авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«М.В.Василевский ОБЕСПЫЛИВАНИЕ ГАЗОВ ИНЕРЦИОННЫМИ АППАРАТАМИ Томск Издательство Томского политехнического университета ...»

-- [ Страница 3 ] --

005-80Е). Эти золоуловители уменьшают выбросы по сравнению с БЦ- в 3-5 раз [156]. Отмечено, что в ходе длительной эксплуатации батарейные циклоны БЦ-2 и циклоны с элементами "Энергоуголь"(БЦУ) показали рост гидравлического сопротивления и повышение концентрации золы за ними.

В [52] приведен анализ причин снижения эффективности и увеличения гидравлического сопротивления групповых и батарейных циклонов. Отмечено, что в этих пылеуловителях ухудшаются условия формирования слоя из отсепарированных в элементах частиц из-за взаимодействия истекающих из пылевыводных отверстий факелов и возниковении "турбулентной бури". В [91] приводятся данные по увеличению гидравлического сопротивления группового циклона по сравнению с одиночным. Однако на запыленном потоке сопротивление понижается, причем с прекращением подачи пыли в систему сопротивление в течении 15 мин остается пониженным. Это значит, что в групповом циклоне происходит циркуляция пыли вследствие неудовлетворительного осаждения пыли в приемнике. В каждом элементе происходит эжектирование газа из областей вне сепарационного пространства. В одиночном циклоне следствием эжектирования является формирование обратных токов на оси "собственного" газа, в групповых и батарейных циклонах это приводит к возникновению перетоков газа между элементами, что сопровождается дополнительной затратой энергии (работы) и увеличением гидравлического сопротивления [43, 48]. Перекосы нагрузок по потоку элементов особенно существенны из-за классификационных эффектов в сборной камере ввода газа, а также из за нестационарности нагрузки по пыли [43]. В этом случае закрутка потока в элементах оказывается разной интенсивности, и следовательно расходы газа через завихрители элементов оказываются неодинаковыми.

2.4. Очистка газов в ротационных аппаратах Ротационные пылеуловители разрабатывались в направлении совмещения функций пылеулавливания и перемещения очищаемой среды. На рис. 2.8 представлены возможные схемы сепарации частиц [73, 115].

Рис. 2.8. Пылеотделители –вентиляторы. 1 – положение частицы на входе в ротор, попадающей в приемник;

2 –направление скорости частиц относительно газа;

1 --- 3 –траектория частиц ;

По схеме I пылеотделитель представляет собой цилиндрический кольцевой канал, при вращении которого наклонные лопатки вызывают движение запыленного воздуха вдоль канала. Под действием развивающейся центробежной силы взвешенные в в газе частицы перемещаются к поверхности наружного цилиндра, задерживаются в конце его и с небольшой частью потока вылетают через щель в приемник пыли. Большая часть газа, освобожденная от пыли отводится в кожух осевого вентилятора. [115].

По схеме II колесо вентилятора имеет лопатки, размещенные в пространстве между коническими поверхностями. Взвешенные в воздухе частицы отбрасываются центробежной силой в поверхности наружного конуса и в конце его с частью воздушного потока влетают в кольцевую щель приемника. Как видно из схемы пылеотделителя, результирующие векторы скоростей на некотором участке при входе в колесо направлены к внутреннему конусу, что затрудняет дальнейшее перемещение части пыли к наружному конусу. Большие скорости потока на входе нецелесообразны.

По схеме III на пылинки, попадающие с потоком воздуха в пылеотделитель, действуют центробежные, а также инерционные силы, возникающие при повороте потока и прижимающие пылинки к стенке канала, что способствует отделению пыли от воздуха.

В 20-50–е годы были распространены ротоклоны, в которых нагнетательная крыльчатка имела вогнутость в аксиальном направлении, также щель для прохода малой части газа с отсепарированной пылью в пылесборник. Пыль при движении потока концентрировалась вблизи вогнутой поверхности, поверхностей лопаток и транспортировалась в приемник (рис.2.9а) [73]. Общий вид пылеотделителя – нагнетателя представлен на рис. 2.9б.

Рис. 2.9а Схема очистки газа в ротоклоне Рис.2.9б.Общий вид ротоклона, соединенного последовательно с аппаратом для предварительного выделения крупной фракции пыли Аналогичный принцип сепарации пыли осуществлен в кориолисовом пылеотделителе [24]. В этом устройстве спиральный кожух разделен перегородкой на камеру очищенного воздуха и пылевую камеру, в крыльчатке помимо нагнетательных (маховых) лопастей имеются дополнительные направляющие лопасти, которые выводят часть воздуха с концентратом пыли в пылевую камеру. В этих аппаратах из –за сильной турбулизации потоков, образовании циркуляционных течений при силовом взаимодействии рабочих лопастей с газом происходит интенсивное рассеивание частиц, поэтому концентриравание мелкой пыли вблизи сепарирующих поверхностей затруднено. Эффективность этих аппаратов в промышленных условиях не превышала 88%. Опыт эксплуатации показал, что при работе на пыли, в которой присутствуют агломераты из мелких частиц, образуются отложения, которые приводят к дебалансировке ротора, появлению вибраций.

Другой вид пылеотделителя представлен на рис.2.10 [154]. В этом аппарате улавливаемые частицы выделяются из потока в направлении, противоположном движению газа.

В первых аппаратах воздух проходил внутрь ротора в зависимости от его конструктивного оформления через радиальные каналы, прорези, сетки, лопатки, диски. Ожидалось, что при скоростях вращения, соответствующих центростремительным ускорениям на ободе более 1000g, из газа могут выделяться частицы менее 1мкм., и таким образом, эффективность обеспыливания большинства промышленных газов будет находиться на уровне 99 %.

Рис.2.10. ЦРП с нагнетательной крыльчаткой Сведения об исследованиях, разработках устройств обеспыливания вентиляционного воздуха в кабинах транспортных машин представлены в диссертации Хохрякова В.П. [199]. На рис. 2.11 представлен вариант пылеотделителя для вентиляции кабин передвижных устройств.

Рис. 2.9 Ротационный пылеотделитель. 1 –двигатель;

2 –ротор с профрезированными пазами;

3 –вентиляторная крыльчатка;

4 –лопатки крыльчатки;

5 –спрямляющие лопатки;

6 –кольцевой распределитель.

При вращении ротора между кольцами распределителя создается вращательное движение воздуха, причем радиальная скорость у поверхностей колец выше, чем в середине между ними. Это способствует удалению отсепарированных частиц в окружающее пространство.

Для обеспыливания воздуха в технологических линиях производства порошковой продукции предложено применять аппараты, которые не изменяли бы гидравлических характеристик этих линий [204]. На рис. 2.12 представлена безнапорная схема пылеотделителя.

Пылеотделить состоит из двух секций : 1 –компенсационная секция, 2 – сепарационная секция. Геометрические соотношения компенсационной и сепарационной секций определены расчетом. Эти аппараты показали высокие эффективности в высококонцентрированных потоках. При промышленных испытаниях обнаружился эффект коагуляции частиц, прошедших сквозь ротор, но выпавших из воздуха в копенсационной секции [68]. Однако распространение результатов этих исследований на высокие расходы газа с малыми концентрациями частиц не может быть объективным, поскольку отсутствуют сопоставительные результаты испытаний со стандартными аппаратами.

Рис. 2.12. Безнапорный Рис.2.13. Безнапорный пылеотделитель в вертикальном пылеотделитель в горизонтальном исполнении исполнении Например, испытания ЦРП (рис.2.14), проведенные НИИОГАЗом [115] при скоростях воздуха в каналах 0.5 м/с на асбесторезиновой пыли при расходе воздуха 1000 м3/ч, показали эффективность менее 85%, при ожидаемой 99%. Причем произошло заметное разогревание корпуса.

Поэтому до сих пор имеются противоречивые сведения об их эффективности. В справочных руководствах указывается, что область их применения для вентиляционных концентраций пыли ограничивается выделением из газа абразивных частиц [179. 108].

Рис. 2.14. ЦРП, испытанный НИИОГАЗом. 1 –корпус;

2 – ротор с каналами;

3 –вход запыленного воздуха;

4 –вход потока в вытяжную крыльчатку;

5 –выход потока из каналов;

6 – приемники пыли;

7 – пылевыводные патрубки;

8 – выход очищенного воздуха.

Женишек Н.Н. провел сравнительные испытания наиболее распространенных ЦРП. Исследовались разделительная способность и аэродинамический к.п.д. ЦРП. Выяснена связь этих показателей. Исследованные пылеуловители должны были иметь оптимальные условия работы, т.к. с отклонением от этих условий резко ухудшаются сепарационный или аэродинамический к.п.д. Параметры аэродинамических схем вентиляторов в области максимального к.п.д.

определяются с помощью удельного числа оборотов [119]. Тихоходные нагнетательные машины при одной и той же площади проходных сечений имеют меньшую производительность и больший напор. Анализ процессов сепарации рассмотренных [73. 115]. приводит к выводу о том, что для улучшения условий отделения частиц вентиляторы – пылеотделители должны быть относительно малопроизводительными, т.е. тихоходными. А такие нагнетательные машины имеют низкий аэродинамический к.п.д. Высоким аэродинамическим к.п.д. обладают быстроходные нагнетатели с лопатками загнутыми назад, однако эти вентиляторы не могу быть использованы в качестве пылеотделитей из– за интенсивного отложения пыли на тыльной стороне лопаток и быстрой дебалансировке ротора.

Широкое применение ротационные аппараты нашли в системах классификации порошкообразных материалов [10, 204, 162].

На рис. 2.15 представлена схема получения фракционированного продукта [144]. Материал эжектором подается в помольную камеру. При соударении под воздействием сжатого воздуха материал измельчается, частицы поступают ко входу в ротор.

Быстровращающийся ротор (30000об/мин) отбивает крупные частицы, пропускает мелкие.

Воздух с мелкими частицами проступает во вторую ступень классификации и далее на очистку.

[144], Рис.2.15. Устройство для измельчения и классификации порошков.

Однако в большей мере распространение получили классификаторы с профилированными проточными частями роторов, в которых сформирована протяженная зона разделения и организован вывод расклассифицированных фракций [10] (рис 2.18).

Рис.2.18 Классификатор с профилированной сепарационной зоной.

Работает аппарат следующим образом. Подведенный через патрубок 7 пылевоздушный поток с полидисперсной твердой примесью закручивается при движении по кольцевому каналу 10 под действием радиальных лопаток, вращающихся с обтекателем 1 и выходит в сепарационную зону 2 по направлении к центру. Здесь частицы разделяются по массе под воздействием центробежных и аэродинамических сил. Крупные частицы выводятся в объем 12, мелкие поступают в дополнительный пылеотделитель. Такие аппараты работают в крупнотоннажных производствах [163], при этом концентрация частиц в потоке достигает 1 кг полидисперсного материала на 1кг воздуха.

Для этих аппаратов имеется большой объем экспериментальных и теоретических исследований [162].

В ряде решений задач очистки газов от тонких частиц применяются вращающиеся фильтры. Известно, что фильтры работают эффективно, если нагрузка по газу находится в диапазоне, в зависимости от свойств пыли и газа, 0,01 – 1 м/мин (0,6 – 60 м3/м2ч). На вращающихся фильтрах образующиеся агломераты подвержены воздействию центробежных сил, поэтому происходит автоматическая регенерация фильтров и повышается устойчивость очистки [143].

На рис. 2.19 показан вращающийся фильтр непрерывного действия НИИОГАЗа [2]. Фильтрующая секция состоит из отдельных тарельчатых элементов 6, надетых на полый вал. Очищенный газ выводят через полость.

Рис. 2.19. Фильтр непрерывного действия ФЦ –18 с центробежной регенерацией.

1 –корпус;

2 –фильтрующая секция;

3 –подшипниковая опора;

4 –отсекающее устройство;

5 –привод;

6 –тарельчатый элемент;

7 –полый вал;

8 –уплотнение.

На рис. 2.20 показан фильтрующий элемент, который представляет собой диск, обтянутый тканью.

Рис. 2.20 Тарельчатый фильтрующий элемент 1 –уплотнительные кольца;

2 –раздвижные втулки;

3 –диск.

Аппараты работают при высоких температурах, если в качестве фильтрующего материала используются металлические сетки.

На рис. 2.21 показан фильтрующий элемент с гофрированной сеткой.

Для очистки газов от пыли при высоких температурах применяют сетчатые фильтры. Причем на дисках крепятся гофрированные фильтры, которые имеют поверхность фильтрации в два раза большую по сравнению с плоским. Необходимо отметить, что тканная проволочная сетка в начале процесса фильтрации уступает по эффективности улавливания тканям из натуральных волокон. Однако тканная металлическая сетка отличается большой термостойкостью и коррозионной стойкостью, а после образования на ее поверхности элементарного слоя пыли обеспечивает такую же степень улавливания, как и ткани из натуральных волокон.

Рис. 2.21. Тарельчатый фильтрующий элемент из гофрированной тканной металлической сетки Одним из слабых мест при разработке фильтров с проволочной сеткой является заделка кромок сетки в корпус фильтра и соединение сеток в замкнутое полотно [2]. Имеются также трудности обеспечения прочного термостойкого соединения металлических сеток с металлом.

В НИИОГАЗе разработаны специальные замазки [2].

С целью увеличения производительности аппаратов при достаточно высокой эффективности были созданы пылеотделители с дополнительным осаждением частиц в каналах ротора. На рис. 2. представлен ЦРП с дополнительной сепарацией частиц в роторе.

Рис.2.22. ЦРП с дополнительной сепарацией частиц в роторе и отводом концентрата пыли по периферии корпуса \преч.\.

Дальнейшее развитие ротационных аппаратов проходило в направлении усовершенствования известных инерционных пылеотделителей путем проведения процесса обеспыливания в сепарационном пространстве и во встроенном роторе. На рис.2.23 показан прямоточный пылеотделитель с фильтрующим ротором.

Рис.2.23.Пропеллерный пылеотделитель с фильтрующим ротором.

Газс частицами пыли закручивается пропеллерным колесом 4 и проходя между ротором и корпусом большей частью поступает через фильтрующий ротор в вытяжную центробежную крыльчатку 5, а меньшая часть газа с высокой концентрацией частиц проходит в выносной циклон [9].

В другом варианте исследовался пылеотделитель с улиточным корпусом со встроенным ротором [11]. Был разработан ротор со съемными пластинами, образующими каналы, причем относительная длина канала соответствовала длине, при которой происходит затухание турбулентности [13, 129]. Более подробные сведения о характеристиках этих аппаратов приведены в разделе 5.

При расчете полей скоростей в каналах инерционных воздухоочистителей [180] положена модель идеальной несжимаемой жидкости. Поля скоростей построены комбинацией простейших потоков с использованием приближенных методов расчета. Скорости и траектории частиц пыли определены численным решением дифференциальных уравнений их движения. При этом учитывался рикошет частиц от поверхностей взаимодействия, турбулентность не учитывалась. Отклонение от экспериментальных данных испытаний пылеотделителей объясняется неучетом влияния турбулентности и других факторов.

Глава 3. СЕПАРАЦИЯ ЧАСТИЦ В ЦИКЛОННЫХ АППАРАТАХ В главе 2 было отмечено, что в циклонных аппаратах эжекционные эффекты имеют определяющее значение. Закрученный поток совершает работу по вовлечению части газа в возвратное движение. Чем сильнее крутка потока, тем большее количество газа приводится в возвратное движение. Именно благодаря эжекционным эффектам в противоточных циклонах осуществляется частью газа транспортировка пыли в приемник и выход из приемника этой части газа в рабочее пространство циклона. Характер течения, интенсивность возвратных течений, определяется параметром крутки потока Ф=G/GxRн, где G осевая компонента момента количества движения, Gxосевая компонента потока количества движения.

W WW Rн Rн WWx R dR, Gx Wx Р RdR.

2 G x x 0 3.1 Прямоточные циклоны В прямоточном циклоне процессы сепарации и отвода пыли конструктивно разделены (рис. 3.1). Пылегазовый поток приобретает вращательное движение с помощью закручивающего элемента и движется большей частью с уменьшающейся концентрацией частиц к центральному патрубку, а высококонцентрированная смесь газа с частицами выводится из циклона по периферии с последующим окончательным осаждением частиц в дополнительном пылеотделителе.

Рис. 3.1. Схема течения газа в прямоточном пылеконцентраторе Поток проходит через закручиватель, приобретает заданный момент импульса и поступает в корпус прямоточного сепаратора радиусом RН.

Основная часть потока движется с уменьшающейся концентрацией частиц к центральному патрубку с радиусом R1, а высококонцентрированная смесь газа с частицами движется по периферии сепаратора в области от R2 до RН и выводится из циклона с последующим окончательным осаждением частиц в дополнительном пылеотделителе, т.е. процессы сепарации и отвода пыли в прямоточном пылеконцентраторе конструктивно разделены. При этом малая часть потока транспортирует частицы в дополнительный пылеотделитель, а большая часть потока формирует обратный кольцевой поток, который разворачивается в сторону центрального газоотводного патрубка. При этом в области между выхлопным патрубком и стенкой сепаратора от R1 до R2 образуются зоны с нулевой средней аксиальной скоростью (рис. 3.2).

В приосевой области сепаратора можно выделить зону, в которой значения центробежных сил малы и их приравняем нулю. Тогда перенос частиц в радиальном направлении осуществляется за счет диффузионного турбулентного переноса частиц. Обозначим область существования диффузионной зоны от 0 до R*. В остальной области течения от R* до RН центробежные силы отличны от нуля и перенос частиц в радиальном направлении осуществляется за счет центробежных сил и диффузионного турбулентного переноса частиц.

Рис. 3.2. Распределение аксиальных скоростей потоков в принятой схеме течения.

Граничные условия, удовлетворяющие уравнениям переноса в областях [ 0,R* ] и [ R*,RН ] должны записываться с учетом равенства потоков частиц на радиусе R*, а также равенства самих концентраций частиц на радиусе R* [34]. Вблизи ограничивающих поверхностей тангенциальная скорость газа уменьшается и становится равной нулю на поверхности стенки. Центробежные силы, действующие на мелкие частицы, также уменьшаются и принимают нулевое значение на самой стенке. Частицы вблизи стенки увлекаются турбулентными пульсациями от стенки к оси, а центробежными силами возвращаются к стенке. Таким образом, вблизи неподвижной поверхности частицы находятся в динамическом равновесии, а на границе потоктвердая стенка, перенос частиц в среднем отсутствует. Суммарный поток частиц за счет центробежных сил и диффузионного переноса равен нулю. На оси прямоточного циклона вследствие симметрии течения производная по радиусу от концентрации частиц равна нулю.

Пусть концентрация частиц в диффузионной области C1 равна (3.1) C C * Тогда распределение концентрации частиц в остальной области течения C будет соответствовать уравнению [34] R C 2 C, (3.2) * R * где R - текущее значение радиальной координаты, а - показатель степени уравнения. f(Stk,Vц Rн / ) представляет собой функцию, изменяющуюся от скорости частиц относительно газа (определяется параметром Stk ) и отношения скорости газа к скорости рассеяния частиц. Здесь VЦ среднерасходная скорость в сечении циклона, коэффициент турбулентного перемешивания.

Процессы сепарации частиц в прямоточном пылеконцентраторе будут определяться скоростью в центральном потоке газа Vx1 и скоростью в периферийном потоке газа Vx2, который в свою очередь будет зависеть от количества газов, отводимых из циклона в дополнительный пылеотделитель QОТВ. Для предложенной модели течения запишем уравнение неразрывности R R R * Н V Х 1( 2 C1RdR 2 C 2 RdR) V Х 2 2 C 2 RdR WВХ RН С ВХ. (3.3) R* R Здесь WВХ,VХ1,VХ2 - входная скорость, скорость потока в области [ 0,R1 ], скорость потока в области [ R2,RН ];

CВХ,С1,С2 - концентрация частиц во входном сечении циклона (по радиусу имеет одно и то же значение), концентрация частиц в области [ 0,R ], распределение концентрации частиц в области [ R,RН ].

Разделим обе части уравнения (3.3) на WВХ RН С ВХ.

R R1 * V X 1( 2 C1 Rd R 2 C 2 Rd R ) V X 2 2 C 2 Rd R 1, (3.4) 0 R R * VХ 1 V С1 С где,V X 2 Х 2,,С 2 2, V X1 С WВХ WВХ C ВХ C ВХ R R R R R *,R,R1 1,R2 2.

*R R R R Н Н Н Н Подставим уравнения (3.1) и (3.2) в (3.4). Проинтегрируем и запишем получившееся выражение, опустив знак обезразмеривания:

V C C Vх1 C R 2 2 * * 1 R2 2 1. (3.5) R 2 2 R 2 2 * * R ( 1 ) 1 * Х R 2( 1 ) * * Полученное выражение представляет собой сумму масс частиц, уносимых и отводимых из циклона GУНОС GОТВ GВХ.

Запишем эффективность циклона через массу уловленных частиц:

GУНОС (3.6) G G ВХ Другое выражение для эффективности может быть записано через выходную концентрацию с 1 С ун 1 1 G ун.

С вх 1 К G вх Запишем выражение эффективности циклона (3.6) используя полученные значения расходов масс.

VХ 2C * ( 1 R 2 2 ) r* ( 1 ). (3.7) G V R12 2 R*2 2 2 X 2 2 C V X 1 R*2 2 R ( 1 ) 1 R2 * R* ( 1 ) * Пусть QОТВ /QВХ K, тогда из балансового уравнения VX1R1 VВХ RН VX2 (RН R2 ) получим:

2 2 2 1 K K, VX 2. (3.8) VX 1 R1 ( 1 R2 ) Подставим полученные значения (3.8) в уравнение эффективности циклона (3.7) ( 1 R2 2 ) K ( 1 R2 ) R*2( 1 ) G 1 K 1 R2 2 K R12 2 R*2 R* 2 2 ( 1 R 2 ) R 2( 1 ) R1 R* ( 1 ) 2 * K( 1 R2 2 ) 1 K R*2 2 R12 2 1 R2 K R*2( (1 )R2 1 ) 2 ( 1 R 2 ) R 2( 1 ) R1 R* ( 1 ) 2 * 2 K( 1 R2 ).

2 1 K 2 K 2 2 2 ( 1 R2 ) 2 R* R1 1 R R1 ( 1 R2 ) При 2, R* 0, тогда 2 K( 1 R2 2 ). (3.9) G K ( 1 R ) ( 1 K)R12 1 R2 2 2 ( 1 R2 ) R Другое выражение: 1.

с K 1 K R12 1 R2 1 R Рассмотрим пример расчета фракционной эффективности разделения аэрозоля в прямоточном пылеконцентраторе, используя полученные результаты. Основные соотношения циклонного аппарата l0 R [165] 2, 0.7, 2RН 250 мм, угол закручивания потока RН RН 90 0 30 0 60 0.

Радиус квазитвердого вращения газа RТ 0,85R1 0.595RН ;

показатель степени n 0.3, средняя скорость в циклонном аппарате W WЦ 10 м/с;

коэффициент диффузии RН R1 Ц 0.043RWЦ ;

n величина R* 0.8RТ 0,8...0,85R1 0.476RН ;

величина K QОТВ /QВХ 0,1 ;

значение R2 0.95RН. Плотность частиц =2300 кг/м3;

динамическая вязкость среды 18.1 10 6 нс/м2;

размер частиц, мкм.

Проведем расчет фракционной эффективности разделения частиц по предлагаемой схеме расчета по данным, приведенным в [34].

1)Стоксовский закон сопротивления частиц.

2 A Значение силовой функции А в прямоточном пылеотделителе 1 находится из соотношения [34]: A(1 R* ) tg 2 RT ).

0.4 0. (1 RT 3 0.4 Подставляя значения в представленное уравнение, получим значение 1 1 1 2. 4.04.

tg 2 60 0 0.595 0.4 (1 0.595 0.4 ) A 1 0.476 3 0.4 0. Величина находится из соотношения [34]:

Wц wR RН Stk,, Re,w Stk Ц Н (1) StkRe,w 0, 2 10 12 2300 10 12 W Ц, 7.05 10 6 2, т.е.

Stk RН 18 18.1 10 7.05 10 6 2 10 560 10 6 Stk 560 10 6 2, (1) 0.013 2.

Stk 0.125 0,043 0. 2 A 0.013 2 4.04 0.0526 2. Диаметр частиц подставляется в микронах.

2)Сопротивление частиц отличается от Стоксовского.

2 A Величина А находится из соотношения [34].

R 0.8 ).

A(1 R* ) tg 1.5 T 0. (1 RT 2.75 0. Подставляя значения в представленное уравнение, получим значение 0.595 0.8 1. 1 2.88.

tg 1.5 60 0 (1 0.595 0. A ) 1 0.476 2.75 0.8 0. Величина находится из соотношения [34].

WЦ RН RН (0,75) StkRe,w 0,75 StkRe,w 0,75, Re,w.

Подставляя значения, получим 0, 15 10 6 RН (0,75) 560 10 6 2 2.96 10 6 1.279 0.0627 1. 15 10 6 0.043R, 2 (0,75) A 0.06271.279 2.88 0.18051.279.

На рис. 3.3 приведена фракционная эффективность разделения аэрозоля в прямоточном пылеотделителе по данным табл. 3.1. В табл.

3.1 приведена зависимость эффективности сепарации от параметра по данным, приведенным в [34] и по выражению (3.9). Расчеты удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными.

Таблица 3.1. Зависимость эффективности сепарации от параметра 2,5 5 10 15 По данным [34] 0,58 0,75 0,9 0,95 0, По формуле 3.9 0,32 0,64 0,94 0,993 0, Рис. 3.3.Зависимость эффективности сепарации частиц от 2 [51] Рис. 3.4. Фракционная эффективность разделения частиц Ниже приведены результаты анализа уравнения (3.9) [51]. Так на рис. 3.4. приведены результаты фракционной эффективности разделения частиц в прямоточном циклонном аппарате. На рис. 3.5.

приведены результаты фракционной эффективности разделения частиц в прямоточном циклонном аппарате в зависимости от размера выхлопной трубы. На рис. 3.6. приводятся результаты фракционной эффективности разделения частиц в зависимости от размеров циклонного аппарата. На рис. 3.7. приводятся результаты фракционной эффективности разделения частиц в зависимости от количества отводимых из циклонного аппарата газов.

Рис. 3.5. Фракционная эффективность разделения частиц в зависимости от размера выхлопной трубы R1 [51].

фракционная эффективность 1, 0, R=125 mm 0, R=500 mm 0, 0, 1 3 5 10 15 20 размер частиц, мкм Рис. 3.6. Фракционная эффективность разделения частиц в зависимости от размеров циклонного аппарата RН Рис. 3.7. Фракционная эффективность разделения частиц в зависимости от количества отводимых газов K [51].

Анализ представленных графиков показывает, что эффективность сепарации частиц несколько снижается при увеличении относительного размера выхлопной трубы (рис. 3.5);

снижение эффективности сепарации частиц происходит интенсивно при увеличении размеров аппарата (рис. 3.6);

происходит значительное увеличении эффективности сепарации частиц в зависимости от количества отводимых от пылеотделителя газов в выносной циклонный аппарат.

Так, при отводе 1% от общего расхода газов эффективность сепарации для частиц размером 10 мкм составляет 20 %, тогда как при отводе 10 % эта величина составляет уже порядка 75 %.

Как отмечалось в гл.1 в реальных условиях концентрации частиц могут сильно колебаться во времени и в пространстве. Поэтому в батарейных газоочистителях прямоточные элементы находятся под разной пылевой нагрузкой. Сгустки пыли, попадающие на лопатки закручивателя, на выходе из него имеют по порядку меньшую вращательную компоненту, чем газ и затормаживают его вращение.

Поэтому крутка потока в разных элементах будет различной.

Считается, что коэффициент крутки Ф однозначно определяет все характеристики потока. Обычно сами величины G и Gx не определены и поэтому вместо них пользуются конструктивными параметрами, характеризующими закрутку. Причем для каждого типа закручивателя имеются ему присущие выражения для этого параметра [21].

Отметим общие свойства сильно закрученных потоков. В каналах после закручивателя поток имеет максимальные значения скоростей вблизи ограждающих поверхностей, максимальное давление у поверхности по сравнению с давлением на меньших радиусах. В приосевой области в канале поток имеет противоположное направление и избыточное отрицательное давление. Максимальное значение вращательной компоненты находится вблизи цилиндрической поверхности с радиусом, равным радиусу канала выхода потока.

Гидравлическое сопротивление элемента тем меньше, чем меньше Ф, а количество отводимых газов с пылью, и соответственно величина К, тем больше, чем больше Ф. Поэтому значение К для разных элементов оказывается различным и, как показывает анализ, может принимать нулевое значение.

Таким образом, эффективность батарейного газоочистителя оказывается ниже по сравнению с расчетной эффективностью одиночного элемента.

3.2. Коаксиальный канал В циклонах типа ЛИОТ имеются удлиненные коаксиальные каналы, в которых, как предполагалось, должна происходить эффективная сепарация, поскольку за время прохождения газа в канале мелкие частицы выходят из потока в камеру вывода пыли в выносной циклон (рис 3.8). Имеются обеспыливающие установки с прямоточными пылеконцентраторами, в которых имеются центральные вставки, «отжимающие» частицы к периферии [179, 20].

В [32] рассмотрено турбулентное движение аэрозоля в коаксиальном канале.

Рис. 3.8 Схема сепарации с концентратором коаксиальный канал В цилиндрической части циклона с удлиненной погружной трубой газ совершает несколько оборотов в коаксиальном канале, изменение параметров потока в окружном направлении незначительно и в целом, полагается, движение аэрозоля осесимметричное.

3.2.1. Оценки параметров турбулентного потока в коаксиальном канале В коаксиальном канале при вихревом движении напряжение трения на стенке определяется суммарным взаимодействием потока, при его движении в тангенциальном и аксиальном направлениях: в аксиальном перемещение происходит под воздействием перепада давлений (градиента в осевом направлении),тогда как в тангенциальном движение происходит в виде струйного обтекания стенки с уменьшением скорости обтекания в этом направлении. Оценка коэффициентов сопротивления (трения) в трубе без закрутки потока и струйном обтекании поверхности проводится различающимися методами: в первом случае из условия равенства сил, действующих на отсек равномерно движущегося газа (равновесие сил трения и перепада давлений), во втором случае из уравнения импульсов (связывающего толщину потери импульса и напряжение трения на стенке [120].

Уравнение импульсов турбулентного пограничного слоя при обтекании пластины имеет вид d * * U * * 2 H w 2, где тремя неизвестными являются толщина dx U U * u u потери импульса * * dy,отношение H, в котором U U ** u толщина вытеснения * dy, и напряжение трения на стенке U 2 w w или коэффициент местного трения c f. Для решения U уравнения импульсов используют полуэмпирические законы связи между напряжением трения т в любой точке потока и распределение скоростей вблизи этой точки. На основании этого, приведены соотношения для толщин вытеснения и потери импульса [120] exp exp ** * exp h exp h.,, h f 2 U f 2 U 1,7 4,15lg Re x c f, здесь =0,4-константа турбулентности, =11, cf постоянная границы ламинарного подслоя (uл=v), f=1/. В приведенной формуле коэффициент трения выражен в неявном виде.

В эмпирическом методе расчета турбулентного пограничного слоя ** U используется связь напряжения на стенке и величины Re* *.

dRe* * w Используется уравнение импульсов в виде, U dRe x ** w 1/ 0,053Rex 1/7 и 0,00655Re* *, что дает результат U 2 x c f 0,0263Rex 1/7, (3.10) xU где Re x. Для шероховатой поверхности 1/ x.

c f 0, k В закрученном потоке, распространяющемся в коаксиальном канале между круговыми цилиндрами, напряжение трения на криволинейных поверхностях, а следовательно и интенсивность турбулентного перемешивания при обтекании этих поверхностей, отличаются от аналогичных величин при обтекании потоком плоской поверхности.

При расчтах влияния кривизны линий тока на трение по разным методикам (рис. 3.9) в качестве интегрального параметра кривизны использовали отношение толщины потери импульса к радиусу кривизны ** / Rk [112] и его влияние на относительный коэффициент трения к=cf/cf0, где cf0 – коэффициент трения пластины.

Рис. 3.9. Влияние кривизны линий тока на трение Распределение трения в пограничном слое на криволинейной поверхности.

Вогнутая стенка: 1 – расчт по методике [112] – l / l0 4 1 ( y / l0 ) 2 Ri ;

2 – K 1 145 ** / RK ;

3 – l / l0 1 2Ri;

4 – l / l0 1 18Ri.

Выпуклая стенка: 5 – расчт [112] l / l0 1 / 4 1 ( y / l0 ) 2 Ri;

6 – K 1 47,6 ** / RK ;

7 – l / l0 1 4Ri;

8 - l / l0 1/(1 6Ri ).

На вогнутой поверхности [209] вихревой камеры коэффициент трения при повороте потока на угол 120 имеет вид сfвх=0,972Re-0,464(Rв/Rн)0,265(b/R)0,13(X/R)0,258, далее остается постоянным, и в зависимости от относительного размера выходного отверстия находится в пределах сfн=0,0020,004, а в зависимости от относительной шероховатости сfн увеличивается в несколько раз. В приведенной формуле: Reн=WRн/, b – ширина входного патрубка, Х – расстояние в окружном направлении, проходимое молем газа от входа до сечения, соответствующему повороту на угол в пределах 120.

Линия тока газa определяется соотношением (dX/W) = (dZ/Wz) при W,, Wz=const, X=(W/Wz)Z;

динамическая скорость (скорость трения) Wн=(cfн/2)0,5W;

коэффициент турбулентного перемешивания =yWн=0,4(Rн-R)Wн.. Коэффициент трения при обтекании потоком поверхности внутреннего цилиндра Э.Н.Сабуров [166] предлагает рассчитывать по следующим соотношениям сfв=0,234Reв-0,4 при Rв/Rн=0,20,4;

сfв=0,045Reв0,3;

Reв=WRв/. В области поверхности внутреннего цилиндра коэффициент турбулентного перемешивания определяется соотношением =Wв=0,4(R-Rн)(сfв/2)0,5W.

Изменение крутки потока вследствие трения газа о поверхности можно определить из уравнения моментов импульсов R dн WzW R dR Rн wн Rв wв, 2 (3.11) dZ Rв где wн, wв - напряжения трения в окружном направлении на наружной и внутренней криволинейных поверхностях коаксиального канала. Для упрощения расчетов положим, что аксиальная скорость Wz=const, W Z.

зависит только от Тогда 3 3Z Rн Rв W (Z) W0 W Rн c fн Rв c fв W dZ. Этому уравнению 2 2 3 соответствует дифференциальное уравнение dW W R 3 Rн Rв c fн Rв c fв. Оно может быть 2 Wz н dZ 3 проинтегрировано, если учесть, что коэффициенты cfн и cfв мало меняются с изменением W, разбиением высоты коаксиального канала на участки. Для первого участка расчетная формула может быть W записана в следующем виде W, для R Z 3W0 2 c fн Rв c fв dZ н 3 2Wz Rн Rв Wk другого участка Wk.

Z-Z k R 3Wk 2 c fн Rв c fв dZ н 3 2Wz Rн Rв zk Изменение тангенциальной скорости потока в зависимости от длины канала показано на рис. 3.10 при Rн=0,4м, Rв/Rн=0,6.

Рис. 3.10. Зависимость относительной тангенциальной скорости потока от длины канала 3.2.2. Распределение концентрации частиц при турбулентном движении аэрозоля Уравнение движения при малых концентрациях частиц имеет вид W Vr, Vz=Wz Vr = U, (3.12) R где Wz – аксиальная скорость газа.

Уравнение переноса при турбулентном движении имеет вид R( CVr C Vr ) 0, R( CVz C Vz ) Z R (3.13) C C, R (Wz C) R(CVr ) 0.

C Vr R Z R R В последнем уравнении знак осреднения опущен. Учитывая уравнение (3.13) и заменяя переменные R=rRн, Z=tWzR2/, Vr=(/r)(/Rн)=StkWвх/r, (можно ввести также безразмерную величину w=Wz(Н)=WzH – относительную аксиальную скоростьотношение скорости переноса примеси вдоль канала к скорости распространения примеси в Z=tWzRн2/ ;

t-безразмерная поперечном направлении), H=RнRв;

величина;

t=(Z/Rн)(H/Rн)/w);

С=сС0;

запишем (2.42) в безразмерном виде c c c r 0, =StkWвхRн/. (3.14) r t r r r Поскольку на границах потока нет переноса частиц (непроницаемая стенка), суммарный поток за счет центробежных сил и диффузионного переноса должен быть равен нулю.

Граничное и начальное условия запишутся c(rн,t) c(r,t) с(rв,t) c(rв,t) 0, c(r,0)=c0=1.

н 0, (3.15) r rн t rв В уравнениях (3.14), (3.15) величины и t определяются величиной, которая в общем случае зависит от Z.Кроме того, необходимо учесть изменение с изменением W, поскольку последняя величина определяет инерционный параметр Stk=W/Rн. Задача требует численного решения. В [32] для оценочных расчетов величины и приняты не зависящими от Z и получено аналитическое решение.

Процесс разделения в цилиндрической части ЦА определяется следующим образом. Выделяется область (rв, r), занимаемую аэрозолем, из которой все количество частиц будет составлять унос.

Процесс сепарации состоит в том, что концентрация частиц в области (rв, r) уменьшается по мере движения аэрозоля.

Эффективность разделения аэрозоля определяется по формуле r 2 crdr r 1 2в 2. (3.16) r rв Для течения без турбулентного перемешивания частиц [32] r2 rв2 2Stktl, tl=W0Z/WzRн=tWвхRн/ l 1 2 r rв При «нестационарном» турбулентном движении аэрозоля эффективность рассчитывается численно. Для «стационарного»

турбулентного движения аэрозоля r 2 crdr 1 r 2 r rв 2 в dr, 1 1 r r 1 r 2( 1) (3.17) r2 rв 2 r2 rв 2 r в в r2( 1) rв2( 1) 1 r 1 1 rв2( 1) r2 rв Примем : W=W0=Wвх=20 м/с ;

Wz=4 м/с ;

1=1,5105 м2/с ;

Rн=0,4;

Rв/Rн=0,6;

/=2800;

R/Rн=0.9;

Stk=(Wвх/Rн)=(20/0,4)=50;

=(/)(21012)/(181)=2800(21012)/(181,5105)=1,0310-52, c ( в ( 1 / 4 )H мкм);

Stk51042, – в мкм;

( (4 /H)V hdh, H=0,4Rн;

0,001RнWвх;

= StkWвхRн/2=Stk/0,0012=500Stk=0,252, в мкм;

t=Z/(WzRн2)=Z0,0010,420/40,42=0,05(Z/Wz)=0,0125Z, Zв метрах;

tl=W0Z/WzRн=(20/0,4)(Z/Wz)=50(Z/Wz)=200Z, Zв метрах.

Эффективность сепарации без перемешивания r2 rв 2Stktl =4,44Stktl=222Stk(Z/Wz).

l 1 2 r rв Для турбулентного «стационарного» течения распределение концентрации и эффективность при указанных условиях будут выражены следующими соотношениями 1 r 1 0,36 0,64 1 0,81 1 0,36, 2 cr 1, в 2 1 0,36 1 1 0,36 1 rв На рис 3.11, 3.12, 3.13, показаны распределения концентраций, рассчитанные [32], на рис. 3.14 и 3.15. представлены зависимости эффективности от параметра Stk.

Рис. 3.11. Распределение Рис. 3.12.

концентрации частиц по радиусу Распределение концентрации канала: тонкие линии частиц по радиусу канала:

турбулентное течение, тонкие линии турбулентное жирные без перемешивания течение, жирные без в зависимости от t при Stk=103 перемешивания в в зависимости от t при Stk=0,5 Рис.3.13. Распределение концентрации частиц по радиусу при t= 0,25 в зависимости от Stk Рис. 3.14. Эффективность в Рис.3.15. Эффективность в зависмости от безразмерного зависимости oт Stk тонкая линия времени при различных Stk. турбулентное течение, жирные – без перемешивания при t= 0, тонкие линии турбулентное течение, жирные –без перемешивания Результат расчета фракционной эффективности сепарации частиц в коаксиальном канале при турбулентном течении и течении без перемешивания представлен в таблице 3.2. Фракционная эффективность сепарации частиц в обычных координатах и логарифмической системе координат представлена на рисунке 3.16 В таблице 3.3 представлена зависимость эффективности сепарации частиц в коаксиальном канале от размеров внутреннего цилиндра при различного рода течениях. На рис.

3.17 представлены графики, построенные по данным таблицы 3.3.

Анализ показывает, что неучет турбулентной диффузии приводит к ложным выводам: так, при увеличении размера внутреннего цилиндра при течении без перемешивания происходит увеличение эффективности, тогда как на самом деле при снижении высоты канала происходит снижение сепарации частиц за счет интенсификации турбулентного обмена частиц между стенками канала.

В таблицах 3.4 и 3.5 представлена зависимость эффективности сепарации частиц от размеров внутреннего цилиндра при турбулентном течении аэрозоля и течении без перемешивания. интенсивность изменения значений эффективности происходит значительно медленнее при турбулентном течении, чем при течении без перемешивания.

Таблица 3.2. Фракционная эффективность сепарации частиц в коаксиальном канале Размер частиц, мкм 1 3 5 10 15 20 Stk 10 3 0,423 3,8 10,5 42,3 95 169,2 380, Турбулентное течение 0.00875 0.0799 0.222 0.7 0.944 0.994 0. Течение без перемешивания 0.011 0.1 0.283 1.135 1 1 1. Эффективность 0. 0. 0. 0. 1 3 5 10 15 20 Размер частиц, мкм течение без перемешивания турбулентное течение Рис. 3.16. Фракционная эффективность сепарации частиц в коаксиальном канале Таблица 3.3. Зависимость эффективности сепарации частиц в коаксиальном канале от размеров внутреннего цилиндра при Stk 10.5 10 - 3 (R=0.4 м, Z=0.5R) r1 = r1 R 0.4R 0.5R 0.7R r1, м 0.16 0.2 0. Турбулентное течение 0.245 0.229 0. Течение без перемешивания 0.224 0.26 0. 0, 0, Эффективность 0, 0, 0, 0,4 0,5 0, турбулентное течение Относительный размер внутренней трубы течение без перемешивания Рис. 3.17.Зависимость эффективности сепарации частиц от размеров внутреннего цилиндра [51] Таблица 3.4. Зависимость эффективности сепарации частиц в коаксиальном канале от размеров внутреннего цилиндра (турбулентное течение, R=0.4 м) r1 = r1 R 0.4R 0.5R 0.7R r1, м 0.16 0.2 0. 0,423 0.0098 0.009 0. Stk 10 3,8 0.062 0.057 0. 10,5 0.245 0.229 0. 95 0.941 0.939 0. Таблица 3.5. Зависимость эффективности сепарации частиц в коаксиальном канале от размеров внутреннего цилиндра (течение без перемешивания, R=0. м, Z=0,5R) r1 = r1 R 0.4R 0.5R 0.7R r1, м 0.16 0.2 0. 0,423 0.00655 0.0076 0. 3,8 0.058 0.068 0. 3 10,5 0.163 0.19 0. Stk 20,7 0.321 0.372 0. 42,3 0.655 0.76 Расчеты показывают, что с увеличением длины сепарационной зоны или длины коаксиального канала при течении без перемешивания происходит непрерывное нарастание эффективности, чего не происходит в реальных процессах (рис.3.14).

В приведенных расчетах не учитываются сгущения частиц в пристенной области на вогнутой поверхности. Эти сгущения для полидисперсного аэрозоля образуются вследствие изменения скоростей и турбулентного переноса частиц различного размера, которые могут взаимодействовать со стенкой специфическим образом. Однако, если транспортировка частиц в пристенной области потоком осуществляется без отложений, то форма записи граничных условий остается в том же самом виде (3.15) только коэффициенты оказываются зависящими от координат. При концентрациях частиц более 10 г/м газа начинает проявляться обратное воздействие частиц на движение газа.

3.3 Противоточные циклоны Противоточные циклонные аппараты нашли широкое применение в технологии очистки газов от твердых и жидких примесей, обогащения углей, руд цветных металлов и т.п. Имеется большое разнообразие конструктивных форм, геометрических соотношений циклонных аппаратов [179, 181]. Наибольшей пылезадерживающей способностью обладают циклоны конического и цилиндроконического типов.

Основными геометрическими соотношениями, влияющими на эффективность и гидравлическое сопротивление, являются отношения площади входного патрубка к плановой площади циклона, отношение площади входного патрубка к площади газовыводного патрубка, отношение площади пылевыводного отверстия к площади выходного патрубка, угол конусности циклона [52]. В [166, 209] приведены данные по коэффициентам гидравлического сопротивления;

характерным радиусам, определяющим поверхности возвратных токов;

максимальной крутке потока, влияющей на процессы сепарации, в зависимости от геометрических соотношений. Влияние твердой фазы на гидродинамику потока в циклонно-вихревых камерах представлено в [209].

3.3.1. Поведения дисперсного потока В сепарационном пространстве циклонного аппарата происходит концентрирование частиц в пристенной зоне, структурирование дисперсной фазы с образованием жгутов, которые транспортируются в приемник и выделяются из потока. В зависимости от концентрации, дисперсности и условий сепарации частиц применяются циклоны либо конического, либо цилиндрического типов, или циклоны с обратным конусом. Конические циклоны обладают большей устойчивостью потоков, однако в присутствии твердой фазы возникают колебания давлений и пульсации потоков из-за воздействия образующихся жгутов на вращение потока.

В циклонах с тангенциальным или улиточным вводом запыленного газа вблизи верхней крышки формируются тороидальные вихри, в которых аккумулируется пыль, периодически, по мере накопления, выпадающая в сепарационный объем. Это приводит к нестационарности течения аэрозоля и процессов жгутообразования в пристенной области сепарационного объема.

В одиночных циклонных пылеуловителях с индивидуальным приемником пыли нестационарность концентрации пыли хотя и влияет на эффективность сепарации, однако течение аэрозоля в целом проходит устойчиво и обеспыливание газов осуществляется удовлетворительно. Известны конструкции с устройством отсечного канала – байпаса для перекачивания пыли из-под верхней крышки в коническую часть циклона (циклон Ван – Тонгерена) [181].

При батарейной компоновке циклонных элементов, когда камеры ввода газов, вывода газов и сбора пыли являются общими для параллельно установленных циклонных элементов, очистка газа осуществляется значительно хуже из-за возникающих перетоков газа, вторичной диспергации жгутов пыли в приемнике – общей камере сбора пыли, а также, вероятно, из-за перетоков газа между циклонными элементами в камере очищенного газа. Поскольку часть энергии потока, проходящего через каждый элемент, затрачивается на работу эжектирования газа из камер вне циклона, возможной оказывается ситуация, когда даже для незапыленного потока, через элементы будет циркулировать некоторая часть газа из-за незначительных дефектов изготовления, монтажа, различной длины газовыводных патрубков очищенного газа, взаимодействия вихрей и ограждающих поверхностей камер вывода газа и сбора пыли, а также пространственного расположения элементов по отношению к каналу ввода газа в сепаратор. Видимо этим обстоятельством объясняется тот факт, что коэффициент гидравлического сопротивления группового или батарейного циклонного сепаратора на 15…20 % больше, по сравнению с тем же количеством циклонных элементов с индивидуальными приемниками пыли.

В связи с этим возникает вопрос об устойчивости потоков в циклонах при воздействии различных возмущений в виде колебаний концентрации, дисперсности пыли, нестационарности несущей среды и т.д.

О характеристиках потоков в циклонах с различной геометрией можно получить представление, если воспользоваться данными [181, 171], где имеются распределения полей скоростей потока в объемах конического и цилиндрического циклонов. В [171] представлено распределение моментов окружных скоростей, а не самих скоростей. Но масштаб, указанный для моментов, на самом деле относится к окружным скоростям входа, что проверяется с помощью баланса расхода газа на входе и выходе из сепаратора. В [181, 171] приведены также характерные линии тока течения в циклонах. Используя данные, приведенные в [1, 6], определялись значения показателей nmi и nRi из соотношений n n Vi /V R (R/ri ) Ri ;

Vi / Vci (rci / ri ) mi, где Vi, VR, Vci – окружные скорости газа на фиксированном радиусе в сечении i, на наибольшем радиусе R, радиусе поверхности в сечении i;

ri, R, rci – соответствующие им радиусы (толщиной пристенной зоны пренебрегаем). В качестве фиксированного радиуса брался радиус, где Vi=Vmax. Значения относительных массовых расходов в нисходящем движении рассчитывались по формуле rci Gнi (2 wi rdr) / VR FВХ, rwoi где wi – значение аксиальной скорости на радиусе ri;

rci, rwoi – радиусы поверхности и нулевой аксиальной скорости на периферии в сечении i.

Значения rmi rmi / R, rwoi rwoi / R, nmi, nRi, Gнi представлены в табл. 3.6–3.8.

Таблица 3.6. Показатели для конического циклона с FВХ/FВЫХ=0, х/R 0,450 0,910 1,950 2,640 3, rmi 0,273 0,230 0,195 0,117 0, rwoi 0,750 0,770 0,590 0,295 0, rci 1,000 1,000 0,770 0,520 0, nmi 0,450 0,470 0,380 0,300 0, nRi 0,450 0,470 0,390 0,390 0, Gнi 1,410 1,260 0,750 0,530 0, Таблица 3.7. Аэродинамические показатели для цилиндрического циклона (rci R) с FВХ/FВЫХ=1, х/R 0,1 0,63 1,16 1,7 2,2 2,75 3, rmi 0,23 0,29 0,23 0,23 0,22 0,20 0, rwoi 0,544 0,632 0,676 0,696 0,706 0,725 0, nmi 0,89 0,82 0,77 0,62 0,58 0,63 0, nRi 0,89 0,8 0,75 0,6 0,54 0,57 0, Gнi 0,791 0,461 0,382 0,321 0,289 0,233 0, Таблица 3.8. Аэродинамические показатели для цилиндрического циклона (rci R) с FВХ/FВЫХ=0, х/R 0,1 0,63 1,16 1,7 2,2 2,75 3, rmi 0,34 0,34 0,34 0,34 0,34 0,34 0, rwoi 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0, nmi 0,45 0,54 0,56 0,63 0,65 0,70 0, nRi 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0, Gнi 1,21 1,1 1,12 1,0 0,921 0,792 0, Из таблиц видно, что для циклонов с FВХ/FВЫХ 1 значение nmi и nRi отличаются все в большей мере с удалением от входного сечения газовыводной трубки, однако характер изменения для цилиндрического и конического циклонов противоположный: в коническом nmi nRi и уменьшается, в цилиндрическом nmi nRi и увеличивается при приближении к дну циклона. В коническом циклоном сепараторе в области пылевыводного отверстия нисходящий поток имеет значение менее 10 % от исходного, в цилиндрическом при с FВХ/FВЫХ=0,29 – более 50 %. Увеличению nm соответствует увеличение значения радиальной скорости потока. В коническом циклоне в области пылевыводного отверстия реализуются центростремительные ускорения, которые в 30 и более раз выше, чем в цилиндрическом.

С увеличением концентрации частиц уровень тангенциальных скоростей снижается. Это особенно характерно для конической части циклона [40]. Это обстоятельство приводит к изменению перепада давлений по высоте циклона (в основном по высоте конической части) в зависимости от изменения концентрации частиц во входящем в циклон потоке.

Проведем более подробный анализ влияния концентрации на распределение давления по высоте циклона. Теоретическое решение задачи распределения давления в объеме циклона на основе механики дисперсных сред в настоящее время получить невозможно, однако, можно получить качественные оценки распределения давления, если считать известной гипотетическую линию тока вблизи пристенной зоны, там, где радиальные градиенты скоростей имеют малые значения.

На рис. 3.18 представлена схема высокоэффективного конического сепаратора с индивидуальным приемником пыли. В правой части изображены линии тока течения газа, в левой части представлены расчетные и исходные величины, относящиеся к выделенной гипотетической линии тока газа в конусе.

Рис. 3.18. Схема линий тока газа в противоточном коническом циклоне Если градиенты скоростей малы, радиальные распределения давлений в каждом сечении циклона определяются выражением dP / dr 2 / r ;

(3.18) Уравнение выделенной гипотетической линии тока, в случае осесимметричного течения, запишется в виде:

z u dz / w dr / u ;

r r0 dz ;

(3.19) w z В выражениях (3.18), (3.19) приняты следующие обозначения: P,, u, w – давление, окружная скорость, радиальная и аксиальная скорости на линии тока;


- плотность газа;

r, z – координаты линии тока.

u Если положить, что отношение u/w=const, то r z, поскольку w u (рис. 3.18). Тогда выражение (3.18) можно записать для r0 z w выделенной линии тока как dP / dz 2 / z, (3.20) или в безразмерном виде dP / dz 2 / z, P P / VR 2, / VR, z z/h, где h – высота конуса с поверхностью, образованной совокупностью выделенных линий тока (рис. 3.18). Поскольку i /VR R / ri Ri, то для n выделенной линии тока /V R h/z n, z ;

n (3.21) Как следует из таблицы 3.6 для конического циклона (рис.3.18) nR меняется в диапазоне 0,47 – 0,35. Примем среднее значение nR = 0,41.

В верхней части циклона характер распределения окружных скоростей с изменением концентрации не меняется, хотя уровень этих скоростей несколько снижается при высоких концентрациях [40]. В нижней части циклона, особенно вблизи пылевыводного отверстия, значение окружных скоростей снижается. Таким образом, показатель n в формуле (3.21) зависит от концентрации частиц в потоке и может быть аппроксимирован выражением n n0(1 n cn ), где n0 – показатель степени в уравнении (3.21) при с=0, где с – концентрация частиц в потоке на входе в циклон, кг пыли/кг воздуха, n, n – коэффициент и показатель степени, значения которых зависят от типа циклона, физико химических свойств и дисперсности пыли. Значение величины n для циклона приведенного на рис. 1 находится в диапазоне от –1,00 до 0,41.

Для выделенной линии тока перепады давления в верхней части по радиусу и по высоте циклона (по линии тока) запишутся так:

2nR r2 P12 P 1 P 2nR 2n z P10 0, при n (3.22) 2n P ln z, при n 10 Приближенные значения величины n можно получить, измеряя перепад давления между потоками во входном патрубке и приемнике пыли, используя выражение (3.22).

Например, для незапыленного потока nR 0,41, P12 1,97, P10 5,28, n nR 0,41 ;

для запыленного потока nR 0,41, P12 1,97, P10 0,99, n 0,5. Т.е. с увеличением концентрации перепад давления в циклоне по высоте уменьшается, а давление в области пылевыводного отверстия увеличивается. Опыт показывает, что в приемнике пыли циклона СК ЦН-34, который работает на незапыленном газе под напором, образуется разрежение, тогда как при концентрации цементной пыли на входе 5 г/м3 приемник пыли оказывается под напором. Приемники пыли групповых циклонных пылеотделителей НИИОГАЗ, работающих под напором, рекомендуют герметизировать для предотвращения присосов воздуха [106].

Крупные частицы в области пылевыводного отверстия в большей мере подвержены тормозящему действию поверхности, труднее транспортируются потоком и при концентрации более 10 г/м накапливаются в объеме циклона из-за неудовлетворительного оттока частиц в приемник. В этом случае вынужденный вихрь формируется не в приемнике, а в сепарационной зоне в объеме циклона на вращающемся слое из частиц. Это приводит к повышенному уносу крупных частиц из сепаратора [138].

3.3.1. Распределении частиц в конусе циклонного пылеуловителя В противоточном циклоне в каждом сечении конуса в приосевой области потоки направлены вверх, в сторону газовыводного патрубка, в периферийной области – вниз, в сторону пылевыводного канала.

Схематично области движения потоков через сечения, нормалью к оси, представлены на рис. 3.19. Зона I – приосевое движение из примника с присоединнными токами из сепарационного пространства в газовыводящий газоход. Зона II – зона радиального перемещения газа ядро – из периферийной области в приосевую. Зона III – зона периферийной области – области струйного течения и пристенного слоя.

Рис. 3.19. Схема потоков в циклоне В зоне I существует подзона квазитврдого вращательного движения и квазипотенциального течения, в зоне II – квазипотенциальное вращение. В периферийной области: граница ядра d Г / dR 0;

граница струйной области 2 dГ / dR 0;

пограничный слой dГ / dR [209], Г R V, V– окружная скорость;

R – текущий радиус. Суммарный массовый расход газа через каждое сечение, перпендикулярное оси циклона, равен нулю, т.е. расходы газов в нисходящем и восходящем течениях равны между собой.

Суммарный расход пыли через каждое сечение постоянен и равен количеству пыли, выделившейся из потока в примнике, или, иначе, равен расходу пыли на входе в циклон, умноженному на коэффициент очистки. Последнее утверждение вытекает из условия ненакопления пыли в выделенном отсеке конуса при балансе потоков пыли через поверхность замкнутого контура отсека (рис.3.20).

Рис.3.20. Баланс масс пыли в конусе Для упрощения дальнейших вычислений примем, что аксиальные скорости в восходящем и нисходящем потоках распределены равномерно по радиусам, причм зона нисходящих токов в соответствии с рекомендациями [209] в периферийной области определяется выражением Rц R я b 1 rя 0.235 0.07 b, – ширина Rц Rя входного патрубка;

rя, Rц – радиус цилиндра циклона. Для Rц высокоэффективных циклонов 1 rя 0.25 0.26. Из рис.3.19 следует, что образующие конических поверхностей, разграничивающих указанные зоны, имеют следующие значения:

Rсz ZR R1z R z z r1z r1 ;

яz rяz rя ;

rсz, r.

Rц Rц H Rц Rц H H Расходы газа в каждом сечении:

const.

2 z z Qz W R r W Rц2 1 rя2 ;

W / W r12 / 1 rя (3.23) ц H H Расход пыли конкретной фракции в каждом сечении:

R1 z Rcz (3.24) CR dR 2W CR dR.

G z Qвх C вх W r12 Rц2 C вх 2W Rяя Деля левую и правую части (3.24) на Rц2·UцСвх= =QвхСвх, получим r rcz 1z 2 сrdr сrdr (3.25) r 1 rя rcz В этих уравнениях – эффективность улавливания частиц размером ;

Свх – концентрация частиц размером в газе. с - текущая концентрация частиц размером в газе, Q – расход газа.

Будем полагать, что присутствие частиц не влияет на движение газа, W const;

W const;

показатель степени n в распределении окружных скоростей в квазипотенциальной зоне имеет одно и то же значение в различных сечениях, перенос частиц в радиальном направлении оценивается потоком частиц в осредннном относительном их движении при воздействии на них центробежных сил и турбулентного диффузионного потока. Уравнение переноса в радиальном направлении имеет вид dC |z, (3.26) Cu | z dr 2 2 Uц V V2 u вх вх,,, u u к Stk ;

Stk u, ;

R r Rц Uц Uц вх r вх Q.Здесь Q – расход газа при r rT, при r rT ;

U ц n 1 n r r Rц T в циклоне, Rц – радиус циклона;

– диаметр частиц;

, – плотность частицы и газа, – коэффициент кинематической вязкости;

n – r n const вх 1n. к1 – коэффициент, показатель в уравнении учитывающий увеличение сопротивления при отклонении от стоксовского обтекания в условиях воздействия пульсаций [185]. n меняется по высоте в диапазоне 0,2–0,7 [52].

Для упрощения расчта представим u Stk A / r, где А находится из соотношения 2 dr 1 r dr 0 ;

r dr r r 1 r* r* r* r T величина r* выбирается из условия. Для сечения z :

2 dr 2 dr r * Z Z Тогда r*z r* ;

rTz rT.

H H 2n 3 rT12 n (n 1) H V a b, вх.

Az вх z 3(1 2n)(1 r* ) 2H (n 1) Здесь a, b – высота и ширина входного патрубка.

u z Rц u 2h (n 1) Обозначим. Уравнение переноса (3.26) в вх a b c z dc безразмерном виде запишется при r r*z, c z c0 z при r r z r dr z r. (3.27) c z c0 z r *z Расчт показывает, что в выражении (3.25) r1 ( z ) r 2 r z 2 r z 2 z, и с учтом (3.27):

Cr dr C0 z * 1 * r* ( z 2) H H r z ( z 2 ) C0 z. (3.28) Z * Свх 1 rя ( 2) (2r1 z 2 z r z 2 ) 2 2 * 1 rя 2r Таким образом может быть представлено распределение концентраций по соотношению (5) с учтом (6);

например, для циклона СК-ЦН-34 при м м / 2000;

R ц 0.15м;

U ц 1.7 ;

1.5 10 5 ;

h k 4;

r1 0.34;

a b 1.3 0.43;

r* 0.6 r1 ;

с с rT 0.8 r1 ;

n ср 0.55;

h H/R ц 5,61;

к и распределении фракционных эффективностей [179] мкм 1 3 0.41 0.82 0. вверху циклона относительная концентрация частиц размером 3 мкм на оси и периферии равны 0,41 и 1,5 соответственно, а в области пылевыводного отверстия равны соответственно 0,37 и 36.

3.3.2 Сравнение противоточных циклонов 1..Существующая схема обеспыливания газов в сублиматном производстве [37], включающая электрофильтр, металлокерамический фильтр (МКФ), скруббер трудоемки в эксплуатации из-за меняющегося сопротивления, повышенного поступления частиц в скруббер. Опыт эксплуатации системы показал, что применение мелкопористых высокоэффективных фильтров уменьшает расход газов, приводит к большим колебаниям перепадов давления. При использовании крупнопористых фильтров, эффективность уменьшается. Особенности термодинамических условий, физико- химические свойства и состояние поверхностей частиц таковы, что образуются рыхлые отложения частиц на фильтрующей поверхности, которые периодически ссыпаются в приемник.

В связи с этим обстоятельством существовала опасность гидравлической разрегулировки системы и выбросов высокотоксичных газов и пыли в рабочую зону. Диапазон изменений размеров частиц и свойств газовой фазы после электрофильтра по имеющимся анализам приведены табл 3.9.

Таблица 3.9 Фракционный состав пыли r 2-4 4-6 6-11 11-13 13- ф(r)% 23 21 32.2 18,4 4, Ф(r)% 23 44 76.2 94.6 99, Здесь r-радиус частиц, ф(r)- весовое распределение частиц по размерам, Ф(r) -интегральное распределение частиц по размерам (вес частиц в процентах, прошедших сита с размерами ячеек 8, 12, 22, 26, 44 мкм 2610-6Н/м2/с.


соответственно). Динамическая вязкоcть газа Концентрация частиц на входе в систему 13-80 г/м3, плотность частиц 6,64 кг/дм3. Интегральное распределение частиц по размерам может быть аппроксимировано интегральной вероятностно- логарифмической функцией распределения с медианой распределения m= 11 мкм, и дисперсией =2,1. Двухпроцентный размер частиц (диаметр, меньше которого содержание частиц по весу составляет 2%) рассчитывается из соотношения [51] и составляет 2,5мкм. Таким образом содержание химически поверхностноактивной части частиц составляет менее 2%.

Тем не менее среда склонна к пастообразованию при температурах стенки аппарата менее 40°C. Основное требование к газоочистной аппаратуре, кроме эффективности, отсутствие накапливания материала на металлических поверхностях, которое сопровождается повышением температуры и возгоранием металла в среде фтора.

Имеющиеся в литературе сведения об эффективности циклонов для конкретной пыли с известным дисперсным составом и физическими характеристиками несущего потока, а также известные методики [179] позволяют провести оценки качества обеспыливания в стандартных аппаратах в предположении, что процесс сепарации протекает устойчиво без образования отложений на поверхностях аппарата и с завершающим этапом формирования слоя отсепарированных частиц.

Например для стандартных циклонов диаметром 0,2 м для указанной пыли расчет показывает следующие значения эффективностей (табл 3.10):

Таблица 3.10 Эффективность циклонов Циклон СК-ЦН-34М СК-ЦН-34 СДК-33 ЦН- Эффективность 0,99 0,97 0,96 0, 2. Были проведены испытания модельных циклончиков с различными геометрическими конфигурациями: с улиточным, тангенциальным, винтовым вводом, различными длинами и размерами пылевыводного отверстия конической части, различной конфигурацией пылеприемных устройств. На рис.3.21 показан стенд, который был подсоединен к технологической линии после электрофильтра.

Рис. 3.21 Стенд испытания циклонов: 1ввод среды, 2 циклон, транзит –приемник, 4-накопитель, 5 – фильтр, 6 фильтр.

Располагаемый перепад составлял 2 кПа. Все циклончики были разборными для визуального осмотра поверхностей. Фиксировались привесы фильтров 5, 6, вес пыли в накопителе 4, а также расходы по перепадам давлений в монометрах Р1, Р2 и перепады Р3, Р4, Р5, контролирующих интенсивность процесса транспортировки частиц газом. Циклончики СК-ЦН-34М, СК-ЦН-34, СДК-33-циклоны улиточного типа с высоким коэффициентом сопротивления оказались чувствительными к повышенным концентрациям и налипанию пыли на внешней стороне газовыводной трубки и в области пылевыводного отверстия. Циклоны ЦН-11, ЦН-15 в меньшей мере подвержены забиваниям и обладают большей транспортирующей способностью частиц при повышенных концентрациях. Испытание циклона с винтовым вводом по эффективности и сопротивлению находящимся между ЦН-11 и СДК-ЦН-33 показали, что налет пыли на стенках и особенно в области пылевыводного отверстия присутствует.

Дальнейшие изменения показали, что благоприятным фактором для циклона с винтовым вводом является увеличение пылевыводного отверстия с выводом около 20% газа в фильтр 6, либо с выводом вихря в обратный конус и одновременным удлинением приемника 3 на рис.1.

Такой циклон устойчиво работал на концентрации частиц около г/м3 при эффективности 95%.

В зависимости от прогрева стенда уловленная пыль в накопителе представляла собой либо совокупность агломератов либо наоборот находилась в виде растекающейся жидкости. Т.е. частицы могут нести на своей поверхности электрические заряды либо одноименной, либо разноименной полярности.

Характерной особенностью циклонного процесса является образование жгутов пыли на периферии, которые в зависимости от зарядов частиц могут разбухать, либо наоборот сжиматься и давать отложения.

Для производственного циклона был предусмотрен успокоительный участок в виде расширяющегося патрубка в котором попадающие туда жгуты и поток замедляют свое движение. Кроме того, этот участок способствует "разрядке" частиц, а форма канала уплотнению жгутов.

3.По данным технологической службы завода запыленность потока после производственного циклона уменьшилась по сравнению с используемыми ранее фильтрами МКФ в 2 раза, причем улучшились технологические показатели- увеличилась насыпная плотность в контейнере в 2,5 раза. Циклон работает более устойчиво, чем фильтры МКФ: гидравлических разрегулировок системы не наблюдается. Для дальнейшего уменьшения запыленности газа можно применить двухступенчатую циклонную очистку.

3.3.3 Параллельная работа циклонов Работу параллельно установленных циклонов рассмотрим на основе результатов обследования промышленного сепаратора Томского нефтехимического комбината, который представлен на рис. 3.22. Он состоит из трех расположенных одна над другой секций: секция сбора примеси, секция ввода газа и распределения его по циклонным элементам, секция сбора и вывода очищенного газа. Циклонные элементы представляют собой цилиндрические циклончики с диаметром корпуса 57 3,5 мм, высотой 190 мм, выводной трубкой диаметром 35 2,5 мм и закручивателем, состоящим из трех лопастей, имеющих загиб от осевого направления на четверть оборота. Выводная трубка во входной части имеет конфузор, так что зазор между корпусом и кромкой составляет 4,5 мм, угол наклона на выходе из закручивателя =50. Все лопатки циклончиков имеют одинаковое направление закрутки – по часовой стрелке. Конусная часть корпуса имеет высоту мм, диаметр разгрузочного отверстия – 25 мм (рис. 3.23).

Рис. 3.22. Схема промышленного сепаратора Элемент относится к среднеэффективным с пониженным коэффициентом крутки потока. Количество элементов в зависимости от диаметра окружности, на которой они располагаются, приведено в табл. 3.11.

Таблица 3.11. Расположение элементов в трубной доске Диаметр окружности, 1240 1110 980 850 720 590 460 2r, мм Количество элементов, 52 45 40 36 30 23 18 n, шт В секторе со стороны входа газового потока циклонные элементы отсутствуют. Периферийные циклонные элементы расположены выше остальных приблизительно на высоту корпуса элемента.

Рис. 3.23. Циклонный элемент батарейного сепаратора Газ поступает в распределительную камеру, проходит через циклончики и через центральные трубки очищенным выходит в сборную камеру.

Эффективность работы газоочистителя при такой компоновке оказалась неудовлетворительной.

При вскрытии сепаратора (рис. 3.22) обнаружилось, что на дне секции сбора примеси имеется слой спрессованной пыли с плоской поверхностью. Пыль отсутствовала лишь в области донного отверстия и участка, соответствующему вводу запыленного газа в сепаратор. Уровень пыли составлял 2/3 высоты сферичного днища секции сбора примеси, причем на периферии, на расстоянии 1/3 от сопряжения с цилиндрической частью, пыль отсутствовала.

Такое состояние пылевого слоя показывает, что, начиная с некоторого момента, возникли сильные перетоки газа, причем эти перетоки носили струйный характер с направлением потоков от периферии в радиальном направлении вверх в основной массив циклонных элементов, расположенных ниже периферийных.

Обследование циклонной насадки показало, что периферийные циклонные элементы в количестве 52 штук и 6 элементов в центральной части оказались в рабочем состоянии, т.е. чистыми, остальные оказались забитыми в части закручивателя. Три циклончика оказались забитыми полностью. Очевидно, что через периферийные циклонные элементы и эти 6 элементов поток проходил с большой скоростью, так, что произошел их абразивный износ. Причем в области сужения могло проходить накапливание частиц и разделение потока на две ветви вверх и вниз с увеличением крутизны потока. Интенсивный абразивный износ циклонных элементов происходит в области сопряжения конической и цилиндрической части, причем все периферийные циклонные элементы и 15 элементов, расположенных в переднем фронте со стороны входа газового потока, имели сквозные щели и канавки в этой области.

Большое количество отложений имелось во входной камере на нижерасположенных элементах. Это могло произойти в условиях залпового поступления пыли, когда выходящие трубки задерживали пыль, и она осаждалась сгустками, которые не могли пройти через циклонные элементы. С внешней стороны выходных трубок абразивного износа нет. Нет износа и внутри трубок. Это говорит о том, что периферийные циклонные элементы сепарировали пыль с достаточно высокой эффективностью, при этом большая часть газа проходила вместе с пылью через разгрузочные отверстия и в пылесборном пространстве перетекала в циклончики, расположенные на меньших радиусах. Причина забивки циклонных элементов – неравномерность поступления пыли, т.е. нестационарность концентрации, а также большая неравномерность по крупности, что приводит к разгрузке потока по ходу движения. При этом элементы переднего фронта находятся под большим перепадом, чем остальные, и они в меньшей степени засорены пылью, с другой стороны, периферийные циклонные элементы оказываются в меньшей степени загружены пылью.

Абразивный износ внутренних трубок засоренных циклонных элементов незаметен, что свидетельствует о слабой закрутке потока или даже ее отсутствии. Последнее обстоятельство заставляет полагать, что вихри, поступающие в пылесборную камеру, взаимокомпенсируются, выделение частиц из потока затруднено из-за турбулизации и образования поперечных токов газа.

Для выяснения сепарирующей способности газоочистителя были проведены исследования модели сепаратора и циклонного элемента.

Геометрические соотношения корпуса модели соответствовали соотношениям промышленного сепаратора (масштаб 1:10). Однако циклонные элементы были выполнены в масштабе 1:2,1 и, соответственно, их количество оказалось равным n M 2 /M 1 n 2,1 / 10 11, где М1 и М2 – величины, обратные 2 2 2 масштабам. Такой выбор обуславливается следующими причинами.

Уменьшение циклонных элементов до 5 мм сопровождается проявлением масштабных эффектов, в силу чего происходит искажение результатов опытов. В этом случае течение неавтомодельно, размеры частиц пыли составляют заметные доли процента размера циклонного элемента, преобладают силы адгезии. Необходимо, чтобы элемент работал в модели, так же, как и в натуре, т.е. порядок интенсивности разделения был одним и тем же [127]. Для каждого циклонного элемента гидродинамика ниже пылевыводного отверстия определяется суммарными потоками моментов импульсов и полных импульсов от всех элементов, что в модели также выполняется.

На рис. 3.24 представлена модель сепаратора. Корпус модели выполнен прозрачным, что позволило проводить наблюдения за поведением потоков в камере сбора пыли и в камере сбора очищенного газа. Приемник пыли в устройстве для испытания индивидуального циклонного элемента также прозрачен. Для цементной пыли с 3,1 и 21 мкм (дисперсия и медианный размер) эффективность осаждения элемента составляла 88...92 %, причем в приемнике наблюдалась интенсивная циркуляция пыли в меридиональных плоскостях. Элемент, в котором отсутствует конфузор, обладает меньшей эффективностью осаждения (75...79 %) и тоже дает хотя и слабые, но видимые циркуляции в приемнике.

Рис. 3.24. Модель сепаратора (1 – вход запыленного потока, 2 – циклонный элемент, 3 – трубная доска с циклонными элементами, 4 – общий пылевой бункер, 5 – манометр, 6 – выход чистого газа) Эффективность пылеулавливания в модели батарейного газоочистителя определялась как отношение веса уловленной пыли к весу пыли, прошедшей через циклонные элементы, которая определялась как разница веса пыли, поданной в аппарат, и осевшей в раздающей камере. Также определялись расход газа и сопротивление аппарата.

Для циклонных элементов, подобных изображенным на рис. 3.21, с трехлопастным закручивателем и входным конфузором на газоотводной трубке, эффективность не превышала 77 %. При отсосе запыленного воздуха из приемника в количестве 4 % от поступившего эффективность увеличилась до 81 %.

Для циклонных элементов с трехлопастными закручивателями без конфузоров эффективность составляла 74 %, а с отсосом запыленного газа в количестве 4 % от поступившего поднялась до 78 %. Наблюдения показали, что выход пыли в приемник из циклонных элементов был прерывист, однако явных перетоков заметно не было.

Для обоих типов циклонных элементов эффективность осаждения пыли в диапазоне скоростей w0 3...8 м/сек возрастала незначительно.

Были проведены работы по определению степени загрузки пылью циклонных элементов. К пылевыводному отверстию каждого элемента присоединялся индивидуальный приемник в виде трубки диаметром мм и длиной 100 мм. Уловленная пыль, попавшая в трубки, взвешивалась. Степень неравномерности распределения пыли по стоякам определялась по формуле:

Gmax Gmin 1n ;

Gср Gi, Gср n i здесь Gmax, Gmin, Gср – максимальное, минимальное и среднее значение весового расхода пыли в циклонных элементах.

Степень неравномерности загруженности пылью циклонных элементов в зависимости от концентрации пыли представлена на рис.

3.24.

Рис. 3.25. Степень неравномерности загруженности пылью циклонных элементов в зависимости от концентрации пыли [43].

Анализируя вид кривой степени неравномерности загруженности пылью циклонных элементов в зависимости от концентрации пыли на рис. 3.24, можно сделать вывод о том, что равномерность загрузки циклонных элементов пылью с увеличением концентрации частиц во входном потоке нарушается, вероятнее всего это происходит из-за фракционирования пыли в потоке. С увеличением концентрации пыли во входящем потоке возрастает гидравлическое сопротивление аппарата, т.к. в винтовых каналах происходит отложение пыли. Эти отложения возникают в результате попадания сгустков частиц после их сдува с внешней поверхности газоотводных трубок или при концентрировании частиц у поверхностей этих трубок.

Таким образом, в батарейном газоочистителе процессы сепарации проходят менее эффективно, чем для циклонов с индивидуальным приемником. Особенно это проявляется для высокоэффективных циклонных элементов с большим коэффициентом закрутки потока.

В реальных системах газоочистки мгновенная концентрация частиц колеблется в широких пределах. Это связано со срывом отложений в газоходах и входных коллекторах батарейных газоочистителей, а также потому, что движение примеси в пневмотранспортных системах и системах переработки дисперсных материалов осуществляется в виде сгустков и жгутов. В конических и цилиндро-конических циклонах в области пылевых отверстий происходит усиление нестационарного воздействия частиц на поток в сотни раз. Это является причиной того, что начало формирования вынужденного вихря периодически перемещается из камеры сбора пыли в объем циклона. В батарейных сепараторах это является одной из причин снижения эффективности обеспыливания потока и нарушения процесса сепарации.

Применение высокоэффективных элементов в групповой или батарейной компоновке приводит к неустойчивости их совместной работы. Применение элементов с лопаточными закручивателями ведет к неустойчивости работы и снижению эффективности сепарации в большей мере, чем применение элементов, содержащих закручиватели с тангенциальным вводом. Таким образом, для устойчивой и эффективной работы батарейных сепараторов необходимы технические решения, в которых элементы были бы аэродинамически не связаны друг с другом. Этого можно достичь, используя индивидуальную транспортировку уловленных частиц в камеру сбора пыли для каждого отдельного элемента батареи.

По результатам обследования промышленного сепаратора и эффективности процессов обеспыливания воздуха в модели сепаратора были проведены изменения в схеме очистки природного газа от твердых частиц [43]. Для уменьшения неравномерности поступления пыли в батарейный циклонный сепаратор в отстойниках на вводе в параллельные участки газопроводов были установлены инерционные сепараторы с V-образными элементами, а из самого циклонного сепаратора отводилось 4% газа с частицами на сжигание в печи риформинга. Эти мероприятия позволили сгладить пики залповых поступлений пыли, устранить поступление абразивных частиц в рабочие органы машины, что повысило надежность работы оборудования [43].

Для повышения устойчивости и эффективности батарейных циклонных сепараторов необходимы технические решения, в которых элементы были бы аэродинамически не связаны друг с другом. Этого можно достичь, используя индивидуальную транспортировку отсепарированных частиц от каждого элемента батареи в камеру формирования слоя частиц.

В [123] приведены результаты испытания циклонного батарейного сепаратора с рециркуляцией газов через выносной групповой циклонный золоуловитель (БЦР). Циклонные элементы в концентраторе собраны в вертикальные секции и опираются на наклонные стенки, разделяющие корпус аппарата на раздающую камеру (камеру запыленного газа) и собирающую камеру (камеру сбора очищенного газа). Через эти камеры осуществляется проток обрабатываемого газа.

Движение газозольной смеси происходит через спускные трубы, далее в групповой циклон, рециркуляционный дымосос и в раздающую камеру концентратора. Такая система очистки газа от золы оказалась более эффективной и надежной в эксплуатации, чем система мокрого золоулавливания [123]. Однако использование группового циклонного осадителя в схеме в конечном итоге снижает эффективность улавливания мелких частиц менее 10 мкм, поскольку этим аппаратам присущи те же недостатки, которые имеются у батарейных циклонных золоуловителей. Преимущество одиночного циклонного золоуловителя с индивидуальным приемником пыли перед групповыми и батарейными состоит в том, что в нем процесс формирования слоя частиц в приемнике происходит посредством затухания концентрированного вихря с уменьшением скорости газовой и твердой фазы до нуля. Такой процесс формирования слоя в индивидуальном приемнике одиночного циклона позволяет выделить из потока мелкие частицы размером менее 10 мкм.

В [48] приведены технически решения циклонного обеспыливания газов, в которых конечные этапы выделения частиц из потока осуществляются в индивидуальных пылеприемниках. В рассматриваемых схемах используются групповые циклонные концентраторы, дополнительные дымососы отсутствуют. Рассмотрена также схема очистки, в которой каждый элемент группового циклона соединен с транзит-приемником, представляющим собой круговой вертикальный канал с наконечником-затвором непрерывной выгрузки.

Разработаны затворы с повышенной стабилизацией истечения пыли [14]. Затвор состоит из двух секций, в которых каждый слой частиц находится под воздействием переменного перепада давления: при опорожнении нижней секции перепад давления на верхней увеличивается, что приводит к уменьшению расхода частиц из верхней секции, при увеличении разряжения в нижней секции перепад давления в верхней секции уменьшается, что приводит к увеличению расхода частиц из верхней секции и к уменьшению перепада на нижней.

Процесс истечения автоматически стабилизирован. При правильной эксплуатации котельной установки температура дымовых газов поддерживается большей, чем температура, соответствующая точке росы. В этих условиях слой частиц золы обладает низкой связностью, надежность срабатывания затворов высока, работа всех элементов устойчива и эффективна.

Таким образом, повышение эффективности и устойчивости газоочистки в циклонных системах достигается обеспечением условий равномерного поступления пыли в сепараторы и формирования слоя пыли при затухании концентрированного вихря в индивидуальном приемнике одиночного циклонного пылеуловителя.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.