автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Гидродинамика и тепломассообмен в вертикальных плоских каналах и разработка высокоэффективной пылеулавливающей аппаратуры тепловых электростанций

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Великородний Александр Дмитриевич

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПЛОСКИХ КАНАЛАХ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

05. 14. 14 - Тепловые электрические станции (тепловая часть)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

к.т.н., доцент Есипов Г.П.

Краснодар - 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................4

1. Анализ конструкций и исследований в области массообмена и очистки дымовых газов................................................................................9

1.1. Состояние исследований по гидродинамике двухфазных

потоков в вертикальных плоских каналах (ВПК).........................19

1.2. Состояние исследований по массообмену в вертикальных

плоских каналах..................................................................26

1.3. Выводы.............................................................................36

2. Экспериментальное исследование течения пленки жидкости по вертикальной поверхности под действием газового потока......................39

2.1. Описание экспериментальной установки....................................39

2.2. Результаты опытов................................................................41

2.3. Математическое описание течения газожидкостного потока в плоских вертикальных каналах...............................................48

2.4. Выводы..............................................................................52

3. Исследование гидравлического сопротивления плоских вертикальных каналов........................................................................................54

3.1. Описание конструкции контактного устройства........................54

3.2. Экспериментальное определение гидравлического сопротивления...56

3.3. Выводы..............................................................................59

4.Исследование массообмена в пакете с вертикальными плоскими каналами...60

4.1. Математическое описание массообмена.....................................60

4.2. Экспериментальное исследование массообмена...........................66

4.3. Выводы..............................................................................72

5. Исследование теплообмена в вертикальных плоских каналах....................73

5.1. Повышение экономичности сжигания природного газа и

снижение выбросов оксидов азота в котлоагрегатах..............................73

5.2. Экспериментальное исследование теплообмена и обобщение опытных данных.......................................................................75

3. Выводы....................................................................................83

6. Разработка и исследование работы мокрых пылеуловителей......................84

6.1. Основы теории мокрого пылеулавливания.....................................84

6.2. Золоуловитель с генератором турбулентности из плоских пластин.......86

6.2.1. Экспериментальное исследование золоулавливания в дымососном канале............................................................92

6.2.2. Исследование влияния угла наклона пластин пакета каналов

на эффективность золоулавливания........................................93

6.3. Золоуловитель с генератором турбулентности из концентрически набранных усеченных конусов............................95

6.4. Золоуловитель с генератором турбулентности из пластин

с профилем Вентури и подачей орошения в конфузор....................97

6.5. Золоуловитель с генератором турбулентности из каналов в виде

гофрированных трубок........................................................100

6.6. Золоуловитель с генератором турбулентности из горизонтальных гофрированных пластин...................................103

6.7. Золоуловитель с генератором турбулентности из концентрически расположенных конусов с горизонтальными кольцами...............106

Выводы.................................................................................109

Заключение...........................................................................111

Список использованных источников............................................114

Приложение №1. Результаты исследования гидродинамики В1Ж........124

Приложение №2. Результаты исследования массообмена ВПК...........132

Приложение №3. Результаты исследования теплообмена ВПК...........136

Приложение №4. Результаты исследования эффективности

золоулавливания.................................................................138

Приложение №5. Результаты исследования гидравлического

сопротивления генератора турбулентности...............................141

Приложение №6. Справка об использовании изобретения..................

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время известно значительное количество традиционных и сравнительно новых способов интенсификации процессов в газожидкостных системах. Строгая классификация их затруднена, однако условно способы интенсификации можно разделить на два класса - комплексные методы, при которых к установке подходят как к единому целому, и так называемые декомпозиционные методы /1/. Ввиду сложности процессов, протекающих в газожидкостных системах, следует отдать предпочтение декомпозиционным методам интенсификации.

Декомпозиционные методы по области применения целесообразно разделить на две тесно связанные между собой группы методов - режимно-технологические (РТ) и аппаратурно-конструктивные (АК). Четкую границу между АК- и РТ- методами провести невозможно. Использование нового для данного процесса РТ - метода, например, всегда сопряжено с определенными конструктивными изменениями аппарата и использованием АК - методов. Если АК - методы получили значительное распространение в промышленности, то РТ - методы интенсификации пока используются редко и в особенности применительно к газожидкостным технологическим процессам - массообмену, теплообмену, мокрой очистке газов.

Одним из наиболее эффективных способов интенсификации АК- и РТ -методов является метод совмещения. Совмещают процессы очистки газов с процессами охлаждения, совмещают аппараты и их части, осуществляют их одно- и многотипное комбинирование и агрегатирование.

В последнее время в процессах очистки газов: смешения и реакционных -все шире используют относящийся к РТ - методам сравнительно новый метод интенсификации - импульсное воздействие. В то же время этот метод еще недостаточно широко применяется для интенсификации газожидкостных процессов, и в частности мокрого пылезолоулавливания.

Как по оценке российских, так и зарубежных исследователей на долю аппаратов мокрой очистки газов (скрубберов) приходится около 20-23 % от общего количества пылеулавливающего оборудования, причем этот уровень должен сохраниться в прогнозируемом будущем.

Анализ объема продажи скрубберов в различных сферах использования, проведенный в США в 1992 году показал, что основными потребителями мокрых пылеуловителей являются следующие отрасли промышленности и технологии: химическая промышленность, мусоросжигание, промышленные котельные, ТЭС, добыча и выплавка металла, нефтяная промышленность, металлообработка, лесотехническая промышленность, литейное производство, производство асфальта, черная металлургия и прочие /2/.

Широкое применение в промышленности скрубберов связано с целым рядом достоинств метода мокрой очистки газов, таких как: сравнительная дешевизна оборудования и простота его в эксплуатации; возможность очистки взрывоопасных газов и получения непосредственно в процессе очистки товарных продуктов, например растворов солей; простота и надежность транспортировки уловленных продуктов в виде шламов, препятствующей вторичному уносу пыли и др.

Решающим фактором расширения сферы применения скрубберов в условиях конкуренции с сухими методами очистки является разработка многофункциональных аппаратов, в которых одновременно с осаждением пыли осуществляется абсорбция газовых примесей, а также охлаждение (увлажнение и осушка) газов.

Анализ применяемых в промышленности конструкций скрубберов показал, что основная масса аппаратов работает в условиях противотока при низкой скорости газа, не превышающей 5^7 м/с. При этих скоростях интенсификация газовой фазы мала, что приводит к невысокой эффективности очистки газа, в то время как потребность очистки непрерывно растет /3/.

Одним из наиболее эффективных методов интенсификации процессов взаимодействия между газом и жидкостью является наложение пульсаций на контактирующие фазы, и в первую очередь на газовый поток.

В настоящей работе предложен новый способ интенсификации процессов тепломассообмена, в частности процесса мокрой очистки газов -высокоскоростное прямоточное движение фаз. Способ реализуется благодаря организованному течению двухфазных потоков в щелевых каналах различной геометрической формы.

Однако для разработки методики расчета и выработки рекомендаций по проектированию предлагаемого типа высокоэффективных аппаратов необходимо провести исследования гидродинамики, массообмена и теплообмена, эффективности очистки газа от твердых частиц.

В свете рассмотренного, исследование нового способа очистки газа от твердых частиц в частности, и интенсификации тепломассообмена в щелевых каналах в общем случае и разработка аппаратуры для реализации этого способа является актуальной и перспективной задачей.

На защиту диссертации выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований гидродинамики в вертикальных плоских каналах (ВПК).

2. Математическое описание течения пленки в ВПК.

3. Экспериментальное исследование массообмена в ВПК.

4. Математическая модель массобмена в ВПК.

5. Экспериментальное исследование теплообмена в ВПК.

6. Экспериментальное исследование эффективности золоулавливания в ВПК.

7. Новые конструкции мокрых пылеуловителей.

Основные условные обозначения:

АР - гидравлическое сопротивление, Па;

\\>у - скорость газа, м/с;

п>х - скорость жидкости, м/с;

Зх - толщина пленки жидкости, м;

И - высота канала, м;

£ - длина канала, м;

А - шаг пластин канала, (ширина канала),м;

¡л - коэффициент вязкости среды, Па-с;

у - коэффициент кинематической вязкости среды, м с;

коэффициент сопротивления;

Ьх - расход жидкости, м3/с; АР

8и =- - число Эйлера для газовой фазы;

= ц'у - число Рейнольдса; х - концентрация компонента в жидкой фазе, % (мольные доли); у - концентрация компонента в газовой фазе, % (мольные доли); £ - поверхность контактного устройства, м2; Кх - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с; Ку - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с; Их - число единиц переноса в жидкой фазе; Ыу - число единиц переноса в газовой фазе; т - константа фазового равновесия; Г}х, Г]у - КПД в жидкой и газовой фазах; д _ - массообменный фактор;

= - число Рейнольдса для жидкой фазы;

V

Рг = — - диффузионное число Прандтля;

О

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м К;

тс - массовая концентрация примесей в газе; Индексы: л: - жидкая фаза;

у - газовая фаза.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МАССООБМЕНА И ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ.

В настоящее время очистка дымовых газов от пыли и сернистого ангидрида проводится в основном на ТЭС, далеко не всегда обеспечивая требуемые ПДК в приземном слое атмосферы. В промышленных и отопительных котельных очистка газа проводится только при сжигании твердого топлива (уголь, торф) в групповых циклонах далеко не во всех котельных и с низкой эффективностью очистки.

В настоящее время разработано и прошло промышленную апробацию значительное количество конструкций скрубберов и золоуловителей, предназначенных для очистки газов в различных отраслях промышленности: цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической, пищевой, производстве строительных материалов. Однако для мокрой очистки газов от твердых частиц в энергетике, кроме скрубберов Вентури, эффективного газоочистного оборудования практически нет (для промкотельных мокрые золоуловители серийно не выпускаются). Проблемы, возникающие при мокрой очистке дымовых газов, образующихся при сжигании твердого топлива, достаточно подробно описаны в /4/.

Запорожским филиалом НИИОгаза разработаны и серийно выпускаются высокоэффективные скрубберы, улавливающие сернистый ангидрид, мелкодисперсную пыль и другие вредные вещества /5/. По своим технико-экономическим показателям эти аппараты не уступают лучшим зарубежным образцам. Поэтому представляет интерес рассмотреть возможность их использования в энергетике.

Полый скруббер СП (рис. 1,а) предназначен для химической очистки технологических и вентиляционных выбросов от пыли, газообразных соединений фтора, хлора, сернистого ангидрида методом щелочной абсорбции растворами гидроокиси натрия, карбоната натрия, известковым молоком в различных отраслях народного хозяйства.

8с/Э

по

Рис. 1. Аппараты для мокрой очистки газов: а - скруббер СП; б - скруббер СДК; в - скруббер СЦВП; г - пакеты насадки с плоскими вертикальными каналами; д - то же с гофрированными; е - то же с профилем Вентури.

а

а]

А-А

Рис. 2. Схематическое изображение прямоточной насадки: а - усовершенствованная плоскопараллельная насадка с прорезями и отогнутыми языками; б - регулярная сетчатая насадка с винтовыми вставками.

Техническая характеристика : скорость газа в аппарате, м/с - 5ч-9 ; гидравлическое сопротивление, кПа - не более 1;

3 2

плотность орошения, м /м ч - 35ч-50;

массовая концентрация пыли и соединений серы на входе в аппарат, г/м3 - не более 1-ь1,5;

эффективность очистки, % - не менее 90-=-98.

Скруббер СДК (рис 1,6) с шаровой насадкой предназначен для тех же целей, что и СП. Он состоит из камеры орошения, включающей две контактные ступени и три яруса орошения, и центробежного каплеуловителя со статическим закручивателем потока.

Интенсификация процессов массообмена достигается за счет применения шаровой насадки из пористой резины и увеличения скорости газа в контактной зоне скруббера до 5-г7,5 м/с. Эти факторы наряду с применением компактных встроенных каплеуловителей позволили в 1,3-*-1,8 раза уменьшить материалоемкость и габаритные размеры скруббера по сравнению с лучшими зарубежными аналогами.

Техническая характеристика скруббера СДК: скорость газа в скруббере, м/с - 5-^7,5 ; гидравлическое сопротивление, кПа - не более 3,5;

3 2

плотность орошения, м /м ч - 25ч-35;

массовая концентрация пыли (с!5о>2 мкм), г/м3 - ОД -г 10;

эффективность пылеулавливания, % - 98±1.

В настоящее время в различных отраслях промышленности эксплуатируется более 50 таких аппаратов всех типоразмеров.

Центробежный вертикальный полый скруббер (рис. 1, в ) предназначен для очистки воздуха, удаляемого вентиляционными системами, от пыли средней дисперсности. Может применяться во всех отраслях промышленности, кроме случаев, когда удаляемая пыль в процессе водной промывки способна

цементироваться.

Техническая характеристика скруббера СЦВП: скорость газа в скруббере, м/с - 3,2ч-4,3; гидравлическое сопротивление, кПа - не более 2,4;

о

массовая концентрация пыли на входе, г/м - 2; эффективность очистки, % - не менее 98; расход воды на очистку, г/м - 3-=-20; расход сжатого воздуха, м3/ч - не более 4,7.

Анализ технических характеристик показывает следующее: скруббер СП удовлетворяет требованиям котельных по производительности и эффективности очистки, но не удовлетворяет по концентрации пыли, так она может быть значительно выше; скруббер СДК удовлетворяет по концентрации пыли и эффективности очистки, но не удовлетворяет по производительности в основном она превышает потребности котельных; скруббер СЦВП удовлетворяет по производительности и эффективности очистки, но вследствие гипсования твердых отложений по рекомендации завода изготовителя не рекомендуется для очистки дымовых газов с содержанием в золе окиси кальция более 16% /6/. Кроме того, ввиду наличия застойных зон в скрубберах СП и СДК, они также склонны к зарастанию пылью.

Следовательно, для очистки дымовых газов от твердых продуктов сгорания с высокой эффективностью очистки необходима аппаратура, отвечающая следующим требованиям:

1. Высокая степень турбулизации газожидкостного потока;

2. Отсутствие в аппарате застойных зон;

3. Независимость эффективности очистки от начальной концентрации частиц.

Этим требованиям в основном удовлетворяют прямоточные скруббера с трубой Вентури. Однако в силу значительного гидравлического сопротивления (до 6,6 -40 кПа) в условиях ТЭС, без значительного увеличения затрат энергии на прокачку дымовых газов, они не применимы.

Более перспективны для данных условий аппараты, в основу работы которых положен принцип турбулизации фаз крупно и мелкомасштабными пульсациями за счет спутного нисходящего течения газожидкостного потока в плоских или иной формы каналах со скоростью более 10 м/с /7-10/.

Известна насадочная тепломассообменная колонна ГШ, имеющая вертикальный корпус, внутри которого расположены один над другим пакеты насадки, причем каждый пакет насадки состоит из вертикальных пластин, образующих с глухими горизонтальными перегородками плоские вертикальные каналы (рис. 1.г).

Лабораторные испытания пакета насадки с длиной каналов 160 мм показали, что гидравлическое сопротивление пакета насадки при скорости газа

3 2

в каналах 10 м/с и орошении 10 м /м ч составляет ~ 200 Па, а КПД пакета в условиях десорбции диоксида углерода из воды в воздух составляет 0,9. При работе насадочной колонны в качестве скруббера для охлажден�