирании заполнителя или перфорированных стенок перегородок. Такой зернистый фильтр компактен, его удобно размещать в труднодоступных местах. Эффективность пылеочистки достигает 98,76 % при концентрации пыли в воздухе до 3 г/м3 [2].
Повысить степень очистки воздуха от быст-рослипающейся пыли с большой массовой концентрацией позволяют зернистые фильтры с вертикальными фильтрующими слоями. В таких аппаратах фильтрующие элементы расположены в одной плоскости. Эти аппараты представляют собой секции с перфорированными стенками, которые заполнены зернистым фильтрующим материалом разных фракций. Первая секция заполнена крупнозернистым заполнителем - (размер гранул
24-26 мм), следующая - средним заполнителем (18-20 мм), а последняя - мелкозернистым заполнителем (< 10мм).
Особый интерес представляет саморегулирующийся фильтр - циклон для очистки газа непрерывного действия представленный на рис. 2.
Фильтр - циклон включает цилиндрический корпус с крышкой, коническим днищем, тангенциально расположенным штуцером для ввода запыленного и штуцером вывода очищенного газа, вращающийся звездообразный фильтровальный элемент из пористого материала со связанной структурой, два или больше дополнительных звездообразных фильтровальных элемента из пористого материала со связанной структурой, находящихся в зацеплении с вращающимся фильтровальным элементом, установленных с возможностью вращения вокруг консольных полых перфорированных осей. Корпус разделен перегородкой на камеры запыленного и очищенного газа. Вращающийся фильтровальный элемент расположен в центре камеры запыленного газа, установлен с возможностью обеспечения прерывистого возвратно поступательного движения вдоль оси вращения и изменения частоты вращения в зависимости от степени запыленности очищаемого газа, снабжен щетинообразной поверхностью, выполненной в форме эвольвенты, обеспечивающей безотрывное соприкосновение с поверхностями дополнительных фильтровальных элементов в период их взаимодействия при осуществлении вращения. Штуцер для ввода запыленного газа расположен в нижней части камеры запыленного газа. Технический результат -повышение эффективности пылеулавливания, качества очистки и производительности.
Для очистки высокотемпературных газов в России и за рубежом используют фильтры - циклоны. В аппаратах этого типа осуществляют предварительную двухступенчатую очистку газов: сначала в осадительн6ой камере, затем - в циклоне. Под действием разряжения, создаваемого вентилятором, запыленный поток проходит через осадитель-
ную камеру и циклон. Предварительно очищенный пылегазовый поток через выхлопную трубу циклонов поступает к фильтрующим зернистым слоям. Проходя через слои, газ очищается от пыли и поступает в коллектор очищенного газа.
Весьма перспективны также фильтры с импульсной регенерацией, которая с успехом могут быть использованы в теплоэнергетической, химической пищевой промышленности. Такой аппарат разработан в Воронежской технологической академии и представлен на рис.3.
Рис.2 Схема конструкции трехслойного зернистого фильтра
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - перегородка; 4, 5 - камеры запыленного и очищенного газа; 6, 7 - штуцеры запыленного и очищенного газа; 8 - звездообразные фильтровальные элементы со связанной структурой; 9 - консольные перфорированные полые оси; 10 - приводной звездообразный элемент со щетинообразной поверхностью;
11 - перфорированный вал; 12 - коническое днище;
13 - кольцевой штуцер.
Фильтр работает следующим образом. Запыленные газы под влиянием разряжения, создаваемого вентилятором, попадают через патрубок 10 в камеру запыленных газов. Газы, пройдя через фильтровальный материал, попадают в камеру
очищенных газов и за тем через патрубок 11 сбрасываются в атмосферу. По мере осаждения пыли на внешней поверхности рукавов возрастает сопротивление фильтра, поэтому через определенное время автоматически происходит удаление слоя пыли - происходит регенерация рукавов. При регенерации сбрасывает электромагнитный клапан 8 и открывает доступ импульсу сжатого воздуха из ресивера 9 в продувочную трубу 7 и за тем через сопла 6 и точно расположенные эжектирующие насадки 5, в которых установлены тонкие пластинки 16 в фильтровальные рукава.
Рис. 3.Фильтр с импульсной регенерацией
1 - корпус; 2 - решетка; 3 - фильтровальные рукава;
4 - каркасы; 5 - экжектирующие насадки с тонкими пластинками; 6 - сопла; 7 - регенерирующее устройство, включающее продувочные трубы; 8 - электромагнитный клапан; 9 - ресивер; 10, 11 - патрубки для входа запыленных и очищенных газов; 12 - пылесборный бункер;
13 - затвор; 14, 15 - люки
Благодаря отрыву потока из - за необтекаемо-сти пластинок пограничный слой срывается с поверхности, создавая при этом завихрения. Эти завихрения сопровождаются перепадом давления, которые создают звуковые волны с частотой, зависящей от величины завихрения. Регенерация фильтра осуществляется путем воздействия на загрязненные поверхности энергии давления сжатого и эжектируемого газов, деформации рукавов и энергии высокочастотных и упругих механических
колебаний. Последовательно импульсы сжатого воздуха подаются в последовательно продувочные трубы. Уловленная пыль ссыпается в бункер 12 и удаляется через затвор 13. Монтаж и техническое обслуживание осуществляется через люки 14 и 15.
Предложенный фильтр с импульсной регенерацией обеспечивает: повышение срока службы фильтровальных рукавов вследствие более плотного удаления пылевого слоя с поверхности рукава в процессе регенерации; повышении эффективности процесса регенерации за счет воздействия на загрязненные поверхности энергии давления сжатого и эжектируемого газов, деформации рукавов и энергии высокочастотных упругих механических колебаний; простоту в изготовлении, надежность в работе.
Особый интерес представляют зернистые роторные фильтры ФЗРИ - 100. ФЗРИ - 50, фильтры с вертикальным расположением секций ФЗВИ -30-1-300.[4].
Использование многоцелевых зернистых фильтров, например, на предприятиях строительной индустрии позволяет улучшить условия труда, уменьшить загрязнение окружающей среды, снизить заболеваемость персонала, уменьшить энергозатраты, создать условия для организации безотходных производств, что, в свою очередь, приводит к экономии дорогостоящего сырья и снижению себестоимости продукции.
Широкое применение зернистых слоев для обеспыливания газов в значительной мере ограничивается высокой стоимостью фильтрующих устройств. С увеличением удельной газовой нагрузки q при неизменной производительности аппарата по пылегазовому потоку общая поверхность фильтрования, а, следовательно, и стоимость фильтра пропорционально уменьшается.
Максимальное увеличение q приводит к росту перепада давлений на фильтре АР, на проведение процесса входят затраты на содержание и обслуживание фильтра З, амортизационные отчисления А и энергетические затраты Э.
Ниже рассмотрена методика определения qопт применительно к зернистым фильтровальным перегородкам со связанной структурой (например, из пористых металлов), общая стоимость которых обычно существенно превышает стоимость насыпных фильтровальных перегородок [3].
Амортизационные отчисления обратно пропорциональны q, так как при увеличении удельной газовой нагрузки фильтрующая поверхность и габариты аппарата сокращаются. Амортизационные отчисления оценивают по формуле
А = 0,01 Ск-а, (1)
где Ск - стоимость комплекта оборудования, руб./год; а - годовая норма амортизации.
Стоимость фильтрующих элементов из пористых материалов принимают в размере 80% от стоимости аппарата в соответствии с современным
соотношением цен. При любом q значение Ск рассчитывают по формуле
Ск = 1,25 С ф.э^о q-1, (2)
q - заданная производительность, м3/с;
q0 - удельная газовая нагрузка.
Сравнением (1) и (2) получают
А = 1,25 10-2 Сф.э. а qo q-1 = Bi q-1,
где
B1 = 1,25 10-2 а С ф.э.qo . (3)
Энергетические затраты, определяемые мощностью тяговых устройств N, находят по формуле
Э = N ФКв Км Кп Ц, (4)
где Ф - плановый фонд работы фильтра, ч/год;
КВ, КМ, КП - коэффициенты использования оборудования по времени, мощности и с учетом потерь в сети; Ц - цена электроэнергии, руб./кВт;
N = QAP/ 103 п, (5)
где п - КПД вентилятора.
Таким образом, при Q = const величина Э определяется кинетикой изменения Д Р. При этом зависимость Д Р = / (т), синтезированная на основе известной формулы Эргана имеет вид [4]
ДР = [150(1 -e)2w^H / еЧ2+175 (1- е) х
х w^H/e^+r^w^ т. (6)
Формула (6) описывает процесс фильтрования с отложением осадка пыли только на поверхности зернистого слоя исключая при этом процесс с закупориванием пор и изменением пористости е. Правильность такого подхода подтверждается экспериментально.
Принимая Кн = 0 и используя очевидное соотношение w = q /60, зависимость(4) с учетом (5) и (6) можно представить как
Э = B2q + Вз q2, (7)
где
В2 = Q-10-V^KMKBKIfl-150 (1-e)21^h/e360d23; (8)
Вз = Q-103-п1 ФКмКвКпЦ- [1,75-(1-е)/е3 х
х p/d3 (1/160)2•h+rос•xн (1/60)2 (9)
Общие затраты с учетом (3) и (9) определяют по формуле
З0=З+А+Э=З+В^-1 +В1 q+B2q2 (10)
Наименьшие затраты, получают из условия
dЗо/dq = - B1q-2+В+2Bзq=0. (11)
Полученное из (11) приближенное значение q'опт уточняют методом Ньютона
^пт = (q опт -^0 /dq опт)/(d З0/с1с1 опт) =
= с опт - (В^' 2 опт+2В3С'опт+В2) /2(В:С-3опт +В3) (12)
Особый интерес представляет определение Сопт при обеспыливании газа зернистыми слоями с постепенным закупориванием пор, так как именно этот процесс наиболее распространен при использовании зернистых слоев с несвязанной структурой. В этом случае используют (4) и (5) и получают
Э = N ФКмКвКпЦ =
= 0/103п ФКмКвКпЦ1/(А - Ст)2 (13)
Вводят
В "2 = 0'10-3 П-1 ФКмКвКпЦ, (14)
Вз"= (1/Ар н)1/2, (15)
В4 = ХН/ П1К (В0 /^П)1/2т тах. (16)
Тогда
Э = В2"/ (В3"-В4" с112)2. (17)
Тогда по аналогии имеем
З0 = З+ВГ с-1+В2"/ ( В3"-В4" с1/2)2. (18)
Поскольку для зернистых слоев с несвязанной структурой стоимость фильтрующего материала не превышает 20 % от стоимости аппарата, с учетом (3), получают
В1= 510-2 а Сф. э С0. (19)
Значение Сопт, как и ранее, определяем из соотношения
dЗo /^=-ВГ с-2+В2" В4" с-2(В3"-В4"с1/2)3 = 0. (20)
Полученное из (20) значение уточняют по формуле
СОПТ = ( С' опт - dЗo МС опт)/d2Зo/dq,2опт =
=[- В!С ' опт-2+ В2" В4"Сопт -1/2/(В3" - В4"с 1/2опт)3]: :{2В!С'-2опт + [ ( - ‘/2 В2" В4"Сопт-3/2) - 3В2" В4"Сопт -1/2
(-^В4"Сопт-1/2)]/(В3"-В4"с' опт1/2)4}.
(21)
Достаточно громоздкий характер зависимостей (10), (18), (20), (21) очевиден.
Наиболее целесообразно решать уравнения такого вида на ЭВМ методом простой интеграции
С+1 = (В^-2 - В2)/2В3 (22)
Однако при найденных значениях В1, В2, В3 этот процесс оказывается расходящимся, так как в заданном интервале изменения справедливо соотношение
(В^-2 - В2)/2В3 > 1. (23)
Поэтому значение З0 рационально минимизировать циклическим вычислением этой величины при изменении с с достаточно мелким шагом Ас и сортировкой получаемых значений на минимум.
На рис. 4 приведены зависимости З0 = /(с) рассчитанные по формулам (10) и (18) с помощью ЭВМ применительно к условиям тонкой очистки газовых технологических сред и обеспыливания высокотемпературных отходящих дымовых газов.
Рис 4. Фрагменты зависимости З0 = /(с) для зернистых слоев а-пористые материалы, расчет по уравнению (10) при В1, В2, В3 1 - 80; 1,57; 1,12; 2 - 40; 3,15, 11, 20, 3 - 20; 1,57; 112.
в - кварцевый песок, расчет по уравнению (18) при В/'; В2";В3";В4/'
1 - 2,50-102; 2,24-10 '2;7,12-10 '3;2 - 50; 3 10-2; 2-10-2; 1,8-10-3.
Как следует из рис. 4, в достаточно широком диапазоне изменения коэффициентов Ві, охватывающем наиболее актуальные сферы применения зернистых слоев, значения q^ определяются относительно узкой областью (заштрихованные зоны). Это позволяет конкретизировать рекомендации по выбору q^.
Найденные на основе уравнения (1G) и (18) значения q^ практически совпадают с используемыми на практике величинами.
Paccмотpeнный способ найти оптимальную область использования зернистых слоев расчетным путем (а в случае необходимости прогнозировать результаты за пределы факторного пространства) и отказаться от сложных и дорогостоящих экспериментов, используемых обычно при эмпирическом решении вопроса.
Следует отметить, что предпочтительная экономически область q^ в отдельных случаях может не совпадать со специфическими и доминирующими требованиями производства (минимальная поверхность фильтрования без учета энергетических затрат, использование особо дефицитного фильтровального материала, искусственное повышение гидравлического сопротивления путем предварительного напыления вспомогательного порошка для снижения проскока и так далее).
Однако в большинстве случаев значения q^, найденное по описанной методике, обеспечивают минимальные общие затраты.
Литература
1. Красовицкий Ю.В., Балтренас П.Б., Энтин В.И. Обеспыливание промышленных газов в огнеупорном производстве. Техника, 199б. 2б4 с.
2. Вальдберг А. Ю. Анализ перспективных схем пылеулавливания при производстве огнеупоров. Обзорная информация. М.: 2GG2. Вып. № 3. с. 18-29.
3. Красовицкий Ю.В., Дуров В. В. Обеспыливание газов зернистыми слоями. Обзорная информация. М.: Химия, 1991. 191 с.
4. Krasovickij J.V. Aerodynamische Verfahren zur Erhohung der Leistungserzeugung der Entstaubung. Mono-graphia / J.V. Krasovickij, P. Baltrenas, B.G. Kolbeschkin, V.P. Dobrosotskij, G.V. Koltsov // Vilnius: Technika, 2GG6. 352 S.
Воронежская государственная технологическая академия ОАО «Минудобрения», г. Россошь
MULTIPURPOSE GRAIN (CORN) FILTRES - GUST - CARCHERS FOR TECHNOLOGICAL GASES AND ASPIRATIONAL EMISSIONS PURIFICATION
I.A. Chugunova, N.N. Lobatchyova, Yu.V. Krasovitsky, E.V. Romany, M.N. Fedorova
Technological and ecological expediency of grain (corn) filters application in dry dust-catching from technological gases and aspirational emissions is shown in the article. The most promising dust-catching technologies (methodics) are presented
Keywords: grain (corn) filter, aspirational emissions, constructive decisions, accounting models, optimum specific
load
