Моделирование очистки газов в пылеосадительных камерах цементных печей Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI: 10.12737/article_58e613384b6612.68398784

Шаптала В.Г., д-р техн. наук, проф., Шатала В.В., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ГАЗОВ В ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ

ЦЕМЕНТНЫХ ПЕЧЕЙ

Shaptala_Vadim@yandex.ru

Рассмотрены математические модели гравитационного осаждения пыли с учетом турбулентной диффузии частиц. Эти модели могут быть использованы для уточненного расчета эффективности пылеосадительных камер и другого газоочистного оборудования.

Ключевые слова: пылеосадительная камера, турбулентная диффузия частиц._

Введение. Наиболее интенсивным источником выделения пыли в цементном производстве являются вращающиеся клинкерообжигатель-ные печи. Так, при мокром способе производства цемента из печи размерами 5*185 м производительностью 1730 т клинкера в сутки выделяется от 78 до 114 м3/с отходящих газов с температурой 180-250 °С и концентрацией пыли 20-55 г/м3 [1, 2]. Таким образом, за сутки из печи выносится в среднем около 200 т пыли, состоящей из частиц полуобожженной шихты. Для

улавливания этой пыли применяются двухступенчатые системы газоочистки включающие в себя пылеосадительную камеру и электрофильтр [3](рис. 1).

Степень очистки газов в обычных пылеоса-дительных камерах не превышает 15м %, поэтому для интенсификации процесса осаждения частиц внутри камер устанавливают горизонтальные перегородки (осадительные полки) с шагом 0,3-1 м. Такая модификация камер позволяет повысить их эффективность до 30-40 %.

Рис. 1. Схема обеспыливания газов, отходящих из вращающейся цементной печи (1 - печь; 2 - пылеосадительная камера; 3 - электрофильтр; 4 - дымосос; 5 - дымовая труба).

Несмотря на невысокую эффективность при существующих в настоящее время технологиях производства цемента пылеосадительные камеры являются неотъемлемой частью систем очистки отходящих газов. В связи с этим возникает необходимость в разработке уточненной методики расчета пылеосадительных камер, более полно учитывающей физические особенности гравитационного осаждения пыли из турбулентных потоков воздуха.

Основная часть. Основными факторами, определяющими эффективность горизонтальной пылеосадительной камеры, являются:

- физико-механические свойства осаждаемой пыли (дисперсный состав, плотность, форма частиц);

- свойства несущего воздушного потока (скорость, температура, влажность, степень тур-булизации)

- геометрические размеры камеры (высота, длина).

Фракционная степень осаждения частиц пыли размера й определяется через отношение их потоков на входе в камеру П1 и выходе из нее П2:

n(d ) =1 -

пЖ

П (d)'

где

П12 (d)= Ц Cl2 (d )udS.

(1)

(2)

П

n

= X n(d, )ADt

(3)

S1,2

Здесь - концентрация частиц во

входном и выходном 52 сечениях камеры, и -скорость потока запыленного газа.

Полная степень осаждения пыли равна взвешенной сумме фракционных коэффициентов осаждения:

где ЛDi - относительные массовые доли отдельных фракций пыли.

Пренебрегая влиянием боковых стенок камеры, рассмотрим в качестве простейшей модели ее работы процесс гравитационного осаждения частиц из плоского ламинарного потока запыленного воздуха, занимающего область 0 < х <<х>, 0 < у < Н, -да< г <да (рис. 2).

H

x1=0

Щ

Рис. 2. Схема осаждения частиц из плоского ламинарного потока запыленного воздуха

Пусть скорость потока воздуха равна и(и;0;0), а скорость осаждения частиц уДО^у^О). Тогда все частицы равномерно распределенные во входном сечении потока х = 0 с концентрацией С будут перемещаться по параллельным наклонным траекториям, уравнения которых имеют вид:

У = У1 —X u

(4)

где у\ - ордината начального положения частиц во входном сечении потока.

Будем считать, что частицы, достигшие дна камеры, обратно в нее не возвращаются (приближение прозрачных стенок). Тогда траектории частиц, проходящие через верхний край входного сечения у = Н разделяют занимаемую потоком область на две зоны: верхнюю чистую и нижнюю, заполненную частицами, с концентрацией, равной входной концентрации С\. Поэтому поток (проскок) частиц через выходное сечение х = х2 равен:

П = СjuB\H --^x.

u 2

(5)

где В - ширина осадительной камеры.

Фракционная эффективность улавливания частиц в пылеосадительной камере имеет вид:

n(d,X2 ) = 1 —

C.uB H - — L I , ч

1 \ u )_ v, (d )L CuuBH uH

(6)

где Ь - длина камеры.

В реальных условиях поток воздуха в пылеосадительных камерах всегда турбулентен, поэтому мелкие частицы пыли из-за их турбулентной диффузии заполняют все внутреннее пространство камеры и их полное осаждение практически невозможно. Так что соотношение (6) можно использовать лишь для приближенной оценки предельного значения эффективности пылеосадительных камер.

Распределение концентрации частиц пыли в турбулентном потоке воздуха описывается уравнением конвективной диффузии, которое в приближении изотропной однородной турбулентности принимает вид [5]:

5C_ dt

+ div(vC - Dtp VC )= 0

,(7)

где v(u; v) - вектор скорости твердой фазы (продольную составляющую скорости твердой фазы считаем равной скорости несущего потока воздуха), Dp - коэффициент турбулентной диффузии частиц.

i=i

x

v

В рассмотренном выше потоке запыленного газа, движущемся между двумя параллельными плоскостями y = 0 и y = H в направлении оси ОХ, возможно стационарное распределение частиц, которое устанавливается в результате баланса поступления через входное сечение канала и гравитационного и диффузионного осаждения частиц на ограничивающие плоскости. Если скорость движения запыленного потока мала, то турбулентная диффузия частиц будет незначительной (Dtp << uH), поэтому ее влиянием в продольном направлении можно пренебречь.

В этом случае с учетом стационарности процесса и однородности распределения частиц вдоль оси ОХ уравнение (7) принимает вид:

CC CC ^ д2C

u CC - v ICC - DP cc

ду

= 0

(8)

Рассмотрим распределение концентрации частиц, удовлетворяющее следующим граничным условиям:

С = С• —I = 0; —I = 0; д I „ = 0, (9)

'' сХ'х=о су I у 4 Ц у=н

где д = уС — О УС - плотность потока частиц.

Решение уравнения (8), удовлетворяющее граничным условиям (9), может быть представлено в виде [6]:

C(x,y ) = C!

( (

Ф

V у

2Dlpx

Л \

x + Ф vs У + —x u -1

\2D,px

у V V u у J

(10)

где

ФZ) = ТГ i

л/ 2п

"^dt

интеграл

вероятностей.

В результате подстановок х = Ь, у = И-Н, где Н - расстояние от потолка камеры, соотношение (10) переходит в формулу, положенную в основу методики, применяемой в настоящее время для расчета эффективности пылеосадительных камер [7].

Отметим, что в справочнике [7 , стр. 51] и во всех последующих пособиях по газоочистке в первой из формул (2.4) допущена ошибка: в числителе формулы следует убрать слагаемое И. Лишь при этом условии формула (2.3) справочника [7] верно описывает предельный переход от тубулентного режима течения запыленного потока к ламинарному при ^ 0. В этом случае второе слагаемое соотношения (2.3) всегда стремится к 1, а первое слагаемое в заисимости от знака его числителя стремится к 0 для точек, лежащих выше гранчной траектории

(чистая зона) и к 1 для точек, лежащих ниже ее (С(ху) = С,).

С учетом выражения (10) соотношение (1) для фракционной степени улавливания пыли в камере принимает вид:

1 fa a+b

n(d ) = 1 + -1 J 0(t)dt - J 0(t)dt

(11)

где

a =

V

v2 L

2Dtpu

b =

1

uH2

2DpL

(12)

Из формул (11, 12) следует, что на эффективность осаждения частиц в пелеосадительной камере определяющее влияние оказывает скорость осаждения частиц V. и коэффициент их турбулентной диффузии. Скорость гравитационного осаждения мелких частиц может быть найдена по формуле Стокса:

Xd )=

Ppgd_ 18/иг Ф

(13)

а для крупных частиц может быть выражена через число Рейнольдса:

у, (*) = %, (14)

Рг Л

которое в свою уравнения [8]:

очередь определяется из

Ф124Яе + 3,6 Re

1,687

)= 4 Ar,

3

(15)

где Аг = РРрё )/ - число Архимеда.

Уравнение (14) вытекает из условия равенства модулей действующих на частицу силы тяжести и силы аэродинамического сопротивления, найденной с учетом уточненной формлы Л.С. Клячко:

C = 24 + 3,6 Cd Re + Re0,313

(16)

В формулах (13, 14) р = 353,4/(273 +1) р = 2600 - 3300 кг/м3 - плотности отходящих

газов и частиц,

рг = 1,75 -10"

397 397 +1

1 +

273

Пас (17)

- коэффициент динамической вязкости газов, g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести, Ф = 1,2 -усредненный коэффициент формы, частиц. Расчеты показывают (рис. 3), что при определении скорости осаждения частиц,

b

a

a

v

v

u

u

e

t

5

выносимых из цементной печи, формула Стокса мкм. может применяться к частицам размером до 70

3

2,5 -2 1,5 1

0,5 0

0 50 100 150 200 250

Рис. 3. Зависимости скорости осаждения частиц от их размера (1- по уравнениям 14, 15; 2 - по формуле Стокса)

Исследование распределения концентрации пыли в рассмотренном выше потоке, учитывающее диффузию частиц как в поперечном так и в продольном направлениях приводит к постановке следующей краевой задачи:

Коэффициент турбулентной диффузии частиц может быть найден по формуле [5, 9]:

D =---,

p 1 + 0,286S-k'

где

S-k =

d 2 uP p 18/лН

(18)

(19)

8C 8C

8y

uT - - D-p

8x

( 8 2C 8 2C }

■ + ■

8x 8y

- число Стокса, V - коэффициент турбулентной вязкости воздуха, который может быть найден по формуле Шервуда-Верца [10]:

V, = 0,0124и0-Л • (20)

Здесь Вг = 2ВН/{В + Н) - гидравлический (эквивалентный) диаметр осадительной камеры, Л « 0,03 - коэффициент трения потока о стенки камеры.

В результате турбулентной диффузии распределение достаточно мелких частиц по высоте пылеосадительной камеры можно считать однородным, что позволяет оценить эффективность их осаждения на основе подхода Дейча [11]:

qx|x=0 = C0u 8c|x=» = 0

8Х

n 8C¡

qy\y=h=0, y=0=0

С помощью замены

C(x, y) = N (x, y )exp(^x + vy), u v„

= 0, (22)

(23)

(24)

2D

-p

2D

-p

уравнение (18) и граничные условия (19) приводятся к виду:

82 N 8 N 2 -\т „ +—^-Z2 N = 0

8

2

8

2

(25)

n(d) = 1 - exp||- ■

S (d )L UH

(21)

8N 8 8N 8

-MN Ix=0 =-2^0^ = f0(y),

(26)

+ MN x=® = 0,

8N

8y

--vN

y=0 = 0,

8N

8

— VN

y=h = 0,

2 2 2 где x = M + v .

Решение уравнения (25) можно найти методом разделения переменных:

N {х, у) = Х{х)У{у) (27)

Подставив (27) в уравнение (25) и граничные условия (26), получим следующую краевую задачу для У(у):

Y "+Л2Г = 0, Y' (0) + VY (0) = 0, Y '(H ) + vY (H ) = 0.

(28)

(29)

(30)

Рис. 4. К определению собственных чисел краевой задачи

Решением задачи (24-26) является система собственных функций

Решение уравнения (34), удовлетворяющее условию М(да,у) = 0, может быть записано так:

ук {у) = ЛкУ + Лк С05ЛкУ =

(31)

X {х) = Ае"

дх

(35)

где Лк - собственные числа, которые являются

корнями уравнения

^ = (32)

Х2 - Р

где хк = ЛкН, Р = ^Н^р (рис 4).

Система функций (31) является полной и ортогональной на отрезке [0, Н], причем:

где А - постоянная.

Представим теперь решение уравнения (25) в виде разложения по собственным функциям задачи (28-30):

N {х, у )=£ А*- Як% {У ) к=1

(36)

Н Яф=Н V2+Л2)-81п2ЛкН

J к ' --2 '2 2ЛН

Определив постоянные А^ из граничного условия (26)

V2 -Л

(33)

Н

А =

Уравнение для функции Х(х) имеет вид:

X"- д2Х = 0, (34)

¡0 {У Ук {У ^У

0_:

Н

{М + Чк )| ^ {У Уу

(37)

где д = \/х2 + Л2

0

найдем искомое распределение концентрации частиц:

с{х У)= 4С\^у 51п ЛкН • Ук{У)ехр{{^ - Чк)х - - У))

" о2 Г1+Л2 +V2 81П2ЛН

(38)

Н

{а + Чк V2 + Л

22 Ль-V

2ЛкН ,

Степень осаждения частиц в осадительной камере в приближении однородных полей скоростей дисперсной фазы имеет вид:

Н

) = 1 -

| С {Ь, у )ёу

С1Н

=1+2

Н к

Лк 5111 ЛкН ехР{(ц - Чк)Ь - х Н)

(.+ Чк )(v2 + Л2 )2 (1 + у кл к' I Л? -V2 2ЛкН

(39)

0

0

Приведенный выше анализ свидетельствует о том, что аналитические выражения для распределения концентрации частиц могут быть найдены лишь в случае газодисперсных потоков с однородным полем скоростей. В общем случае поле концентраций частиц может быть рассчитано численно на основе системы уравнений Навье-Стокса, неразрывности и теплопереноса

[9].

Заключение. Полученные модели могут применяться для расчета не только пылеосади-тельных камер, но и других агрегатов и процессов, в которых происходит гравитационное пы-леосаждение (пелеунос из цементных печей и мельниц, аспирационные шахты, электрофильтры, рассеивание запыленных выбросов и другие). Для повышения достоверности результатов исследования гравитационного осаждения частиц математические модели должны учитывать неизотермичность газодисперсных потоков, коагуляцию частиц, а также влияние ограничивающих потоки поверхностей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента. Белгород: Изд. БГТУ, 2012.307с.

2. Физико-химические и механические свойства аэрозолей и пыли, выделяемых основным оборудованием цементных заводов (справочные материалы). Новороссийск: Изд. НИПИОТСТРОМ, 1976. 112 с.

3. Проектирование цементных заводов/ под ред. Зозули П.В. и Никифорова Ю.В. [Электронный ресурс] режим доступа: WWW.procement.com (дата обращения 8.02.2017).

4. Вальдберг А.Ю., Исянов Л.М., Яламов Ю.И. Теоретические основы охраны атмосферного воздуха от загрязнений промышленными аэрозолями. СПб.: Изд. НИИОГАЗ-ФИЛЬТР, 1993. 236 с.

5. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1980. 176 с.

6. Шаптала В.Г. Математическое моделирование в прикладных задачах механики двухфазных потоков. Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1996. 102 с.

7. Справочник по пыле- и газоулавливанию/ под общ. ред. А.А. Русанова. М.: Энерго-атомиздат, 1983. 312 с.

8. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. М.: Металургия, 1988. 256 с.

9. Шаптала В.Г. Математическое моделирование систем обеспыливания промышленных объектов с учетом явлений переноса в гетерогенных средах: дис...д-ра техн. наук. Воронеж. 2004. 358 с.

10.Хинце И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. М.: Физматгиз, 1983. 680 с.

11.Левитов В.И. Решидов И.К. Ткаченко В.М. Дымовые электрофильтры. М.: Энергия, 1980. 448 с.

Shaptala V.G., Shaptala V.V.

SIMULATION OF GAS CLEANING THE DUST SETTLING CHAMBER CEMENT KILNS

The mathematical model of gravitational settling of dust, taking into account the turbulent diffusion of particles. These models can be used to refine the calculation of efficiency of dust collecting chambers and other gas-cleaning equipment.

Key words: dust settling chamber, turbulent diffusion particles.

Шаптала Владимир Григорьевич, доктор технических наук, профессор кафедры высшей математики. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46. E-mail:zchs@intbel.ru

Шаптала Вадим Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедра информационных технологий. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46. E-mail:zchs@intbel.ru