CC BY
136
Корчагина Татьяна Викторовна, канд. техн. наук, нач. отд. экологии и охраны природы, t.korchagina@pk-ugol.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Прокопгипроуголь»,
Рыбак Владимир Львович, аспирант, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рыбак Леонид Львович, аспирант, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FORMING INDUSTRIAL AND DOMESTIC WASTES AT KEMEROVO REGION T.V. Korchagina, V.L. Ribak, L.L. Ribak
Information about forming industrial and domestic wastes at Kemerovo region is represented.
Key words: industrial and domestic wastes, environment.
Korchagina Tatyana Victorovna, candidate of technical sciences, chief engineer, t.korchagina@pk-ugol.ru, Russia, Prokopevsk, LLC «Prokopgiprougol»,
Rybak Vladimir.Lvovich, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rybak Leonid.Lvovich, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.928.93
РАЗРАБОТКА ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Я.В. Чистяков, Н.И. Володин, А.А. Махнин, В.В. Факторович
Представлена разработка пылеуловителей нового поколения. В связи с этим очевидна актуальность работ, направленных на исследование и повышение эффективности процесса очистки отходящих газов от пыли (особенно мелкодисперсной) во всех технологических процессах, при которых происходит пылевыделение.
Ключевые слова: центробежно-инерционный пылеуловитель, завихритель, пылеуловитель-классификатор, мелкодисперсная пыль, поле концентрации.
Работа пылеулавливающих установок обычно основана на действии различных сил на частицу пыли при ее извлечении из газового потока. Такими силами являются сила тяжести, центробежная и инерционная силы. В зависимости от этого созданы различные конструкции пылеулавливающих устройств (осадительные камеры, жалюзийные аппараты, центробежные и вихревые циклоны и т.д.).
Предлагаемая конструкция нового пылеулавливающего аппарата [1-3] совмещает в своей работе процессы центробежной и инерционной сепарации пыли. Такое сочетание, по мнению авторов, позволяет значительно повысить степень улавливания мелкодисперсных частиц из потоков очистки воздуха аспирационных систем промышленных предприятий и дробильно-сортировочных комплексов карьеров за счет увеличения скорости очищаемого воздушно-пылевого потока в рабочих областях пылеуловителя в 4-5 раз и соответствующего увеличения центробежных и инерционных сил.
Аппарат (рис.1) включает корпус (1), в котором размещен завихри-тель (2), выполненный в виде полого диска, состоящего из верхней (3) и нижней (4)стенок. Внутри завихрителя расположены закручивающие лопатки (5). По оси корпуса проходит патрубок ввода запыленного газа (6), примыкающий к нижней стенке завихрителя. Концентрично снаружи патрубка ввода установлен патрубок вывода очищенного газа (7). По наружному нижнему краю диска завихрителя установлен экран (8) в виде усеченного конуса или цилиндра. Из нижней части корпуса уловленная пыль попадает в бункер для сбора пыли. Особое расположение входного патрубка обеспечивает сохранение высокой скорости газа (до 20 м/с) в верхней части аппарата в отличие от обычных циклонов, где в зоне ввода очищаемого потока скорость падает до 2...4 м/с, существенно уменьшая центробежную силу и тем самым значительно снижая эффективность пылеулавливания.
Отделение частиц пыли в закрученном потоке происходит под действием центробежных сил в пространстве между корпусом (1) и экраном (8), установленным под завихрителем. Вихревой поток, опускаясь по спирали вниз, затем поворачивает на 180°и по внутренней спирали меньшего радиуса попадает под экран, а затем снова, изменив свое направление на 180°, уже очищенный газ поступает в патрубок вывода (7). Установка экрана соответствующей геометрии позволяет повысить эффективность пылеулавливания за счет лучшей аэродинамики потока в верхней части аппарата и снижения вторичного уноса, предотвращая попадание отскочивших от корпуса частиц в поток очищенного газа. Отделившаяся пыль по стенке корпуса под действием силы тяжести поступает в нижнюю часть корпуса и собирается в бункер. Установка патрубка вывода очищенного газа под завихрителем концентрично снаружи патрубка ввода уменьшает диаметр корпуса в верхней части пылеуловителя, что повышает фактор разделения и соответственно эффективность работы аппарата.
згп
Рис. 1. Схема центробежно-инерционного пылеуловителя (стрелками указано направление движения потоков): 1-корпус; 2-завихритель; 3-верхняя стенка завихрителя; 4-нижняя стенка завихрителя;
5-закручивающие лопатки завихрителя; 6-патрубок ввода запыленного газа; 7-патрубок вывода очищенного газа; 8-экран; МП- мелкодисперсная пыль; ЗГП- загрязненный газовый поток;
ОГП- очищенный газовый поток
Для изучения процесса сепарации твердых частиц в исследуемом пылеуловителе в качестве твердой фазы были использованы различные материалы, такие, как белая сажа марки БС-120 (5 = 10.. .15 мкм; р = 200
3 3
кг/м ), синтетическое моющее средство — СМС (5 = 15 мкм; р = 500 кг/м ) и химически осажденный мел (карбонат кальция) (5 = 3.6 мкм; р = 2200 кг/м ), а также промышленный коричневый железооксидный пигмент (р=3170 кг/м ;медийный размер 21,6938 мкм), молотый уголь (средний размер 1,387 мкм, преобладающий 1,074 мкм), используемый для топки котлов ТЭЦ, в качестве газового потока применялся воздух. Скорости воздушного потока w (м/с), рассчитанные на свободное сечение входного патрубка и в рабочих элементах пылеуловителя, изменялись в пределах 5.25 м/с.
Исследования, проводимые на пылеуловителе при пропускании воздуха с различной скоростью, показали, что резкое возрастание АР намечается при скорости газа свыше 22 м/с, поэтому считаем, что увеличение скорости выше этого показателя нецелесообразно.
Зависимость эффективности очистки газовых потоков от его скорости на входе в аппарат и в рабочих элементах пылеуловителя отражены на рис. 2. Как видно из графика, степень очистки газового потока в исследуемом пылеуловителе от пыли тем выше, чем выше плотность и размеры улавливаемой пыли.
Дальнейшие исследования показали, что эффективность работы центробежно-инерционного пылеуловителя тем выше, чем меньше начальная концентрация частиц пыли (при одной и той же их дисперсности и плотности), т.е. в ряде случаев возможно использование его в качестве второй ступени очистки к уже имеющимся в какой-либо технологической схеме пылеуловителям, например, циклонам.
Сопоставляя графики зависимости эффективности очистки газовых потоков в исследуемом пылеуловителе от их скорости (рис. 2) с данными зависимости гидравлического сопротивления аппарата от скорости газового потока, можно сделать вывод, что оптимальное сочетание максимальной эффективности пылеулавливания и достаточно низкого гидравлического сопротивления пылеуловителя (около 600 Па) достигается при скорости газового потока во входном патрубке, равной 15.. .20 м/с.
2
Рис.2. Зависимость степени очистки газового потока ц (%) от скорости газового потока на входе в аппарат (м/с) при улавливании: 1-белая сажа ; 2-синтетическое моющее средство; 3-химически осажденный мел; 4-железооксидный пигмент коричневый; 5-молотый уголь
Для сравнения работы известных циклонов НИИОГАЗа с разработанным пылеуловителем на лабораторной установке были проведены испытания при улавливании смеси пыли различных синтетических моющих средств. Во время эксперимента сохранялись идентичными такие парамет-
ры как производительность, начальная концентрация твердых частиц в газовом потоке и температура воздуха. Результаты эксперимента показали, что степень очистки в разработанном аппарате значительно выше, чем в известных циклонах НИИОГАЗа, особенно для мелкодисперсной пыли размером от 20 мкм и меньше (более чем в два раза).
Сопоставляя графики зависимости эффективности очистки газовых потоков в исследуемом пылеуловителе от их скорости (рис. 2) с данными зависимости гидравлического сопротивления аппарата от скорости газового потока, можно сделать вывод, что оптимальное сочетание максимальной эффективности пылеулавливания и достаточно низкого гидравлического сопротивления пылеуловителя (около 600 Па) достигается при скорости газового потока во входном патрубке равной 15.. .20 м/с.
Для сравнения работы известных циклонов НИИОГАЗа с разработанным пылеуловителем на лабораторной установке были проведены испытания при улавливании смеси пылей различных синтетических моющих средств. Во время эксперимента сохранялись идентичными такие параметры, как производительность, начальная концентрация твердых частиц в газовом потоке и температура воздуха. Результаты эксперимента показали, что степень очистки в разработанном аппарате значительно выше, чем в известных циклонах НИИОГАЗа, особенно для мелкодисперсной пыли размером от 20 мкм и меньше (более чем в два раза).
При проектировании промышленных пылеулавливающих установок требуется проведение газодинамических расчетов с целью оптимизации параметров конструкции и прогнозирования степени очистки запыленного потока. При выводе уравнений, описывающих движение двухфазного рабочего вещества в пылеуловителе, принимались следующие основные допущения: объемная доля твердой фазы (К-фазы) невелика, в связи с чем соударениями частиц пренебрегалось, что является достаточно обоснованным; гидродинамические силы, действующие на движущиеся частицы, определялись посредством коэффициента сопротивления, учитывающего размер и форму частиц; фазовые переходы отсутствуют, рассматривается идеальный газ. Наиболее эффективной для инженерных расчетов и корректной математической моделью сплошной среды является модель, рассматривающая течение сплошной среды как "движение взаимопроникающих континуумов". При этом дополнительно к основным уравнениям механики сплошной среды добавляются уравнения движения К-фазы и закон взаимодействия фаз.
Для численного моделирования в общем виде пространственных газодинамических процессов необходимо решать сложные трехмерные дифференциальные уравнения. Во многих случаях, характерных для рассматриваемых задач, моделируемые процессы можно рассматривать в осе-симметричной постановке с достаточной точностью. Для решения этой га-
зодинамической задачи была разработана математическая модель течения двухфазного рабочего вещества в каналах сложной конфигурации [4].
Для расчета рассматриваемых течений применен численный метод, использующий схемы расщепления метода крупных частиц, но реализованный на неравномерной сетке метода конечных элементов. Внутри конечной частицы параметры потока аппроксимируются алгебраическими функциями с использованием известных соотношений метода конечных элементов. Особенно важно введение такой сетки при расчете гетерогенных потоков, так как ступенчатая аппроксимация границ приводит к дополнительным ошибкам, связанным с накоплением К-фазы в угловых областях сетки. В совокупности эти уравнения однозначно определяют значения неизвестных параметров: давления газовой среды, скоростей, температур и концентраций газа и частиц.
По разработанным численным моделям созданы алгоритм и программа численного моделирования газодинамических процессов. Для проверки точности решения задач течения в каналах сложной формы с образованием рециркуляционных зон проведены расчеты по исследованию процессов газодинамики в плоских и цилиндрических каналах с резким изменением площади поперечного сечения. Частные случаи таких течений достаточно хорошо изучены и имеются многочисленные экспериментальные данные. Проведенное тестирование подтвердило достоверность получаемых с помощью разработанного алгоритма результатов и удовлетворительной точности численного моделирования. С помощью разработанной программы выполнены вычислительные эксперименты по исследованию процесса сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе. На рис. 3 представлены результаты численного моделирования установившегося газодинамического процесса в модельной установке.
Сравнение теоретически определенной степени очистки запыленного потока с экспериментальными данными, полученными авторами на этой установке, показало хорошее согласование для различных параметров К-фазы и расходов потока через установку, что позволяет рекомендовать программу для расчета и оптимизации разрабатываемых конструкций пылеуловителей.
Анализ рис. 3 показывает, что в рабочей зоне пылеуловителя имеются две локальные зоны концентрационного накопления твердой фазы (зоны А и Б). Это явление позволило предсказать дальнейшие направления повышения конструктивного совершенствования пылеуловителей центро-бежно-инерционного типа.
5.0000е-04
4.0020е-04
3.0040е-04 2.0060е-04
1.0080е-04
Э.ЭЭ70е-07
Рис. 3. Поле концентрации в зоне сепарации для пыли плотностью 200 кг/м с размером частиц 15 мкм (1-входной запыленный поток;
2-выходной очищенный поток; 3-отбор К-фазы)
Высокая эффективность пылеуловителя, совмещающего в себе принципы центробежной и инерционной сепарации мелкодисперсной пыли, сохраняется при увеличении производительности отдельно взятого аппарата в том случае, если в локальных рабочих элементах пылеуловителя сохранятся необходимые для данного улавливаемого компонента рабочие скорости газовой смеси, определенные расчетом.
Считаем, что одним из направлений повышения эффективности работы пылеуловителей является их конструктивное совершенствование, позволяющее постоянно поддерживать высокую величину результирующей силы по ходу движения газового потока внутри аппарата. Наиболее перспективным направлением повышения эффективности работы аппарата является поддержание величины инерционной составляющей результирующей силы на протяжении всего пути движения газового потока внутри аппарата за счет последовательного изменения направлений движения и изменения сечений каналов восходящих и нисходящих потоков.
Новое пылеулавливающее оборудование представляет собой батарею пылеотделителей, последовательно работающих внутри одного аппарата. Чередование цилиндрических перегородок и приемных цилиндров, расположенных касательно патрубку очищенного газа, позволяет достигнуть требуемой степени очистки за счет многократного изменения направления потока газа при его движении внутри аппарата и за счет поддержания высокой величины инерционной составляющей результирующей силы, действующей на частицы пыли. Особое значение это приобретает при извлечении из газового потока как мелкодисперсной, так и крупнодисперсной пыли (двухступенчатый пылеуловитель)(рис.4) [5-7].
Анализируя материалы, представленные на рис. 1,3,4, появилась возможность разработать пылеуловитель с получением в одном корпусе трех фракций [8] (рис.5): мелкодисперсной (тонкой); медийной (основной) и крупнодисперсной. Экспериментальные исследования всех пылеуловителей проводились на экспериментальной установке по методике, изложенной в ГОСТ 8002-74 "Воздухоочистители. Методы стендовых безмоторных испытаний".
Исследования заключались в определении степени очистки воздуха, гидравлического сопротивления АР пылеуловителя при изменении его геометрических параметров и режимов проведения экспериментов. Результаты экспериментов представлены в работе [9].
Опытная эксплуатация центробежно-инерционных пылеуловителей на промышленных средах показала, что они могут устанавливаться как самостоятельные аппараты, так и для предварительной очистки запыленных газов перед тканевыми фильтрами, а также как вторая ступень очистки после наиболее распространенных аппаратов-циклонов, которые практически не улавливают мелкодисперсную пыль (до 20 мкм).
ч 4 5 6
Рис. 4. Схема ступенчатого центробежно-инерционного аппарата: 1 - корпус; 2 -завихритель; 3,4 - верхняя и нижняя стенки завихрителя; 5 - лопатки; 6 - входной патрубок; 7 - патрубок очищенного газа; 8,12 - экраны; 9 - приемный цилиндр;
10 - днище; 11 - патрубок; I- первая ступень очистки; II- вторая ступень очистки
А-Л
11 2 3_ 4 6 7 Ю
Ин/кйн ф[пьщ/ч |
Рис. 5. Схема трехступенчатого центробежно-инерционного
пылеуловителя-классификатора: 1 - корпус; 2 -завихритель; 3 - верхняя стенка завихрителя; 4 - нижняя стенка завихрителя; 5- закручивающие лопатки завихрителя; 6 - патрубок запыленного воздуха; 7 - патрубок обеспыленного воздуха; 8 - экран; 9 - приемный корпус;
10 - перегородка; 11 - патрубок для вывода тонкой фракции пыли;
12 - карман для крупной фракции пыли
Таким образом, анализируя работу описанных выше пылеуловителей, следует отметить, что они являются представителями нового поколения пылеулавливающих аппаратов, с помощью которых решаются следующие вопросы:
— высокоэффективная очистка газов от мелкодисперсной пыли (до 98 %);
— значительное снижение габаритов пылеуловителей за счет повешения скорости внутри аппарата (до 15...22 м/с) при одинаковой производительности с циклонами;
— классификация пыли на фракции;
— возможна установка как одиночных, так и батарейных пылеуловителей;
— производительность пылеуловителей от 200 до 40000 м /ч;
— гидравлическое сопротивление в пылеуловителях нового поколения на уровне циклонов.
Габариты аппарата, размеры элементов пылеуловителя и соотношение размеров между его элементами зависят от производительности, меха-
нических и физических свойств пыли, дисперсного состава пыли и определяются по оригинальной методике, что является «ноу-хау» данной работы.
Список литературы
1. Панков А.Н., Володин Н.И., Полунина О.Ю. Исследование процесса очистки газовых потоков от катализаторной пыли в новом пылеуловителе// Изв.ТулГУ. Экология и безопасность жизнедеятельности. 1999.
2. Володин Н.И. Очистка газовых выбросов от мелкодисперсной пыли // Экология и промышленность России. 2001, сентябрь. С. 20-22.
3. Патент РФ 111773 на центробежный пылеуловитель / Я.В. Чистяков и [др]; опубл. 27.12.2011 Бюл. №36. Приоритет 13.04.2011.
4.Чистяков Я.В., Махнин А.А., Невский А.В.// Вестник МИТХТ. 2012. Т. 7. №3. C. 92.
5. Очистка газов от мелкодисперсной пыли// Экология и промышленность России / А.В. Подрезов и [др]. М., 2004, ноябрь С. 20-22.
6.Патент РФ 81092 на устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям / Н.И. Володин [и др.]. Опубл. 10.03.2009. Бюл. № 7.
7. Смирнов Д.Е., Сугак А.В., Володин Н.И.// Экология и промышленность России. 2009, март. С. 14.
8. Патент РФ 117103 на пылеуловитель-классификатор / Я.В. Чистяков [и др]. Опубл. 20.06.2012 Бюл. №17.
9. Чистяков Я.В. Исследование и разработка пылеуловителей, обеспечивающих повышение эффективности очистки воздуха аспирационных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2012.
Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, ст. препод., yar00000@yandex.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Володин Николай Иванович, д-р техн. наук, проф., volodinni@)ystu.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Махнин Александр Александрович, д-ртехн. наук, проф., volodinni@)ystu.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Факторович Вадим Владимирович, аспирант, ecology@tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CREATING DUST EXTRACTORS OF NEW GENERATION Y.V.Chistyakov,N.I. Volodin,A.A. Makhnin,V.V. Faktorovich
Results of creating dust extractors of new generation are submitted. That is why the urgency of investigations by researching improving cleaning gases of combustion from dust
process efficiency at different technological processes, which attending dust emission is obvious fact.
Key words: centrifugal-inertial dust extractor, swirler, dust extractor and classifier, highly dispersed dust, concentration of dust.
ChistyakovYaroslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, yar00000@yandex.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Volodin Nikolay Ivanovich, doctor of technical sciences, profes-sorvolodinni@)ystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Makhnin Alexander Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, vo-lodinni@,)ystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Faktorovich Vadim Vladimirovich, postgraduate,ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
