Очистка промышленных газовых выбросов от пыли в полых вихревых аппаратах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.074.2

Л. Р. Сабирзянова, А. А. Уриев, В. В. Харьков, А. Н. Николаев

ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ПЫЛИ В ПОЛЫХ ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ

Ключевые слова: мокрая очистка газов, пылеулавливание, фракционная эффективность.

Представлена математическая модель для расчета эффективности мокрой очистки газов от пыли. Проведено численное исследование процесса при различных значениях геометрических и режимных параметров: Сопоставление расчетных значений эффективности очистки с полученными авторами экспериментальными результатами показало их хорошее согласование.

Keywords: wet gas cleaning, dust separation, fractional efficiency.

The article deals with mathematical simulation for calculation of wet gas cleaning from dust. Numerical investigation ofprocess was carried out at various values ofgeometric and operation factors. Authors showed good agreement between computed cleaning efficiency values with experimental data.

Бурное развитие промышленности, охватившее во второй половине XX века многие страны мира, привело в настоящее время к серьезному ухудшению экологической обстановки. Одной из острейших проблем является загрязнение воздушного бассейна газовыми выбросами, промышленных предприятий. Задача существенно осложняется тем, что объемы газовых выбросов промышленных предприятий составляют десятки, а иногда и сотни, тысяч м3/час, что делает затруднительным применение традиционного очистного оборудования. Большинство аппаратов, использующихся в настоящее время для очистки газов от жидких и твердых примесей, характеризуются низкой пропускной способностью, обусловленной небольшими предельно допустимыми скоростями газа в аппаратах.

Это делает весьма перспективным применение для очистки больших объемов газовых выбросов полых аппаратов вихревого типа [1,2]. Использование в вихревых аппаратах центробежной сепарации снимает ограничение на предельно допустимую скорость газа и позволяет проводить процессы при среднерасходных скоростях газа, достигающих 2030 м/с. В полом вихревом аппарате поток газа получает вращательное движение, проходя через за-вихритель аксиального или тангенциального типа, и поступает в рабочую зону аппарата, двигаясь сверху вниз. Жидкость подается в приосевую зону и дробиться потоком газа на капли, которые за счет центробежной силы двигаются к стенке аппарата. Частицы пыли осаждаются на капли и выводятся вместе с жидкостью в нижней части аппарата.

Эффективность очистки газов в аппаратах мокрого типа существенно зависит от диаметра частиц. Как правило, при определении эффективности очистки весь интервал диаметров частиц, присутствующих в загрязненном газе, разбивают на п фракций со средними диаметрами частиц ар/ и определяют эффективность отделения каждой /-й фракции части [3]. Суммарная эффективность очистки газа в этом случае определяется как сумма произведений фракционных эффективностей на массовые доли содержания частиц каждой фракции:

E =

си - c

- =Z Ei м,-

i=1

(1)

где сн и ск - соответственно, концентрация твердых или жидких частиц на входе и выходе из аппарата, М/ - весовая доля частиц /-й фракции в общем содержании частиц на входе в аппарат, Е - эффективность очистки от частиц /-й фракции (фракционная эффективность).

Выделим в рабочей зоне полого вихревого аппарата кольцевой элемент с высотой dz и шириной Сг. Если считать осевую составляющую скорости газа постоянной по длине аппарата, а смещение частиц в радиальном направлении считать пренебрежимо малым, баланс массы частиц в выделенном элементе СМ = WzcdS - Кг(с + Сс)С5 (2)

где dS - площадь поперечного сечения элемента, Wz - осевая составляющая скорости газа. Масса частиц, сосредоточенная в выделенном элементе, получит изменение

СМ =цки01н cdFк (3)

где - эффективность осаждения частиц пыли на капли:

Stk2

% =-

(ак + 0,35)2

Stk - число Стокса; иотн - относительная скорость капель и газа

Uотн = М - ^ )2 + К - Цр)2 + К - иг )2 ;

c - концентрация частиц в потоке газа, СРК - сумма миделевых сечений капель в выделенном элементе.

С учетом того, что капли в факеле распыла имеют разные диаметры, миделево сечение капель с диаметрами в интервале от а до а+Са составит:

3

dFK (a) = dVK (a) —.

(4)

Объем капель фракции dVK(а) определяется как

dVк (а ) = ^ V х(а )ф )Са, (5)

где = dz/ Н , г(а) = Сг / иг - время, которое капли данного диаметра находятся в выделенном элементе, иг - радиальная компонента скорости капель, Н - высота рабочей зоны аппарата, L0- расход

жидкости, Vх(а) - функция распределения капель

по размерам.

Если приравнять уравнения (2) и (3), получим: dc

___3,U_ d^ 4 Wz %r J Ur

отн ,

a

(6)

причем , иотн ,иг, Л к ,С - являются функциями радиуса аппарата. Для определения скоростей капель в полом вихревом аппарате можно использовать систему уравнений: /2 Л

С

mk

dUr

dx

U

ф

mk

dU

dx

r

UrU

ф

mk

dU

— Z Fh i

—z , i

dz

dx—u,

dy d

U Ф

(7)

dx

z —ZFiz, dx-U

где тк - масса капли, ^ F/ - совокупность внешних

сил, действующих на каплю, Г, ф, 2 - цилиндрические координаты, т - время, и - компоненты скорости капли.

Вторые члены в левой части первого и второго уравнения системы (7) представляют собой, соответственно, центробежную силу и силу Кориолиса. Анализ внешних сил, действующих на каплю показал, что существенную величину принимают силы тяжести и аэродинамического сопротивления.

Для привязки к сетке в цилиндрической системе координат, учитывая, что dт = dг/UГ, система уравнений (7) приведена к виду:

сиг и2

_ иФ

dr dU

+ ■

1

dr

dU

Urr Urmk

U* +

r Urmk 1

Z Fri ,

--Z Fr и m, ^ Ф- '

(8)

Z Fzi.

dr Urmk

Расчеты процесса очистки газа от пыли в вихревом аппарате проводились с использованием двухмерной сетки r-z (50x100). В узлах каждого слоя z = const определялись значения Ur и U0TH для капель различных диаметров в результате численного решения системы уравнений движения одиночной капли. Изменение концентрации пыли вдоль слоев r = const определялось в результате численного решения уравнения (6). В расчетах принималась постоянная концентрация частиц в поперечном сечении на входе в аппарат. Концентрация частиц в выходном сечении рабочей зоны: R

j 2 %rWzcdr о

ск -

nR 2W

(9)

ср

Эффективность очистки пыли определенной фракции в аппарате определялась по отношению количества осажденных частиц к общему содержанию частиц в газе на входе в аппарат:

E — сн ск

Расчеты показали, что фракционные эффективности повышаются с увеличением диаметра частиц, асимптотически приближаясь к некоторым предельным значениям (рис. 1), которые возрастают с увеличением соотношений массовых расходов жидкости и газа. Эффективности осаждения частиц с диаметром более 5 мкм уже практически не изменяются. Эффективности инерционного осаждения крупных частиц не достигают 1, что связано с неполным перекрытием поперечного сечения аппарата каплями распыленной жидкости, когда соотношение расходов жидкости и газа не превышает 2.

Рис. 1 — Зависимость фракционной эффективности осаждения частиц на капли при различных соотношениях массовых расходов жидкости и газа (диаметр аппарата d = 100 мм; скорость газа на входе в аппарат Wвх = 30 м/с; Я/У = 8; плотность частиц рр = 2000 кг/м3; отношение массовых расходов жидкости и газа Lm /Ст, кг/кг: 1 -0,5; 2 - 1; 3 - 1,5; 4 - 2)

При увеличении скорости газа происходит небольшое увеличение эффективности осаждения частиц (рис. 2), так, увеличение скорости газа на входе в завихритель с 20 до 40 м/с приводит к росту эффективности не более чем на 8%. Больший рост эффективности достигается при увеличении диаметра аппарата (рис. 3), однако это увеличение также имеет асимптотический характер. Увеличение диаметра аппарата более 0,5 м уже не приводит к заметному увеличению эффективности инерционного осаждения частиц.

Экспериментальное исследование эффективности очистки газа от твердых частиц проводилось на примере очистки воздуха от пыли порошка талька. В опытах менялись: скорость газа на входе в за-вихритель 1Мвх в пределах 20-40 м/с, соотношение массовых расходов жидкости и газа в пределах от 0 до 2 кг/кг и концентрация пыли на входе в аппарат. Коэффициент крутки завихрителя во всех опытах составлял 2,17. Порошок талька подавался в воздуховод перед тангенциально-лопаточным завихрите-лем шприцем-дозатором в таком количестве, чтобы начальная запыленность воздуха составляла от 2 до 12 г/м3. Полый вихревой аппарат орошался водой, которая поступала только в рабочую зону аппарата на высоте, равной 4 диаметрам аппарата, а завихри-тель оставался сухим.

(10)

н

3

fnQ_

О 5 10 15 ар, мкм

Рис. 2 — Фракционные эффективности осаждения частиц на капли при различных скоростях газа на входе в аппарат (Н/6 = 8; рр = 2000 кг/м3; Lm Ют = 2 кг/кг; , м/с: 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40)

3

U/\2_

j\l

0 5 10 15 а , м км

Рис. 3 — Фракционные эффективности осаждения частиц на капли для аппаратов различного диаметра (Н/6 = 8; рр = 2000 кг/м3; Lm ^т = 2 кг/кг; Wвх = 30 м/с; 6, м: 1 - 0,1; 2 -0,25; 3 - 0,5)

Эффективность пылеулавливания в аппарате рассчитывалась по концентрации пыли на выходе и входе аппарата. Концентрация пыли в воздухе на выходе определялась методом отбора пробы воздуха и взвешивания частиц пыли, осажденных на аналитический фильтр АФА-В-18 с последующим отношением их массы к объему отобранной пробы воздуха. Изокинетический отбор пробы осуществлялся газоотборной трубкой нулевого типа конструкции ВТИ на расстоянии 4,4 калибра аппарата от нижнего

среза тангенциально-лопаточного завихрителя. Анализ дисперсного состава пыли производился микроскопическим методом [4] путем непосредственного подсчета числа частиц заданного размера.

Сопоставление экспериментальных и расчетных значений полных эффективностей очистки воздуха от пыли приведено на рисунке 4.

98,0

97,5 ____

0 0,5 1,0 1,5 Ьт/От

Рис. 4 - Сопоставление расчетных и экспериментальных значений эффективности очистки воздуха от порошка талька в полом вихревом аппарате (6 = 100 мм; Н/6 = 4; пыль-тальк; Wвх, м/с: 1

- 20; 2 - 30; 3 - 40. Точки - эксперимент, линии

- расчет)

Сравнение опытных и расчетных значений эф-фективностей показало их хорошее согласие в диапазоне изменения режимных параметров. Как опытами, так и расчетами выявлен рост эффективности очистки с увеличением скорости газа в аппарате и соотношения массовых расходов жидкости и газа.

Литература

1. А. Н. Николаев, М. Р. Вахитов, Н. М. Нуртдинов, Вестник технологического университета, 17, 22, 254256 (2014).

2. А. Н. Николаев, В. В. Харьков, Вестник технологического университета, 19, 17, 71-74 (2015).

3. В. Н. Ужов [и др.], Очистка промышленных газов от пыли. Химия, Москва, 1981. 391 с.

4. X. Грин, В. Лейн, Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. Химия, Ленинград, 1969. 428 с.

© Л. Р. Сабирзянова, магистрант кафедры оборудования пищевых производств ФГБОУ ВО «КНИТУ»; А. А. Уриев магистрант той же кафедры; В. В. Харьков, ассистент той же кафедры, [email protected]; А. Н. Николаев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой оборудования пищевых производств ФГБОУ ВО «КНИТУ» [email protected].

© L. R. Sabirzyanova, Candidate for a Master's degree, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University; A. A. Uriev, Candidate for a Master's Degree, the same Department; V. V. Kharkov, Assistant Professor, the same Department, [email protected]; A. N. Nikolaev, Doctor of Engineering, Professor, Head of Department of Food Production Equipment, KNRTU, [email protected].