Контрольная работа: Аэродинамические способы повышения эффективности систем пылеулавливания в химической промышленности
Смачиваемость пыли определяется методом пленочной флотации. Метод основан на определении доли массы затонувших за определенное время частиц пыли, насыпанной тонким слоем на поверхность воды.
Метод определения слипаемости пыли основан на измерении усилия, необходимого для разрыва специально сформированного слоя пыли определенной площадки. Оценка абразивности пыли состоит в определении степени абразивного износа пластинки из исследуемой марки стали (пластинка располагается под углом 45° к пылевой струе). Испытания образца проводятся с помощью абразивметра центробежного типа.
Дисперсный состав пылей определяют различными способами – от ситового анализа до использования струйного сепаратора (импактора).
Ситовый анализ уловленной пыли основан на механическом разделении частиц по крупности путем просева через сита с различными размерами отверстий.
Анализ пыли струйным сепаратором (импактором) основан на инерционном осаждении взвешенных частиц на плоскую поверхность в результате резкого изменения направления движения запыленного потока при обтекании им плоской поверхности и на последующем определении массы частиц, осевших на эту поверхность.
В процессе пылеулавливания физико-механические свойства пыли, меняются.
Слипаемость пыли ухудшает аэродинамические свойства и надежность пылеуловителей за счет изменения геометрии рабочих сечений аппаратов. По существующей классификации пыль огнеупорного производства по степени слипаемости разделяют на 4 группы: I - неслипающаяся, II - слабослипающаяся; III - среднеслипающаяся; IV- сильнослипающаяся.
Классификация охватывает пыль 30 видов технологических операций огнеупорного производства и составлена на основе сведений о поведении пылей, полученных при эксплуатации систем пылеулавливания в огнеупорном производстве [1].
В табл. 2.1 приведены сведения об аутогезионной прочности пылей, отобранных из циклонов и электрофильтров.
Таблица 2.1
Аутогезионная прочность пыли, отобранной из циклонов и электрофильтров
| Пыль | Место отбора пробы |
Аутогезионная прочность слоя пыли, мг/см2 |
Группа слипаемости |
| Магнезитовая |
Электрофильтр I поле II поле |
3400 4960 |
III III |
| Известковая | Циклон | 408 | II |
| Доломитовая |
Электрофильтр I поле II поле III поле |
207 266 320 |
II II II |
| Шамотная | после электрофильтра | 339 | II |
Из табл. 2.1 следует, что большинство пылей огнеупорного производства относится к слабо- и среднеслипающимся пылям. Повышенное значение аутогезионной прочности у магнезитовой пыли создает определенные трудности при эксплуатации систем пылеулавливания и требует особого внимания к аэродинамическим условиям эксплуатации пылеуловителей.
Почти все пыли огнеупорного производства склонны к гидратации: поэтому величины истинной и насыпной плотности резко различаются между собой.
Так, для шамотной, доломитовой, известняковой и магнезитовой пыли насыпная плотность составляет 900-1100 кг/м3, а истинная 2120-2900 кг/м3.
В широких пределах, меняется и абразивность пылей. Поэтому при больших скоростях пылегазового потока (12-20 м/с) наибольшему износу за счет абразивности пыли подвержены внутренние стенки газоходов и аппаратов.
Установлено, что при улавливании магнезитовой пыли в циклонах НИИОГАЗ увеличение условной скорости до 7 м/с не приводит к износу аппарата, тогда как при улавливании доломитовой пыли скорость газа в циклонах не должна превышать 4 м/с.
Интенсивность абразивного износа зависит и от дисперсного состава пыли. Крупные частицы при повороте пылегазового потока в большей степени отклоняются от первоначального направления своего движения, чем мелкие, создавая условия для абразивного износа. При этом форма и геометрические параметры рабочего сечения, а следовательно, и аэродинамика потока меняются. Абразивность пыли создает трудности при пневмотранспорте уловленной пыли. Высокая концентрация пыли приводит к частым остановкам системы вследствие износа трубопроводов. Дисперсный состав пылей огнеупорного производства зависит от технологического процесса, режима работы, химических свойств, зернового состава сырья, организации аспирационных выбросов.
Грубые частицы пыли являются продуктом механического уноса сырьевой смеси и несгоревшего топлива.
Более тонкие пыли (высокодисперсные аэрозоли) образуются в результате уноса потоком частиц обжигаемого материала из активной зоны печи. Частицы размером свыше 100 мкм осаждаются в пылевой камере. Некоторая часть крупных частиц остается в боровах котлов-утилизаторов и подводящих газоходах.
Концентрация пыли в дымовых газах шахтных печей не превышает 12-15 г/нм3. Относительно небольшая запыленность газа позволяет установить за шахтными печами электрофильтр, требующий особого внимания к аэродинамике пылегазового потока
Химический состав пылей, образующихся при производстве огнеупоров, зависит от вида перерабатываемого сырья и сжигаемого топлива, как это показано в табл. 2.2 [1].
Таблица 2.2
Химический состав пылей, образующихся при производстве огнеупоров
Примечание. Числитель – при сжигании высокосернистого мазута, знаменатель – природного газа.
Данные, приведенные в табл. 2.2, были использованы авторами при выборе материалов для изготовления устройств, обеспечивающих выравнивание пылегазового потока.
Одним из существенных факторов при проектировании и эксплуатации газораспределительных устройств после электрофильтров является удельное электрическое сопротивление пыли. Следует отметить, что в интервале температур 130-180°С значения удельного электрического сопротивления почти всех пылей огнеупорного производства оказываются выше критического (1010-1011 ом·см), что позволяет рассчитывать на успешное применение газораспределительных устройств.
В таблице 2.3 приведены значения удельного электрического сопротивления пылей огнеупорного производства и соответствующие им значения влагосодержания и температуры.
Таблица 2.3
Удельное электрическое сопротивление пыли, образующихся при производстве огнеупорных изделий
Данные о содержании влаги в дымовых газах используют при выборе рабочих температур для газоходов, пылеулавливающих аппаратов и аэродинамических газораспределительных устройств.
При рабочей температуре, близкой к точке росы, происходит налипание пыли и коррозия стенок аппаратов, газоходов и вспомогательных устройств. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем и аппаратов пылеулавливания наибольший интерес представляют сведения о точке росы газов, подлежащих очистке. Для пылей глины, известняка, доломита и магнезита точка росы пылегазовых потоков, как показано в [5], меняется в пределах от 39°С до 58°С.
Низкое значение точки росы газов позволяет организовать работу и соответствующих газораспределительных устройств при температурах ниже 100° С. Это имеет большое значение, так как снижение температуры заметно уменьшает объемы дымовых газов, подлежащих обеспыливанию.
3. Аэродинамические проблемы эксплуатации пылеуловителей
В производстве огнеупоров пылеулавливание является неотъемлемой частью технологического процесса, так как сырьевые материалы при их переработке находятся во взвешенном состоянии и необходимо максимальное извлечение их из газовой среды.
Поэтому должно быть обеспечено эффективное пылеулавливание не только по санитарным, но и по технологическим соображениям. Выбор схемы начинается с анализа исходных данных. Физико-химические свойства газов и пыли позволяют выбрать дополнительные устройства, тягодутьевое оборудование и конструкционные материалы для изготовления аппаратов и газораспределительных устройств.
После оценки гидравлического сопротивления и ожидаемой эффективности выбранных аппаратов формулируют дополнительные требования к газораспределительным устройствам.
В табл. 3.1 приведены ориентировочные сводные данные об эффективности различных пылеуловителей, используемых в огнеупорной промышленности.
Таблица 3.1
Ориентировочная эффективность различных пылеуловителей в огнеупорном производстве
При выборе аппаратов, указанных в табл. 3.1, учитывают и аутогезионные свойства пыли, чтобы исключить залипание рабочих элементов (рукавов, осадительных и коронирующих электродов), коммуникаций, дополнительного оборудования и транспортных приспособлений. Абразивные пыли приводят к истиранию рабочих поверхностей, что вызывает перераспределение скоростей пылегазового потока в рабочем сечении аппарата и резкое ухудшение аэродинамических условий разделения газовой гетерогенной системы с твердой дисперсной фазой, приводящее к снижению эффективности пылеуловителя.
Таким образом, разработка способов оптимизации аэродинамических условий эксплуатации систем пылеулавливания, что является предметом настоящей работы, является непременным условием обеспечения их эффективности.
С учетом современных тенденций [6] эта задача актуальна для фильтрующих и других аппаратов полочного типа с насыпными слоями зернистых (кусковых) тел, для аппаратов радиального типа с прохождением потока через боковую проницаемую поверхность, состоящую из слоя сыпучих или цементированных тел, ткани, волокон, различной набивки, сеток, решеток и т.п., для коллекторных систем с равномерной раздачей потока и, конечно, для электрофильтров с их исключительным разнообразием условий подвода пылегазового потока.
Поэтому особый интерес представляет анализ механизма растекания пылегазового потока по распределительным устройствам.
Во многих случаях выравнивание потока может быть достигнуто с помощью специальных направляющих устройств (лопатки, разделительные стенки и пр.)
Выравнивание потока может быть осуществлено также с помощью сопротивлений, рассредоточенных по сечению. В качестве таких сопротивлений используют различные виды решеток или сеток, насыпные слои кускового или сыпучего материала и др.
Квалифицируя зернистые слои как весьма перспективные способы пылеулавливания в огнеупорном производстве, рассмотрим схему протекания пылегазового потока через такие слои, как это показано на рис. 3.1 [7].
При толщине слоя с коэффициентом сопротивления, соответствующим оптимальному значению (рис. 3.1, а), пылегазовый поток, набегая узкой струей, постепенно растекается от сечения к сечению и за слоем устанавливается наиболее равномерное поле скоростей. С увеличением толщины слоя, а следовательно, и значения степень растекания перед фронтом слоя будет возрастать до тех пор, пока узкая струя, набегающая на слой, не станет растекаться по его фронту полностью (рис. 3.1, б). Это растекание происходит так, что периферийная часть струи устремляется к стенке канала почти параллельно фронту слоя. В результате в первых внутренних сечениях слоя профиль скорости становится неравномерным с повышенными значениями в центральной и пристенной областях (рис. 3.1, б и в). В следующих сечениях слоя характер профиля скорости будет меняться под влиянием многих факторов, одним из которых является пристенный эффект. При этом в зависимости от формы, шероховатости и других особенностей частиц (зёрен) слоя влияние стенки сказывается либо на очень узкую область сечения (0,5 - 5,0) d3, либо на широкую (несколько десятков диаметров зёрен). Наибольшая проницаемость слоя получается у самой стенки (ε ≈ 1).
Повышенная проницаемость слоя вблизи стенки аппарата обусловлена и частицами слоя [8]. Переменная по сечению пористость обусловливает переменное сопротивление и приводит к перетеканию части газа из центральной области к периферии. При этом скорости в центральной области уменьшаются, а в пристенной еще более возрастают, и на выходе из слоя устанавливается профиль скорости вогнутой формы с резко повышенной скоростью у стенки.
Форма профиля скорости 2, показанная на рис. 3.1, б, будет иметь место только в том случае, когда упаковка слоя остается неизменной после его засыпки. Если в процессе эксплуатации под действием тех или иных факторов первоначальная упаковка и проницаемость слоя будут изменены, то распределение потока в нем получится еще более неравномерным (рис. 3.1, в). Если поток движется в аппарате сверху вниз и проходит слой, лежащий на сетке или перфорированном листе (решетке), то не исключена возможность полного или частичного перекрытия частицами слоя проходных отверстий сетки или решетки. Тогда возникает дополнительная неоднородность слоя [9].
Все эти факторы создадут аналогичную неравномерность распределения скоростей в слое также и при набегании на него потока полным сечением (см. рис. 3.1, г).
При указанных условиях в сечениях за слоем профиль скорости будет дополнительно деформироваться еще и вследствие эффекта подсасывания. Поэтому профили скорости, измеренные за слоем, не будут точно отражать истинного распределения скоростей внутри слоя (см. кривые 2 и 3, рис. 3.1, б и г).
Для устранения или уменьшения влияния пристенного эффекта на протекание жидкости через насыпной слой можно разделить поперечное сечение перфорированными листами или сетками 4 (см. рис. 3.1, д) переменного живого сечения. Это приведет к увеличению сопротивления вблизи стенки и к устранению возникающей неравномерности распределения скоростей. Перетекание жидкости к стенке можно предотвратить вертикальными перегородками 5, установленными вдоль слоя (см. рис.3.1,е).
Эффективным и простым способом уменьшения пристенного эффекта может быть установка узких колец на определенном расстоянии одно от другого вдоль слоя. Такие кольца увеличат сопротивление проходу газа через пристенные каналы и уменьшат возможность перетекания ее к стенкам аппарата.
Исследования аэродинамики зернистых слоев, расположенных на различном расстоянии от центрального входа струи [12], показали, что с ростом значений Re неравномерность распределения скоростей уменьшается. Практический интерес представляет качественная и количественная оценка пристеночного эффекта, являющегося источником существенной неравномерности поля скоростей. Отмечается [13] несимметричный профиль и резкое повышение скоростей и массовой концентрации дисперсной фазы в пристеночной зоне, возрастающее с уменьшением комплекса Dслоя/d3. В [14] обсуждается влияние шероховатости стенок на потери напора и распределение скоростей при фильтровании воздуха через неподвижные и движущиеся зернистые слои; отмечается снижение перепада давлений в цилиндрическом аппарате при переходе от неподвижного к движущемуся слою с одновременным увеличением пристеночного эффекта.
Очень показательны результаты опытов по выявлению характера зависимости wi/wK = φ(y/Re) за слоевой насадкой с диаметром зерна d3 от 0,6 до 25 мм при 177 < Re < 2850 [7].
С уменьшением диаметра зерен и резким увеличением ξсл коэффициент сопротивления проходных каналов у самой стенки ξкан меняется незначительно, так как сопротивление трения на самой стенке не зависит от d3. Это и приводит к резкому возрастанию степени перетекания газа к стенке при понижении Re с уменьшением d3 [15].
Рис. 3.1. Схема протекания потока через насыпной слой [7]:
а – узкая струя, слой с оптимальным коэффициентом сопротивления (ξсл= ξопт); б – то же, ξсл > ξопт и при влиянии только стенки аппарата; в – то же, при дополнительном влиянии неоднородности слоя; г однородный поток, влияние стенки аппарата; д – с решетками переменного сопротивления; е – с продольными разделительными стенками; 1 – зона, не продуваемая потоком, или со сниженными скоростями; 2 – примерный профиль скорости непосредственно на выходе из слоя; 3 – то же, на небольшом расстоянии за ним; 4 – решетка; 5 – продольная стенка; 6 – профиль скорости внутри слоя; 7 кольцевое ребро.
