CC BY
95
УДК 621.928.93
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ В ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННЫХ АППАРАТАХ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ
Я.В. Чистяков, К.М. Муратова, П.В. Васильев
Перспективными направлениями повышения эффективности работы сухих пылеулавливающих аппаратов являются возможность одновременной очистки запыленного газового потока и осуществление классификации улавливаемой пыли.
Ключевые слова: центробежно-инерционный пылеуловитель, завихритель, пылеуловитель-классификатор, мелкодисперсная пыль.
Наиболее распространенные в промышленности пылеуловители -это циклоны. Но они имеют серьезные недостатки: практически полная невозможность улавливания мелкодисперсных пылей (менее 10...20 мкм) и отсутствие по конструктивным соображениям способности к классификации выделенных из газового потока ценных полидисперсных твердых компонентов.
В работах [1-3] был сформулирован принцип совмещения в одном аппарате центробежной и инерционной сепарации мелкодисперсной пыли (< 20 мкм) при рабочих скоростях, в 4-5 раз превышающих рабочие скорости в циклонах [1-3]. Проведенные лабораторные и опытные работы позволили [4-6] теоретически и экспериментально установить, что в центро-бежно-инерционном пылеуловителе процесс отделения пыли происходит в результате взаимодействия в трех разных рабочих зонах: 1 - закрутка газопылевого потока; 2 - концентрирование пыли и формирование слоя твердой фазы на стенке корпуса под действием центробежной силы; 3 - разделение более инерционных твердых мелкодисперсных частиц твердой фазы и газового потока при его повороте на 180о (рис. 1).
Одними из основных внутренних устройств пылеуловителя являются завихритель (рис. 2, поз. 4) и экран (рис. 2, поз.5), обеспечивающие необходимые рабочие скорости во всех установленных зонах 1 - 3.
Испытания пылеуловителя проводились на пыли монодисперсного состава синтетического моющего средства (5 = 15 мкм, р = 500 кг/м ) концентрация в газовом потоке была неизменной и составляла 2,5 г/м , и полидисперсного состава пыли железооксидного пигмента (медийный размер частиц 21,69 мкм, р = 3170 кг/м3, начальная концентрация пыли была в пределах 0,78.1,2 г/м , скорость газового потока на входе в
пылеуловитель находилась в пределах 16... 17 м/с). Высота экрана при проведении опытов изменялась в диапазоне от 50 до 250 мм, диаметр корпуса составлял 350 мм.
Рис. 1. Геометрические параметры пылеуловителя ЦИП: 1-зона закручивания потока; 2-зона формирования слоя твердой фазы; 3- вывод твердых частиц из сепарационной зоны
Рис. 2. Рабочие элементы внутреннего устройства пылеуловителя: 1 - зона закручивания потока; 2 - зона формирования слоя твердой фазы; 3 -зона вывода твердых частиц из сепарационной зоны;
4 - завихрительноеустройство; 5 - экран
Согласно результатам опытов (рис. 3) была установлена оптимальная высота экрана 175 мм, что соответствует соотношению высоты экрана к диаметру корпуса 0,5, при которой наблюдалась наиболее высокая эффективность разделения пылевоздушной смеси 98,6 % - по пыли синтетического моющего средства и 97,3 % - по пыли железооксидного пигмента.
Как видно из рис. 3, при длине экрана, меньше этой величины или превышающей ее, наблюдается снижение эффективности очистки.
При дальнейших испытаниях на других материалах и диаметрах аппаратов соотношения их к размерам экрана подтвердили полученный ранее результат [7-8].
На основе экспериментальных данных была сформулирована математическая модель течения газа в центробежно-инерционном сепараторе [9] с учетом двухфазности газодинамического потока, создана прикладная программа и проведены вычислительные эксперименты по исследованию протекающих процессов [10]. При этом были учтены некоторые особенности моделирования многофракционного состава запыленного воздуха.
Юб М- 1 1 1
* 1 ■Ц». л 1
м \
ш. ж
** #3- к и
\
Л
к #
** 1 я
в п » п ш т I» »с т м ти ш
Рис. 3. Зависимость степени очистки газового потока п (%) от высоты экрана центробежно-инерционного пылеуловителя Н (мм) для пыли синтетического моющего средства (1) и железооксидного пигмента (2)
Опыт [11-12] использования рассмотренного программного комплекса показал его большую эффективность. При этом обеспечивается выбор основных технолого-конструктивных параметров, сокращаются сроки и стоимость разработки новых и модернизации существующих пылеулавливающих систем, а также сокращается объем трудоемких и дорогих натурных испытаний.
На основании экспериментов на лабораторных и опытных установках, а также экспериментов на созданной математической модели процесса сепарации мелкодисперсной пыли при совмещении в одном аппарате принципов центробежной и инерционной сепарации при повышенных ско-
ростях получен и частично внедрен в промышленность ряд патентов [1314].
С использованием математической модели и дополнительных экспериментальных данных при различных скоростях газа на входе доказали не только адекватность математической модели, но и уточнили некоторые аспекты физической модели процесса сепарации полидисперсной пыли в пылеуловителях-классификаторах, в которые запыленные газы подаются через завихрители и совершают внутри аппаратов сложное вращательно-поступательное движение, характеристики которого изучены еще недостаточно. В частности, на частицы, взвешенные в потоке внутри аппарата, действует сила инерции, которая стремится сместить их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под некоторым углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят в низ аппарата. В связи с этим большое значение имеет соотношение между скоростями вращательного и поступательного движений.
На первом этапе была проведена серия вычислительных экспериментов, в которой варьировалась частота вращения запыленных газов. На рис. 4 представлен узел отбора фракции пыли расположенный на цилиндрической стенке аппарата [14].
<>рц 0
Рис. 4. Схема движения потока в зоне разделения частиц
При малых скоростях вращения фракция крупной пыли не успевает достичь щелевого отверстия и при значительной скорости поступательного движения (около 10 м/с) пролетает мимо отверстия. Фракция же мелкой пыли ведет себя примерно так же, как и окружающий её воздух, попадает в пылесборник, меняет направление движения и может оседать в нем.
На рис. 5 дана визуализация процесса разделения фракций 2 и 5 мкм пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока в зоне разделения 2 об/с. Результаты свидетельствуют об очень низком уровне отделения крупной фракции пыли, в то время как фракция мелкой пыли уже задерживается в пылесборнике.
При увеличении частоты вращения потока наблюдается обратная картина. На рис. 6 показана картина сепарации при частоте вращения пото-
ка 20 об/с. Из представленных рисунков видно, что при более высокой частоте вращения потока степень отделения крупной фракции существенно повышается. При этих условиях 92 % крупных частиц отбирается из потока, и лишь 8 % частиц диаметром 5 мкм остается в запыленном потоке воздуха после прохождения зоны приемника крупной фракции.
На качество классификации пыли влияет также длина отверстия для отбора фракции, т.е. при проектировании сепаратора необходимо находить оптимальную длину отверстия фазоприемника и его расположение на стенке аппарата, кроме того требуется оптимизация и угла подъема направляющей потока перед зоной разделения.
Таким образом, меняя соотношение между частотой вращения и скоростью поступательного движения, можно варьировать порядок отбора фракций. Если целевой является мелкая фракция пыли, то частота вращения должна быть низкой, если - крупная, то частота должна быть значительно выше.
Рис. 5. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения
потока 2 об/с
Рис. 6. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока 20 об/с
Следует отметить, что при прочих равных условиях более ценной, как правило, является более мелкая фракция пыли.
Адекватность численных экспериментов была подтверждена исследованиями, проведенными на опытно-промышленной установке, принципиальная схема которой и пылеуловитель представлены на рис. 7. Опыты проводились при частоте вращения, близкой к 2 об/с.
Подача загрязненного воздуха проводится сверху пылеуловителя поз.3 через завихритель конструкции типа «Беличье колесо». Скорость воздуха на входе в пылеуловитель измерялась анемометром ручным индукционным АРИ-49 ГОСТ 7193-74. В качестве пыли использовались мелкодисперсные порошки из оксида хрома (Сг203) и железооксидного пигмента (Ф-2).
Продолжительность опыта составляла ~ 30 мин; расход воздуха ~ 10 м /ч; дисперсность продуктов 1.10 мкм.
Количество фракций определялось весовым методом. Дисперсный состав пылевых фракций определялся микроскопическим методом исследования и ГОСТ 23402-78 (микроскопический метод определения размеров частиц).
Рис. 7. Принципиальная схема установки (а) и пылеуловитель (б): 1 - приемный бункер; 2 - боковой пылесборник; 3 - центробежно-
инерционный пылеуловитель
В таблице представлены результаты экспериментов.
На рис. 8-10 представлен дисперсный состав исходной пыли и пыли в разных точках отбора пылеуловителя для опыта № 1.
Как видно из рис. 9, в бункере 1 дисперсный состав смещается в область более крупной пыли, в то время как в боковом пылесборнике 2 отбирается пыль значительно мельче (рис. 10), исходная пыль занимает промежуточное значение.
Экспериментальные технические параметры
Номер Скорость Улав- Производитель- Запылённость Эффек-
опыта воздуха на лива- ность установки Свх, г/м3 тивность
входе V,«, емая Q, м3/ч очистки д,
м/с пыль %
1 8,925 Ф-2 2502,7 2,12 95,6
2 11,8 1930 5,04 97,3
3 9,4 ^3 2636 5,54 96,6
Рис. 8. Дисперсный состав исходного пигмента Ф-2
Рис. 9. Дисперсный состав пигмента Ф-2 в приемном бункере 1
01 23456789 10 11
б, МКМ
Рис. 10. Дисперсный состав пигмента Ф-2 в боковом пылесборнике 2
Отбор мелкодисперсной пыли в начале процесса пылеулавливания позволит получать более узкую фракцию такой пыли. Следует отметить, что при прочих равных условиях более ценной, как правило, является бо-
лее мелкая фракция пыли. Отбор более крупной пыли на второй стадии позволит улучшить эффективность работы аппарата.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых // Proceedings of the VI International Geomechanics Conference 24 - 28 June 2014, Varna, Bulgaria.
2. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. № 9. С. 138-142.
3. Патент РФ № 2144416 Российская Федерация, МПК B01D47/06. Пылеуловитель / Соколов Э.М., Панков А.Н., Полунина О.Ю., Володин Н.И., Хрупачев А.Г., Попов О.К., Пискунов О.М. Опубликован 20.01. 2000 г.
4. Очистка газовых выбросов от мелкодисперсной пыли / Н.И. Володин [и др.] // Экология и промышленность России. 2001. Сентябрь. С. 20-22.
5. Очистка газов от мелкодисперсной пыли / А.В.Подрезов [и др.] // Экология и промышленность России. 2004. Ноябрь. С. 20-22.
6. Чистяков Я.В. Разработка и исследование опытной конструкции высокоэффективного пылеуловителя и основ математической модели газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2011. Вып.1. С. 87.
7. Чистяков Я.В., Махнин А.А., Невский А.В. Разделение газопылевого потока в центробежно-инерционном пылеуловителе с позиций эколо-го-экономического подхода // Вестник МИТХТ, 2012. Т. 7. № 3.
8. Разработка пылеуловителей нового поколения / Я.В. Чистяков [и др.] // Экология и промышленность России. 2013. Май. С. 16-19.
9. Исследование процесса пылеулавливания в центробежно-инерционных аппаратах / Я.В.Чистяков [и др.] // Экология и промышленность России. 2013. С. 8-11.
10. Высокоскоростные центробежно-инерционные пылеуловители: монография / Э.М. Соколов [и др.]. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2013. 128 с.
11. Патент РФ № 81092 Российская Федерация, МПК B 01 D 45/04. Устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям / Н. И. Володин, В. К. Леонтьев, Д. Е. Смирнов, М. Е. Смирнов, А. В. Сугак, Я. В. Чистяков. // Опубл. 10.03.2009.
12. Патент РФ №85366 Ш(Россия), МПК B 04 С 5/08, В 07 B 7/08. Пылеуловитель-Классификатор / Чистяков Я.В, Сугак А.В, Володин Н.И, Сугак Е.А. Опубл. 10.09.2009.
13. Патент №2447923 РФ, МПК В01Б 45/12. Пылеуловитель / Чистяков Я.В., Володина О.Н., Дубов А.Ю., Моисеева Л.А. // Опубл 20.04.2012 Бюл №11.
14. Патент №111773 РФ, МПК В01Б 45/12. Центробежно-инерционный пылеуловитель / Чистяков Я.В., Володина О.Н., Дубов А.Ю., Моисеева Л.А., Махнин А.А. // Опубл 27.12.2011 Бюл.№36.
Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, ст. преподаватель, [email protected], Россия, Ярославль, Московский государственный университет путей сообщения, Ярославский филиал,
Муратова Ксения Михайловна, асп., [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, ген. директор, [email protected], Россия, Прокопьевск, ООО «СИБЭО»
IMPROVING SEPARATING FINE-DISPERSED DUST IN CENTRIFUGAL-INERTIAL
DUST COLLECTION DEVICES
Ya.V. Chistyakov, K.M. Muratova, P. V. Vasiliev
Perspective direction of raising efficiency for dry-type collectors is possibility of simultaneous cleaning dust-laden gas flow and separating fine-dispersed settle-able dust.
Key words: centrifugal-inertial dust collector, dust collector-classifier, swirler, fine-dispersed dust.
Chistyakov Yaroslav Vladimirovich., candidate of science, Senior Lecturer, [email protected], Russia, Yaroslavl, Moscow State University of Railway Engineering,
Muratova Kseniya Mihailovna, postgraduate, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Vasiliev Pavel Valentinovich., candidate of science, General Director, [email protected] , Russia, Prokopievsk, PLC «Siberian Expert Organization»
