Исследование эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов в единичном и каскадном исполнении

Актуальность работы.

Ограниченность энергоресурсов и постоянный рост энергопотребления на производственные и бытовые нужды человечества ставят уже в ближайшей перспективе проблему обеспечения в целом жизнедеятельности на нашей планете чрезвычайно острой. Нахождение эффективных путей энергои ресурсосбережения является важной и весьма актуальной задачей.

Исчерпаемость высокореакционных качественных видов технического топлива уже в настоящее время заставляет многие предприятия энергетического комплекса переходить на использование более доступных низкореакционных, как правило, высокозольных видов твердого топлива (низкокачественные энергетические угли, твердые бытовые отходы, отходы промышленных предприятий и т. п.), что связано со значительным увеличением золоуноса в атмосферу из топочных устройств теплогенерирующих установок. Это в свою очередь усугубляет и проблему охраны воздушного бассейна. На сегодняшний день, по данным ООН, в атмосферу выбрасывается в млн. т/год: пыли -1,5−103- оксида углерода — 200- сернистого газа -150- оксида азота -1,2. Из этого объема контаминантов на ТЭЦ и ГЭС производится в %: твердых частиц — 20,5- окиси углерода — 2,4- сернистого газа — 73- окиси азота — 4,2, откуда видно, что тепловая энергетика является одним из основных загрязнителей атмосферы, дающая треть суммарных выбросов от стационарных источников.

В работе [1] отмечается, что, по оценкам американских специалистов, количество пыли, образующейся в промышленности, будет увеличиваться ежегодно на 4% за счет общего роста промышленного производства. Учитывая исчерпаемость нефти и газа в ближайшие десятилетия, основным стратегическим энергоресурсом на достаточно длительную перспективу следует считать каменный уголь [2], запасов которого, по данным различных источников [2−4], должно хватить лет на 400. Изменения топливно-энергетического баланса мира и России в сторону преимущественного использования угля неминуемо дополнительно увеличат количество выбросов вредных газов и пыли в атмосферу, что потребует совершенствования газоочистного и, в частности, пылеулавли4 вающего оборудования. Автор [1] обращает внимание на трудность решения этой проблемы, замечая, что для предотвращения роста загрязнения атмосферы средняя эффективность очистки всех выбросов к 2015 г. должна достигнуть 96%.

Естественно, что уменьшение вредностей в выбросах в атмосферу должно идти по двум направлениям, связанным как с совершенствованием технологических процессов, снижающих (исключающих — безотходные технологии) выбросы, так и с совершенствованием газоочистного оборудования.

По данным [3], в начале настоящего столетия спустя почти тридцать лет происходит возврат к новой угольной волне. Одним из сдерживающих факторов интенсивного развития в современных условиях стратегически стабильной и экономичной угольной теплоэнергетики является значительная энергоемкость для этой отрасли природоохранных технологий. В этой связи, по оценкам [5], в ближайшее время необходимо достичь снижения вредных выбросов — золы в 4−5 раз, окислов серы и азота в 3−4 раза при совместном повышении эффективности основного энергетического оборудования, снижении его металлоемкости на 20−30% и комплексном использовании отходов в народном хозяйстве: золыдля производства строительных материалов.

В странах Западной Европы расходы на природоохранные мероприятия на 1984 г. составляли 8−12% всего объема капиталовложений и 6−9% потребляемой энергии. В США на очистку газов после ТЭС затрачивалось 12−15%, в Японии 24−25% от общих расходов на строительство. Эти обстоятельства требуют разработки оборудования, обеспечивающего не только высокую эффективность очистки газов, но и минимально возможные капитальные затраты на его сооружение и удельные энергозатраты на его эксплуатацию. В США, например, уже сейчас как государством, так и частными компаниями широко поддерживается и финансируется разработка различных программ, направленных на использование каменных углей в энергетике и в большей части низкосортных, высокозольных, с обеспечением при этом экологически приемлемых параметров пылевых и газовых выбросов в атмосферу. Т. е. уже в настоящее время интенсивно создаются так называемые экологически чистые угольные технологии (The Clean Coal Technology). Это могут быть эффективные способы сжигания углей, превращения их потенциальной энергии в тепловую без выделения вредных выбросов в окружающую среду. Однако, учитывая кроме теплоэнергетики и другие загрязняющие атмосферу отрасли промышленности, основой охраны воздушного бассейна еще долго будет оставаться совершенствование газоочистных систем и аппаратов в направлении повышения их эффективности и экономичности работы.

В ТГАСУ на кафедре «Отопление и вентиляция» сформулирован энергетический принцип сравнения различных пылеуловителей и каскадов из них, а также получено его математическое выражение, позволяющее выбрать из нескольких сравниваемых пылеуловителей такие, удельные затраты энергии которых, будут наименьшими при равной эффективности пылегазоочистки.

Проведенный в [6] анализ на основе энергетического принципа показал, что каскадные системы, состоящие из нескольких низкоэффективных аппаратов, обладающих невысоким гидравлическим сопротивлением, позволяют достигать высокой степени очистки пылегазовых потоков при удельных энергозатратах значительно меньших, чем в единичном высокоэффективном пылеуловителе. При этом обращают на себя внимание результаты испытаний каскада нескольких последовательно установленных прямоточных циклонов, способного эффективно улавливать даже тонкодисперсную легкую пыль (древесная шлифовальная пыль) при относительно больших расходах воздуха (рекомендуемая скорость в плане для них 12 м/с) [7]. Однако, в известной отечественной литературе, например, [8, 9] и зарубежной [10] этим аппаратам уделяется незначительное внимание и только в контексте их использования в одиночном варианте или в качестве ступени предварительной очистки газов от грубодис-персной пыли [8] с последующим доулавливанием мелкодисперсных фракций в аппаратах тонкой очистки.

Необходимость в создании высокоэффективных и, к тому же, малоэнергоемких пылеулавливающих аппаратов требует более детального изучения и разработки эффективных каскадных систем на основе прямоточных циклонов, как наиболее простых и надежных в эксплуатации, комплексное исследование которых является предметом настоящей диссертационной работы.

Работа выполнялась в рамках тематических планов по заданию Минобразования РФ по теме 2.3.01 «Исследование процессов взаимодействия высокоэн-тальпийных потоков газа с дисперсными частицами при производстве строительных материалов» (2001;2005), а также научно-технической программы МО РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы 211 «Архитектура и строительство» по теме «Разработка энергетического принципа сравнения и компоновки пылеулавливающего оборудования» (2001;2002).

Целью работы является разработка на основе экспериментально-теоретических исследований малоэнергоемких конструкций каскадных пылеулавливающих систем, собранных из прямоточных циклонов и метода их расчета для технологий пылеприготовления и очистки от золоуноса и пыли на предприятиях теплоэнергетики и пылящих производств промышленности.

Для достижения этой цели задачами настоящей работы являются:

1. Разработка экспериментального оборудования и методик исследования процессов пылеулавливания прямоточными циклонами в единичном и каскадном исполнении.

2. Экспериментальные и теоретические исследования гидравлического сопротивления и процессов выделения частиц дисперсных материалов из потоков газа в каскадах прямоточных циклонов при различных конструктивных исполнениях их рабочих элементов.

3. Исследование влияния отсоса части газа с частицами из пылесборного бункера прямоточных циклонов на стабильность и эффективность улавливания пылей различной дисперсности.

4. Разработка по результатам исследований эффективных конструкций пылеи золоулавливающих аппаратов на основе каскадов прямоточных циклонов с низким энергопотреблением для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.

Научная новизна работы.

В результате выполненных исследований:

— на основе экспериментально-теоретического исследования процессов пылеулавливания в прямоточном циклоне подтверждена обобщенная экспоненциальная зависимость для фракционного коэффициента проскока от инерционного числа Стокса и внесены в банк данных универсальной системы расчета инерционных пылеуловителей;

— найдены опытные коэффициенты в обобщенной зависимости для фракционного коэффициента проскока прямоточных циклонов в единичном и каскадном исполнении;

— выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления каскада прямоточных циклонов при последовательной компоновки в каскадные системы пылегазоочистки;

— получена зависимость и проведено исследование дисперсности улавливаемой пыли при отсосе части запыленного потока газа из пылеосадительного бункера циклона на эффективность пылеочистки- 1.

— на основе теоретического и экспериментального исследования массопереноса в камере прямоточного циклона разработана методика определения фракционного состава порошковых материалов по результатам пылеулавливания каскадом трех аппаратов.

Практическая значимость работы.

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили найти оптимальные режимно-геометрические параметры работы каскадных прямоточных циклонных пылеуловителей.

2. Разработана и передана для серийного производства на предприятие ООО «Сибпромвентиляция» конструкция магистрального каскадного прямоточного пылегазоочистного устройства.

3. Разработана конструкция пылеконцентратора для установки в системе пыле-приготовления пылеугольного водогрейного котла КВТК 100/150 районной котельной г. Прокопьевска.

4. Разработана конструкция пылеулавливающего оборудования на основе каскада прямоточных циклонов (получен патент России № 2 287 375) с целью замены устаревшего газоочистного оборудования для пылящих производств теплоэнергетики и промышленности строительных материалов.

5. Разработано устройство с методическим и программным обеспечением для дисперсного анализа порошковых материалов (получен патент России № 2 273 019). Проведено определение фракционных составов ряда промышленных пылей для предприятий энергетики и деревообрабатывающей промышленности.

6. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ТГАСУ для проведения практических и лабораторных занятий со студентами, обучающимися по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков» и «Методы расчета и проектирование пылегазоочистного оборудования».

Основное содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приведен анализ существующих методов подбора и расчета пылеи золоулавливающего оборудования применяемого в различных отраслях промышленности, а также рассмотрены результаты экспериментальных и опытно-промышленных испытаний прямоточных пылегазоочистных аппаратов.

Экспериментальным и теоретическим исследованием эффективности пылеулавливания прямоточным циклоном занимались Русанов A.A., Урбах И. И., Анастасиади А. П., Страус В., Шиляев М. И., Шиляев А. М, Кирпичев Е. Ф., Идельчик И. Е., Василевский М. В. Однако, систематического изучения этих аппаратов в каскадном исполнении и влияния их режимных и геометрических параметров (диаметра корпуса циклона, числа лопаток и их угла наклона к оси циклона, влияние отсоса части газа из пылеосадительного бункера) на процесс пылеулавливания не проводилось.

Анализ обработанных результатов выявил необходимость проведения всесторонних дополнительных исследований прямоточных циклонов, как в единичном исполнении, так и при их последовательной компоновке с целью 9 разработки эффективных конструкций и методов расчета малоэнергоемких каскадных прямоточных пылеи золоулавливающих аппаратов для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.

Вторая глава посвящена разработке экспериментальных стендов для исследования эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов различных конструкций при их последовательной установке в каскад.

В третьей главе приведены результаты проведенных исследований. Получены опытные данные для полных эффективностей пылеулавливания отдельными прямоточными циклонами в составе каскада. Проведен анализ влияния на степень очистки газов конструктивных и режимных параметров работы используемых в опытах аппаратов. Выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления прямоточных циклонов в составе каскада. Разработан метод определения фракционной эффективности пылеулавливания циклонных элементов решением обратной коэффициентной задачи. Получены опытные коэффициенты в обобщенной зависимости фракционного проскока от инерционного числа Стокса для каскадов прямоточных циклонов, оснащенных различными импеллерами-завихрителями.

Исследовано влияние отсоса части газа из пылеосадительного бункера циклона на эффективности пылеулавливания пылей различной дисперсности. Получена формула для расчета фракционного коэффициента проскока прямоточных циклонов при отсосе части газа из бункера пылеуловителя. Представлено сопоставление результатов расчетов с данными проведенных экспериментов. По результатам исследований выработаны рекомендации к практическому использованию прямоточных каскадных пылеуловителей на пылящих производствах.

Четвертая глава посвящена разработке метода определения фракционного состава порошковых материалов с использованием каскадов последовательно установленных трех прямоточных циклонов. Проведено тестирование разработанного метода на материалах, дисперсный состав которых определялся другими хорошо отработанными способами.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Втором Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (г. Томск, ТГАСУ 2001 г.) — Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок» «Создание высококачественных строительных материалов и изделий, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в стройиндустрии» (г. Томск, ТГАСУ, 2002 г.) — XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (г. Рыбинск, 2003) — Международной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (г. Новосибирск, 2004 г.) — 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Proceedings (г. Томск, ТПУ, 2004 г.) — Пятой Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия молодых — экономике России «(г. Томск, ТПУ, 2004 г.) — Одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, ТПУ, 2005 г.) — Всероссийской конференции — конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, ТПУ, 2006 г.) — Седьмой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Энергия молодых — экономике России «(г. Томск, ТПУ, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 15-и публикациях, включая два патента РФ на изобретения и две статьи в журналах по списку ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, включая 61 рисунок и 33 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен анализ современных методов подбора и расчета пылеи золо-очистных систем для предприятий теплоэнергетики и пылящих производств различных отраслей промышленности.

2. Разработаны и смонтированы экспериментальные стенды для исследования пылеулавливающих и гидравлических характеристик каскадных систем пылеочистки на основе прямоточных циклонов.

3. Проведен комплекс исследований процессов пылеулавливания прямоточными циклонами в каскадной компоновке при различных режимных и геометрических параметрах работы циклонных элементов. Экспериментально установлено, что последовательная компоновка прямоточных циклонов в каскад оказывает стабилизирующее действие на общую эффективность пылеулавливания очистного комплекса. Выявлено и обосновано снижение гидравлического сопротивления прямоточных циклонов при последовательной сборке их в каскад.

4. Разработана методика и проведено обобщение экспериментальных данных по фракционной эффективности пылеулавливания прямоточными циклонами. Получены опытные коэффициенты в экспоненциальной зависимости для фракционного коэффициента проскока каскадов прямоточных циклонов. Экспериментально получены коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов в каскаде при различных параметрах завихрите-лей. Данные включены в банк данных универсального метода расчета инерционных пылеуловителей, разработанных на кафедре ОиВ ТГАСУ.

5. Проведено сравнение на основе энергетического принципа по энергозатратам на очистку единицы объема газа в каскаде прямоточных циклонов и в высокоэффективном одиночном противоточном циклоне НИИОГАЗ при равных эффективностях пылеулавливания. Установлено, что энего-затраты при использовании каскада прямоточных циклонов при улавливании золоуноса, образующегося при факельном сжигании измельченного твердого топлива в пылеугольных топках в 2,5 раза ниже, чем в единичном высокоэффективном аппарате.

6. Теоретически получена зависимость для расчета фракционного коэффициента проскока в прямоточном циклоном элементе с учетом отсоса части газа из пылеосадительного бункера. Экспериментальные исследования влияния отсоса части газа из пылеосадительного бункера на полную эффективность пылеулавливания подтвердили результаты расчетов.

7. Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов массопереноса в камере прямоточного циклона использованы при разработке метода дисперсного анализа порошковых материалов с его программным обеспечением, чрезвычайно важного для технологии пыле-приготовления (получен патент России). Разработанным методом проведено определение фракционного состава ряда промышленных пылей для предприятий теплоэнергетики, деревообрабатывающей промышленности и промышленности строительных материалов.

8. На основе проведенных исследований найдены оптимальные режимно-геометрические параметры работы прямоточных циклонных пылеуловителей. Разработана и передана для серийного изготовления на предприятие ООО «Сибпромвентиляция» конструкция магистрального каскадного прямоточного пылегазоочистного устройства. Разработаны конструкции пылеулавливающих комплексов на основе каскадов прямоточных циклонов (получено решение о выдаче патента России) с целью замены устаревшего газоочистного оборудования для предприятий теплоэнергетики и отрасли строительных материалов.

9. Материалы диссертации вошли в учебное пособие с грифом УМО М. И. Шиляев, A.M. Шиляев, Е. П. Грищенко «Методы расчета пылеуловителей» — Томск: Изд-во ТГАСУ. — 385 с. и используются в учебном процессе ТГАСУ, КрасГАСА, КазаньГАСУ, ВолГАСУ и ряда других строительных вузов. пб.