CC BY
25
УДК 624
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ОЧИСТКИ ГАЗОХОДОВ ОТ ПЫЛЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЗАКРУЧЕННЫМ ПОТОКОМ
А.Н. Баранов1, С.Г. Шахрай2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Инженерно-технологический центр «Русской инжиниринговой компании» г. Красноярск, ул. Белинского, 1
Разработана расчетная модель для определения условий уноса пылевых частиц со дна горизонтального газохода закрученным потоком. Определены оптимальные параметры закрутки потока. Ил. 2. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: газоходы, алюминиевый завод, отложения пыли, очистка газоходов, продувка сжатым воздухом, расчетная модель, унос пылевых частиц, закрученный воздушный поток, оптимальные параметры закрутки.
ASSUMED MODEL OF SMOKE FLUE CLEANING FROM DUST SEDIMENTS BY A TWISTED FLOW A.N. Baranov, S.G. Shahrai Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
Engineering and technological center of "Russian Engineering Company"
1 Belinsky St., Krasnoyarsk.
The authors work out an assumed model to determine the conditions of dust particles removing from the bottom of a horizontal smoke flue by a twisted flow. The authors determine the optimal parameters of flow twist.
2 figures. 14 sources.
Key words: smoke-flues, an aluminum plant, dust sediments, smoke-flue cleaning, expulsion, compressed air, an assumed model, dust particles removing, a twisted air flow, optimal parameters of twisting.
В газах, эвакуируемых от электролизеров Содер-берга, содержание пыли колеблется от 600 до 2000 мг/м3. При транспортировке газов в газоочистные установки (ГОУ) пыль оседает в газоходах. По мере роста отложений «живое» сечение газоходов уменьшается. При этом возрастает аэродинамическое сопротивление сети как за счет уменьшения площади поперечного сечения газохода, так и за счет наличия «вязкого» пылевого слоя.
Очистка газоходов от пылевых отложений продувкой сжатым воздухом, применяемая на алюминиевых заводах, дорогостоящий процесс. Для его осуществления требуется сложное компрессорное оборудование, сети подвода сжатого воздуха, протяженность которых на современных алюминиевых заводах достигает десятков километров. Годовое потребление сжатого воздуха на продувку подкорпусных газоходов в масштабах только Красноярского алюминиевого завода составляет около 300 млн кубических метров стоимостью более 22 млн рублей. Очистка газоходов от отложений относится к категории работ повышенной опасности, выполняется специально обученным персоналом, с оформлением наряда - допуска. При очистке (продувке) газоходов происходит инжекция атмосферного воздуха через воздухозаборные щели горелок, приводящая к их погасанию («захлопыва-
нию»). Продолжительность очистки подкорпусного газохода в масштабах корпуса электролиза более 1 часа. В эти периоды анодный газ от электролизеров эвакуируется без дожигания.
Конденсат, содержание которого в сжатом воздухе, используемом для продувки газоходов, колеблется от 1,0 до 15 г/м3 и более [1], в целом оказывает негативное влияние на эффективность системы газоотсоса. При поступлении влаги в газоход вследствие её контакта с диоксидом серы и фтористым водородом, содержащимися в эвакуируемых газах, образуются сернистая и плавиковая кислоты, вызывающие коррозию и преждевременный износ металла. Скорость коррозии черных металлов при воздействии этих кислот достигает 0,3 и 0,5 мм/год соответственно [2]. Увлажненная конденсатом пыль оседает (налипает) на стенки газохода, увеличивая их шероховатость и соответственно аэродинамическое сопротивление. Образовавшаяся «корка» препятствует отдаче тепла от эвакуируемого газа в окружающую среду через стенку газохода, т.к. по сути она является «теплоизо-лятором». Наиболее приемлемым и эффективным способом удаления отложений может являться очистка газоходов закрученным потоком сжатого воздуха (рис.1) [3].
1 Баранов Анатолий Никитич, доктор технических наук, профессор, тел.: 405265, e-mail: a_baranow@mail.ru Baranov Anatoliy Nikitich, a doctor of technical sciences, a professor of ISTU, tel.: 405265, e-mail: a_baranow@mail.ru
2Шахрай Сергей Георгиевич, менеджер отдела природоохранных технологий, тел.: (391) 256 42 63; 89082025567, e-mail: shahrai@etc.rusal.ru.
Shahrai Sergey Georgievich, a manager of the department of environmentally conscious technologies, tel.: (391) 256 42 63; 89082025567, e-mail: shahrai@etc.rusal.ru._
14
Рис. 1. Организация закручивания газового потока за счет тангенциального ввода патрубков подачи сжатого воздуха
Повышенную способность закрученного потока приводить в движение и переносить твердые частицы отмечали в своих работах многие исследователи [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Так, например, в работе [10] описан показательный эксперимент, направленный на сравнительную оценку транспортирующей способности осевого и закрученного потока. В ходе эксперимента на дно протяженного горизонтального трубопровода, по которому протекал незакрученный воздушный поток, помещался пылевидный материал. Скорость потока выбиралась таким образом, чтобы его транспортирующая способность была недостаточной и пылевые частицы оседали на дно трубопровода. Затем без внесения каких-либо изменений в конструкцию на входе в трубопровод устанавливался завихритель. При этом пылевые частицы, приобретая винтообразную траекторию, уносились со дна трубопровода. Данный пример убедительно доказывает преимущество транспортирования пылевидных частиц закрученным потоком.
Несмотря на значительные потери давления при организации закрутки потока, расход сжатого воздуха сокращается на 20 - 40 %.
\
, V 1
■ N.. г
Л
"V
V—
Г„ А
Рис. 2. Силы, действующие на пылевидную частицу в закрученном газовом потоке
Для описания физической модели движения пылевой частицы в закрученном газовом потоке, протекающем в газоходе круглого сечения, используются полярные координаты. Схема координатных осей и сил, действующих на частицу, приведена на рис. 2. Силы, действующие на пылевидную частицу, и её связи с внутренней поверхностью газохода заменяются реакцией стенки газохода. Путем разложения реакции стенки на тангенциальную и нормальную составляющие получаются дифференциальные уравнения, описывающие движения частицы:
т^ = Яг; (1)
dt
V2 m— = R
(2)
где Vt - скорость движения частицы; r - внутренний радиус газохода; Rt - тангенциальная составляющая реакции стенки газохода; Rn - касательная составляющая реакции стенки газохода.
Как отмечено выше, на пылевидную частицу оказывают значимое влияние силы сопротивления обтеканию газовым потоком F.., сила трения о стенку гаг-
зохода Fmp , вес частицы Р, нормальная реакция
стенки газохода N. Таким образом, реакции связей частицы со стенкой газохода имеют вид
(3)
(4)
Проецируя векторы сил на оси n и t, получим
Rt = Fm - Fmp - P x sin j ; (5)
Rn = N - P x cosj. (6)
Подставляя (5) и (6) соответственно в (1) и (2) получим
dVt
т-^ = Fm - Fmp - Р x sin j; ( 7)
Rt = + FmpT + P + N; Rn = Rm„ + FmPn + Pn + N.
dt
V2
m= N - P x cosj. r
(8)
Сила трения Гтр,определяемая как
Ртр = N х /, (9)
где / - коэффициент трения между пылевидной частицей и стенкой газохода и входящая в (7) является функцией нормальной реакции стенки. Выражая нормальную реакцию стенки газохода N из (8) и подставляя ее в (9), получим
(
V2
\
F = f x m— + P x cosj
Подставляя (10) в (7) получим:
m
dVi dt
f
V2
= F - f x m+ P x cosj
(10)
(11)
- P x sin j
Уравнение (11) можно представить в виде
m
-к dt
= Fm - f x
f v2 ^
m+ mg x cosj r
0
(12)
- mg x sin j.
Вынося общий множитель m за скобки и сокращая на него обе части уравнения, получим
dV
F f
= — - f dt m
V 2
+ g cosj
.r
- g sin j. (13)
Уравнение (13) преобразуется к виду
dV F V 2
-V- = — - f • — - f • g • cosj - g • sin j . (14) dt m r
Вынося общий множитель g за скобки, получим
r
r
r
= ~JL - fV— - g •(f • cos(j) + sin (j)). (15) dt m r Так как скорость частицы в каждый момент времени зависит от ее координаты, т.е. V = f (s(t)), сле-
dV dV Jr
довательно, -=-x V . При движении точки по
dt ds
окружности в радиальных координатах ds = rdj. Учитывая вышесказанное, дифференциальное уравнение движения частицы принимает вид
dv F V2 Vx-f- = - f^ - g •(f • cosj) + sin j. (16) rdj m r
Умножая левую и правую части уравнения на r, получим
dv r x F - f x v: -
V
m
(17)
dj
- rg x (f x cos(j) + sin j).
Полученное дифференциальное уравнение можно преобразовать к виду
dv2 rF
= 2 F - 2 f x VT2 -dj m (18)
- 2rg x (f x cos( j) + sin (j)).
Входящая в (18) сила сопротивления частицы обтеканию потоком является функцией скорости обтекания частицы газовым потоком, определяемой как разность тангенциальной скорости частицы VT и тангенциальной составляющей скорости газового потока в пристенной зоне utcm:
tál x Р О x(utcm - V )
= Сх Х
т х 4 2
Масса частицы определяется как
4
т = — х-х р ч .
3 8
Подставляя (19) и (20) в (17), получим < = 3 Х тсхжрг (ист - V )2 _
dj 2 diacm x Рч
(19)
(20)
(21)
- 2 f xVT2 - 2rg x (f x cos(j)+ sin j).
Величина окружной составляющей скорости закрученного потока в пристенной зоне цилиндрического газохода может быть получена из определения локального пристенного параметра закрутки потока tga [11, 12]:
u^ = u
tcm xcc
x tga,
(22)
где итст - окружная скорость газового потока в пристенной зоне; ихст - осевая скорость газового потока в пристенной зоне; а - угол закрутки потока.
Параметр tga представляет собой предельный (поверхностный) тангенс угла закрутки потока и является отношением поверхностных касательных напряжений трения в тангенциальном и осевом направле-
ниях. Интегральный параметр Ф* характеризует отношение момента количества движения М к осевому количеству движения К в произвольном сечении в масштабе линейного канала I
М
Ф* =-, (23)
К х Ь
к к
где М = 2р| риаг2ёт; К = 2р| ра2тёт .
0 0
Эти параметры однозначно связаны между собой, и для обобщения опытных данных можно использовать любой из них. Между локальным и интегральным параметрами закрутки существует зависимость
tga = 1,18Ф *0'76. (24)
Учитывая наличие связей между (24) и (22), окружную скорость газового потока в пристенной зоне можно определить как
ис = и х1,18Ф *0'76. (25)
тот хст > * '
Значение осевой составляющей скорости закрученного воздушного потока в пристенной зоне газохода может быть получено из зависимости [11, 12, 13, 14]
ихсс = ихср (о,92 + 0,55Ф *), (26)
где ихср - средняя осевая скорость газового потока в сечении.
Подставляя (2.34) в (2.35), получим среднюю осевую скорость газового потока
ит
(27)
u =
хср
(0,92 + 0,55Ф *)x 1,18Ф
*0,76
При помощи зависимостей (22) и (27) определяется значение средней осевой скорости закрученного потока, необходимое для перемещения частицы по газоходу.
Таким образом, используя уравнение (24), можно установить, что оптимальной является слабая закрутка потока интенсивностью Ф * =0,5 - 0,8, что соответствует углу потока сжатого воздуха в газоход (угол ввода тангенциального патрубка в газоход) 360 - 480.
Библиографический список
1. Воронец Д. Влажный воздух. Термодинамические свойства и применение / Д.Воронец, Д.Козич; перевод с сербохорватского / под ред. В.П.Мотулевича. - М.: Энергоатомиздат. - 1984. - 135 с.
2. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: справочник / А.А.Лащинский, А.Р. Толчинский - М. - Л.: Машгиз. 1963. - 468 с.
3. Шахрай С.Г. Методы снижения выбросов при электролитическом производстве алюминия / С.Г.Шахрай, Е.В.Сугак, П.В.Смола, С.В.Белоусов // Сб. докладов XII Международной конференции «Алюминий Сибири 2006». - Красноярск, 2006. - С. 267 - 272.
4. Афанасенков А.Н. Квазиодномерная теория сопла для винтового потока газа / А.Н.Афанасенков, Ю.А.Гостинцев, О.А.Успенский // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1977. - №5. - С. 186 - 191.
5. Ахмедов Р.Б. Аэродинамика закрученной струи / Р.Б.Ахмедов. - М.: Энергия, 1977. - 240 с.
6. Ахмедов Р.Б. К расчету аэродинамических характеристик закрученной струи. В кн.: Теория и практика сжигания газа / Р.Б.Ахмедов, Т.Б.Балагула. - Л.: Недра, 1972.
- Т.5. - С. 15 - 27.
7. Алимов Р.З. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен в закрученном потоке / Р.З.Алимов // ИФЖ.
- 1968. - Т. 10. - №4.
8. Сугак Е.В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами / Е.В.Сугак, Н.А.Войнов, Н.А.Николаев. - Казань: «Школа», 1999.- 224 с.
9. Шахрай С.Г. Образование отложений в газоходах и пути их сокращения / С.Г.Шахрай, Е.В.Сугак // Современные технологии освоения минеральных ресурсов. - Красноярск: - 2006. - Вып. 4. С. - 412 - 418.
10. Кузьмин В.В. Экспериментальное определение пристеночного трения при движении закрученного потока в цилиндрическом канале. Вихревой эффект и его при-
менение в технике / В.В.Кузьмин, Ю.А.Пустовойт,
A.В.Фафурин. - Куйбышев, 1976. - С. 183 - 186.
11. Щукин В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах /
B.К.Щукин, А.А.Халатов. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.
12. Щукин В.К. Структура закрученного потока в цилиндрическом канале при однородном вдуве / В.К.Щукин, А.А.Халатов, А.В.Кожевников / ИФЖ. - 1979. - 37, № 2. - С. 245 - 253.
13. Булгакова Н.Г. Измерение дисперсного состава промышленных пылей. Обзорная информация ХМ - 14. / Н.Г.Булгакова, Е.Н.Петербургская. - М.: ЦИНТИнефте-химмаш, 1982. - С. 13 - 16.
14. Сестрин Л.Е. Основы газовой динамики / Л.Е.Сестрин. -М.: Изд-во МАИ, 1995. -332 с.
УДК 628.356.1
ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО ИЛА В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
В.Н.Кульков1, Е.Ю.Солопанов2, И.В.Евтеева3, А.С.Разум4
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены векторное и скалярное поля скоростей сточной воды и распределение активного ила в вертикальном поперечном разрезе аэротенка. Оценена возможность интенсификации биологической очистки сточных вод. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: аэротенк, очистка сточной воды, поле скоростей, активный ил.
GAS AND HYDRODYNAMIC CONDITION AND DISTRIBUTION OF ACTIVE SILT IN THE INSTALLATIONS
OF BIOLOGICAL CLEANING OF SEWAGES
V.N. Kulkov, E.Y. Solopanov, I.V. Evteeva, A.S. Razum
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors demonstrate a vector field and a scalar field of speeds of sewage water and distribution of active silt in a vertical cross-section of an air tank. They estimate the possibility to intensify biological cleaning of sewages. 3 figures., 2 tables. 4 sources.
Key words: an air tank, cleaning of sewage water, field of speeds, active silt.
Гидродинамическая обстановка в аэротенке формирует поле активного ила и оказывает значительное влияние на эффективность очистки сточных вод. Направление и скорость циркуляции воды и взвешенного в ней активного ила, а также концентрация растворенного кислорода определяются интенсивностью аэрации, типом аэратора и его расположением в аэротенке. Система аэрации обеспечивает подачу и распределение воздуха (кислорода) в аэротенке, поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенка.
Изучение газогидродинамической обстановки и полей циркуляции воды и активного ила по поперечному вертикальному сечению аэротенка проводили на установке и модельной ячейке, описанной ранее [1] и позволяющей изменять интенсивность аэрации, дозу ила, конструкцию аэратора и его месторасположение в широком интервале.
Для исследования гидродинамики в аэротенке нами использован метод трассера, основанный на введении в воду частиц твердой фазы, плотность которых одинакова с плотностью сточной воды [2]. Такие час-
1 Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, водоотведения, охраны и рационального использования водных ресурсов, тел.: 40-51-42, e-mail: kvn@istu.edu.
Kulkov Victor Nikolaevich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Water supply, Drainage, Protection and Rational Use of Water Resources, tel.: 40-51-42, e-mail: kvn@istu.edu.
2Солопанов Евгений Юрьевич, доцент кафедры информационных технологий, аспирант, тел.: 40-52-79. Solopanov Evgeniy Yurjevich, a senior lecturer of the Chair of Information technologies, a post graduate of Irkutsk State Technical University, tel.: 40-52-79.
3Евтеева Ирина Владимировна, аспирант. Evteeva Irina Vladimirovna, a post graduate.
4Разум Алексей Сергеевич, аспирант.
