CC BY
55
Оригинальная статья / Original article УДК 66.074.2
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-3-138-144
УЛАВЛИВАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ СЕПАРАТОРАХ
© А.В. Дмитриев1, В.Э. Зинуров2, О.С. Дмитриева3, Ву Л. Нгуен4
12 4
,, Казанский государственный энергетический университет,
420066, Российская Федерация, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Красносельская, 51.
3Казанский национальный исследовательский технологический университет,
420015, Российская Федерация, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотреть возможность эффективной очистки газов от твердых частиц малого диаметра (1-10 мкм) путем осаждения мелкодисперсных частиц на двутавровых балках прямоугольного сепаратора, конструкция которого разработана авторами статьи. Исследовать влияние различных начальных скоростей газового потока на процесс осаждения частиц при их контакте с сепарационными колоннами. МЕТОДЫ. Исследование по улавливанию мелкодисперсных частиц диаметром менее 10 мкм было выполнено в программном комплексе ANSYS Fluent. Численное моделирование осуществлялось решением дифференциальных уравнений движения и неразрывности. Для замыкания системы уравнений использовалась модель турбулентности SST. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Представлены результаты компьютерного моделирования и анализ влияния скорости потока газа и диаметра твердых частиц на эффективность работы сепаратора. Установлено, что максимальная эффективность сепаратора достигается при нагнетании скоростей газового потока менее 3 м/с. ВЫВОДЫ. Применение прямоугольного сепаратора обеспечивает увеличение удельной площади поверхности контакта фаз с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления газовому потоку.
Ключевые слова: циклон, осаждение частиц, улавливание твердых частиц, газификация твердого топлива.
Информация о статье. Дата поступления 24 января 2018 г.; дата принятия к печати 13 февраля 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2018 г.
Формат цитирования. Дмитриев A.B., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Ву Л. Нгуен. Улавливание мелкодисперсных твердых частиц из газовых потоков в прямоугольных сепараторах // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 138-144. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-138-144
TRAPPING OF FINELY-DIVIDED SOLID PARTICLES FROM GAS FLOWS IN RECTANGULAR SEPARATORS A.V. Dmitriev, V.E. Zinurov, O.S. Dmitrieva, Vu L. Nguyen
Kazan State Power Engineering University,
51, Krasnoselskaya St., Kazan, 420066, Republic of Tatarstan, Russian Federation
Kazan National Research Technological University,
68, Karl Marks St., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russian Federation
Дмитриев Андрей Владимирович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники, e-mail: [email protected]
Andrei V. Dmitriev, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Theoretical Foundations of Heat Engineering, e-mail: [email protected]
2Зинуров Вадим Эдуардович, магистрант, e-mail: [email protected] Vadim E. Zinurov, Master's degree student, e-mail: [email protected]
3Дмитриева Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования пищевых производств, e-mail: [email protected]
Oksana S. Dmitrieva, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Food Production
Equipment, e-mail: [email protected]
4Нгуен Ву Линь, аспирант, e-mail: [email protected]
Nguyen Vu Linh, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to consider the possibility of efficient purification of gases from small diameter solids (1-10 microns) by finely-divided particles precipitation on the H-beams of a rectangular separator designed by the authors as well as to study the effect of different initial velocities of the gas flow on particle deposition when they are in contact with separation columns. METHODS. ANSYS Fluent software package has been used to study the trapping of finely-divided particles whose diameter is less than 10 pm. Numerical simulation has been carried out through solving differential equations of motion and continuity. The turbulence model-SST has been used to close the system of equations. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The results of computer simulation and the analysis of the influence of gas flow velocity and solid particle diameter on separator efficiency are presented. The maximum efficiency of the separator is achieved when the gas flow rates are injected below 3 m/sec. CONCLUSIONS. The use of a rectangular separator increases the specific area of the contact surface of phases and simultaneously decreases the hydraulic resistance to the gas flow.
Keywords: cyclone, particle precipitation, particulate trapping, gasification of solid fuel
Information about the article. Received January 24, 2018; accepted for publication February 13, 2018; available online March 31, 2018.
For citation. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Vu L. Nguyen. Trapping of finely-divided solid particles from gas flows in rectangular separators. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 3, pp. 138-144. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-138-144
Введение
Интенсивное развитие нефтехимических, энергетических и металлургических предприятий требует выпуска высокоэффективных пылеулавливающих аппаратов. Рост производства является причиной ухудшения экологической обстановки внутри предприятия и за его пределами: увеличение выбросов парниковых газов и твердых несгоревших частиц в атмосферу угрожает здоровью людей и наносит вред окружающей среде. Нарушение санитарных норм и правил влечет за собой санкции и большие штрафы для предприятий. Для снижения выбросов вредных веществ в атмосферу проводится большое количество достаточно эффективных мероприятий: применение присадок, улучшающих сгорание топлива в камере сгорания; использование пылеуловителей, фильтров и другие. Однако очистка газа от твердых частиц малого диаметра в нем остается актуальной задачей [1, 2].
Основными аппаратами для очистки воздуха от взвешенных в нем твердых частиц являются инерционные пылеуловители. Из всех имеющихся инерционных аппаратов наибольшее распространение получили циклоны, характеризующиеся относительно высокой степенью очистки, низкой стоимостью, простотой устройства и эксплуатации, надежной работой при температуре до 500°С. К основным недостаткам
циклонов относится высокое гидравлическое сопротивление, достигающее 1250-1500 Па, и низкая эффективность при очистке газа от частиц малого диаметра (до 10 мкм). В некоторых случаях для уменьшения гидравлического сопротивления применяют специальные устройства, например, раскручиватели, которые устраняют вращательное движение на выходе из циклонов. Однако практический опыт показывает, что раскручиватели снижают эффективность циклонов при улавливании мелкодисперсной пыли [3-7].
Поскольку циклоны успешно используются для очистки газов от частиц преимущественно диаметром более 10 мкм, то возникает необходимость в использовании дополнительных очистительных аппаратов. Это особенно актуально при работе на производстве с опасными, токсичными веществами: ванадий, асбест, свинец и др. Целью данной работы является исследование улавливания мелкодисперсных твердых частиц размером до 10 мкм, для чего авторами настоящей статьи предлагается использовать разработанный прямоугольный сепаратор. Его можно рассматривать как альтернативу циклонам вследствие высокой очистки газов (на 99,8-100%) от мелкодисперсной пыли диаметром в диапазоне от 10 до 300 мкм [8, 9].
Очистка газов прямоугольным сепарационным аппаратом
Устройство сепаратора. Разработанный авторами сепаратор состоит из нескольких рядов двутавровых балок, собранных в прямоугольный корпус размером а*с*Л (упрощенная модель аппарата представлена на рис. 1). С целью обеспечения минимального прогиба двутавровые балки удерживаются между собой двумя поперечными пластинами, которые фиксируются по высоте и крепятся к корпусу аппарата. Каждая балка имеет 9 дополнительных выступов со стороны контакта с газом. Максимальную длину имеет центральный выступ, длина каждого последующего выступа по направлению к периферии балки уменьшается на 45% от предыдущего. Данное оформление двутавровой балки со стороны обтекания газом позволяет снизить гидравлическое сопротивление аппарата и повысить эффективность улавливания мелкодисперсной пыли по сравнению с аппаратом, не имеющим выступов на двутавровых балках. Принцип работы устройства заключается в том, что при движении многофазного потока между элементами устройства возникает центробежная сила,
которая отбрасывает частицы пыли к балкам, заставляя их выпасть из потока. Часть газового потока движется перпендикулярно балкам, огибая их и теряя при этом часть энергии. Благодаря непосредственному контакту с балками большая часть взвешенных частиц в газе выбивается из потока и под собственной силой тяжести оседает на нижней поверхности аппарата. Наличие нескольких рядов двутавровых балок повышает эффективность очищения газового потока от полидисперсных частиц за счет более структурированного газового потока.
Устройство может работать периодически или непрерывно. В случае периодической работы частицы накапливаются в пространстве между выступами. Если же необходима непрерывная работа, то в нижней части устройства изготавливаются отверстия и частицы отводятся через них в емкость. Для увеличения эффективности улавливания возможна подача жидкости на элементы устройства. В последнем случае образующуюся суспензию можно перемещать насосами.
Рис. 1. Трехмерная модель прямоугольного сепаратора Fig. 1. Three-dimensional model of a rectangular separator
Методы исследования. Поскольку основная часть мелкодисперсных частиц (до 90%) оседает на первых двух рядах колонн [8], то для упрощения расчета исследования проводились для сепаратора, состоящего из двух рядов стальных балок длиной 120 мм, а корпус данного аппарата имел следующие геометрические размеры, мм: а = 120; c = 30; h = 120.
Для расчета процесса улавливания мелкодисперсных частиц размером до 10 мкм использовался метод конечных элементов, расчеты проводились в программном комплексе ANSYS Fluent. В ходе исследования использовалась модель турбулентности SST.
Газ, состоящий из воздуха и мелкодисперсных твердых частиц, эмиссируя в прямоугольный сепаратор, попадал на двутавровые балки, что приводило к осаждению на них мелкодисперсных частиц за счет процессов, описанных выше. Диаметр частиц продуктов сгорания d изменялся от 1 до 10 мкм, скорость газа w на входе в прямоугольный сепаратор варьировалась
от 0,5 до 5 м/с. Параметры окружающей среды на выходе из прямоугольного сепаратора были заданы нормальными: атмосферное давление - 101325 Па, температура воздуха - 273,15 К. Также постоянными оставались следующие параметры: начальная скорость частиц - 0 м/с, число п находящихся в газе частиц принималось равным 1000, массовый расход продуктов сгорания G = 50 г/с (0,05 кг/с). В ходе исследований на каждой поверхности двух рядов балок было определено количество осевших из газового потока частиц п. Эффективность улавливания мелкодисперсных частиц на двух рядах балок E прямоугольного сепаратора была определена по формуле
E = nzlh
n
где П1( - число частиц, осевших на двух рядах балок.
Результаты исследования и их обсуждение
Проведенные численные исследования показали, что использование прямоугольного сепаратора для улавливания мелкодисперсных частиц диаметром 1-10 мкм позволяет очистить газовый поток в среднем на 70,7% при нагнетании вентилятором скорости газа от 0,5 до 5 м/с. Как видно из представленной формулы, наибольшая эффективность сепаратора соответствует значениям E, стремящимся к нулю. Поэтому те линии, которые расположены ближе к оси абсцисс, соответствуют максимальному улавливанию из газа твердых частиц малого диаметра. Графически результаты исследований представлены на рис. 2-4.
Наибольший эффект очистки газа от мелкодисперсной пыли сепарационными колоннами (балками) достигается при нагнетании скорости газового потока вентилятором в диапазоне 0,5-1 м/с (рис. 2). При заданных значениях скорости потока
улавливается около 75% частиц диаметром 1-10 мкм. Линии 1 и 2 на рис. 2, характеризующие скорости газового потока 0,5 и 1 м/с соответственно, практически идентичны друг другу, кроме первой точки для диаметра частиц 1 мкм, которая указывает на то, что нагнетание вентилятором относительно низких скоростей газового потока (менее 1 м/с) снижает эффективность улавливания сепаратором мелкодисперсных частиц диаметром до 3 мкм. Для частиц с d ^ 3 мкм различие эффективности их улавливания сепарационными колоннами составляет около 0,01-0,09% при разных скоростях газового потока - от 0,5 до 1 м/с. Нагнетание вентилятором скоростей газового потока w ^ 2 м/с заметно снижает эффективность улавливания твердых частиц диаметром 1-10 мкм, чем при w = 0,51 м/с. В справочной литературе [10] рекомендуется, чтобы скорость газового потока была не более 3 м/с, что подтверждается
графиком, приведенным на рис. 2: при скорости газового потока 2 м/с улавливается около 70,7% частиц, но при увеличении скорости газа до 5 м/с происходит снижение очистки газа в среднем на 10%.
По мере движения газового потока в сепараторе за двутавровыми балками образовывались застойные области, в которых наблюдалось завихрение потока, что в целом повышало гидравлическое сопротивление аппарата, но в то же время в данных завихрениях происходило очищение газа от мелкодисперсных частиц: частицы под собственной силой тяжести опускались на дно аппарата (рис. 3). Сред-нерасходная скорость газового потока увеличивалась до 2,5 м/с при начальной скорости, равной 0,5 м/с. Увеличение скорости газа вызвано поворотами при обтекании газом сепарационных колонн и застойными зонами. Исследования показали, что в среднем скорость газового потока увеличивается в 5 раз по отношению к начальной скорости, что снижает эффективность улавливания частиц.
E "
0,6 -
0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -
0 2 4 6 8 d, мкм/цш
Рис. 2. Изменение эффективности улавливания мелкодисперсных частиц E от их диаметра d при начальной скорости газа w, м/с: 1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 2; 4 - 5 Fig. 2. Variation of the trapping efficiency of finely-divided particles E on their diameter d at the initial gas velocity w, m/s: 1 - 0.5; 2 - 1; 3 - 2; 4 - 5
Увеличение всех геометрических элементов прямоугольного сепаратора в 2 раза при прочих равных условиях позволяет повысить эффективность улавливания мелкодисперсных частиц до 75,2% (рис. 4). Очищение газового потока от частиц при различных начальных скоростях газа проходит практически идентично по эффективности. При начальных скоростях газа 0,5 и 2 м/с эффективность улавливания мелкодисперсных частиц равна 75,3 и 75,0% соответственно. Учитывая, что по мере движения газа через сепаратор происходит увеличение его скорости, влекущее снижение эффективности улавливания частиц сепаратором, решением может стать масштабирование всех элементов сепаратора, что позволит выровнять эффективность улавливания частиц в зависимости от скорости газа.
В ходе исследований установлено, что использование прямоугольного сепаратора позволяет улавливать до 75% частиц малого диаметра - от 1 до 10 мкм.
1-1-1-г
Рис. 3. Вектора скорости движения газового потока в прямоугольном сепараторе при начальной скорости газа w = 0,5 м/c (вид сверху) Fig. 3. Velocity vectors of the gas flow in a rectangular separator with the initial gas velocity w = 0.5 m/s (top view)
E
0,3 -
0,25 -
0,2 -
0,15
0 2 4 6 8 di мкм/цш
Рис. 4. Зависимость эффективности улавливания мелкодисперсных частиц E от их диаметра d при начальной скорости газа w, м/с: 1 - 0,5; 2 - 2 Fig. 4. Dependence of the trapping efficiency of finely-divided particles E on their diameter d at the initial gas velocity w, m/s: 1 - 0.5; 2 - 2
Выводы
Применение прямоугольного сепаратора может стать альтернативой использованию циклона, особенно актуально его применение для очистки газа от мелкодисперсных частиц диаметром до 10 мкм. Максимальная эффективность сепаратора достигается при нагнетании скорости газового потока менее 3 м/с. Увеличение габаритов сепаратора позволяет повысить эффективность улавливания частиц за счет вырав-
нивания среднерасходной скорости газового потока в сепараторе. Достоинства прямоугольного сепаратора: простота изготовления, малая металлоемкость, высокая степень улавливания мелкодисперсных частиц.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-4522.2018.8.
Библиографический список
1. Пыталева О.А., Фридрихсон О.В., Бердашкевич С.М. Исследование экологического аспекта при организации транспортных потоков в городах (на примере города Магнитогорска) // Современные проблемы транспортного комплекса России. 2016. Т. 6. № 1. С. 58-64.
2. Николаев А.Н., Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: Изд-во ЗАО «Новое знание», 2004. 136 с.
3. Асламова В.С., Асламов А.А., Ляпустин П.К., Ген-дин Д.В. Промышленные испытания группового
прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли // Вестник ИрГТУ. 2007. № 2-1 (30). С. 6-8.
4. Страус В. Промышленная очистка газов; пер. с англ. М.: Химия, 1981. 616 с.
5. Sagot B., Forthomme A., Ait Ali Yahia L., Bourdon-naye G. De La. Experimental study of cyclone performance for blow-by gas cleaning applications // Journal of Aerosol Science. 2017. Vol. 110. P. 53-69. DOI: 1 https://doi.org/0.1016/j.jaerosci.2017.05.009
6. Shuanshi Fan, Xi Wang, Xuemei Lang, Yanhong Wang. Energy efficiency simulation of the process of gas hydrate exploitation from flue gas in an electric power plant // Natural Gas Industry B. 2017. No. 6.
P. 470-476. https://doi.org/10.1016/j.ngib.2017.09.009
7. Baltrenas P., Pranskevicius M., Venslovas A. Optimization of the New Generation Multichannel Cyclone
Cleaning Efficiency // Energy Procedia. 2015. Vol. 72. P. 188-195.
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.06.027
8. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Нгуен В.Л. Улавливание частиц из дымовых газов прямоугольными сепараторами // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 15. С. 78-80.
9. Пат. 171615 РФ, МПК B01D 45/06, МПК B01D 45/08. Устройство для тонкой пылегазоочистки. / А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев. № 2017100315; заявл. 09.01.2017; опубл. 07.06.2017, Бюл. № 16.
10. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: справочник. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
References
1. Pytaleva O.A., Fridrikhson O.V., Berdashkevich S.M. The study on environmental aspects in the organization of urban traffic flows (on the example of Magnitogorsk city). Sovremennye problemy transportnogo kompleksa Rossii. [Modern Problems of Russian Transport Complex]. 2016, vol. 6, no. 1, pp. 58-64. (In Russian).
2. Nikolaev A.N., Dmitriev A.V., Latypov D.N. Ochistka gazovykh vybrosov TES, rabotayushchikh na tverdom i zhidkom toplive. [Purification of gas emissions of TPP operating on solid and liquid fuels]. Kazan': ZAO "Novoe znanie" Publ., 2004, 136 p. (In Russian).
3. Aslamova V.S., Aslamov A.A., Lyapustin P.K., Gen-din D.V. Industrial tests of a group direct-flow cyclone with intermediate dust extraction. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2007, no. 2-1 (30), pp. 6-8. (In Russian).
4. Straus V. Promyshlennaya ochistka gazov [Industrial cleaning of gases]. Moscow: Himiya Publ., 1981. 616 p. (In Russian).
5. Sagot B., Forthomme A., Ait Ali Yahia L., Bourdon-naye G. De La. Experimental study of cyclone performance for blow-by gas cleaning applications. Journal of Aerosol Science. 2017, vol. 110, pp. 53-69. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2017.05.009
Критерии авторства
Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Нгуен В.Л. разработали прямоугольный сепаратор, провели исследования эффективности его работы и написали рукопись. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Нгуен В.Л. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
6. Shuanshi Fan, Xi Wang, Xuemei Lang, Yanhong Wang. Energy efficiency simulation of the process of gas hydrate exploitation from flue gas in an electric power plant. Natural Gas Industry B. 2017, no. 6, pp. 470-476. https://doi.org/10.1016/j.ngib.2017.09.009
7. Baltrenas P., Pranskevicius M., Venslovas A. Optimization of the New Generation Multichannel Cyclone Cleaning Efficiency. Energy Procedia. 2015, vol. 72, pp. 188-195.
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.06.027
8. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Nguen V.L. Flue gas particle collection by rectangular separators. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University]. 2017, vol. 20, no. 15, pp. 78-80. (In Russian).
9. Dmitriev A.V., Dmitrieva O.S., Madyshev I.N., Nikolaev A.N. Ustroistvo dlya tonkoi pylegazo-ochistki [A device for fine gas-dust trapping]. Patent RF, no. 2017100315, 2017.
10. Aliev G.M.-A. Tekhnika pyleulavlivaniya i ochistki promyshlennykh gazov [Technique of dust collection and cleaning of industrial gases]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1986, 544 p. (In Russian).
Authorship criteria
Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Nguyen V.L. have developed a rectangular separator, studies its efficiency and wrote a manuscript. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Nguyen V.L. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
