Сепарация капельных аэрозолей в жалюзийных каплеуловителях с использованием электростатических сил

Научно-технический прогресс резко обострил экологические проблемы. Охрана окружающей среды, создание благоприятных условий для жизни и труда человека является важнейшей задачей.

В нашей стране, несмотря на резкое возрастание числа автомобилей, основным загрязнителем окружающей среды, и особенно атмосферы, является промышленное производство. В частности, производство цветных и редких металлов почти на всех стадиях технологического процесса сопровождается образованием пыли, которая уносится технологическими и вентиляционными газами. В эти газы в виде примесей переходят окислы серы, хлористый водород, хлор, фтор, и др. Особенно интенсивно пылегазовые вредности образуются при обжиге и плавке концентратов в кипящем слое и взвешенном состоянии, в возгонных процессах [1,2].

Основным нормативным документом по охране окружающей среды являются санитарные нормы (СН-245−71). В этих нормах определяются санитарно-гигиенические и технические требования к проектированию промышленных предприятий и вентиляционных установок [3]. Установлены научно обоснованные санитарные нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в атмосфере, как для воздуха населенных пунктов, так и для рабочей зоны, определены размеры санигарно-защигной зоны, зависящие от вида предприятия, его мощности, количественных и качественных характеристик выбросов в атмосферный воздух. Размер санитарно-защитной зоны должен обеспечивать рассеивание в атмосфере вредных веществ с учетом суммарного загрязнения наружного воздуха как технологическими и вентиляционными выбросами, так и существующим (фоновым) загрязнением. Внедрены государственные стандарты (ГОСТы), определяющие предельно допустимые выбросы (ПДВ) вредных веществ в атмосферу, пылеулавливающую аппаратуру, методы контроля качества воздуха. Согласно ГОСТ 17.0.0.04−90 каждое промышленное предприятие должно иметь экологический паспорт [4].

Разработаны современные методы расчета выбросов вред ных веществ в атмосферу для основных отраслей промышленности (ОНД-86), которые позволили внедрить унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Гарант-1», «Эколог» и др. для ПЭВМ [5,6,7].

В настоящее время для охраны окружающей среды в промышленности развивается два основных направления:

1) совершенствование существующих технологий производства, разработка новых безотходных технологий, позволяющих уменьшить и даже ликвидировать промышленные выбросы [8];

2) борьба с загрязнением воздуха, воды и почвы путем совершенствования методов улавливания и обезвреживания пьшегазовыделений и промышленных стоков [9−11].

Составной частью проблемы охраны окружающей среды является защита воздушного бассейна от промышленных выбросов. Так, по данным [10], ежегодно выбрасывается в атмосферу более 2.5 млрд тонн различных вредных веществ. Под влиянием загрязненного атмосферного воздуха гибнут целые зеленые массивы, отравляются реки и водоемы.

Известно, что первый патент на конструкцию ценгробежного пылеуловителя-циклона был выдан в 1880 году, а первый электрофильтр построен в 1906 году [12]. Первый рукавный фильтр появился в 1886 году [13]. Сейчас в промышленности применяется большое количество пылегазоочистных аппаратов разных типов и конструкций, использующих различные физические процессы и механизмы. Однако, несмотря на более чем столетний опыт промышленной эксплуатации и разработки теоретических моделей, продолжает оставаться актуальной задача дальнейшего совершенствования пылегазоочистных аппаратов, более детальное теоретическое описание процессов осаждения и улавливания пыли и газов. Это объясняется в первую очередь возрастающими масштабами воздействия современной цивилизации на окружающую среду, такое воздействие может привести к глобальной экологической катастрофе. Также во всех странах резко ужесточаются требования к величине и составу выбросов в атмосферу. Размер штрафов за вредные выбросы становится соизмеримым с затратами на основное производство. Поэтому необходимо добиваться не только высокой эффективности работы пылегазоочистных аппаратов, но и того, чтобы выходная запыленность была сравнима с ПДК.

В настоящее время разработка современных пылегазоочистных аппаратов базируется на глубоких теоретических исследованиях отечественных и зарубежных ученых: Петрянова-Соколова И.В., Фукса Н. А., ПирумоваА.И., Ужова В. Н., Вальдберга А. Ю., Тарата Э. Я., Левжгова В. И., Верещагина И. П., Мирзабекяна Г. З., Коттреля Ф., Потенье М., Тф-ЛинденаА., Барта В., Ренни Г., Уайта Г., Страуса В., Дейча В., Му-шелькнаутца Э. Эти исследования позволили повысить уровень экспериментальных работ при разработке промышленных конструкций пылеуловителей.

Много внимания уделяется интенсификации работы существующих пылегазоочистных систем.

Одним из наиболее перспективных способов такой интенсификации является метод предварительной электризации. Предварительная электризация многофазных систем позволяет значительно повысить эффективность работы аппаратов мокрой очистки. Однако сложные физико-химические процессы в этих аппаратах, трудности их математического описания, отсутствие инженерных методов расчета сдерживают практическое применение метода, хотя предварительная электризация позволяет эффективно улавливать тонкие фракции [21]. В основном это вызвано коагуляцией частиц в электрическом поле.

Разработке теоретических основ коагуляции посвящены работы Смолуховскош М., Фукса Н. А., Маркуса А., Фридландера С., Дерягина Б. В., Левича В. Г., Медникова Е. П., Лушникова А. А., Белоусова В. В., Пенькова Н. В., и др.

Известны способы электрической очистки с разделением зон электризации и осаждения. С целью снижения выбросов кислотного (H2S04- НС1) капельного аэрозоля, плохо улавливаемого механическими каплеуловителями в системах мокрого пылеулавливания на предприятиях цветной металлургии, представляется целесообразным использовать предварительную электризацию перед жалюзийным каплеуловителем.

Целью настоящей работы является:

— Разработка способа и технического средства, направленных на снижение концентрации капельного аэрозоля в газах на выходе из систем мокрого пылеулавливания.

Задачи исследований:

— предложить математическую модель движения и осаждения капельного аэрозоля в мокром инерционном электростатическом фильтре (МИЭФ) при последовательном прохождении в высоковольтном ионизаторе и жалюзийном каплеуловителе;

— экспериментально установить зависимость эффективности канлеулавливания от аэродинамических параметров потока и физико-механических характеристик высоковольтного ионизатора и жалюзийного каплеуловителя;

— получить экспериментальные данные о влиянии величины коронирующего напряжения в высоковольтном ионизаторе на степень коагуляции капельного аэрозоля;

— определить оптимальные технологические параметры процесса каплеулавливания МИЭФ с учетом результатов теоретических исследований и промышленных испытаний;

— разработать автоматизированный метод расчета эффективности МИЭФ в зависимости от его конструктивно-технологических параметров;

— разработать мокрый инерционный электростатический фильтр (МИЭФ).

Методика выполнения работы была следующей:

— вначале была решена система дифференциальных уравнений коагуляции, движения и зарядки капель жидкости в ионизаторе и осаждения в каплеуловителе;

— затем на основе математического моделирования и матричного планирования проводились экспериментальные исследования процессов в мокром инерционном электростатическом фильтре на опытной установке, подтвердившие основные выводы теоретических исследований;

— на последнем этапе были проведены промышленные испытания на установке производительностью 10 000 м3/ч, в составе технологической газоочистки агломашины № 5 АФ ОАО «Норильская горная компания», показавшие высокую эффективность мокрого инерционною электростатического фильтра (МИЭФ) и разработан метод автоматизированного расчета аппарата.

Основная идея работы заключается:

— в использовании электрического поля для коагуляции капельного аэрозоля (наряду с улавливанием) до размеров, обеспечивающих эффективное каплеулавливание в жалюзийном каплеуловителе.

— в последующем совместном использовании механизмов электрического и инерционного каплеулавливания.

Научная новизна:

— получены экспериментальные данные о зависимости эффективности каплеулавливания от аэродинамических параметров потока и физико-механических характеристик высоковольтного ионизатора и жалюзийного каш ieyловителя;

— уточнено уравнение константы кинематической коагуляции в электрическом поле, свидетельствующее о высокой степени влияния напряженности электрического поля на величину константы;

— предложена математическая модель движения, зарядки и осаждения капельного аэрозоля в МИЭФ, учитывающая увеличении крупности капель в результате коагуляции;

— разработан автоматизированный метод расчета эффективности МИЭФ в зависимости от его конструктивно-технологических параметров;

— разработан мокрый инерционный электростатический фильтр (МИЭФ).

Положения, выносимые на защиту:

— математическая модель процесса улавливания капельного аэрозоля в жалюзийном каплеуловителе с использованием электростатических сил и экспериментальные данные о зависимости эффективности каплеулавливания от аэродинамических параметров потока и физико-механических характеристик высоковольтного ионизатора и жалюзийного каплеуловителя;

— уточненная формула константы кинематической коагуляции в электрическом поле при коронном разряде.

— конструкция МИЭФ.

— формула эффективности каплеулавливания МИЭФ.

Диссертационная работа выполнена в соответствии планами НИР и ОКР ОАО.

Норильская горная кампания" в области охраны труда и защиты окружающей среды на 1995;2000 г.

Основные результаты диссертации доложены и получили положительную оценку на:

— на международной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций», секция Промышленная экология и охрана окружающей среды г. Белгород, 1993 г.

— на международной конференции «Ресурсо — и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций», секция «Охрана окружающей среды», г. Белгород, 1995 г.

— на заседаниях научно-технического совета АО «Норильский комбинат» 1993 -1998г.

— на научном семинаре кафедры «Машины и оборудование пром. экологии» Бел-ГТАСМ г. Белгород в 1996,1999 и 2000 г.

— на международной научно-практической конференции «Экология — 2000» в Московском энергетическом институте г. Москва, 2000 г.

— на заседании научно-технического совета ОАО «Норильская горная кампания» 2000 г.

— на научном семинаре кафедры «Машины и аппарата пищевых и химических производств» ВГТА г. Воронеж, 2001 г.

Автор выражает искреннюю благодарность доценту, к .т.н. Кущеву Л. А. и доценту, к.ф.-м.н. Шаптале В. Г. за ценные советы и практическую помощь в выполнении работы.

Особую благодарность автор выражает профессору, д.т.н. Минко В.А.

Автор выражает благодарность заместителю главного механика ОАО «НГК», Ляпакову В. М., главному инженеру АФ ОАО «НГК», Болотову Ю. А., заместителю главного механика АФ ОАО «НГК», Бибилову А. А., сотрудникам Отдельной лаборатории пылеулавливания ОАО «НГК».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

— Получено критериальное уравнение 2-го порядка, определяющее зависимость эффективности каплеулавливания от аэродинамических параметров потока и физико-механических характеристик МИЭФ. Из полученного уравнения следует, что эффективность каплеулавливания увеличивается с ростом длины зарядного поля, корони-рующего напряжения и скорости газового потока в каплеуловителе.

5.1.Уточнено уравнение константы кинематической коагуляции в электрическом поле, свидетельствующее о высокой степени влияния напряженности электрического поля на величину константы. Экспериментально установлено, что при коронирующем напряжении более 20 кВ коагуляция значительно усиливается и при ~ 23 кВ, капельный аэрозоль укрупняется до диаметра d50 «20 мкм, что соответствует характеристике жалюзийного каплеуловителя.

5.2.Предложена математическая модель движения, зарядки и осаждения капельного аэрозоля в МИЭФ, учитывающая увеличении крупности капель в результате коагуляции.

5.3.Опытно-промышленпые испытания на Агломерационной фабрике ОАО «Норильская горная компания» показали достаточно высокую эффективность (до 87%) мокрого инерционно электростатического фильтра при улавливании высокодисперсной пыли и капельного аэрозоля даже при коротком (0,5 м) зарядном поле.

Мокрый инерционно электростатический фильтр принят для внедрения на предприятиях ОАО «Норильская горная компания» в соответствии с «Программой внедрения мокрого инерционного электрофильтра на предприятиях ОАО „НГК“ № ГК-673 от 04.08.2000», утвержденной главным инженером ОАО «Норильская горная компания».

5.4.На основе математической модели, с учетом результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний разработана программа автоматизированного расчета эффективности МИЭФ на ПЭВМ. Проведенные вычислительные эксперименты показали высокую сходимость экспериментальных и расчетных данных.

5.5.С помощью разработанной программы произведен расчет конструктивно-технологических параметров МИЭФ для Агломерационной фабрики ОАО «Норильская горная компания». Применение МИЭФ позволит сократить выбросы капельного аэрозоля серной кислоты на 11 170 т/год, а выбросы пыли — на 250 т/год. Определена технико-экономическая эффективность применения МИЭФ.