Содержание
1. Технологическиеособенности производства огнеупорных материалов
2. Пылегазовыевыбросы технологических агрегатов
3. Аэродинамическиепроблемы эксплуатации пылеуловителей
4. Реальныеполя скоростей и оценка их влияния на эффективность пылеуловителей
5. Экономическиепреимущества аэродинамической оптимизации систем и аппаратов пылеулавливания
Список используемых источников
1. Технологическиеособенности производстваогнеупорных материалов
Технологический процесс получения огнеупорных материаловоснован на термической обработке измельченного сырья, теряемого в известноймере с отходящими газами и аспирационными выбросами. Поэтому в огнеупорнойпромышленности пылеулавливание является неотъемлемой частью технологическогопроцесса. Мероприятия по интенсификации технологических процессов с целью повышенияпроизводительности приводят к значительному увеличению выбросов пыли, состоящейчастично из готового продукта. В связи с этим пылеулавливающие установки должныобеспечить максимальное улавливание пыли не только по санитарным условиям, но ипо экономическим соображениям.
Объемы дымовых газов, отходящих из технологических агрегатов,являются одним из основных факторов при выборе пылеулавливающих аппаратов.Результаты исследований [1] показали, что в большинстве случаев расчетныеколичества дымовых газов существенно отличаются от полученных в процессеэксплуатации. Обычно они значительно выше величин, принятых в проектах; приэтом скорость газов в пылеулавливающих аппаратах превышает предельнодопустимую, что вызывает нежелательные последствия. Объемы дымовых газовзависят от многих факторов, основными из которых являются состав и степеньподготовленности обжигаемого сырья, вид применяемого топлива, режим ведениятехнологического процесса, количество подсасываемого воздуха по газовомутракту, состояние активной зоны печей и т.д.
Расходы дымовых газов, отходящих из вращающихся печей исушильных барабанов, приведены в табл. 1.1 [1].
Приведенные в табл.1.1 данные получены Г.М. — А. Алиевым [1]в результате длительных испытаний. Опыт показывает, что в некоторых случаяхрасход отходящих газов увеличивается при изменении состава обжигаемого сырьяили интенсификации процесса обжига с целью увеличения производительноститехнологического агрегата. На некоторых заводах все чаще интенсифицируют работукотлов-утилизаторов, что положительно влияет на работу пылеуловителей.
Пылеунос является одним из основных показателей припроектировании и эксплуатации систем и аппаратов пылеулавливания. Этот параметрявляется определяющим и при выборе мощности пылеулавливающего и транспортирующегопыль оборудования, бункера, насосы, воздушные компрессоры и т.п. Пылеунос извращающихся печей зависит от ряда факторов: конструкции печи (наличиевнутрипечных теплообменников), зернового состава обжигаемого сырья(неклассифицированный, узкоклассифицированный), скорости газов, режима веденияпроцесса обжига.
Таблица 1.1
Расход газов вращающихся печей и сушильных барабановТехнологический агрегат Сырье Размеры печи, м
Расход* дымовых газов, 10-3 м3/ч Вращающиеся печи Магнезит
170 х 4,5
90 х 3,6
182,5
86 Доломит 90 х 3,6 128** Известняк 75 х 3,6 58 70 х 3,0 50 Сушильные барабаны Известняк 16 x 2,5 24 Глина 10,5 x 2,2 19 Хромитовая руда 16 х 2,5 23
* После котлов-утилизаторов
** При сжигании в печи мазута
Данные о пылеуносе печей огнеупорного производства приведеныв табл. 1.2 [1].
Удельный пылеунос и запыленность дымовых газов сушильныхбарабанов приведены ниже:
Сырье Известняк Глина
Пылеунос сырья, % 2 52 7
Масс. концентрация
пыли в газах, г/м3 30 503 6
Массовая концентрация пыли в отходящих газах зависит отизменения зернового состава сырья, интенсификации режима печи, вида топлива идругих факторов.
Требуемая степень очистки газов и их начальная запыленностьпозволяют выбрать тип аппарата. Расход очищаемых газов позволяет оценитьминимальную единичную производительность аппаратов.
Сведения о возможности утилизации пыли уточняют метод очисткигазов и дают возможность выбрать способ транспортировки уловленного продукта.
Состав газов, их агрессивность, взрывоопасность, токсичностьдают дополнительные сведения о типах пригодного оборудования, материалах дляего изготовления, возможности расположения установок на открытой площадке.Сведения о возможных форсировках технологического процесса вынуждаютпредусматривать резервные пылеуловители, требующие постоянного расходапылегазового потока и строго определенной аэродинамической ситуации в рабочихсечениях.
Таблица 1.2
Пылеунос из печей огнеупорного производстваРазмеры печи, м
Характеристика
печи Сырье Фракции пыли, мкм Пылеунос
Массовая концентрация пыли в дымовых газах, г/м3* кг/т кг/ч 170x4,5 Без теплообменника Магнезит 0-60 145 7000 60 То же Магнезит+ магнезитовая пыль 0-60 200 10000 100 90х3,6 Без теплообменника Магнезит 0-60 157 4000 40 То же Магнезит+ магнезитовая пыль 0-60 190 6000 52 С теплообменником Магнезит 0-60 375 9000 85 То же Доломит 5-25 170 5500 45 65х2,5 Без теплообменника Глина — 75 800 18 60х2,5 То же Известняк 0-45 83 1200 22
* После котла-утилизатора
После разработки вариантов систем пылеулавливания, оценки ихгидравлического сопротивления и ожидаемой эффективности проводится технико-экономическое сравнение, учитывающеерезультаты аэродинамической оптимизации процесса пылеулавливания.
Трудность выбора рациональной схемы улавливания пыли частозаключается в отсутствии необходимых сведений о физико-химических свойствах и аэродинамических параметрахпылегазовых потоков.
В огнеупорной промышленности основными пылевыделяющимиагрегатами являются вращающиеся печи, сушильные барабаны и пересыпныеустройства для транспортировки материалов и пыли. При выборе системыпылеулавливания эти установки можно разбить на две группы с характернымипараметрами выбросов.
К первой группе относятся пылевыделяющие агрегаты, гдепроисходит термическая обработка сырьевых материалов (печи, сушильные барабаныи др.). При выборе системы пылеулавливания для агрегатов первой группынеобходимо учитывать влияние температуры газов, температуру точки росы,дисперсный состав пыли и другие факторы. Однако выбор метода пылеулавливания(механический или электрический) определяет также производительностьтехнологического агрегата. До последнего времени для обеспыливания дымовыхгазов агрегатов небольшой производительности (до 50·103 м3/ч)применялись механические пылеуловители.
Парк аппаратов этого типа в производстве огнеупоровдостаточно разнообразен – циклоны типов ЦН, СИОТ, ЦП-2; центробежные скрубберыСЦВБ, СЦВП; полые скрубберы СП; насадочные скрубберы СДК; скрубберы Вентуритипов ГВПВ, СВ-Кк, СВТ. Широкое распространение получили рукавные фильтры типаФРМ, с комбинированным способом регенерации (механический в сочетании саэродинамическим), рукавные фильтры типов УРФМ и ФРМК, со струйной продувкойтипа РФСП, общепромышленного назначения типа ФРО и специального назначения ФР,ФРОКТ, ФРОС, ФРКН, ФЭИ, ФРИ и ФРЦИ [2].
В настоящее время, несмотря на увеличение капитальных затрат,чаще применяют электрофильтры, которые при правильном выборе аэродинамическихусловий эксплуатации обеспечивают гарантированную высокую степень очистки,значительно более высокую, чем дают механические пылеуловители. Различныемодификации электрофильтров (ЭГД, ЭВ, ЭГАВ, СРК, ОГП, ГК) достаточноперспективны в производстве огнеупоров [2]. В электрофильтрах равномерноераспределение пылегазового потока по рабочему сечению в связи с реальнымиразмерами этих сечений (до 350 м2) является первостепенной задачей,определяющей эффективность и коммерческую целесообразность всеготехнологического процесса. В некоторых случаях рекомендуется установка одногоэлектрофильтра для обеспыливания дымовых газов нескольких агрегатов. Такаясхема, например, принята на заводе «Магнезит», где за пятью шахтнымипечами установлен один электрофильтр с активным сечением 37 м2.
Ко второй группе относятся пылевыделяющие агрегаты и системытранспорта пылевидных материалов в холодном состоянии. Здесь, в основном,применяются циклонные или тканевые пылеуловители. При этом иногдапредусматриваются такие схемы пылеулавливания, в которых одни аппаратыобеспечивают преимущественно коагуляцию, другие – осаждение.
В качестве аппаратов, способных выполнять функциикоагуляторов, могут быть использованы электрофильтры, циклоны, испарительныескрубберы, акустические генераторы. Это обстоятельство следует иметь в виду,столкнувшись с необходимостью очистки газов от высокодисперсных пылей, так каккоагуляторы полидисперсных пылей особо чувствительны к нарушению оптимальнойаэродинамической ситуации при движении пылегазовых потоков в рабочей зонеаппаратов. В последние годы особое внимание специалистов привлекают зернистыефильтры с движущимся и неподвижным слоем фильтрующего материала. Эти аппаратыпозволят совместить технологическую и санитарную очистку газов от пыли,обеспечить нормы ПДВ и перейти в отдельных производствах к технологии сутилизацией пыли [3].
На целесообразность такого пути развития системпылеулавливания, обеспечивающего переход к безотходной технологии, неоднократноуказывали ведущие российские ученые в области механики аэрозолей ипылеулавливания, возглавляемые академиком И.В. Петряновым — Соколовым. Следует отметить, что для зернистых фильтров всехвидов успешное решение аэродинамических проблем уже на стадии проектированияявляется совершенно необходимым условием их успешной эксплуатации. При этомследует использовать надежные расчетные зависимости для оценки степенинеравномерности распределения пылегазового потока при различных геометрическихформах рабочих сечений пылеуловителей. Стремление к энергосберегающейтехнологии пылеулавливания требует и уточненный поэлементный расчетгидравлического сопротивления инерционных и вихревых пылеуловителей,используемых в качестве предварительной ступени очистки. Самостоятельныйинтерес представляет и методика для оценки и прогнозирования зависимости общейи фракционной эффективности пылеулавливания от степени неравномерностираспределения пылегазового потока по рабочему сечению пылеуловителей.
2. Пылегазовые выбросытехнологических агрегатов
Производство огнеупорных изделий – сложный технологическийпроцесс, связанный с обработкой сырья с различными физико-механическимисвойствами и с использованием достаточно сложного технологического оборудованияи вспомогательных механизмов. Эти процессы (дробление, помол, сортировка,транспортирование и смешение материалов) связаны с пылевыделением. Выброс пылипроисходит и в результате механического уноса фракций газовыми потокамиаспирационных систем.
Основными характеристиками пыли, которые следует учесть приусовершенствовании аэродинамических условий эксплуатации систем пылеулавливанияв огнеупорном производстве, являются плотность, угол естественного откоса,слипаемость, смачиваемость, абразивность, дисперсность, химический состав,удельное электрическое сопротивление.
Плотность материала частиц пыли определяется пикнометрическимметодом. Метод заключается в определении объема жидкости, вытесненной пылью,масса которой известна. Частное от деления массы пыли на вытесненный ею объемжидкости, представляет собой плотность материала частиц пыли. Насыпнаяплотность пыли определяется по массе известного объема пыли и предусматриваетоценку двух величин насыпной плотности: свободно засыпанного и уплотненногослоя пыли. Важное значение при сборе и хранении уловленной пыли имеет уголестественного откоса.
Углом естественного откоса называется угол междугоризонтальной поверхностью и образующей конуса насыпанного на неепорошкообразного материала. Различают собственно угол естественного, откоса(αдин ) и угол обрушения (αст). Первая величинаотносится к случаю сформирования откоса при падении частиц порошка наплоскость. Образование поверхности откоса соответствует состоянию динамическогоравновесия, поэтому αдин называют также динамическим угломестественного откоса. Углом обрушения называют угол, образующийся при обрушениислоя в результате удаления подпорной стенки. Его также называют угломестественного откоса αст.
Смачиваемость пыли определяется методом пленочной флотации.Метод основан на определении доли массы затонувших за определенное время частицпыли, насыпанной тонким слоем на поверхность воды.
Метод определения слипаемости пыли основан на измеренииусилия, необходимого для разрыва специально сформированного слоя пылиопределенной площадки. Оценка абразивности пыли состоит в определении степениабразивного износа пластинки из исследуемой марки стали (пластинкарасполагается под углом 45° к пылевой струе). Испытания образца проводятся спомощью абразивметра центробежного типа.
Дисперсный состав пылей определяют различными способами – отситового анализа до использования струйного сепаратора (импактора).
Ситовый анализ уловленной пыли основан на механическомразделении частиц по крупности путем просева через сита с различными размерамиотверстий.
Анализ пыли струйным сепаратором (импактором) основан наинерционном осаждении взвешенных частиц на плоскую поверхность в результатерезкого изменения направления движения запыленного потока при обтекании имплоской поверхности и на последующем определении массы частиц, осевших на этуповерхность.
В процессе пылеулавливания физико-механические свойства пыли,меняются.
Слипаемость пыли ухудшает аэродинамические свойства инадежность пылеуловителей за счет изменения геометрии рабочих сеченийаппаратов. По существующей классификации пыль огнеупорного производства постепени слипаемости разделяют на 4 группы: I — неслипающаяся, II — слабослипающаяся; III — среднеслипающаяся; IV- сильнослипающаяся.
Классификация охватывает пыль 30 видов технологическихопераций огнеупорного производства и составлена на основе сведений о поведениипылей, полученных при эксплуатации систем пылеулавливания в огнеупорномпроизводстве [1].
В табл. 2.1 приведены сведения об аутогезионной прочностипылей, отобранных из циклонов и электрофильтров.
Таблица 2.1
Аутогезионная прочность пыли, отобранной из циклонов иэлектрофильтровПыль Место отбора пробы
Аутогезионная прочность слоя пыли, мг/см2 Группа слипаемости Магнезитовая
Электрофильтр
I поле
II поле
3400
4960
III
III Известковая Циклон 408 II Доломитовая
Электрофильтр
I поле
II поле
III поле
207
266
320
II
II
II Шамотная после электрофильтра 339 II
Из табл. 2.1 следует, что большинство пылей огнеупорногопроизводства относится к слабо- и среднеслипающимся пылям. Повышенное значениеаутогезионной прочности у магнезитовой пыли создает определенные трудности приэксплуатации систем пылеулавливания и требует особого внимания каэродинамическим условиям эксплуатации пылеуловителей.
Почти все пыли огнеупорного производства склонны кгидратации: поэтому величины истинной и насыпной плотности резко различаютсямежду собой.
Так, для шамотной, доломитовой, известняковой и магнезитовойпыли насыпная плотность составляет 900-1100 кг/м3, а истинная –2120-2900 кг/м3.
В широких пределах, меняется и абразивность пылей. Поэтомупри больших скоростях пылегазового потока (12-20 м/с) наибольшему износу засчет абразивности пыли подвержены внутренние стенки газоходов и аппаратов.
Установлено, что при улавливании магнезитовой пыли в циклонахНИИОГАЗ увеличение условной скорости до 7 м/с не приводит к износу аппарата,тогда как при улавливании доломитовой пыли скорость газа в циклонах не должнапревышать 4 м/с.
Интенсивность абразивного износа зависит и от дисперсногосостава пыли. Крупные частицы при повороте пылегазового потока в большейстепени отклоняются от первоначального направления своего движения, чем мелкие,создавая условия для абразивного износа. При этом форма и геометрические параметрырабочего сечения, а следовательно, и аэродинамика потока меняются. Абразивностьпыли создает трудности при пневмотранспорте уловленной пыли. Высокаяконцентрация пыли приводит к частым остановкам системы вследствие износатрубопроводов. Дисперсный состав пылей огнеупорного производства зависит оттехнологического процесса, режима работы, химических свойств, зернового составасырья, организации аспирационных выбросов.
Грубые частицы пыли являются продуктом механического уносасырьевой смеси и несгоревшего топлива.
Более тонкие пыли (высокодисперсные аэрозоли) образуются врезультате уноса потоком частиц обжигаемого материала из активной зоны печи.Частицы размером свыше 100 мкм осаждаются в пылевой камере. Некоторая частькрупных частиц остается в боровах котлов-утилизаторов и подводящих газоходах.
Концентрация пыли в дымовых газах шахтных печей не превышает 12-15г/нм3. Относительно небольшая запыленность газа позволяет установитьза шахтными печами электрофильтр, требующий особого внимания к аэродинамикепылегазового потока
Химический состав пылей, образующихся при производствеогнеупоров, зависит от вида перерабатываемого сырья и сжигаемого топлива, какэто показано в табл. 2.2 [1].
Таблица 2.2
Химический состав пылей, образующихся при производстве огнеупоров
/>
Примечание. Числитель – при сжигании высокосернистого мазута,знаменатель – природного газа.
Данные, приведенные в табл. 2.2, были использованы авторамипри выборе материалов для изготовления устройств, обеспечивающих выравниваниепылегазового потока.
Одним из существенных факторов при проектировании иэксплуатации газораспределительных устройств после электрофильтров являетсяудельное электрическое сопротивление пыли. Следует отметить, что в интервалетемператур 130-180°С значения удельного электрического сопротивления почти всехпылей огнеупорного производства оказываются выше критического (1010-1011ом·см), что позволяет рассчитывать на успешное применение газораспределительныхустройств.
В таблице 2.3 приведены значения удельного электрическогосопротивления пылей огнеупорного производства и соответствующие им значениявлагосодержания и температуры.
Таблица 2.3
Удельное электрическое сопротивление пыли, образующихся при производстве огнеупорных изделий
/>
Данные о содержании влаги в дымовых газах используют привыборе рабочих температур для газоходов, пылеулавливающих аппаратов иаэродинамических газораспределительных устройств.
При рабочей температуре, близкой к точке росы, происходитналипание пыли и коррозия стенок аппаратов, газоходов и вспомогательныхустройств. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем и аппаратовпылеулавливания наибольший интерес представляют сведения о точке росы газов, подлежащихочистке. Для пылей глины, известняка, доломита и магнезита точка росыпылегазовых потоков, как показано в [5], меняется в пределах от 39°С до 58°С.
Низкое значение точки росы газов позволяет организоватьработу и соответствующих газораспределительных устройств при температурах ниже100° С. Это имеет большое значение, так как снижение температуры заметноуменьшает объемы дымовых газов, подлежащих обеспыливанию.
3. Аэродинамические проблемы эксплуатации пылеуловителей
В производстве огнеупоров пылеулавливание являетсянеотъемлемой частью технологического процесса, так как сырьевые материалы приих переработке находятся во взвешенном состоянии и необходимо максимальноеизвлечение их из газовой среды.
Поэтому должно быть обеспечено эффективное пылеулавливание нетолько по санитарным, но и по технологическим соображениям. Выбор схемыначинается с анализа исходных данных. Физико-химические свойства газов и пылипозволяют выбрать дополнительные устройства, тягодутьевое оборудование иконструкционные материалы для изготовления аппаратов и газораспределительныхустройств.
После оценки гидравлического сопротивления и ожидаемойэффективности выбранных аппаратов формулируют дополнительные требования кгазораспределительным устройствам.
В табл. 3.1 приведены ориентировочные сводные данные обэффективности различных пылеуловителей, используемых в огнеупорнойпромышленности.
Таблица 3.1
Ориентировочная эффективность различных пылеуловителей вогнеупорном производстве
/>
Привыборе аппаратов, указанных в табл. 3.1, учитывают и аутогезионные свойствапыли, чтобы исключить залипание рабочих элементов (рукавов, осадительных икоронирующих электродов), коммуникаций, дополнительного оборудования итранспортных приспособлений. Абразивные пыли приводят к истиранию рабочихповерхностей, что вызывает перераспределение скоростей пылегазового потока врабочем сечении аппарата и резкое ухудшение аэродинамических условий разделениягазовой гетерогенной системы с твердой дисперсной фазой, приводящее к снижениюэффективности пылеуловителя.
Таким образом, разработка способов оптимизации аэродинамическихусловий эксплуатации систем пылеулавливания, что является предметом настоящейработы, является непременным условием обеспечения их эффективности.
С учетом современных тенденций [6] эта задача актуальна дляфильтрующих и других аппаратов полочного типа с насыпными слоями зернистых (кусковых)тел, для аппаратов радиального типас прохождением потока через боковуюпроницаемую поверхность, состоящую из слоя сыпучих или цементированных тел,ткани, волокон, различной набивки, сеток, решеток и т.п., дляколлекторных систем с равномерной раздачей потока и, конечно, дляэлектрофильтров с их исключительным разнообразием условий подвода пылегазовогопотока.
Поэтомуособый интерес представляет анализ механизма растекания пылегазового потока пораспределительным устройствам.
Вомногих случаях выравнивание потока может быть достигнуто с помощью специальныхнаправляющих устройств (лопатки, разделительные стенки и пр.)
Выравниваниепотока может быть осуществлено также с помощью сопротивлений, рассредоточенныхпо сечению. В качестве таких сопротивлений используют различные виды решетокили сеток, насыпные слои кускового или сыпучего материала и др.
Квалифицируязернистые слои как весьма перспективные способы пылеулавливания в огнеупорномпроизводстве, рассмотрим схему протекания пылегазового потока через такие слои,как это показано на рис. 3.1 [7].
Притолщине слоя с коэффициентом сопротивления, соответствующим оптимальномузначению (рис. 3.1, а), пылегазовый поток, набегая узкой струей, постепеннорастекается от сечения к сечению и за слоем устанавливается наиболееравномерное поле скоростей. С увеличением толщины слоя, а следовательно, изначения степень растекания перед фронтом слоя будет возрастать до тех пор,пока узкая струя, набегающая на слой, не станет растекаться по его фронтуполностью (рис. 3.1, б). Это растекание происходит так, что периферийная частьструи устремляется к стенке канала почти параллельно фронту слоя. В результатев первых внутренних сечениях слоя профиль скорости становится неравномерным сповышенными значениями в центральной и пристенной областях (рис. 3.1, б и в). Вследующих сечениях слоя характер профиля скорости будет меняться под влияниеммногих факторов, одним из которых является пристенный эффект. При этом взависимости от формы, шероховатости и других особенностей частиц (зёрен) слоявлияние стенки сказывается либо на очень узкую область сечения (0,5 — 5,0) d3, либо на широкую (несколько десятков диаметров зёрен). Наибольшаяпроницаемость слоя получается у самой стенки (ε ≈ 1).
Повышеннаяпроницаемость слоя вблизи стенки аппарата обусловлена и частицами слоя [8].Переменная по сечению пористость обусловливает переменное сопротивление иприводит к перетеканию части газа из центральной области к периферии. При этомскорости в центральной области уменьшаются, а в пристенной еще болеевозрастают, и на выходе из слоя устанавливается профиль скорости вогнутой формыс резко повышенной скоростью у стенки.
Формапрофиля скорости 2, показанная на рис. 3.1, б, будет иметь место только в томслучае, когда упаковка слоя остается неизменной после его засыпки. Если впроцессе эксплуатации под действием тех или иных факторов первоначальнаяупаковка и проницаемость слоя будут изменены, то распределение потока в немполучится еще более неравномерным (рис. 3.1, в). Если поток движется в аппаратесверху вниз и проходит слой, лежащий на сетке или перфорированном листе(решетке), то не исключена возможность полного или частичного перекрытиячастицами слоя проходных отверстий сетки или решетки. Тогда возникаетдополнительная неоднородность слоя [9].
Все этифакторы создадут аналогичную неравномерность распределения скоростей в слоетакже и при набегании на него потока полным сечением (см. рис. 3.1, г).
Приуказанных условиях в сечениях за слоем профиль скорости будет дополнительнодеформироваться еще и вследствие эффекта подсасывания. Поэтому профилискорости, измеренные за слоем, не будут точно отражать истинного распределенияскоростей внутри слоя (см. кривые 2 и 3, рис. 3.1, б и г).
Дляустранения или уменьшения влияния пристенного эффекта на протекание жидкостичерез насыпной слой можно разделить поперечное сечение перфорированными листамиили сетками 4 (см. рис. 3.1, д) переменного живого сечения. Это приведет кувеличению сопротивления вблизи стенки и к устранению возникающейнеравномерности распределения скоростей. Перетекание жидкости к стенке можнопредотвратить вертикальными перегородками 5, установленными вдоль слоя (см.рис.3.1, е).
Эффективными простым способом уменьшения пристенного эффекта может быть установка узкихколец на определенном расстоянии одно от другого вдоль слоя. Такие кольцаувеличат сопротивление проходу газа через пристенные каналы и уменьшатвозможность перетекания ее к стенкам аппарата.
Исследованияаэродинамики зернистых слоев, расположенных на различном расстоянии отцентрального входа струи [12], показали, что с ростом значений Re неравномерность распределенияскоростей уменьшается. Практический интерес представляет качественная иколичественная оценка пристеночного эффекта, являющегося источникомсущественной неравномерности поля скоростей. Отмечается [13] несимметричныйпрофиль и резкое повышение скоростей и массовой концентрации дисперсной фазы впристеночной зоне, возрастающее с уменьшением комплекса Dслоя/d3.В [14]обсуждается влияние шероховатости стенок на потери напора и распределениескоростей при фильтровании воздуха через неподвижные и движущиеся зернистыеслои; отмечается снижение перепада давлений в цилиндрическом аппарате припереходе от неподвижного к движущемуся слою с одновременным увеличениемпристеночного эффекта.
Оченьпоказательны результаты опытов по выявлению характера зависимости wi/wK = φ(y/Re) за слоевой насадкой с диаметромзерна d3от 0,6 до 25 ммпри 177
Суменьшением диаметра зерен и резким увеличением ξсл коэффициентсопротивления проходных каналов у самой стенки ξкан меняетсянезначительно, так как сопротивление трения на самой стенке не зависит от d3. Это и приводит к резкомувозрастанию степени перетекания газа к стенке при понижении Re с уменьшением d3 [15].
/>
Рис. 3.1. Схема протекания потока через насыпной слой [7]:
а – узкая струя, слой с оптимальным коэффициентомсопротивления (ξсл= ξопт); б – то же, ξсл> ξопт и при влиянии только стенки аппарата; в – то же, при дополнительном влиянии неоднородности слоя; г– однородный поток, влияние стенки аппарата; д – с решетками переменногосопротивления; е – с продольными разделительными стенками; 1 – зона, непродуваемая потоком, или со сниженными скоростями; 2 – примерный профильскорости непосредственно на выходе из слоя; 3 – то же, на небольшом расстоянииза ним; 4 – решетка; 5 – продольная стенка; 6 – профиль скорости внутри слоя; 7– кольцевое ребро.
В методическом плане исследования аэродинамики зернистыхслоев требуют определения степени неравномерности распределения пористости взернистых фильтрующих слоях насыпного или связанного типа. Для решения этойзадачи применяют традиционные способы – микрофотографию, жидкостную порометриюотдельных образцов под вакуумом или давлением, наполнение пор отдельныхобразцов люминофором и регистрацию яркости свечения люминофора после облученияобразца источником ультрафиолетового света, анализ локальной пористости путемизмерения расхода газа через небольшие площади пористой поверхности споследующим использованием для расчета кинетических закономерностей Дарси,гидростатическое взвешивание отдельных частей образца, электромагнитнуюдефектоскопию [10].
Вышеуказанныеметоды не позволяют измерять пористость непосредственно при эксплуатации,связаны с нарушением структуры образца, например, при гидростатическомвзвешивании, и отличаются относительной сложностью оборудования.
Свободныйот этих недостатков магнитоэлектрический дефектоскоп неприменим для немагнитныхзернистых фильтрующих слоев.
Ксожалению, сведения о совместном влиянии геометрической формы игранулометрического состава фильтровальных элементов из пористых материалов нанеравность распределения пор неполны и противоречивы.
Особыйинтерес представляет определение профиля скоростей в слое насыпного материала,позволяющее судить о степени неравномерности пористости.
Непосредственноеизмерение скоростей в слое трубками Прандтля здесь неприменимо даже прииспользовании самых миниатюрных датчиков динамического напора, так как векторскорости потока меняет свое направление от нуля у поверхности зерна домаксимальной величины в средней части просвета между зернами.
По-видимому,наиболее надежные результаты можно получить, измерив значения локальнойскорости w непосредственно на выходе потока изслоя.
Необходимоотметить оригинальные, получившие широкую известность [11] методики косвенногоизмерения локальной скорости внутри зернистого слоя, основанные на продвижениифронта сорбции в слое или на оценке интенсивности массоотдачи от поверхностиодиночных, медленно испаряющихся зерен (нафталина), заложенных в различныхучастках слоя.
Нетруднозаметить, что описанные методики достаточно трудоемки, предпочтительная областьих применения ограничена лабораторными условиями и узким температурнымдиапазоном, и поэтому применение их для целей экспресс-анализа впроизводственных условиях недостаточно перспективно.
Решениеаэродинамических аспектов повышения эффективности пылеуловителей связано санализом механизма растекания потока по плоской (тонкостенной)распределительной решетке.
Плоские(тонкостенные) решетки обладают специфической особенностью, заключающейся втом, что при достижении определенных значений коэффициента сопротивления этирешетки усиливают неравномерность потока за ними, придавая профилю скоростихарактер, прямо противоположный характеру распределения скоростей перед ними.
Растеканиеструи до бесконечности возможно только при установке решетки в неограниченномпространстве (рис.3.2, а). Если решетка находится в трубе (канале) конечныхразмеров (рис. 3.2, б), структура потока за ней будет иная. Так, например, вслучае центрального (фронтального) набегания жидкости на решетку в виде узкойструи, последняя, растекаясь радиально и достигая за решеткой стенок трубы(канала), неизбежно изменит свое направление на 90° и дальше будет перемещатьсявдоль стенок в виде кольцевой струи. В условиях реальной среды, вследствиетурбулентного перемешивания, газ, подходя к стенкам трубы (канала), будетувлекать за собой неподвижную часть газа из центральной части сечения. Наосвободившееся место из более удаленных от решетки сечений будут поступатьдругие массы жидкости, и в центральной части сечений за решеткой возникнутобратные токи, а профиль скорости за решеткой будет иметь«перевернутую» форму (см. рис. 3.2, б). На рис 3.3. представлена схемапотока и поля скоростей в пылеуловителях при центральном симметричном входевверх.
«Перевернутый»профиль скорости за решеткой должен возникать и при не очень больших значенияхкоэффициента сопротивления решетки (ζр> ζкр),но при этом в центральной части сечения еще будут иметь место положительныескорости (рис.3.3, в).
Дальнейшееувеличение коэффициента сопротивления решетки должно привести к тому, чтоперетекание жидкости к стенкам трубы (канала) будет усиливаться, образующаясяпри этом кольцевая струя будет все больше поджиматься, скорость ее возрастет, азона обратных токов соответственно расширится. При больших значениях 5 ваппаратах с большим отношением площадей Fk/Fo плоская решетка принципиально неможет обеспечить равномерное распределение скоростей в сечениях на конечномрасстоянии за ней.
Прибоковом набегании струи поток по инерции будет устремляться по оси входавперед, пока не достигнет противоположной стенки (рис.3.4, а).
Затемструя будет растекаться по стенке во все стороны. При этом часть потока возвратитсяв нижнюю зону аппарата, возмещая ту часть, которая подсасывается струей. Полноевыравнивание потока по сечению произойдет на сравнительно большом расстоянии отвхода.
Если напути потока (рис.3.4, б) установить решетку, то струя, набегая на нее состороны задней стенки аппарата, начнет по ней растекаться в сторону переднейстенки (входного отверстия). Вследствие турбулентного перемешивания сокружающей средой профиль скорости за плоской решеткой при боковом входе ваппарат получится «перевернутым».
/>
Рис. 3.2. Схема набегания на решетку узкой струи [7]:
а – в неограниченном пространстве; б – в трубе (канале)
/>
Рис. 3.3. Схема потока и поле скоростей в аппарате прицентральном симметричном входе вверх
а – без решетки; б – с плоской решеткой ξр ≥ξкр; в – с плоской решеткой ξр
Если растекание струек вдоль поверхности решетки при выходеиз ее отверстий устранить установкой направляющих пластин, то«перевертывания» профиля скорости не произойдет, и при достаточнобольшом значении коэффициента сопротивления решетки установится равномерноераспределение скоростей (рис.3.4, в). При близком расположении решеткиотносительно потока струйки, вытекающие из отверстий плоской решетки, будутиметь то же направление, что и струя на входе в аппарат, вследствие чего при достаточнобольших значениях ζр решетки жидкость за ней будетперетекать к задней стенке, и вблизи нее скорость струек будет минимальной(рис.3.4, г).
/>
Рис. 3.4. Схема потока в аппарате при боковом входе:
а – без решетки; б – с плоской решеткой с очень большимзначением ξр на большом удалении ее от входного отверстия (Hp/DK > 0,14÷0,15); в – сплоской решеткой с большим значением ξр и с спрямляющимустройством за ней (Hp/DK > 0,14); г – с плоской решеткойпри Hp/DK = 0; д – с плоской решеткой наоптимальном расстоянии от входного отверстия [(Hp/DK)опт = 0,1÷0,14].
Поток ваппарат может быть введен противоположно направлению потока в рабочей камере,например, через подводящий участок в виде отвода или колена с выходнымотверстием, повернутым вниз. В этом случае струя на входе в аппарат направленак днищу (или на специальный экран), по которому растекается радиально. Поток,поворачиваясь вдоль стенок аппарата на 180°, пойдет вверх в виде кольцевойструи. Поэтому в случае центрального подвода жидкости, направленного к низуаппарата, когда образуется кольцевая струя, будет обеспечено значительноерастекание ее по сечению уже на подходе к рабочей камере даже без каких-либораспределительных устройств.
Посколькуодна плоская решетка без дополнительных устройств не всегда эффективна прииспользовании ее в качестве распределительного устройства, возникаетнеобходимость в других способах выравнивания потока. Одним из способов являетсяпоследовательная установка системы плоских решеток, каждая из которых имеетменьший коэффициент сопротивления, чем необходимыйкоэффициент сопротивления при одной решетке. Результаты выполненного анализамеханизма растекания пылегазового потока по распределительным устройствамиспользованы в дальнейшем для оптимизации аэродинамических условий эксплуатациипылеуловителей.
4. Реальные поля скоростей и оценкаих влияния на эффективность пылеуловителей
Рассмотренные в главе 2 возможности использованиякоэффициентов Буссинеска Мки Кориолиса NK для оценки влияния степенинеравномерности распределения скоростей пылегазового потока на эффективностьпылеулавливания в сочетании с содержащимся в 3-й главе анализом, разработкой ирасчетом устройств для равномерной раздачи пылегазового потока по рабочемусечению позволяют перейти непосредственно к оценке аэродинамических способовповышения эффективности пылеуловителей. Основное внимание при проведенииэкспериментов уделяют обычно наиболее перспективным в производстве огнеупоровпылеуловителям — зернистым насыпным фильтрам, цилиндрическим пористымфильтрующим элементам, некоторым видам инерционных и вихревых пылеуловителей,используемых в качестве предварительных ступеней очистки, и электрофильтрам.
Так, экспериментальные стенды, представленные в разделе 2.4(рис. 2.17, 2.18), позволяли проводить исследования в достаточном для решенияпоставленных задач объеме факторного пространства и в широком диапазонеизменения самих факторов, влияющих на значенияМк и NK.В качестве примера на рис. 4.1 показано распределение безразмерных скоростейпотока wi / wK через образец фильтрующего материала из порошка нержавеющейстали ПНС-5, обладающий наибольшим по сравнению с другими образцамикоэффициентом гидравлического сопротивления (ξ = 655) и наименьшими значениями МK при изменении H/D.Здесь Н — расстояние от входа потока до образца, D — диаметр аппарата.
/>
Рис. 4.1. Распределение безразмерных скоростей потока черезобразец ПНС – 5 при H/D: а – 0,15; б –0,30; в – 1,20
Зависимости MK=f(H/D)для образцов с различными коэффициентами гидравлического сопротивленияпредставленные на рис. 4.2 свидетельствуют о снижении значений Мк с увеличением симплекса H/D и коэффициента что удовлетворительносогласовывается с современными теоретическими представлениями.
/>
Рис. 4.2. Зависимость MK=f(H/D) для образцафильтрующих материалов из порошков нержавеющей стали при ξ: 1 – 655(ПНС –5); 2 – 488(ФНС – 5); 3 – 414(ПНС – 30)
Зависимости коэффициентов изменения общего и фракционных проскоковот коэффициента Буссинеска, т.е., K'w =х(Мк) и (К'W)Ф = ψ/(Мк) для образцов ПНС-5 и ПНС-30 сэкспериментальными значениями ζ иМк, приведенные на рис. 4.3, свидетельствуют о весьмасущественном влиянии даже небольшой неравномерности поля скоростей (Мк
Результаты экспериментов обнаруживают определенное отклонение значений K'w и(К'W)Ф, по счетной концентрации от расчетного значения K'w по массовой концентрации. При этомстепень отклонениявозрастает суменьшением ζ и увеличением Мк, что удовлетворительносогласовывается смеханизмом рассматриваемого процесса.
Для частиц пыли с размером более 0,8 мкм (ПНС-5) и 2,0 мкм (ПНС-30) сувеличением Мк значение(К'W)Ф
/>
Рис. 4.3. Зависимость K’w= х(Мк) и (К'W)Ф = ψ/(Мк):
1,2 – расчет — K'w помассовой концентрации (wk = 1·10-2, 1·10-1 м/с); 3 –эксперимент — K'w по счетной концентрации (wk = 1·10-1 м/с; ПНС – 5); 4-10 – эксперимент — (К'W)Ф по счетной концентрации (wk = 1·10-1 м/с) и размерах частиц пыли, мкм: ПНС –5;
Семейство кривых, представленных на рис. 4.3, отражает один итот же процесс при различных сочетаниях входных параметров и механизмов,влияющих на величину (К'W)Ф.
Оценка этих кривых, позволившая предположить ихлогарифмический характер, и обработка экспериментальных данных подтвердилиуравнение приближенной регрессии[5]:
/>
(4.1)
где а (δ), b(δ) — амплитуды кривой; δ =dP/dэ; dP, dэ — размеры частицы дисперсной фазы и порового каналафильтрующего материала.
Отдавая предпочтение линейному характеру функций а(δ) и b(δ) по δ, введявспомогательную переменную z =ехр />,линейно зависящую от Мк, и контролируя справедливость линейнойгипотезы по коэффициенту корреляции rMk, z,авторы получили из уравнения (4.1) для ПНС-5 и ПНС-ЗО соответственно
/> (4.2)
/>
(4.3)
Значения (К'W)Ф — экспериментальные и теоретические, рассчитанные поуравнениям (4.2) и (4.3), эмпирические коэффициенты корреляции rMk,z и регрессии β= 1/b(δ), относительныеошибки ∆(К'W)Ф/(К'W)Ф приведены в табл. 4.1.
Таким образом, указанные семейства кривых подаютсяунифицированному описанию функциями единого типа с закономерным изменениемкоэффициентов от одной кривой к другой с хорошо прослеживаемой зависимостьюэтих коэффициентов от дополнительного параметра δ.
Правомерно заметить, что такое описание непременно отражаетопределенные существенные особенности процесса.
При конструктивном решении фильтров из пористых металловнеобходимо учитывать, что значения K'w и (К'W)Ф могут оказаться симбатными или антибатными со значением Мкв зависимости от размера частиц дисперсной фазы.
Таблица 4.1.
К аналитическому описанию семейства кривых (К'W)Ф = ψ/(Мк)ф. Теоретические иэкспериментальные значения (К'W)Ф
/>
Аналогичные по характеру результаты были получены [17] приисследовании зависимостей wr/wk = φ(y/R) и К’w = х(Мk) для кольцевых и цилиндрических фильтрующих элементовиз пористых металлов с размером гранул от 0,1 до 0,4 мм. Поля безразмерныхскоростей для исследованных образцов фильтрующих элементов показаны на рис.4.4.
/>
Рис. 4.4. Поля безразмерных скоростей:
а, б – кольцевой диск, фракция порошка 0,1 – 0,2 и
Выравниванию потока в элементах этого типа способствует повышение значения связанное с переходом кболее тонкой фракции металлического порошка (рис. 4.4, б). Однако длябольшинства промышленных аппаратов стремление к полному выравниванию потокатакой дорогой ценой (резкое повышение гидравлического сопротивления) неоправдано.
Удовлетворительное распределение скоростей достигается пообразующим пористых труб (рис. 4.4, в ).
Отдельные пиковые значения локальных безразмерных скоростейобъясняются неравномерной проницаемостью пористых металлов, зависящей отструктуры исходных материалов.
Интересно отметить, что расчетное определение степенинеравномерности распределения потока в пористом цилиндре, приближающемся посвоим геометрическим размерам к рациональному промышленному исполнению (длина3000 мм, ø90 х 5 мм) и изготовленному из грубой фракции порошка (0,2 — 0,4мм), обнаруживает теоретически полное растекание потока по поверхности.
Значительная и характерная неравномерность в распределениискоростей по сечению чечевицеобразных фильтрующих элементов связана не только сдиффузорным эффектом, состоящим в быстром падении скоростей при радиальномрастекании струи, но, по-видимому, и с переменным по диаметру коэффициентомсопротивления, что является результатом неравномерного распределения пор,возникшего в процессе изготовления элементов такого рода.
На рис. 4.5 и 4.6 представлены реальные поля скоростей (а),полученные авторами непосредственно в производственных условиях Семилукскогоогнеупорного завода и последовательные этапы графоаналитического определениязначений MK в этих сечениях (б, в) для наиболеераспространенных в условиях огнеупорного производства рабочих сечений пылеуловителейкруглой и кольцевой форм.
Представленная на рис.4.5 и 4.6 последовательностьграфоаналитического определения значений МK имеет и самостоятельное значение, так как может бытьиспользована для оптимизации аэродинамических условий эксплуатации пылеуловителейв любых отраслях промышленности.
Авторы располагают широким спектром разнообразных исходныхданных, эпюр безразмерных скоростей и графоаналитическими расчетами значений MK для рабочих сечений круглой и кольцевой форм различногодиаметра (от 0,8 до 4,0 м) и кольцевого сечения (при DНК/DВК = 2,5).
Этот банк данных существенно сократит материальные ресурсы изатраты времени на проведение специальных и достаточно трудоемкихаэродинамических экспериментов.
/>
Рис. 4.5. Графоаналитическое определение значений MK для круглого сечения:
а – исходные данные; б – расчет значения wK; в – расчет значения MK
/>
Рис 4.6. Графоаналитическое определение значений MK для кольцевого сечения:
а – исходные данные; б – расчет значения wK; в – расчет значения MK
5. Экономические преимуществааэродинамической оптимизации систем и аппаратов пылеулавливания
Вусловиях перевода природоохранной деятельности предприятий производстваогнеупоров на хозрасчет и самофинансирование становятся особенно актуальнымидостоверные методы оценки экономического ущерба основнымпромышленно-производственным фондам (ОППФ) от пылевых выбросов. Количественнаясторона такой оценки в значительной мере зависит от аэродинамическогосовершенства систем и аппаратов пылеулавливания.
Длярешения этой проблемы имеется представительный банк информационных, расчетных,конструктивных и методических данных в широком диапазоне измененияфизико-химических параметров пылегазовых потоков.
Однакодо настоящего времени целесообразность активного воздействия нааэродинамические условия эксплуатации систем пылеулавливания в огнеупорномпроизводстве оставалась невостребованной, что в значительной мере снижалоэффективность пылеулавливания.Между тем, доказано, что эксплуатацияоборудования в пылевой воздушной среде приводит к неизбежным издержкам в видепрямых потерь или дополнительных затрат на обеспечение нормального технологическогорежима. Оценка таких потерь должна базироваться на следующих предпосылках[16]:-приоритет общегосударственных интересов, при котором составляющиеэкономического ущерба ОППФ должны включать не хозрасчетные потери конкретногопредприятия, а народнохозяйственные потери в целом, выраженные в виденедопроизводства национального дохода и включающие потери дефицитногопорошкообразного сырья за счет аэродинамического несовершенства системпылеулавливания и аспирации. Поэтомусамостоятельный и выходящий за пределы огнеупорного производства интереспредставляет разработка единой методики экспериментальной и расчетной оценкистепени неравномерности распределения пылегазового потока по сечениям и анализсоциально-экономических условий эксплуатации усовершенствованных ваэродинамическом плане систем пылеулавливания в сочетании с аргументированнойквалификацией коммерческих перспектив реализации полученных результатов; — определенная степень допущений и субъективных оценок при анализе экономическогоущерба ОППФ в связи с отсутствием единых взглядов на общую концепциюэффективности общественного производства;
— экономический ущерб ОППФ в большей степени зависит от фактора времени, чемлюбой другой ущерб. Это связано с тем, что негативные последствия воздействияпылевых выбросов на ОППФ (внеплановые ремонты движущихся и вращающихся узлов идеталей, ремонты подшипников, редукторов, насосов, аспирационных систем,дробилок, мельниц, КИП и автоматики, мойка, чистка, смазка и т.д.) нарастаютнеравномерно, по мере их физического и морального износа. Поэтому расчетыдолжны охватывать достаточно длительный период (5-7 лет). Влияние факторавремени при анализе экономического ущерба ОППФ в связи с аэродинамическимнесовершенством условий эксплуатации пылеуловителей особенно чувствительно, таккак кинетика нарастания негативных явлений в этом случае носит далеко нелинейный и поэтому непредсказуемый характер.
Список используемых источников
1. Алиев Г.М. – А.Эксплуатация аппаратов и систем пылеулавливания на огнеупорных заводах. – М.,Металлургия, 1977.-287 с.
2. Каталоггазоочистного оборудования. Методическое пособие/Под ред. А.Ю. Вальдберга /Центр обеспеч. Эколог. Контроля при Гос. Комит. РФ по охранеокруж. Среды, С.-Петерб.:197. 232 с.
3. Красовицкий Ю.В.,Дуров В.В. Обеспыливание газов зернистыми слоями.-М.,1991.-192 с.
4. Красовицкий Ю.В.,Малинов А.В., Дуров В.В. Обеспыливание промышленных газов в фаянсовомпроизводстве. – М., Химия, 1994. – 272 с.
5. Анжеуров Н.М.Разработка аэродинамических способов повышения эффективности пылеулавителей впроизводстве огнеупоров. Канд. Дисс.- Воронеж, ВГАСА, 1997. -266 с.
6. Красовицкий Ю.В.,Балтренас П.Б., Энтин В.И., Анжеуров Н.М., Бабкин В.Ф. Обеспыливаниепромышленных газов в огнеупорном производстве. – Вильнюс, “Техника”, 1996.-208с.
7. Идельчик И.Е.Аэродинамика контактных, фильтрующих и адсорбционных аппаратов со стационарнымслоем зернистых материалов. – М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1982. – 40 с.
8. Котелкин В.Д.,Мясников В.П. Влияние деформации засыпки на течение газа в химическом реакторес неподвижным слоем катализатора. //ДАН СССР. – 1979. – Т. 247. — № 1. С. 170 –179.
9. Вайсман А.М.,Гольдштик М.А. Динамическая модель движения в пористой среде. // Изв. АН СССР.Механика жидкости и газа. – 1978.- № 9. С. 89-94.
10. Белов С.В. Пористыеметаллы в машиностроении. – М., Машиностроение, 1981.–248 с.
11. Аэров М.Э., ТодесО.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. – Л., Химия,1979. – 176 с.
12. Шахова Н.А.,Луканев В.А. Исследование истечения газовой струи в неподвижный слой зернистогоматериала. // Инженерно-физ. журнал.- 1975. – Т. XXIV. — № 3. – С. 397 – 402.
13. Курчаев Е.Ф.Пристеночный эффект в моделях осветителей и фильтров. // Водоснабжение исантехника. – 1989. — № 9. – С. 4 – 7.
14. Дурнов В.К.,Тимофеев В.Н. Влияние степени шероховатости ограждающих стенок на потери напораи относительное распределение скоростей фильтрации воздуха в неподвижном идвижущемся зернистых слоях // Инженерно-физический журнал. – 1972. – Т. XXII. — № 1.- С. 107–116.
15. Гельперин И.И.,Каган А.М., Пушнов А.С. Некоторые закономерности газораспределения внеподвижном зернистом слое // Химическая промышленность. 1982. — № 8. – С. 481– 485.
16. Семененко Б.А,Телиженко А.М. Методические принципы оценки экономического ущерба основным фондампромышленности в результате загрязнения атмосферы.- НПО “Союзстромэкология”, Труды 89.- Новороссийск, 1989.- С.32 – 40.
17. Карнеева Н.Ю.Экспериментальный стенд для исследования фильтрованных перегородок из пористыхметаллов. // Порошковая металлургия. 1984. № 10. С. 95 – 98.