Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями

Вопросы очистки от пыли газовоздушных потоков промышленных предприятий были и остаются актуальными и связаны с обеспечением снижения экологического вреда, наносимого выбросом дисперсных частиц с отходящими газами в химической (коксохимической), горной, металлургической и других отраслях промышленности.

Предотвращение загрязнения атмосферы является одной из важнейших проблем глобального характера. Газообразные вещества и пылеватые материалы могут перемещаться на большие расстояния и накапливаться, и при высоких концентрациях на поверхности Земли они способны воздействовать на условия растительного и животного мира как в локальном, так и в глобальном масштабе.

Обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда на промышленных предприятиях требует обеспыливания воздуха, подаваемого в помещения. Промышленные пыли относятся к аэрозолям, вредно действующим на органы дыхания человека [1] и в том числе раздражают кожу, глаза, уши, десны. Вредность пыли зависит от количества, дисперсности и формы (структуры) пылинок. Чем больше пыли витает в воздухе, чем мельче пыль, тем она опаснее. Более крупные пылинки быстро оседают в воздухе, а при вдыхании задерживаются в носоглотке и удаляются (мерцательным эпителием — покровные клетки с колеблющимися жгутиками) к пищеводу. Пылинки размером от 0,1 до 10 мкм в воздухе оседают медленно и проникают глубоко в легкие. При этом они вызывают профессиональные заболевания — пневмокониозы, которые ведут к ограничению дыхательной способности легких (силикоз, антракоз и др.). Изменения, вызываемые в легких осажденными в них частицами, развиваются, как правило, медленно в течение нескольких лет. При пневмоко-ниозе (карбокониозе, антракозе, графитозе — при вдыхании угольной, коксовой пыл ей) [1] частицы угля задерживаясь в легких длительное время, постепенно вызывают разрастание вокруг каждой пылинки соединительной ткани, которая не способна воспринимать кислород из вдыхаемого воздуха, насыщать им кровь и выделять при выдохе углекислоту. При длительном стаже работы в условиях повышенной запыленности происходит разрастание соединительной ткани, которая постепенно замещает легочную, снижая основную функцию легких. Длительная недостаточность кислорода приводит к отдышке (при быстрой ходьбе и работе), ослаблению организма (перегрузка защитных и очищающих механизмов организма), понижению работоспособности, снижению сопротивляемости организма инфекционным и другим заболеваниям, изменениям функционального состояния других органов, систем и организма в целом [2]. В результате всех этих изменений происходят постепенно увеличивающиеся нарушения здоровья человека, которые могут привести к летальному исходу. В последних стадиях пневмокониоза больные нередко заражаются туберкулезом, пневмонией, ускоряющим наступление смерти [1].

Не менее важным аспектом в предотвращении выбросов дисперсных включений из газопылевых потоков является полное и комплексное использование сырья, которое напрямую связано с динамикой оптовых цен на первичные ресурсы, так как в некоторых случаях улавливаемая пыль представляет определенную ценность: например, пыли цветных и редких металлов, коксовая и угольная пыль — полнота использования которых позволяет снизить производственные затраты.

Поэтому развитие многих отраслей производства в сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связанными с проблемой разделения пылесодержащих потоков.

Проведенный анализ состояния проблемы по технологическим выбросам в атмосферу на коксохимических предприятиях с установками сухого тушения кокса и разработкой средств для улавливания пыли [3] показал, что при выборе аппаратов для улавливания коксовой пыли, исходя из достаточно эффективной работы существующих циклонов, но имеющих главным недостатком высокое гидравлическое сопротивление, и имея в виду необходимость ликвидации водно-шламового хозяйства пылеулавливания, предпочтение следует отдать сухим методам и аппаратам.

Важную роль в решении многих технических вопросов в химической, угольной, металлургической и других отраслях промышленности играют исследования динамики газовзвесей, т. е. структур течения в пылеуловителях, особенно, с отрывными течениями, создающими условия образования турбулентных жгутов, вихревых потоков, внутрь которых засасываются частицы пыли. Возрастающий интерес к вихревым ловушкам на криволинейных поверхностях тел стимулирует использование отсоса потока в качестве инструмента интенсификации течения.

Применение вычислительных технологий и пакетов программ, позволяет рассчитывать с приемлемой для практики точностью гидродинамические характеристики в турбулентных пространственных стационарных отрывных вихревых течениях на стадии разработки и проектирования промышленных устройств, в том числе пылеулавливающих, позволяя избежать необходимости дорогостоящих натурных испытаний.

Все выше сказанное требует создания и освоения эффективных и экономически выгодных систем пылеулавливания. То есть разработки оборудования, обеспечивающего не только высокую эффективность очистки газов, но и минимально возможные капитальные затраты на его сооружение и, что очень важно, минимально возможные удельные энергозатраты на его эксплуатацию.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научно-исследовательских работ Кузбасского государственного технического университета на 2005;2009 гг. «Гидродинамика, теплои массообмен в дисперсных системах», «Прикладная гидродинамика вихревых и закрученных потоков».

Целью работы является снижение запыленности воздуха в рабочих зонах промышленных предприятий путем использования циклонов.

Идея работы заключается в использовании рельефных поверхностей в циклоне с отрывом потока и созданием зон разрежения для улавливания мелкодисперсных частиц промышленной пыли.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.

2. Провести моделирование и экспериментально исследовать эффективность пылеуловителя с рельефными поверхностями, установить закономерности процесса пылеулавливания на основе аэродинамической структуры газового потока.

3. Разработать методику расчета эффективности процесса пылеулавливания в аппаратах с рельефными поверхностями.

Объектом исследования является пылеуловитель с рельефными поверхностями, предметом исследования — закономерности процессов пылеочистки и аэродинамики в циклонных аппаратах с зонами отрыва потока.

Методы исследования. Работа выполнена с применением патентно-информационного анализа проблемы, методов математического моделирования (использование программного комплекса аР1олу), экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных и натурных, измерений и наблюдений (с помощью скоростной цифровой видеокамеры).

Положения, выносимые на защиту:

1. Условиями эффективной работы и снижения гидравлического сопротивления в 2 и более раза пылеуловителя с рельефными поверхностями являются его конструктивные особенности: а) уступы, расположенные по образующей цилиндрической части корпуса и ограниченные высотой входного участкаб) устройство — полый усеченный конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса пылеуловителя.

2. Эффективность работы пылеуловителя с рельефными поверхностями вплоть до 99,97% достигается за счет зон разрежения, обусловленных срывом потока газа с уступа, при этом происходит разрушение пограничного слоя и сепарация мелкодисперсных частиц пыли из основного потока, и наличия устройства, необходимого для транспортирования уловленной пыли из отрывных зон в бункер.

3. Эффективность процесса пылеулавливания в циклонах с рельефными поверхностями подчиняется экспоненциальной зависимости от инерционного критерия Стокса при полученных значениях постоянных, а = 3,656 и п = 0,135.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками используемых измерительных приборов, а также согласием измеряемых величин различными методами и воспроизводимостью результатов.

Научная новизна:

1. Установлено, что конструкция пылеуловителя с отрывными зонами позволяет эффективно проводить процесс очистки газопылевого потока с пониженным гидравлическим сопротивлением в сравнении с гладкостенными традиционными циклонами. Впервые показано, что наличие отрывных зон на внутренних рельефных поверхностях способствует снижению гидравлического сопротивления циклона в 2 раза по сравнению с гладкостенными циклонами.

2. На основе исследований газодинамической структуры выявлено, что происходит сепарация мелкодисперсной фракции пыли в отрывные зоны.

3. Установлены коэффициенты, а = 3,656 и п = 0,135 экспоненциальной зависимости коэффициента проскока частиц пыли от критерия Стокса.

Къ-е ', позволяющие рассчитывать циклоны с рельефными поверхностями с использованием универсальной номограммы и энергетического принципа М. И. Шиляева.

Практическая значимость:

1. Пополнен сформированный М. И. Шиляевым банк данных для характеристик инерционных пылеуловителей, позволяющий пользоваться универсальным методом расчета инерционных пылеуловителей и энергетическим принципом их сравнения.

2. Установлены промышленные образцы циклона с рельефными поверхностями и проведены их натурные испытания в аспирационной транспортной системе установки сухого тушения кокса предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово).

3. Методика и результаты исследования используются в учебном процессе по специальности 240 801 «Машины и аппараты химических производств» в Кузбасском государственном техническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплинам «Процессы и аппараты химической технологии» и «Основы инженерного творчества», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

4. По результатам исследования разработана конструкция пылеуловителя с рельефными поверхностями и получен патент Российской Федерации на изобретение № 2 316 397 «Пылеуловитель мелкодисперсной пыли».

Личный вклад. Наиболее значимыми результатами, полученными лично автором, являются: создание техники экспериментовпроведение экспериментов по определению свойств пылей, их улавливанию в аппаратах, по гидродинамике в аппаратахобработка и представление первичных и обобщенных экспериментальных данныхучастие в постановке задачи по моделированию гидродинамических процессов пылеуловителейрасчет для сопоставления энергетических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандартизированнымиучастие в промышленных испытаниях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на VIII, XI, XII международной научно-практической конференции «Химия — XXI век. Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005, 2008, 2009), IV, V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005; Иркутск, 2007), XXVIII Сибирском теплофизиче-ском семинаре (Новосибирск, 2005), Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2005), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Красноярск, 2009).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК — 1, 1-ом патенте, материалах трудов конференций и семинаров — 9.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 6 глав, введения и выводов. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 76 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 89 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность коллегам из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) А. Р. Богомолову за идею работы, неизменное внимание к работе, поддержку и огромную помощь при выполнении работы, C.B. Алексеенко, H.A. Прибатури-ну за внимание, обсуждение и техническую поддержку при проведении видеосъемок процессов высокоскоростной камерой, A.A. Дектереву, М.Ю. Чернец-кому за результаты совместной работы по моделированию процессов в программном комплексе aFlow, из КузГТУ Ю. О. Афанасьеву за обсуждение работы и участие в создании техники эксперимента, работникам предприятия ОАО.

Кокс" (г. Кемерово) С. Д. Тихову, Е. А. Кошелеву за сотрудничество и техническую помощь в создании техники экспериментов, промышленных образцов и их испытаниях на предприятии.

Выводы. Постановка задач исследования.

Борьба с загрязнением атмосферы стала одной из важнейших государственных проблем социального характера. Состояние воздушного бассейна промышленных районов определяется главным образом уровнем развития техники очистки дымовых и других газов промышленных установок. Очистка технологических выбросов является частью основного производства, которая должна проектироваться одновременно с ним. Правильное применение средств техники обеспыливания воздуха приобретает особое значение в современных условиях растущего загрязнения атмосферы. Существенного снижения пылевыделений на рабочих местах и выброса в воздушную окружающую среду можно добиться с помощью системного подхода к анализу физических свойств пыли, концентрационных колебаний запыленного потока, характеристик пылеуловителей.

В практике до настоящего времени при разработке устройств пылеуловителей главным являлся только один показатель — наибольшая степень очистки. С недавнего времени и в будущем ставится задача создание пылеуловителей, отвечающих высоким не только технологическим, но и экономическим требованиям. Поэтому наиболее перспективные, предлагаемые в последнее время конструкции, анализ которых проведен в разделе 1.1, имеют высокий коэффициент сопротивления и не могут иметь успеха массового внедрения в производство. Стремление к оптимизации процессов пылеочистки, направленной на получение гармоничного соотношения величин степени улавливания и гидравлических потерь газоочистительного оборудования — актуальное в настоящее время направление в создании энергоэффективных установок циклонного типа, как самых надежных и простых в изготовлении и эксплуатации.

Укажем, что объем исследований поведения аэрозольных частиц в турбулентных газовых потоках и влияние самих частиц на динамику потока газа весьма широк и не исчерпывается тем кругом вопросов, которые рассмотрены в обзоре и анализе первой главы. Следует отметить, что важную роль в решении многих технических вопросов в химической, угольной, металлургической и других отраслях промышленности играют исследования динамики газовзвесей, то есть структур течения в пылеуловителях, особенно, с отрывными течениями, создающими условия образования турбулентных жгутов, вихревых потоков, внутрь которых засасываются частицы пыли. В последнее время разработчиками уделяется особое внимание рассмотрению вопросов, представляющих интерес для решения задач охраны атмосферного воздуха, а именно, исследованию эффективности новых конструкций циклонных аппаратов по очистке газов от взвешенных в них частиц, разработке надежных и простых мебтодик расчета, привлечениию коммерческих пакетов прикладных программ для моделирования процессов, происходящих в циклонных аппаратах.

Проведенный анализ состояния проблемы по технологическим выбросам в атмосферу на коксохимических предприятиях с установками сухого тушения кокса и разработкой средств для улавливания пыли [3] показал, что при выборе аппаратов для улавливания коксовой пыли, исходя из достаточно эффективной работы существующих циклонов, но имеющих главным недостатком высокое гидравлическое сопротивление, и имея в виду необходимость ликвидации водно-шламового хозяйства пылеулавливания, предпочтение следует отдать сухим методам и аппаратам.

В связи с этим, конструктивные особенности аппаратов из [13, 14] являются наиболее интересными по сравнению с остальными, так как одним из актуальных направлений современной гидродинамики и теплофизики является вихревая и струйная организация, а также самоорганизация на поверхностях траншейных покрытий в виде каверн, вихревых ячеек, которая позволяет существенно повысить эффективность тепломассообмена и снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей и предложить новые технические решения установок и аппаратов. Достаточно скудная информация по новым техническим способам и конструкциям пылеулавливающих устройств, использующим нетрадиционные решения, включающие в себя установку внутренних рельефных поверхностей с отрывными зонами, дает право рассматривать предложенные решения направлением дальнейших экспериментальных и модельных исследований с целью понимания физического механизма вихревой интенсификации, управления и оптимизации процессов в сепара-ционных и пылеуловительных установках.

Технологии численного моделирования турбулентных потоков позволяют совершенствовать существующие конструкции циклонных аппаратов и создавать принципиально новые конструкции циклонов, которые будут иметь высокий коэффициент улавливания тонкодисперсных частиц при низком гидравлическом сопротивлении. Конечные пользователи прикладного программного обеспечения для моделирования движений жидкости и газа оказываются перед выбором применения готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств. Программный комплекс стР1о? — современное средство моделирования, основанное на численном решении уравнений гидрогазодинамики, позволяет проанализировать вклад, как правило, следующих факторов: физические свойства дисперсного материала, начальную концентрацию газопылевого потока на входе, рабочую температуру и реальный расход газа. Комплекс применим для решения широкого круга задач по анализу эффективности пылеулавливания в реальных условиях эксплуатации.

В литературе имеются рекомендации к расчету и сопоставлению циклонов НИИОГАЗ [5], которые можно считать полными, достаточно строгими, надежными и с логической точки зрения безупречными. Расчет циклонов НИИОГАЗ основан на использовании эмпирических вероятностных функций, описывающих фракционные эффективности пылеулавливания для каждого аппарата, и представляется двумя методами: аналитическим и графоаналитическим.

В конце XX века назрела необходимость, чему способствовал огромный накопленный потенциал школы М. И. Шиляева, в создании единой теории сравнения пылегазоочистного оборудования. Эта теория должна, во-первых, обобщить весь имеющийся экспериментальный и теоретический материал, во-вторых, дать способ описания характеристик имеющихся аппаратов с единой позиции и, в-третьих, сформулировать принципы, позволяющие из всего многообразия пылеулавливающей техники выбирать именно те конструкции, которые оптимально решают задачу газоочистки в конкретных условиях. На основе этой теории сформулирован энергетический принцип сопоставления инерционных пылеуловителей, сущность которого заключается в математическом выражении связи между удельными энергозатратами на очистку газов в аппаратах либо в их комплексах при равных эффективностях пылеулавливания. Математическая формулировка принципа позволяет находить оптимальные условия эксплуатации и компоновки аппаратов при минимальных энергозатратах, обеспечивая требуемую степень очистки газов.

В связи с изложенными в обзорной части диссертации материалами, в работе поставлены задачи:

1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.

2. Провести моделирование и экспериментально исследовать эффективность пылеуловителя с рельефными поверхностями, установить закономерности процесса пылеулавливания на основе аэродинамической структуры газового потока.

3. Разработать методику расчета эффективности процесса пылеулавливания в аппаратах с рельефными поверхностями.

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Описание экспериментального стенда и рабочих участков.

Исследования физических моделей пылеуловителя проводились на экспериментальном стенде, схема которого представлена на рис. 2.1.1. Выход потока газов из циклона осуществляется в газовый тракт через сравнительно длинный прямой выходной участок с диаметром, равным диаметру выхлопного патрубка циклона — работа циклона в сети.

Экспериментальный стенд (рис. 2.1.1) состоит из следующих основных частей: рабочего участка (циклона 1 с бункером пыли 2), дозатора-питателя 3, соединительного трубопровода 4, измерительной диафрагмы 5, воздуходувки 6.

Рис. 2.1.1. Экспериментальный стенд и рукавного фильтра 7. Также на рис. 2.1.1 обозначены места измерения давления или разрежения 8. Дозатор-питатель 3 предназначен для подачи пыли в трубопровод 4. Диаметр спирального шнека дозатора составлял 9 мм, шаг спирали — 3 мм. Электропитание двигателя дозатора-питателя производилось посредством блока питания. Диаметр трубопровода 4 в зависимости от рабочего участка составлял 48 или 100 мм. Измерительная диафрагма 5 представляет собой стандартное сужающее устройство с модулем т = 0,5. Длина прямого участка трубопровода 4 постоянного диаметра перед диафрагмой составляла 30 диаметров трубопровода, за диафрагмой — 14 диаметров трубопровода, что соответствует требованиям к стандартным сужающим устройствам [75]. Воздуходувка 6 представляет собой одноступенчатый центробежный вентилятор высокого давления типа Косточкина ВД-2. Основные характеристики воздуходувки — производительность 1400 м3/ч, давление 2600 Па, мощность двигателя 2,05 кВт. Рукавный фильтр 7 имеет цилиндрическую форму и изготовлен из ткани. Фотография экспериментального стенда показана на рис. 2.1.2.

Рис. 2.1.2. Фотография экспериментального стенда.

Рабочими участками выступали два пылеуловителя (рис. 2.1.1): циклон из кварцевого стекла диаметром 85 мм и циклон из оцинкованного железа диаметром 250 мм. Размеры пылеуловителей характерны ЦН-15, кроме угла наклона входного патрубка, который был равен 0°. Каждый циклон содержит плоский входной канал, цилиндрический корпус, коническое днище, выхлопную трубу, бункер пыли. Кроме того, пылеуловители имеют разборную конструкцию, позволяющую получать из традиционных циклонов аппараты с внутренними элементами. В качестве внутренних элементов циклона диаметром 85 мм служат уступ, расположенный по образующей корпуса циклона, (рис. 2.1.1) и устройство (полый усеченный конус, обращенный вниз, как в [13], полый цилиндр как в [14] и полый усеченный конус, обращенный вверх, предложенный автором), находящееся в нижней части цилиндрического корпуса. Внутренними элементами циклона диаметром 250 мм служат 3 уступа-каверны (для создания зон разрежения), которые для наглядности показаны на рис. 2.1.3, расположенные по образующим цилиндрической части циклона и ограниченные высотой входного патрубка, и усеченный полый конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса, где он соединяется с коническим днищем, представленные в продольном и поперечном сечениях циклона на рис. 2.1.1.

Рис. 2.1.3. Внутренняя полость циклона с уступами-кавернами.

Работа экспериментального стенда осуществлялась следующим образом. При помощи воздуходувки 6 воздух из атмосферы поступает в трубопровод 4, пыль из спирального дозатора-питателя 3 подается в трубопровод 4. Полученный при смешении пыли с воздухом аэрозоль вводится тангенциально в верхнюю часть пылеуловителя 1. В аппарате 1 происходит отделение пыли от воздуха. Пыль собирается в бункере 2, а очищенный воздух выходит через выхлопную трубу циклона 1 и перед выбросом в атмосферу дополнительно проходит через рукавный фильтр 7. Точки измерения давления (разрежения), располагаемые по образующей циклона, в зонах разрежения, на криволинейной поверхности, в бункере, до и после циклона наглядно показаны на рис. 2.1.1 и 2.1.4.

Рис. 2.1.4. Схема расположения точек для измерения давления (разрежения).

Принцип работы пылеуловителя следующий. Запыленный газовый поток входит в аппарат тангенциально через плоский канал входного участка. Сформировавшийся вращающийся поток (внешний вихрь) опускается по кольцевому пространству, образуемому внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса и выхлопной трубой и попадает в конусную часть. Частицы пыли под действием центробежной силы прижимаются к стенкам корпуса циклона и в нижней части конусного днища отделяются и опускаются через пылеотво-дящее отверстие в бункер пыли с частью воздуха. В конусной части поток газа поворачивается и движется вверх к выхлопной трубе, через которую выходит из аппарата, образуя внутренний вращающийся вихрь. Попавшая в бункер и освободившаяся от пыли часть воздуха возвращается в циклон через центральную часть пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю очищенного газа, покидающего аппарат. По мере движения этой части газа в сторону выхлопной трубы к ней постепенно присоединяются порции газов из основного потока.

При движении внешнего вихря в пылеуловителе, имеющем внутренние элементы, за уступами (в кавернах), установленными по пути движения потока, создаются зоны разрежения. На срезе уступа (рис. 3.2.8 б) запыленная струя попадает в ограниченное пространство с прилегающей боковой цилиндрической стенкой аппарата, искривляется и присоединяется к стенке на некотором удалении от уступа и при этом за уступом создается отрывная зона, в которой зарождается вихрь. После срыва струи с уступа некоторая часть потока втекает в каверну от точки присоединения (возвратное течение) и циркулирует там.

Это позволяет мелкодисперсным частицам пыли перемещаться из основной струи в отрывную зону и затем по вихревой нити вниз, так как в нижней части каверны происходит свободный сток, зависящий от общего расхода и места расположения конуса (внутреннего устройства) относительно выхлопной трубы.

Эжектирующее свойство потока (струи) находит проявление в отрывной зоне, где создается достаточное разрежение, позволяющее переносить (вовлекать) пристенные слои (с частицами пыли), срывающиеся со среза уступа, в зону разрежения, то есть часть массового потока струи, имеющая высокую концентрацию пыли отводится в отрывную зону, из которой пыль вдоль стенки перемещается внешним спиралевидным потоком в пылеотводящее отверстие и в бункер пыли.

Известно, что поверхностное трение стенки циклона оказывает тормозящее действие на поток при его вращении. При данных габаритах и расходах путь движения внешнего спиралевидного потока в традиционном циклоне намного больше, чем в циклоне с уступами. Часть пути основной поток движется, не касаясь стенок циклона. На границе между струей потока и зоной разрежения возникает слой смешения, толщина которого растет с расстоянием вплоть до соприкосновения со стенкой. Вследствие меньшей длины пути потока, соприкасающегося со стенкой аппарата, происходит уменьшение сопротивления трения и в итоге общего гидравлического сопротивления.

Установка усеченного полого конуса, обращенного вверх и находящегося в нижней части цилиндрического корпуса, позволяет получить скорости вращающегося основного газопылевого потока ниже каверн большие, чем в зоне каверн, тем самым позволяя направить движение пыли по спиралевидной вихревой нити в отрывной зоне сверху вниз (организовать сток) и затем в конусную часть корпуса, т. е. из области большего давления по всей длине каверн в зону меньшего давления ниже каверн и далее в бункер. Второе положительное действие установленного усеченного конуса проявляется в том, что вторичный ток, вращающийся во внутренней области этого усеченного конуса с мелкодисперсной пылью, сносится вниз (в направлении бункера) по расширяющейся поверхности конуса, захватывается основным потоком газа и движется по конусной части пылеуловителя в бункер пыли. Таким образом, мелкодисперсная пыль не выносится восходящим потоком в выходной патрубок, а улавливается и ссыпается в бункер пыли.

2.2. Выбор рабочего вещества и его свойства.

Надежность и эффективность работы пылеочистительных устройств в любой отрасли промышленности в значительной мере зависят от свойств аэродисперсных систем, определяющих особенности физических законов их поведения. Для коксохимического производства характерно несколько видов газопылевых потоков и мест выделения пыли.

Основными физико-химическими свойствами промышленной пыли, которые следует изучать и учитывать при проектировании, выборе и эксплуатации систем газоочистки, являются дисперсный состав (дисперсность), плотность и сыпучесть.

Методы определения этих свойств весьма многообразны и достаточно полно описаны в литературе [76, 77].

Ниже приведены экспериментально полученные сведения о характеристиках угольной пыли (УП) и коксовых пылей (КП) установки беспылевой выдачи кокса (УБВК), установки мокрого тушения кокса (УМТК) и установки сухого тушения кокса (УСТК), взятых на действующем коксохимическом предприятии ОАО «Кокс» г. Кемерово.

2.2.1. Дисперсность пыли.

Без характеристики степени дисперсности промышленной пыли нельзя объективно оценить эффективность действующих пылеочистительных устройств. Так как методы расчета эффективности пылеуловителей основаны на использовании данных о дисперсном составе улавливаемой пыли и фракционных степенях очистки.

Дисперсный состав пыли имеет важное гигиеническое значение при оценке степени ее вредности. Частицы пыли крупнее 5 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях (нос, рот, носоглотка). Более мелкие частицы проникают в нижние дыхательные пути (гортань, трахея бронхи) и влияют на увеличение острых респираторных заболеваний. Фракции пыли в диапазоне 0,1−1 мкм достигают альвеол легких и, задерживаясь в них могут привести к тяжелым заболеваниям — пневмокониозам [77].

Промышленные пыли — это, как правило, полидисперсные системы, содержащие частицы различных размеров. В главе 1 представлена система классификации пылей по их дисперсности с использованием классификационной номограммы, в соответствии с которой определяется классификационная группа пылей, полученных с коксохимического предприятия, а именно, угольная пыль (УП) и коксовые пыли (КП) установки беспылевой выдачи кокса (УБВК), установки мокрого тушения кокса (УМТК) и установки сухого тушения кокса (УСТК).

Разделение пыли на фракции производили механическим способом. Прибор для механического просева (вибросито) с кругообразным движением сит в горизонтальной плоскости имел амплитуду движения сит 15 мм при частоте 300 об/мин.

Ряд использованных сит в мкм: 400, 250, 200, 160, 100, 50. Лабораторные сита имели диаметр 200 мм и высоту 50 мм. Воздушносухая навеска пыли (сухой просев) при каждом рассеве составляла около 200 г. Для интенсификации процесса перемешивания пыли (уменьшение времени анализа) в каждое сито укладывались по 5 резиновых кубиков размером ребра 10 мм. Время рассева составляло 30 мин, которое было установлено экспериментально в соответствии с рекомендациями [76, 77] по окончанию рассева, если остаток на сите уменьшается не более чем на 0,2% в течение 2 мин. После окончания рассева каждая фракция взвешивалась с точностью до 0,01 г. Потери пыли при выполнении анализа не превышали 2% от общей массы навески. Для достоверности рассева выполняли два анализа.

Фракция от 0 до 50 мкм дополнительно исследовалась с применением электронного цифрового микроскопа с 200-кратным увеличением. Электрон-номикроскопические снимки некоторых пылей показаны на рис. 2.2.1. Подсчет числа частиц в поле зрения под микроскопом и их распределение по фракциям осуществляли при помощи компьютерной программы. Для достоверности полученных значений производилась компьютерная обработка нескольких снимков одной и той же пыли, результаты которых подвергались осреднению.

Рис. 2.2.1. Электронномикроскопический снимок частиц пылей.

Фракцией от 0 до 50 мкм: а — угольная пыль (УП), б — коксовая пыль установки сухого тушения кокса (КП УСТК), в — коксовая пыль установки беспылевой выдачи кокса (КП УБВК).

Полученный по результатам дисперсионного анализа фракционный состав пылей сведен в табл. 2.2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационное исследование является научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной технической задачи, заключающейся в создании и разработке средства коллективной защиты от промышленной пыли работников химических, горных и металлургических предприятий. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:

1. Разработана новая конструкция эффективного циклона, имеющего рельефные поверхности с отрывными зонами и обращенным вверх усеченным конусом, обладающего меньшим, в 2 раза, аэродинамическим сопротивлением по сравнению с гладкостенным. Снижению гидравлического сопротивления циклона способствует наличие отрывных зон на рельефных поверхностях.

2. Моделирование турбулентного течения газа в пылеуловителе нового типа и гладкостенного на основе программного комплекса аР1оу показало, что:

— расчеты картины течения в циклоне качественно удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными;

— численные значения энергии турбулентных пульсаций для гладкостенного и нового типа циклонов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными по эффективности пылеулавливания этих пылеуловителей;

— снижение гидравлического сопротивления циклона с внутренними элементами по сравнению с гладкостенным аппаратом происходит вследствие перестройки течения: уменьшение тангенциальной скорости с одновременным увеличением аксиальной скорости потока в циклоне.

3. Получена расчетная зависимость, основанная на универсальном методе М. И. Шиляева, для определения основных характеристик нового типа циклонов, позволяющая производить экономически обоснованный выбор пылеуловителя.

4. Пополнен банк данных по характеристикам инерционных пылеуловителей новым циклоном на основе экспериментально определенного коэффициента сопротивления и параметров, входящих в экспоненциальную зависимость для коэффициента проскока.

5. Данные промышленных испытаний циклонных аппаратов с внутренними элементами на ОАО «Кокс» хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований лабораторных образцов.

В результате внедрения разработанного научно-технического решения будет достигнут положительный эффект, связанный со снижением пылевыделений, в сфере охраны труда работников химических, коксохимических, горных, металлургических предприятий.

Условные обозначения.

В — атмосферное давление, Па;

С — концентрация пыли в воздушном потоке, г/м3- - проход, %- с1 — диаметр циклона, мм;

4 — диаметр выхлопной трубы, мм;

И — высота цилиндрической части корпуса циклона, ммк/с— высота плоского входного канала, ммк — глубина погружения выхлопной трубы, мм- 1- Г|/100 — полный коэффициент проскока- - фракционный коэффициент проскока- / - общая длина близлежащей стенки между уступами, мм- /г — длина, отсчитываемая от первого уступа, ммРа, — абсолютное давление в точках замеров, ПаР1 = В — Раразрежение в точках замеров, где / = 1,2., Пао.

2 — расход газа, м /сЯ — остаток, %- и — аксиальная скорость потока, м/с;

АР = <^рсо /2 — гидравлическое сопротивление, Па;

5 — размер частицы, мкм;

С, — коэффициент сопротивленият] — эффективности пылеулавливания, %- ц — коэффициент динамической вязкости воздуха, Па-с;

V — коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/ср — плотность газа, кг/м3- рт — плотность частиц, кг/м — а — среднеквадратичное отклонение, характеристика пыли;

T =^m du Время динамической релаксации частиц масс-медианным 18ц размером o5o, си — тангенциальная скорость потока, м/ссо — условная (приведенная) скорость газа в циклоне, м/с;

Re = сod/v — критерий Рейнольдса;

Stk50 = т50 — - критерий Стокса (инерционное число Стокса).