автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация и моделирование процесса сепарации пыли в прямоточном циклоне

АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ЛЯПУСТИН ПАВЕЛ КОНСТАНТИНОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ ПЫЛИ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Ангарск, 2005

Работа выполнена в Ангарсюй государственной техничесюй академии.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Асламова В С

Официальные оппоненты:

- Доктор химических наук, профессор Корчевин Н А

- Кандидат технических наук, профессор Самохвалов Н М

Веду шве предприятие.

ОАО «Иркутский научно-исследовательский и проектный институт химического и нефтяного машиностроения»

Защита диссертации состоится « 17 » июня 2005 г в 10 часов на заседании диссертационного совета К212.007.01 при Ангарской государственной технической академии по адресу 665835, г Ангарск, ул Чайковского, 60, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ангарской государственной технической академии по адресу.665835, г Ангарск,ул Чайковского, 60

Авторефератразослан «_» мая 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Асламов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Нарастающее загрязнение воздушной среды ужесточает требования к эффективности очистки отходящих промышленных газов от высокодисперсных пылевых частиц с размерами менее 5-10 мкм, оказывающих наиболее неблагоприятное воздействие на организм человека. Малые размеры и масса таких частиц исключают или значительно ограничивают применение традиционных методов разделения - гравитационных, инерционных и электростатических.

В результате сравнительных исследований различных методов сепарации установлено, что высокоэффективное разделение двухфазных систем может быть достигнуто при движении закрученного потока газа в прямоточных центробежных сепараторах Основными преимуществами таких аппаратов являются: возможность эффективного разделения в широком диапазоне расхода газа и концентрации дисперсной фазы при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении, надежность и простота конструктивного оформления При примерно равных затратах энергии и производительности прямоточные центробежные сепараторы превосходят обычные противоточные циклоны по эффективности разделения, особенно для частиц с размерами менее 5-10 мкм. По общей эффективности прямоточные центробежные и вихревые сепараторы близки к мокрым электрофильтрам, а по фракционной - к мокрым пылеуловителям, но уступают тканевым фильтрам для частиц с размерами от 0,5 до 1 мкм В некоторых производствах замена традиционных конструкций уловителей (инерционных, жалюзийных, гравитационных и др) прямоточными или вихревыми сепараторами позволяет значительно снизить унос пыли, повысить производительность и срок службы агрегатов, обеспечить стабильную эффективность в широком диапазоне изменения режимных параметров. Кроме того, сухая очистка промышленных газов является наиболее перспективной и экономичной, так как позволяет получить уловленный продукт, не требующий дальнейшей очистки, что существенно облегчает его регенерацию и утилизацию.

Таким образом, проблема моделирования и интенсификации процесса сепарации в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли (ПЦПО) является актуальной.

Цель работы

Интенсифицировать процесс сепарации пыли в прямоточном циклоне на основе математического моделирования процесса пылеочистки и оптимизации конструктивных и технологических параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи'

1 Разработать математическую модель движения частиц пыли в закрученных газопылевых потоках, на основе которой построить вероятностно-стохастическую модель эффективности очистки

2 Разработать методику расчета эффективности пылеулавливания ПЦПО, учитывающую медианный диаметр и плотность улавливаемой пыли, запыленность потока и диаметр циклона

3. На основе анализа и экспериментальных данных оптимизировать конструкцию циклона ПЦПО и его технологические показатели 4 Разработать промышленную высокоэффективную газоочистную установку

Научная новизна

1 Разработана математическая модель движения частиц пыли в закрученных газопылевых потоках, учитывающая влияние броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияние эффекта Магнуса на движение частиц; 2. Получены регрессионные модели пути сепарации улавливаемых и уносимых частиц

3 Разработана вероятностно-стохастическая модель общей и фракционной эффективности циклона

4 Получены эмпирические зависимости для определения относительного уноса пыли из циклона в зависимости от диаметра сепарационной камеры, медианного диаметра частиц пыли, концентрации и насыпной плотности пыли, пригодные для расчета эффективности сепарации в циклонах любого типа

5 Предложен способ интенсификации процесса сепарации в ПЦПО, заключающийся в принудительном выводе частиц в бункер потоком газа (в объеме 4-5% от всего потока), создаваемым эжектирующим устройством на патрубке очищенного газа

6 В результате экспериментальных исследований определены рациональные значения конструктивных и режимных параметров ПЦПО

Практическая ценность

1. Разработан высокоэффективный прямоточный циклон с большой пропускной способностью и низким гидравлическим сопротивлением.

2. На основе математической модели движения полидисперсного запыленного потока разработана модель фракционной эффективности прямоточного циклона.

3. Предложена единая методика расчета эффективности сепарации, пригодная для всех видов циклонных пылеуловителей (прямоточных, про-тивоточных и вихревых).

4. На основе выполненных исследований разработан и внедрен на Ново-мальтинском заводе стройматериалов групповой циклон из трех элементов общей производительностью 9000-11500 м3/ч для очистки колошниковых газов из ваграночных печей Эффективность очистки в циклоне при входной концентрации пыли 10-15 г/м3 составляет 94-95,2 %, а гидравлическое сопротивление не превышает 1,3-1,78 кПа. Положительный эффект от внедрения оценивается большой социальной значимости с точки зрения охраны окружающей среды и здоровья людей.

5. Результаты проведенных исследований и разработанная методика расчета эффективности сепарации циклонов использованы в учебном процессе АГТА кафедр МАХП, РИПР и ХТТ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (1999, 2001, 2002, 2004, 2005 г.г), на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (г. Смоленск, 2001 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает введение, пять глав, основные результаты и выводы, список основной использованной литературы (193 наименования), условные обозначения и приложения. Основное содержание работы изложено на 176 страницах, содержит 42 рисунка, 7 таблиц, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с тезисным изложением основных положений и результатов работ, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведен сравнительный анализ существующих конструкций циклонных пылеуловителей. Установлены преимущества и перспективность совершенствования прямоточных циклонов с промежуточным отбором пыли ПЦПО (рис. 1), обладающих малым гидравлическим сопротивлением и компактностью. Рассмотрены пути интенсификации процесса сепарации этих пылеуловителей. На основании анализа обоснованы задачи исследования.

Во второй главе выполнен обзор математических моделей движения закрученного потока в пылеуловителе и представлены разработанные автором математические модели сепарации частиц пыли в закрученных потоках с учетом влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияния эффекта Магнуса на движение частиц

Представим пылегазовую среду в закрученном потоке циклонной пылеочистной установки в виде двухкомпонентного газа- собственно газа и «пылевого» газа. «Пылевой» газ состоит из «молекул» в виде частиц пыли Частицы имеют диаметр с! и плотность р Частицы содержатся в газе с массовой концентрацией г Тогда масса частицы" т = т? р!6\ количество частиц в единице объема' п„ = 2/т = б2/(жРр)> эффективная площадь частицы при столкновении: с = яг/2; средняя длина пробега частицы.

Рис. 1. Циклон ПЦПО

А = (Л ■ п0и)'] = ф/(б>/2 • г).

Примем среднюю скорость движения частицы, равной средней скорости броуновской частицы при прохождении ею расстояния, равного ее

диаметру на основании формулы Эйнштейна"

' 2-кТ

Здесь к =1.380622(59) 10 23 - постоянная Больцмана

Предположим, что «пылевой» газ подчиняется законам кинетической теории газов. Тогда на основе этой теории получим вязкость «пылевого» газа: //„ = иг А/ 3.

Вязкость двухкомпонентной смеси определяется по аппроксимации Уилки кинетической теории Сюзерленда:

= УгМгКУг + У„ ' Фм) + У„Н„/(Уп + Уг ' Ф„-Д О)

где ф,_„ 4+{Иг11лпГ{мп1мГ]1\К^Мг1ип)Г

у„=г/ р - мольная (объемная) доля «пылевого» газа;

уг = I -у„ - мольная доля газа;

М„ = т/1 660531-КГ27 - молекулярный вес «пылевого» газа;

М - молекулярный вес газа.

Вязкость газопылевой среды может примерно в два и более раза превышать вязкость чистого газа Эффект повышенной вязкости можно объяснить торможением частиц при совместных столкновениях и последующим после столкновений закручиванием частиц. Это приводит к дополнительным затратам энергии при движении частиц, повышению внутренних сил трения в газопылевой среде и, соответственно, повышению вязкости среды при движении в ней частицы пыли.

Рассмотрим движение частицы в анизотропном по вязкости закрученном газопылевом потоке, то есть таком, в котором вязкость среды в осевом и тангенциальном направлениях равна вязкости чистого газа а для радиального направления (в направлении сепарации частиц пыли) вязкость равна вязкости газопылевой среды /4_„. Газ движется поступательно вдоль оси 2, и вращается. Профиль тангенциальной скорости газа иг в случае потенциального безвихревого движения подчиняется уравнению:

и, ■ Я" = (2)

где и - показатель степени, который по экспериментальным данным равен

0,5-0,7; константа.

Действующие силы:

центробежная сила Рц = т-и* / Л;

сила тяжести: С = т -g ^,

силы сопротивления при движении в газовой среде в тангенциальном и осевом направлении (частицы движутся параллельно, без соударений, как одиночные частицы в чистом газе):

сила сопротивления при движении в газопылевой среде в радиальном направлении (с учетом столкновения между частицами):

Здесь и,Ш и V - соответственно тангенциальная, осевая и радиальная компоненты скорости частицы (индекс ч) и газа (г); /^„определяется по формуле (1).

Кроме этих сил рассмотрим также эффект Магнуса, заключающийся в появлении подъемной силы Жуковского при движении вращающейся частицы:

Гж = Рг(К-К) Г,

где Г = • ей = п • с/2 • £/(4 • Л15) - циркуляция скорости по контуру частицы;

/

и = со ■ <И2 - линейная скорость вихря на поверхности частицы;

со = \dUjdR| = £ ■ п■ Я~"~] = ^/(2Л15) - угловая скорость вращения частицы при

наличии градиента тангенциальной скорости

На основе действующих сил составим уравнения движения частицы в анизотропной по вязкости газопылевой среде в цилиндрической системе координат

01 & \ " Р я-а -Рц) К

от ар дг Ы р

_ 18 цг_пК Ър£ ь_18 цгК

где а - аСтокс + аж жк, аСт01!С - 2 , Ожуюжк - - ——, Ь - - . (4)

ар 2 рчеШ с1 р

При безвихревом потенциальном вращательном движении радиаль-

ную скорость газа примем равной нулю: Уг - 0. Тангенциальная скорость газа подчиняется закону (2) с показателем степени, равным п=0,5. Осевую скорость примем постоянной и равной отношению объемного расхода газа Q к площади проходного сечения А: = д/А Принимая во внимание приведенные соображения относительно скорости газа, а также опуская индекс ч, уравнения движения частицы (4) получим в следующем виде:

дУ V2 V /е ч

— = ——а-У; (5а)

д! Я у '

В цилиндрических координатах радиальная скорость равна: ¥ = с№/Ж, а тангенциальная и = Ясо = Я(с!в/Ж). Предположим также, что в тангенциальном направлении частицы движутся вместе с газом с одной скоростью' ич = иг = £/К1'2. Тогда уравнение радиальной скорости частицы (5а) приводится к виду:

Л"+а-й'-£2/Г2 = 0; (6)

Уравнение (5в) для продольной скорости передвижения частиц пыли в потоке является линейным и имеет решение [5]-

¥ = 1±Р^в1Л + С.ехр(-Ы). (7)

ь

При граничных условиях 1-0, IV Ш0 = (¿/А константа интегрирования С равна. С = С учетом константы интегрирования скорость (7) осевого пробега частицы при сепарации равна:

1У = 1Гв+Ц+е-). (8)

о

Уравнения (6) и (8) определяют траекторию движения частицы в проекции на диаметральное сечение циклона В частности, они определяют осевой пробег 5 при сепарации частицы до стенки циклона, т.к 05/& = Ш

Было произведено численное моделирование на ПЭВМ процесса сепарации частиц пыли, диаметр которых варьировался от 1 до 100 мкм с шагом 3 мкм для циклонов различного диаметра Эс, начиная от 100 мм до 600 мм с шагом 50 мм. Плотность пыли менялась в пределах от 500 кг/м3 до 10000 кг/м3 с шагом 500 кг/м3. Осевая скорость потока изменялась от 6 м/с до 16 м/с с шагом 2 м/с. Крутка потока принята равной 45", запыленность

потока - 0,025 кг/м3.

Обобщение результатов численного моделирования путем регрессионного анализа позволило получить многопараметрическую степенную зависимость для расчета пути сепарации частиц (295454 точки)'

5 = 0,0562 • d1 288 • W-°• ■ к°-П6 • (0,5 - к)0 688 ■ D'-,n. (9)

где R2=DJ2 - радиус циклона; R,-0 75*R2- радиус центральной вставки; г0-радиус входа частицы пыли в сепарационную зону, к ---ru /Dc - относительный радиус входа частицы в сепарационную зону. Коэффициент детерминации для уравнения (9) составил 98,98%, скорректированный коэффициент детерминации 98,98%, стандартная ошибка 0,059, средняя абсолютная ошибка 0,035, коэффициент Дарбина-Уотсона равен 1,627.

Для уловленных частиц пыли, путь сепарации которых не превышает длины сепарационной зоны, результаты численного эксперимента методом Рунге-Кутта обобщены уравнением (280595 точек):

5 = 1,040-á1'119-W 0,178 • р-0'948 • к0,690 • (0,5 - кУ 916 • Z>^'152, (10)

Представляет интерес информация о неотсепарированных частицах. С этой целью был проведен анализ результатов моделирования (число данных составило 14849 точек) для частиц, путь сепарации которых больше длины сепарационной зоны. В результате обработки было получено для уносимых частиц следующая регрессионная зависимость

5 = 0,0805 • <Г''305 -W-° 364 ■ р-° 928 • А0,737 • (0,5 - А)0'738 ■ D1/49. (11)

Коэффициент детерминации составил 96,182%, скорректированный коэффициент детерминации 96,181%, стандартная ошибка 0,792, средняя абсолютная ошибка 0,560, коэффициент Дарбина-Уотсона равен 1,654.

Полученные модели (9) и (10) позволяют рассчитывать технологические характеристики (например, эффективность очистки и долю уноса, фракционную эффективность очистки и фракционные показатели уноса) прямоточных циклонов, с широким диапазоном варьирования конструктивных и технологических параметров.

В третьей главе выполнен обзор имеющихся вероятностных моделей сепарационных характеристик пылеуловителей и представлены результаты вероятностно-статистического моделирования эффективности сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне.

Выполненный анализ работ по вероятностному моделированию процесса сепарации в циклонных пылеуловителей показал, что они в основном представляют центробежное разделение как детерминированный

процесс со случайными отклонениями, и не учитывают параметрическое влияние случайных факторов Поэтому полученные расчетные зависимости могут служить только для оценки основных тенденций влияния технологических и конструктивных параметров процесса. Более точный расчет возможен только на базе параметрического вероятностно-стохастического моделирования с учетом как детерминированных, так и случайных факторов.

При разработке модели в качестве базовых уравнений использовались уравнения движения частиц в закрученном газовом потоке в прямоточном циклоне, описанные в главе 2 Эти уравнения определяют траекторию движения частицы в проекции на диаметральное сечение циклона В частности, они определяют осевой пробег в при сепарации частицы до стенки циклона

Следует заметить, пробег частиц в закрученных газопылевых потоках, описываемый уравнениями (5), (6), (8), определен неявно, и эти уравнения не допускают аналитического его нахождения. В силу этого обстоятельства модель движения частиц затруднительно использовать в качестве базовой при построении вероятностных моделей движения частиц и также при построении модели эффективности и фракционной эффективности прямоточного циклона Полученные регрессионные уравнения (9), (10) и (11) для пути сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне позволяют построить вероятностную модель расчета эффективности прямоточного циклона

По уравнениям (9), (10 и (11) можно решать следующие задачи применительно к сепарации частиц в прямоточных циклонах'

- расчет радиуса входа г0 частиц такого, что при г> г0 частицы улавливаются (для них путь сепарации 5 меньше длины сепарационной зоны Л), а при г^ г о частицы уносятся с потоком очищенного газа (так как их путь сепарации больше длины сепарационной зоны 5 > I);

- расчет диаметра й50 частиц, улавливаемых в прямоточном циклоне на 50 %:

- расчет логарифма среднеквадратического отклонения 1% ал для диаметров улавливаемых в циклоне частиц (параметры с150 и гт1/ нужны для расчета эффективности циклона по типовой методике НИИОГАЗ);

- построение вероятностной модели расчета эффективности прямоточного циклона;

(12)

- расчет фракционной эффективности прямоточного циклона.

В уравнениях (9), (10) и (11) диаметр частиц й и радиус входа г0 в прямоточный циклон являются случайными величинами. Следовательно, путь сепарации 5 тоже является случайным. При этом диаметр циклона Д плотность пыли р и входная скорость газового потока Ш0 являются неслучайными параметрами.

Случайный диаметр частиц распределен согласно фракционному составу пыли. В зависимости от метода анализа фракционного состава пыли, распределение частиц по диаметру может быть массовым <рм(с1) (распределение вероятностей по массовой доле частиц определенных размеров) или счетным <рц(ф (распределение вероятностей по счетной доле частиц определенного размера) Для аппроксимации использовано логарифмически нормальное распределение

(\nd-\ndf 2-(1п а,У

Для перевода счетного распределения в массовое можно воспользоваться соотношением (13) с последующей аппроксимацией логарифмически нормальным распределением.

/¿них

«м(«0= ¡х -Р.уМ-Л; (13)

й ■ -¡2я ■ 1п а.

•ехр

Рис. 2

Распределение случайного радиуса входа определим, предположив равномерное распределение частиц по площади входного кольцевого зазора с радиусами и Я2 (см рис. 2). В элементарное кольцо радиусом г и шириной ¿1г попадет следующая доля (вероятность) от всех частиц, поступивших в циклон (вследствие равномерности распределения частиц по площади, эта вероятность равна отношению площадей соответствующих колец):

Р(Иг и + ^оУ ~ "о - 2г<Аз + (^о)2 _ 2гАо

тгЩ - яЛ,

к-*;

Л,2-/?,2

Здесь мы пренебрегли членом высшего порядка малости (с!г0)2 Тогда дифференциальное распределение случайного радиуса входа частицы в прямоточный циклон является трапециевидным'

, , р{с!г0) 2 г0

В качестве проверки полученного распределения (14) проинтегрируем его по всей области существования г0:

2гп , 2г} *

Я, R, К2 ~ «1 1\К2 - «1 f,R]

Следовательно, распределение (14) удовлетворяет условию нормировки распределения вероятностей.

Распределения <рм(ф и <р(г0) друг от друга независимы Воспользуемся формулой для распределения функции от случайных аргументов, чтобы найти распределение вероятностей <р(Б) для пути сепарации частицы

<гМ

с® I*

где а = / А (5)= 9,347 • 50,776 • К 257 -р0™ • ка 253 • (0,5 - к)-°534 ■ о;10"- Обратная функция от (9); а её производная:

<p(s)=(pj[r\s)\<f{r0)-

(15)

df \S)

dS

= 7,253 • s~0,22* • <-257 ■ p0-729 ■ k0-2" ■ (0,5 - к) 0 "4 ■ D,

При известном распределении пути сепарации (9) можно найти вероятность улавливания произвольной частицы при ее прохождении через циклон длиной L. Эта вероятность эквивалентна эффективности сепарации частиц:

r1 = P{S<L)=\\(p{s)dr0dS (16)

о я,

Если в распределении (13) использовать распределение диаметров частиц в пределах одной фракции (p{d e[d - bd\d + , то уравнение (16)

даст характеристику фракционной очистки прямоточного циклона rj{d*%j)< т е. степень улавливания пыли в пределах узкой фракции d±Ad При интегрировании был применен метод Уэддля (формула Ньютона-Котеса 6-го порядка) с переменным шагом интегрирования Точность полученных параметров фракционной эффективности циклона оценивается ошибкой, не превышающей 10 % Теоретически возможная эффективность ПЦПО оценивается в 98-100 % Разработанная вероятностная модель позволяет рассчитывать эффективность очистки и фракционную степень очистки прямоточных циклонов в пределах применимости регрессионного уравне-

ния (9).

В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки для испытаний предлагаемого прямоточного циклона, результаты исследования промышленного циклонного элемента и группового циклона

Очистка газопылевого потока зависит от степени реализации следующих этапов движения пыли:

1. Движение частиц пыли в сепарационном пространстве из центральной зоны в периферийную зону потока;

2 Вывод частиц из периферийной зоны сепарационного пространства во входную зону бункерного пространства;

3 Фиксация частиц в бункерном пространстве, предотвращение их вторичного уноса в очищенный поток.

Анализ гидродинамики распределения осаждаемых частиц в циклоне показал, что из-за наличия турбулентной диффузии и других явлений частицы концентрируются у стенки циклона не плотным слоем, а разрыхленным. При этом на стенке не образуется осыпающийся слой, а пыль локализуется в кольцевом пристенном слое определенной толщины в форме спиральных пылевых конгломератов в форме жгутов Инициатором образования пылевых жгутов является лопаточный завихритель. При прохождении пыли по межлопаточному каналу происходит концентрирование частиц на периферийной зоне канала Таким образом, поток после прохождения лопаточного завихрителя разделяется на ряд параллельных обедненных и обогащенных потоков. Жгутообразование наблюдалось при обследовании дымовых газопроводов с пылевыми частицами, обладающими высокой адгезионной способностью Толщина и плотность пристенного слоя зависят от скорости газа, угла крутки, характера ввода потока в циклон Высокие скорости способствуют уменьшению толщины пристенного слоя, несмотря на возрастающую при этом роль турбулентной диффузии

Решение проблем второго и третьего этапов пылеочистки заключается, с одной стороны, в уменьшении сопротивления движению частиц при входе в бункерное пространство и, с другой стороны, в увеличении сопротивления движению частиц при выходе из бункерного пространства в очищаемый поток для предотвращения уноса отсепарированной пыли.

Для реализации этой цели было предложено пропускать часть потока через бункерное пространство. Первоначальные эксперименты с отсосом газа из бункера показали, что наибольшая эффективность сепарации достигается при отсосе из бункера 4-5% от общего расхода газа при ско-

ростях в плане циклона 5-10 м/с Абсолютный прирост эффективности очистки составил 7-8 % Отсасываемый газ возвращался в очищенный поток

Нами было предложено отсасывающее устройство выполнить в виде эжектирующей насадки в оголовке выхлопного патрубка Конструкция обеспечивала снижение скорости газа в бункере по сравнению со скоростью газа в сепарационной зоне примерно в 100 раз Благодаря этому предотвращается вторичный унос пыли из бункера

В экспериментах были исследованы две конструкции эжектирующих головок: с эжектирующим соплом и эжектирующей перфорацией. По технологическим показателям предпочтение было отдано эжектирующей перфорации.

Испытания циклона ПЦПО производились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис 3. Диаметр сепарационной камеры 258 мм, диаметр выхлопного патрубка 127 мм. Насыпная плотность пыли 1008 кг/м\ запыленность г = 2 + б г/м3. Результаты испытаний представлены на рис. 4, 5.

Выравниватель Трубка Пито-потока Прандтля

Как видно из рис 5, при снижении скорости в плане циклона С„ наблюдалось повышение эффективности очистки Это можно объяснить снижением высоты отскока крупных (более 60 мкм) частиц пыли от стенок циклона, а для мелких частиц - уменьшением турбулентной диффузии

Таблица 1

Условные обозначения к рис. 4 и 5_

Обозначение Сварные швы Отсос из бункера

• Необработанны Есть

О Зачищены Есть

□ Зачищены Нет

Из рис. 4 и 5 видно, что зачистка сварных швов обеспечила снижение потерь давления АР на 34,5 % и повышение г] на 8-9 %. Это можно объяснить выравниванием профиля скоростей при входе очищенного газа в выхлопной патрубок и вследствие этого уменьшением возмущения пристенного пылевого слоя при входе в бункер.

Получены следующие рекомендации для проектирования прямоточных циклонов Оптимальная скорость С0 для фракций крупнее 60 мкм составляет 5-6 м/с, а для фракций до 30 мкм - 8-10 м/с Необходимо обеспечить отсос из бункера в количестве 4-5 % от общего расхода газа Сварные швы и внутренние поверхности циклона следует тщательно зачищать

На Новомальтинском заводе строительных материалов в минерало-ватном производстве ваграночные газы очищались в рукавном фильтре, установленном на открытой площадке. Из-за оледенения и последующих порывов рукавов при регенерациях рукавов в холодный период года фильтр имел малую эффективность очистки и низкую эксплуатационную надежность При запыленности 10-15 г/м3 вместо фильтра было предложе-

но использовать прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли ПЦПО (рис. 1).

Был выполнен промышленный эксперимент на циклоне ПЦПО, установленном параллельно имеющемуся рукавному фильтру. В циклоне начальный участок патрубка очищенного газа был снабжен эжектарующей перфорацией, которая обеспечила снижение противодавления в пылевом бункере, снижение влияния подсосов через разгрузочный люк бункера, повышение эффективности сепарации на 7-8%

°1 2 5 10 20 „ 50 ¡00 200 й,мкм

Рис. б

На основе выполненных исследований на Новомальтинском заводе стройматериалов разработан и внедрен групповой циклон из трех элементов общей производительностью 9000 м3/ч для очистки колошниковых газов из ваграночных печей, в котором использовано эжектирование газа Наибольшая эффективность очистки в групповом циклоне при входной концентрации пыли z=l0~15 г/м3 составляет 94-95,2 %, а потери давления не превышали 1,3-1,78 кПа

Составы исходной пыли и пыли на выходе из циклона, а также фракционная эффективность аппарата приведены на рис. 6 Как видно из рис 6, медианный диаметр (по массе) исходной пыли ваграночных газов на входе в циклон составил <5„= 85 мкм, медианным диаметром (по массе) уносимой пыли 5У=2 мкм. Диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50% равен dsa = 14 мкм. Акт о внедрении научно-технических результатов прилагается к диссертационной работе

В пятой главе представлена разработанная автором методика расчета эффективности пылеулавливания циклонов любых типов.

При расчете эффективности сепарации циклонов по известной методике НИИОГАЗ влияние диаметра О циклона и плотности пыли р учитывается только при расчете диаметра частиц пыли, улавливаемой с 50% эффективностью Влияние запыленности газа г на эффективность сепарации не учитывается.

Известен эмпирический метод пересчета эффективности очистки при одинаковых в среднем скоростях потоков с базового циклона (индекс 0) на геометрически подобный расчетный (р) циклон по уравнению:

= (17)

В основу этого метода положено допущение о независимом влиянии перечисленных параметров на относительную величину проскока пыли е.

Нами было произведено статистическое исследование литературных экспериментальных данных, в результате которого получены регрессионные формулы для расчета коэффициента К0, учитывающего влияние диаметра аппарата на эффективность циклона, коэффициента Ка который учитывает влияние медианного диаметра пыли 8\ коэффициента К2, учитывающего запыленность входного потока г Кроме этого, дополнительно введен коэффициент Кр, учитывающий влияние плотности пыли р на эффективность очистки у. Формулы для расчетов коэффициентов влияния, значения критерия Фишера Р для соответствующих корреляций и пределы применимости формул следующие: Кв =6.945 О0 8648; Г = 148 0; 0=0.1 +0 6 [м]), (18)

К6 =ехр(0.424- 0.052 •<?); (Р= 1343, §=9 5 ч-50 [мкм]), (19)

К; =0.938+67.91 (2-0 12)2; (Р= 67 07, 035 + 0 22 [кг/м3]), (20) Кр = 1.454-0.00034-р\ (Р = 27 62, р=1380 ^3032 [кг/м3]) (21)

Формула для определения неизвестной эффективности сепарации г]р геометрически подобного циклона при заданных параметрах Д8,г,р.

К г\К.сК.~К. „

= К К К'(1~П])' (22)

О, г, г, р,

где г]р, кп, К6, Кр, к, - эффективность сепарации, коэффициенты уноса,

соответствующие заданным параметрам работы: диаметру циклона Д медианному диаметру пыли б, насыпной плотности пыли р и запыленности

потока г; т]и, Кй], Кб1, КР], известная эффективность сепарации циклона, геометрически подобного данному, и коэффициенты уноса для исследованных условий работы, соответствующих параметрам Д, г,

О степени корректности предложенных зависимостей можно судить по рис. 6+9, на которых приведены расчетные кривые (18)+ (21) в сопоставлении с экспериментальными данными различных авторов для циклонов трех типов (прямоточных, противоточных и вихревых). По формулам (18)-(22) была рассчитана эффективность сепарации цр 28 циклонов и сопоставлена с экспериментальными значениями г]ъ (см рис 10). Статистическая значимость полученной корреляции определяется следующими характеристиками- коэффициент корреляции равен 0 908, критерий Фишера 126.39, критерий Дарбина-Уотсона 2 224 Для сравнения на рис. 11 приведено сопоставление % с расчетной эффективностью т]р, полученной по методике НИИОГАЗ для противоточных и прямоточных циклонов (объем выборки - 20 циклонов; коэффициент корреляции 0 386, критерий Фишера 3 142, критерий Дарбина-Уотсона 1 810) Анализ показывает, что расчет по предлагаемой методике является более точным по сравнению с методикой НИИОГАЗ в указанных пределах применимости.

Достоинства предлагаемой методики: простота, учет влияния параметров г и плотности, универсальность (возможность расчета по данной модели эффективности циклона любого типа), даже при отсутствии сведений о его фракционной эффективности, высокая точность

Рис.6 Рис.7

Рис. 8

в - прямоточные | О - протиюточные 0 П вихревые I п &

о о Зг < — -

о

75 80 85 90 95

Рис.10. Корреляция расчетной % по предлагаемой методике и экспериментальной Т),

Рис. 9

ф - прямоточные О - противсточные О /

с О о У

с --г> * а ---

• о

75 80 85 90 95 Т}3,% Рис 11. Корреляция по методике НИИОГАЗ и экспериментальной т)3

Основные результаты и выводы по диссертации

1. Интенсифицирован процесс сепарации в прямоточном циклоне на основе предложенной схемы движения потоков, способствующей более эффективному отделению пылевой фазы от газопылевого потока и препятствующей процессу вторичного уноса частиц от стенок и из бункера уловленной пыли.

2. Предложены математические модели сепарации частиц пыли в закрученных газопылевых потоках с учетом влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и эффекта Магнуса на движение частиц На основе этих математических моделей получены многомерные регрессионные модели для расчета пути сепарации уловленных и уносимых

частиц из прямоточного циклона, учитывающие влияние диаметра циклона, диаметра частиц, плотности пыли, скорости входного потока, относительного радиуса входа в сепарационную камеру

3 Разработана вероятностная модель фракционной эффективности прямоточного циклона, на основе которой рассчитана общая и фракционная эффективность очистки прямоточного циклона.

4 Создан высокопроизводительный, эффективный и технологичный прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли, который имеет на 7^9% большую эффективность пылеулавливания и потери давления, меньшее на 34,5% по сравнению с исходным циклоном ПЦПО

5 Предложено и экспериментально апробировано применение перфорации стенки начального участка патрубка очищенного газа, обеспечивающее снижение давления в бункере основного отбора пыли и повышающее эффективность сепарации на 7-9%.

6 Разработан и внедрен на базе усовершенствованного циклона ПЦПО групповой циклон из трех элементов общей производительностью 9000-11500 м3/ч для очистки колошниковых газов из ваграночных печей взамен рукавного фильтра на Новомальтинском заводе стройматериалов Эффективность очистки в циклоне при входной концентрации пыли 10-15 ?/ыъ с медианным диаметром по массе частиц 20 мкм и насыпной плотности 1008 кг/м3 составляет 94^95,2 %, а гидравлическое сопротивление не превышает 1,3-1,78 к11а Акт о внедрении научно-технических результатов прилагается в диссертационной работе

7. Для различных типов циклонов установлена однозначность и независимость влияния на относительный унос пыли следующих факторов: диаметра аппарата, медианного диаметра частиц, концентрации и плотности пыли на входе в циклон Этот факт положен в основу единой методики расчета эффективности сепарации геометрически подобных циклонных пылеуловителей различного типа (прямоточных, противоточных и вихревых) по заданным диаметру аппарата, медианному диаметру частиц, плотности и концентрации пыли. Сопоставительный анализ показал, что расчет по предложенной методике является более точным по сравнению с методикой НИИОГАЗ в указанных пределах применимости Кроме того, по методике НИИОГАЗ невозможно рассчитать эффективность пылеулавливания циклонов со встречными закрученными потоками Достоинства предлагаемой методики простота, возможность расчета по данной модели эффективности циклона любого типа, даже при отсутствии сведений о

его фракционной эффективности, высокая точность прогнозного значения эффективности пылеулавливания (для прямоточных циклонов ± 2%).

8 Результаты проведенных исследований и разработанная методика расчета эффективности сепарации циклонов использованы в учебном процессе АГТА кафедры МАХП, РИПР и ХТТ.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ляпустин П.К, Асламов А А., Асламова B.C. Расчет вязкости газовой смеси // Современные технологии и научно-технический про-гресс:Тезисы докладов науч. техн. конф - Ангарск'АГТИ, 1999 - С. 27-28.

2 Ляпустин ПК, Асламов А А., Асламова ВС Методика расчета эффективности сепарации циклонов // Сб науч. тр к 50-летию Иркутск-НИИхиммаш - Иркутск-ИркутскНИИхиммаш, 1999.-С 283-287.

3 Ляпустин П К , Асламов А А , Асламова B.C. Сепарация частиц в закрученных потоках 1 Влияние броуновского движения на вязкость газопылевого потока вязкость газопылевого потока. II Современные технологии и научно-технический прогресс: Тез докл науч. техн. конф - Ангарск-АГТА, 2001.-С. 41

4 Ляпустин П К, Асламов A.A., Асламова В.С Сепарация частиц в закрученных потоках 2 Влияние эффекта Магнуса на движение частиц // Современные технологии и научно-технический прогресс Тез докл науч техн конф - Ангарск- АГТА, 2001. - С 42-43.

5 Ляпустин П К, Асламов А.А, Асламова В.С Модель сепарации частиц с учетом влияния броуновского движения и эффекта Магнуса // Математические методы в технике и технологии - ММТТ-14 Сб трудов Международ науч. конф В 6-ти томах Т. 3 - Смоленск- Смоленский филиал Московского энергетического ин-та, 2001 - С 24-26.

6 Ляпустин П К, Асламов А А , Асламова В С. Движение частицы во вращающемся газопылевом потоке с анизотропной вязкостью. // Иркутск-ИрГТУ, Вестник, 2001, № 9, с.78-83.

7 Ляпустин П.К, Евсевлеева Л Г Модель частиц с переменными свойствами в газовом потоке. // Современные технологии и научно-технический прогресс- Тез докл. науч техн. конф. - Ангарск' АГТА, 2001. -С. 44-45.

8 Ляпустин П.К, Асламов А.А , Асламова В.С.Результаты численного моделирования движения частицы пыли в закрученном газопылевом пото-

ке. // Современные технологии и научно-технический прогресс: Тез. докл. науч. техн. конф. - Ангарск: ATTA, 2002. - С. 10-11.

9. Ляпустин П К., Асламов A.A., Асламова ВС. Сепарация частиц в закрученных потоках. 3. Регрессионная модель пути сепарации частиц в прямоточном циклоне. // Современные технологии и научно-технический прогресс:Тез. докл. науч. техн. конф., ч.1. - Ангарск, ATTA, 2004. - С 23-24

10. Ляпустин П.К , Асламов A.A., Асламова В.С Сепарация частиц в закрученных потоках. 4. Вероятностная модель эффективности прямоточного циклона //Современные технологии и научно-технический прогресс. Тез. докп.науч.техн. конф.,ч.1 - Ангарск, ATTA,2004,- С.21-22.

11. Ляпустин П К., Асламов АА, Асламова B.C. Алгоритм расчета эффективности сепарации циклонных пылеуловителей // Современные технологии и научно-технический прогресс Сб тр. науч. техн. конф. ч 1 -Ангарск, ATTA, 2005. - С. 133-139.

12. Ляпустин П.К., Асламов АА., Асламова B.C. Вероятностная модель сепарации частиц в кольцевом закрученном потоке. // Математические методы в технике и технологии - ММТТ-18. Сб тр. ме ходу нар. науч. конф ,2005.-3 с

Изд лиц. ИД № 06003 от 05.10 2001. Подписано в печать 16 05 2005 Формат 60x84/16. Печать офсетная Услпечл.1,4 Уч.печ л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ 548 .

Ангарская государственная техническая академия 665835, Ангарск , ул. Чайковского, 60

И 0140

РНБ Русский фонд

2006-4 6940