автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Развитие универсального метода расчета инерционных пылеуловителей для каскадных систем

На правах рукописи Пенявский Виталий Владимирович

РАЗВИТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ИНЕРЦИОННЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ ДЛЯ КАСКАДНЫХ СИСТЕМ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Томск-2013

005542512

005542512

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Шиляев Михаил Иванович доктор технических наук, профессор

Хмелев Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор,

Бийский технологический институт (филиал)

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

технический университет им. И.И. Ползунова»,

профессор кафедры методов и средств измерений и

автоматизации

Ведущая организация:

Кагакин Евгений Иванович

доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», профессор кафедры химической технологии твердого топлива

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «29» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Шалунов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема охраны воздушного бассейна от промышленных газовых выбросов, содержащих механические и газовые контами-нанты, в связи с ростом народонаселения на планете, ростом производственных мощностей, исчерпаемостью углеводородных энергоносителей таких как нефть и газ, необходимостью их замещения каменным углем в основном низкой калорийности и высокой зольности с каждым годом усугубляется. Основными загрязнителями атмосферы пылью являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия, нефтехимия, производство строительных материалов. Проблема очистки газов от пыли в ближайшей перспективе в основном должна решаться за счет совершенствования пылеулавливающего оборудования в направлении повышения его эффективности газоочистки и снижения удельных энергозатрат на ее осуществление. На кафедре «Отопление и вентиляция» в ТГАСУ разработан под руководством проф. Шиляева М.И. универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей (УМР), позволяющий в каждом конкретном случае решать эту проблему за счет последовательной установки пылеуловителей одного типа в каскадные системы.

Этот метод дает возможность производить расчеты всех типов инерционных пылеуловителей и каскадов из них в отличие от известных частных методов, пригодных только для конкретного типа аппаратов (метод расчета циклонов НИИОГАЗ, метод расчета мокрых пылеуловителей А.Ю. Вальдберга, энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей, метод отсечного диаметра). Он включает в себя универсальную номограмму (УН) и математическое выражение энергетического принципа (ЭП) сравнения энергозатрат на очистку газов от пыли в пылеуловителях и каскадных системах из них. На основе обработки известных экспериментальных данных для более чем 50-ти типов инерционных пылеуловителей сформирован банк данных (БД) по их характерным параметрам, позволяющий использовать УМР в инженерных расчетах как отдельных аппаратов, так в своей основе и каскадных систем из них. Однако, как показывает опыт, фракционные эффективности пылеулавливания от ступени к ступени каскада понижаются, и это не предусмотрено в УН и ЭП. Актуальность работы обусловливается необходимостью усовершенствования УМР для каскадных систем пылеуловителей, учитывающего понижение фракционной эффективности от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады.

В этой связи целью настоящей диссертационной работы является на основе теоретических и экспериментальных исследований в разработанный ранее УМР внести поправочные коэффициенты для каскадных систем, учитывающие понижение фракционной эффективности пылеулавливания от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады. Разработать ме-

тод экспериментального определения постоянных в фракционном коэффициенте пылеулавливания для пополнения БД новыми аппаратами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе литературных экспериментальных данных проанализировать закономерности изменения фракционной эффективности пылеулавливания в каскадных системах от одной ступени к другой.

2. Определить количественное различие результатов расчетов общих эф-фективностей и энергозатрат на газоочистку с учетом понижающих коэффициентов фракционной эффективности пылеулавливания по ступеням каскадов циклонов различных типов и без их учета. Внести поправочные коэффициенты в исходный УМР для каскадных систем, учитывающие фракционный состав пыли и типоразмеры циклонов.

3. Для выявления наиболее высокой общей эффективности улавливания пыли каскадными системами определить порядок установки разнотипных циклонов в этих системах.

4. Разработать способ оперативного экспериментального определения постоянных в обобщающей экспоненциальной зависимости для фракционного коэффициента проскока инерционных пылеуловителей с целью пополнения БД новыми аппаратами.

5. Экспериментально подтвердить в лабораторных и производственных условиях количественные поправки к исходному УМР на каскадные пылеулавливающие системы как для расчета общей эффективности, так и энергозатрат на газоочистку.

Научная новизна работы:

1. Внесены поправочные коэффициенты к расчету эффективности газоочистки каскадных систем пылеулавливания с помощью УН.

2. Выявлен физический механизм снижения фракционной эффективности пылеулавливания в последующих ступенях каскада после первой, определяющийся влиянием турбулентности потока очищаемого газа, действующей на частицы пыли и тем сильнее, чем мельче частицы.

3. Предложен оперативный способ определения постоянных в обобщающей зависимости фракционного коэффициента проскока для БД, являющегося основной характеристикой пылеуловителя конкретного типа.

4. Установлено преимущество каскадной компоновки пылеулавливающих систем в сравнении с одиночными аппаратами по энергозатратам на газоочистку.

Практическая значимость работы выражается:

1. В рекомендациях использования УМР для расчета и оптимизации каскадных систем пылеулавливания с корректировочными коэффициентами на реальные условия их эксплуатации, как по эффективности газоочистки, так и по энергозатратам.

2. В практическом применении способа определения постоянных, определяющих пылеулавливающие качества инерционных пылеуловителей как для известных конструкций, но не внесенных в банк данных (БД), так и новых.

3. В определении оптимального порядка установки аппаратов в каскадные системы в направлении обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки при минимальных энергозатратах.

Результаты исследований использованы при реконструкции системы пылеулавливания на предприятии ООО «Томлесдрев», а также используются в учебном процессе ТГАСУ при преподавании дисциплин «Методы расчета пылеуловителей», «Охрана воздушного бассейна», «Диагностика пылегазовых выбросов и контроль газоочистного оборудования» специальности «Теплогазо-снабжение и вентиляция».

Методология и методы исследования. При теоретическом исследовании использовались численные методы расчета эффективностей пылеулавливания циклонов. При экспериментальном исследовании для определения дисперсных составов пылей применялись: метод микроскопического анализа, метод 3-х прямоточных циклонов, метод жидкостной седиментации и метод отбора проб с помощью касадного импактора.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов расчетов и фактических показателей работы отдельных пылеулавливающих аппаратов и систем в целом в производственных условиях. Сопоставлением результатов, полученных экспериментально и теоретически в данной работе, с результатами исследований других авторов, опубликованных ранее. Воспроизводимостью результатов дисперсного анализа экспериментальных и натурных образцов пыли различными методами.

Положения выносимые на защиту

1. Правомерность внесения и количественные значения поправочных корректив в расчеты реальных каскадных систем с использованием УМР;

2. Способ и методику оперативного экспериментального определения постоянных в обобщенной зависимости фракционного коэффициента проскока, определяющих пылеулавливающие качества аппаратов, для отсутствующих в банке данных как новых, так и известных типов аппаратов и необходимых для использования УМР в инженерной практике;

3. Рекомендации по порядку установки аппаратов в каскадные системы с целью обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки;

4. Результаты расчетов эффективности пылеулавливающей каскадной системы для предприятия ООО «Томлесдрев», выполненных на основе проведенных в диссертации исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 56-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых (г. Томск, ТГАСУ, 2010г.); IX Международной научной конференции, «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Кошалин, 2011г.)); ХУП-й

Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); П-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); VII-ом Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Кемерово, КузГТУ, 2011г.); Семнадцатой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность», (г. Томск, ТПУ, 2011г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерно-экологические проблемы энергоресурсосбережения и безопасности производств в строительстве и ЖКХ» (г. Томск, ТГАСУ, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание изложено в 11 публикациях, включая 2 статьи в изданиях входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 75 наименований. Текст диссертации изложен на 134 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 22 таблицы, 3 таблицы и 6 рисунков приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, дана общая характеристика структуры работы.

В первой главе обсуждено современное состояние проблемы охраны воздушного бассейна от промышленных контаминантов как механических, так и газовых. Даны характеристики основных широко применяемых в промышленности пылеуловителей различных типов, а также рассмотрены наиболее известные и наиболее применительные в инженерной практике методы расчета этих аппаратов. В работе проанализированы следующие методы: энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей, методы расчета циклонов НИИОГАЗ, метод расчета конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли, предложенный А.Ю. Вальдбергом, метод отсечного диаметра А.Ю. Вальдберга и др.

Особое внимание уделено универсальному методу расчета инерционных пылеуловителей (УМР) (Шиляев М.И. и др. Методы расчета пылеуловителей. Томск: Изд-во ТГАСУ, 2006. 385 е.), который отличается рядом преимуществ от других методов, а также дана его подробная характеристика. На основе проведенного анализа УМР сформулированы цель и задачи исследования, для решения которых необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования с последующим их сопоставлением.

Во второй главе приводятся опытные значения поправочных коэффициентов к фракционной эффективности пылеулавливания С, для многополочных пенных аппаратов (ПА) (Русанов A.A. и др. Очистка дымовых

газов в промышленной энергетике. М.: Энергия, 1969. 456 с.) (таблица 1). Эти данные указывают на то, что повышение общей степени очистки при увеличении числа решеток (полок) происходит не так значительно, как дает расчет на основе УМР..

Таблица 1 - Значения поправочных коэффициентов С,

Номер полки Размер частиц 5, мкм

по ходу газа 0-2,5 2,5-5 5-7,5 7,5-10 10-15 15-20 20-30 >30

2 0,124 0,46 0,50 0,63 0,65 0,78 0,84 1

3 0,108 0,31 0,40 0,55 0,58 0,75 - -

4 0,050 0,20 0,38 0,50 - - - -

Фракционный коэффициент очистки на / - й полке можно записать в виде Л5.,=^СД5), /=1,2,...Л (1)

(2)

где Т|5( - фракционная эффективность улавливания пыли размером 5 /-ой полкой ПА,

"Пд - фракционная эффективность улавливания пыли размером 5 1-ой полкой по ходу

движения газа в ПА, К6 /, К\ - фракционные коэффициенты проскока /-й полки и

первой полки ПА соответственно, С,(5) < 1 — снижающий эффективность пылеулавливания коэффициент для ьой полки по сравнению с 1-ой, при этом С] (5) = 1.

Снижение эффективности пылеулавливания в каскадных системах в последующих ступенях в сравнении с предыдущими должно быть не только для многополочных ПА, но и для других типов аппаратов. Выявление такой общей закономерности может дать объяснение физическому явлению снижения фракционной эффективности от одной ступени каскада к другой. Такое снижение происходит в зависимости от размеров частиц и тем сильнее, как свидетельствуют опытные данные, чем размер частиц меньше.

В основу разработки УМР положено представление фракционного коэффициента проскока в виде обобщенной функции от числа Стокса вида:

С

ъг _ 5<?ыг _ -а БЛ

Аб - -р,— - е . (?)

Ъвх

где СЪвых и СЪвх - выходная и входная концентрация частиц пыли диаметром 5 в аппарате, мг/м3; а и п — постоянные, определяющие пылеулавливающие качества аппарата, §\к=ртЬ2У(/{18\1тс1о)\ рт - плотность частиц пыли, кг/м3; - динамическая вязкость очищаемого газа, Па-с; У0, с10 - характерные скорость, м/с, и линейный размер, м, инерционного улавливания пыли аппаратом. Параметры а, п, К0, с10 найдены и занесены в БД УМР.

Кв,. V., I/,

К в I, VI, (II

Рисунок 1 - Каскад последовательно соединенных аппаратов

КУ

Суммарный коэффициент проскока пыли в каскаде к последовательно соединенных аппаратов (рисунок 1) при известной дифференциальной функции распределения частиц по размерам §о(5) исходной пыли выразится интегралом

о

С учетом (3) для одинаковых в каскаде аппаратов

00

(4)

(5)

Здесь g(д) - нормированная весовая дифференциальная функция распределения частиц пыли по размерам, подлежащей улавливанию аппаратом, т^ — полная эффективность улавливания пыли каскадом. В расчетах пылеуловителей, как правило, принимают логарифмически нормальный закон распределения частиц пыли по размерам (ЛНР).

На основе формулы (5) построена УН в виде двухпараметрической зависимости Кг =/(ст" ), где а =ка БАс^, 81к50 =р„,550К /(18цга?), 650 и ^а -масс-медианный размер частиц, мкм и стандартное геометрическое отклонение ЛНР частиц пыли на входе. УН позволяет рассчитывать отдельные аппараты и каскады однотипных к аппаратов из них.

Для учета снижения фракционной эффективности от одной ступени каскада к другой в формулу (4) необходимо ввести корректирующие коэффициенты. Для этого запишем формулу (2) в виде, удобном для расчетов:

7^=1-С,.(5) + СД5Ж', (6)

где К\ - фракционный проскок первой ступени каскада, при котором С](5)=1.

Эмпирические коэффициенты С:(5) для ПА (таблица 1) аппроксимированы следующими функциями (Я2=0,9249-0,9638):

С,(5)=1;

С2(5) = 0,2535-1п5+0,06767; (7)

С3(5) = С4(5) = 0,3633-1п5-0,307.

Полный проскок каскада, состоящий из любых аппаратов,'в соответствии с формулами (4), (6) и ЛНР для g(8) определяется зависимостью:

1 ёУ

2 \

-а, . ст - —

V у

<Л , г=1, 2, ..., к, (8)

где ? = -

550 о. _РМ5 , О1К50 , —

V

т 50 I

18М,

, Р) и (¡1 - характерные скорость, м/с, и линейные

размеры, м, инерционного улавливания пыли /-го по ходу установки аппарата в каскаде.

Результаты расчетов по формуле (8) проиллюстрированы на рисунке 2 для циклона ЦН-15У и сопоставлены с опытными данными для к= 1 и к=2.

Как видно из рисунка 2, расчет с помощью УМР для одиночных аппаратов (£=1) хорошо согласуется с опытными данными и с результатами, полученными методом НИИОГАЗ. При к=2 и С,=1 расчетные значения полного проскока каскада полученные как по формуле (5), так и методом НИИОГАЗ, значительно ниже опытных значений, а расчет значений К-ц при учете 0<1 по формуле (8) дает удовлетворительное согласие расчетных и опытных данных.

Причиной снижения фракционной эффективности от ступени к ступени в каскаде следует считать влияние турбулентной диффузии мелких частиц в потоке на их вероятность (эффективность) осаждения в аппарате. Доля этих частиц на последующих ступенях каскада становится все значительнее. Из

1 - опытные данные (а?,=0,6 м, ри=2650 кг/м3,а=3,2, ц=18,1-10"6Па-с, р=1,2 кг/м3, 550=18 мкм, а=12,37, «=0,41);

2 - расчет универсальным методом при 0=1; 3 - расчет методом НИИОГАЗ; 4 - расчет универсальным методом с поправочными коэффициентами 0<1 Рисунок 2 - Сравнение опытных и расчетных данных для ЦН-15У при К,=3,5 м/с

рисунка 2 также видно, что в каскаде более четырех аппаратов устанавливать нецелесообразно, поскольку повышение эффективности при к>4 становится незначительным при существенном росте металлоемкости конструкции в целом.

В таблице 2 представлены результаты расчета для различных типов одиночных циклонов по формулам (5) и (8) при 0=1 и проведено их сравнение с опытными данными (Карпухович Д.Т. и др. Последовательная установка циклонов // Водоснабжение и санитарная техника, 1975. №6. С.23-24), которое показало неплохое согласование.

В таблице 2 приведены результаты расчетов аппаратов со следующими исходными данными: <^=0,6 м, рт=2650 кг/м3, а=3,2,цг=18,М0"бПа-с, р=1,2 кг/м3, 850=18 мкм.

Таблица 2 - Сопоставление результатов расчетов эффективностей циклонов НИИОГАЗ с экспериментальными данными ____

Эффективность пылеулавливания Компоновка циклонов ЦН-24 ЦН-15У СК-ЦН- 34 ЦН-24+ ЦН-15У ЦН-15У+ ЦН-15У

1 2 3 4 5 6 7

Расчет г|2,% V¡, м/с 3,5 3,5 2,05 3,5 3,5

С,< 1 83,43 87,48

С,=1 73,64 81,13 93,01 89,76 92,08

Опытные данные, т] 1оп>% 71,6 80,5 96 85,3 86,5

Отличие расчета и опыта А=(Т1£ -Лгоп)/ Л1оп, % С,< 1 -2,19 1,13

С,=1 2,84 0,78 -3,12 5,23 6,45

В связи с учетом влияния эффекта турбулентной диффузии на осаждение мелких частиц в отдельном аппарате на полную эффективность улавливания пыли в каскаде также будет сказываться и порядок установки циклонов НИИОГАЗ в этих системах.

Сравнительный анализ расчетных и опытных значений эффективностей пылеулавливания показал, что введение коэффициентов С,{5) в расчеты сухих инерционных пылеуловителей, установленных в каскады, является правомерным, а также эти данные стали дополнительным доказательством работоспособности УМР с поправками.

Также в настоящем разделе проведены сопоставления расчетных данных по эффективности разнотипных циклонов НИИОГАЗ по формуле (8) при С,=1 и С,< 1, а также соответствующих расчетных данных с учетом их перестановки местами в каскаде. Расчеты проводились при различных диаметрах пылеуловителей и дисперсных составах пылей. Всего было рассчитано 92 варианта комбинаций порядка и числа установок в каскады циклонов.

Результаты расчета эффективности пылеулавливания по формуле (8) при С,< 1 с учетом перестановки аппаратов местами в каскаде показало, что порядок установки инерционных пылеуловителей в каскадных системах заметно влияет на полную эффективность улавливания пыли в целом.

Сопоставление результатов расчетов показало, что при установке в качестве первых ступеней менее эффективных аппаратов полная эффективность улавливания пыли будет ниже, чем при установке на первое место более эффективных аппаратов. Разница достигает до 6% в зависимости от дисперсного состава пыли и диаметра аппаратов. Чем грубее пыль, тем различие меньше. При малых диаметрах аппаратов (£>=0,2-0,6м) различие не превышает 3%, с увеличением диаметра (£»1м) различие в некоторых случаях достигает 6%. В это же время разница в коэффициентах проскока и соответственно концентрациях пылей в выбросах изменяется в 1,25 и более раза, а в некоторых случаях и более чем в 3 раза. Этот эффект может быть объяснен также влиянием турбулентной

диффузии: чем меньше частиц мелкого размера остается по ходу движения газа в каскаде, тем общая эффективность будет выше.

Исходя из выше сказанного, можно сделать следующие выводы: 1) для практических расчетов эффективности пылеулавливания каскадных систем с помощью УМР при С 1=1 можно вводить понижающий поправочный коэффициент от 1 до 3% в зависимости от дисперсности пыли и диаметра циклонов, чем тоньше пыль, тем поправочный коэффициент к полной эффективности будет выше; 2) для обеспечения максимального значения эффективности в каскаде следует рекомендовать устанавливать на первое место более эффективные аппараты независимо от их геометрических характеристик и параметров пыли, также, если каскадная система состоит только из высокоэффективных аппаратов, то полная эффективность менее подвержена перестановке циклонов местами; 3) устанавливать ступеней в каскаде более чем четыре, как и при идеализированном случае С,=1, нецелесообразно, т.к. при увеличении ступеней существенно возрастает металлоемкость всей конструкции, при этом значительного прироста полной эффективности не наблюдается.

В известных работах В. Страуса, Д.Т. Карпуховича, Н. ЕЬЬеп1ют-Тег^Ьа^сп представляется мнение о том, что каскадные системы пылеулавливания менее экономичны по сравнению с одиночными аппаратами. В данной главе представлены результаты расчетов удельных энергозатрат для циклонов НИИОГАЗ на основе энергетического принципа (ЭП) (формула 9) с учетом понижающих коэффициентов С, на эффективность пылеулавливания во второй, третьей и четвертой ступенях каскада к аппаратов ЛРк и в одиночном аппарате &Р0, при равной эффективности пылеулавливания (рисунок 3).

Для сравнения удельных энергозатрат на очистку газов в каскадах и одиночных аппаратах одного типа на основе энергетического принципа сравнения при С,=1 применяется формула:

(9)

где и, = «2 =... = пк = д.

На рисунке 3 нижняя кривая представляет расчет по формуле (9), соответствующей С,=1, полученной из общего математического выражения ЭП.

Как видно из рисунка, даже с учетом понижающего коэффициента С/< 1 в каскадных системах очищать газ экономичнее, чем в одиночных

1 2 3 4 к

1 - У0=2,5 м/с; 2 - У0=3,5 м/с; 3 - У0=4,5 м/с

Рисунок 3 - Сравнение удельных энергозатрат для каскада и одиночного циклона ЦН-15У с исходными данными: ¿/=0,6 м, рт=2650 кг/м3, |цг=18,1-10"бПа-с, р=1,2 кг/м3; 550=18 мкм, а=3,2

аппаратах. Правда, эта разница в реальности менее выражена, чем в идеальном случае (С,=1), но тем не менее весьма существенная.

Так, в приведенных на рисунке 3 вариантах расчета уменьшение энергозатрат в каскаде из 4-х циклонов по сравнению с одиночным достигается в 2-3 раза. В некоторых случаях это снижение может быть и большим (например, для более грубой пыли и тех же параметрах газа снижение на 4-х аппаратах достигается в 5 раз). При этом, чем выше обеспечивается эффективность пылеулавливания в сравниваемых системах (в данном случае, чем выше скорости газа в циклонах), тем эта разница меньше. Из этого следует, что очищать газы в каскадах выгоднее при меньших скоростях при обеспечении практически той же эффективности (рисунок 3). При этом устанавливать в каскады более 4-х аппаратов нецелесообразно как с энергетической точки зрения, так и с точки зрения обеспечения максимально возможной эффективности пылеулавливания, что подтверждает ранее сделанный вывод для идеального случая (С,=1).

Энергозатраты для каскадов, состоящих из высокоэффективных циклонов СК-ЦН-34, снижаются незначительно, а металлоемкость будет с очевидностью существенно возрастать.

Таким образом, как показали исследования, каскадные системы пылеулавливания менее энергоемки по сравнению с одиночными аппаратами для реальных условий их эксплуатации.

В третьей главе предложен оперативный способ определения постоянных аип для БД инерционных пылеуловителей.

Предлагаемый в настоящей работе способ определения постоянных а и п для новых типов пылеуловителей основывается на анализе дисперсных составов пыли на входе и на выходе при условии их подчинения ЛНР в результате прове-

Ддя определения констант аип нового аппарата в выражении (3) представим его работу следующим образом (рисунок 4). Пусть в аппарат поступает пыль с исходным распределением £о(8). За счет осаждения в нем основной части исходной пыли на выходе пыль будет иметь другой фракционный состав, описываемый функцией £1(6). Примем, что оба эти распределения подчиняются ЛНР с параметрами а0, 5°0 и аь 5'50 соответственно для £0(8) и 1

£1(8).

Для этих условий в работе теоретически получены формулы для определения постоянных а и и в зависимости (3) через параметры функций распределения частиц пыли

дения одного эксперимента.

gl (8; 550,1, (71)

§о(8; 850.0, сто)

Рисунок 4 - Распределения пыли, поступающей на очистку в аппарат и на выходе из него

на входе и выходе из аппарата(ст0, ô50;0; сгь 550,i):

п = 21п р/ 1п

50,1 V^50,0 )

fl= ln

( Я >

50,0

/2и-1п2 ст, • Stk"0 0 , [3 =

lna, ln cr„

(И)

Для экспериментального подтверждения теоретических зависимостей (10) и (11) использовалась лабораторная установка в одиночном и каскадном исполнении из 3-х прямоточных циклов (ПЦ) диаметром ¿¡N0,046 м (рисунок 5).

1 - расходомерное сопло; 2 - наклонный микроманометр ММН-240; 3 - пылевой

бункер; 4 - шнековый дозатор; 5 - прямоточный циклон; 6 - и-образные манометры; 7 - пылеприемный бункер; 8 - шиберная заслонка; 9 - тягодуть'евая установка; 10 - рукавный (тканевый) фильтр; 11 - ЛАТР; 12 - импактор; 13 - измерительная диафрагма; 14 - шиберная заслонка Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки

Для экспериментальных исследований по определению дисперсных составов пылей до и после ПЦ использовалось семь различных образцов порошковых материалов. Результаты анализа дисперсного состава пылей приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры порошковых материалов, использованных при

№ эксп. образца Порошок Плотность р„, кг/м3 Медианный размер 650, мкм Дисперсия а

1 Шлифпыль ООО "Томский инструментальный завод" 7850 35 2,25

2 Модельный кварцевый порошок № 1 2650 16,45 2,14

3 Модельный кварцевый порошок № 2 2650 25,54 2,18

4 Измельченный каменный уголь Кузнецкого бассейна 2200 39,28 2,65

5 Измельченный кемеровский уголь 2200 22,2 2,6

6 Измельченный сланец 2400 55,2 3,5

7 Древесная шлифпыль ООО "Томлесдрев" 600 98 1,95

Дисперсный состав используемых в опытах нерастворимых образцов исходных пылей определялся методом жидкостной седиментации, для древесной шлифпыли применялся метод микроскопического анализа и метод 3-х прямоточных циклонов на этой же лабораторной установке, разработанной на каф. ОиВ.

Для определения фракционной эффективности пылеуловителей, а также измерения и расчета дисперсного состава пылей непосредственно в потоке запыленных газов после ПЦ применялся каскадный импактор.

Измерения дисперсного состава проводились по схеме, представленной на рисунке 6. Импактор 1 присоединялся своим пробоотборным штуцером 3

к пробоотборной трубке 5, установленной в трубопроводе 6, откуда производился отбор анализируемого газа. Для операций связанных с подготовкой и проведением измерений предусмотрен кран переключатель 2. На трубопроводе 7, отводящем газ из им-пактора, для измерения расхода пробы газа по перепаду установлен расходомер (измерительная диафрагма) 8, к которому подсоединен манометр 9. Шиберная заслонка 10 служит для регулирования расхода потока газа через импактор. Соединение элементов схемы выполняется с помощью резиновых шлангов.

Заборное устройство пробоотборной трубки 5, выполненной в соответствии с требованиями тонкостенно-сти и изокинетичности, устанавливалось навстречу потоку в центре прямолинейного участка трубопровода.

Перед началом измерений, подложки и фильтр предварительно взвешивались и затем ступени собирались в блок.

По результатам взвешивания после опыта определялся привес пыли на каждой подложке и фильтра А/и,-. Принимая суммарный привес за 100 %, определялось доля частиц на каждой из соответствующей ступени импактора.

По полученным данным (величинам осадка Ат,, мг, и характерному размеру частиц 5 срэф, мкм) строилась интегральная кривая распределения частиц пыли по размерам, с координатами значения прохода О и эффективным разме-

1 - импактор; 2 - кран переключатель; 3 - пробоотборный канал;

4 - продувочный канал; 5 - пробоотборная трубка; 6 - подающий трубопровод; 7 - трубопровод отводящий газ из импактора; 8 - измерительная диафрагма; 9 - манометр; 10 - шиберная заслонка. Рисунок 6 - Схема установки каскадного импактора для проведения экспериментальных исследований по определению дисперсного состава пыли

(

ром частиц 5Э в логарифмическом масштабе, соответствующих каждой ступени импактора.

Значения прохода Д в общем случае для /'-ой ступени импактора, состоящей из п ступеней, определялись по формуле:

Д

■

2>,

-100%.

(14)

Эффективный размер частиц, осаждающихся на ступенях импактора, определялся по зависимости:

5З=5СРзф[М^)', (15)

где 5срэф - характерный (средне-эффективный) размер частиц, осаждающихся на ступенях импактора, мкм, значения 8ср.эф взяты из паспортных характеристик импактора; <2 - расход пробы газа через импактор, л/мин; р - плотность частичек пыли, кг/м3; ц - вязкость газов, Па-с, при температуре /га„ °С.

Индекс "0" соответствует условиям определения паспортных данных характеристик импактора, индекс "и" условиям измерения.

На логарифмически-вероятностной координатной сетке наносились точки с координатами Д и 8Э, соответствующие каждой ступени импактора. Линия, проведенная через эти точки, представляет собой кривую распределения массы частиц по размерам.

По этому графику определялось содержание в пыли фракций любых размеров в интервале полученных значений минимальных диаметров частиц.

Результаты экспериментальных данных по образцу пыли №1 приведены в качестве иллюстрации в таблице 4.

Таблица 4 - Экспериментальные данные для опытного образца № 1 по определению фракционного состава пыли прямоточным циклоном </„ = 0,046 м с

Эксп. образец скорость в циклоне

№ 1 6 м/с 9 м/с 12 м/с

ступень А т, д, 5э, А т, д. 5э, А т, А 5э, мкм

импактора мг % мкм мг % мкм мг %

1 1,7 96,6 7,61 0,4 99,4 7,54 0,2 99,7 7,46

2 4,0 88,6 4,97 1,5 97,1 4,93 0,7 98,5 4,88

3 30,9 27,1 2,74 31,7 47,1 2,71 16,0 72 2,69

4 12,0 3,1 1,73 22,2 12,1 1,71 29,6 23 1,69

5 1,5 0,2 0,91 7,1 0,95 0,90 12,8 1,8 0,90

6 0,1 0,91 0,6 0,90 1,1 0,90

Исходя из проведенных экспериментальных исследований, были определены фракционные составы пылей на входе и выходе из аппарата и использованы при дальнейших расчетах.

В таблице 5 приведены данные по грансоставу пыли образца №1 на входе и выходе из лабораторного ПЦ, а также представлены результаты расчетов по зависимостям (10) и (11) постоянных а и и, значения которых не превышает 4,13% от соответствующих значений в БД. Для других образцов пыли это различие составило максимально 6%.

Таблица 5 - Результаты расчетов постоянных aun банка данных инерционных пылеуловителей для экспериментального образца № 1 - шлифпыль ООО «Томскинструмент» _

ч ю о « § - ►Q § g £ ¡=r s сЗ к о. о. Скорость газа V, м/с '5 I nQ * Я О 33 о I «о и cu u U ¿ я а. Дисперсия сто Плотность частиц, р кг/м3 >5 s я я ° i Э 1 s я о. Дисперсия п а (Яср-«идУ"ид)'Ю°

6 3,48 1,42 0,726 4,85

в о 9 35 2,25 7850 2,55 1,37 0,723 5,15

о 12 2,18 1,35 0,716 4,99

Средние значения 0,722 4,998

Значения в БД 0,75 4,8 -3,77 4,13

Полученные результаты подтверждают работоспособность предложенного метода и позволяют использовать его в инженерно-производственной практике.

В четвертой главе на основе УМР с учетом корректировочных коэффициентов на каскадные системы рассчитана двухступенчатая очистка воздуха от шлифпыли в аспирационной линии предприятия ООО «Томлесдрев». В качестве первой ступени были сохранены 8 циклонов УЦ-38 £>= 1600мм, в качестве второй ступени вместо рукавного фильтра, забившегося и вышедшего из строя, установлены циклоны НИИОГАЗ ЦН-11 £>=1000мм.

Параметры а и п для циклонов УЦ-38 отсутствовали в БД, следовательно, для использования в расчетах УМР возникла необходимость определения этих констант. Для решения данной задачи из аспирационной линии предприятия были отобраны образцы шлифпыли и проведены эксперименты по определению их фракционных составов на входе и выходе из первой ступени 8-и циклонов УЦ-38. Для получения более достоверных результатов фракционные составы определялись двумя методами: методом трех прямоточных циклонов и микроскопическим методом. Фракционные составы пылей, полученные этими методами, дали хорошее согласование и были использованы для дальнейших расчетов (таблица 6).

С учетом определенных дисперсных составов шлифпыли £0(5) и #,(8) для циклона УЦ-38 по представленной выше методике были рассчитаны значения констант: а=41,5 и л==0,42 и внесены в БД УМР.

Таблица 6 - Экспериментальные данные по определению фракционного состава исследуемой пыли предприятия ООО «Томлесдрев»__'

Используемые методы Микроскопический метод Метод трех ПИ

Параметры пыли 850, мкм а 55о, мкм ст

На входе в пылеуловитель 97 2,1 98 1,95

На выходе из пылеуловителя 25 1,65 - -

В соответствии с рекомендациями и результатами диссертационных исследований была проведена реконструкция пылеулавливающей системы предприятия. Результаты расчета по УМР показали общую эффективность пылеулавливания системы в 99,77%. Для определения фактической эффективности пылеулавливания системы аккредитованной организацией «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Томской области» были проведены измерения, которые показали общую эффективность равную 99,63%. При этом концентрация древесной шлифпыли при начальной запыленности 15000 мг/м3 в выбросах сократились до 55 мг/м3 при ПДК в выбросах 100 мг/м3. Результаты измерений подтверждены актом о внедрении.

Проведенные испытания подтвердили работоспособность УМР с поправками на каскадные системы и его возможности подбирать недорогое, эффективное и экономичное в эксплуатации пылеулавливающее оборудование для условий конкретных производств.

Выводы

1. С использованием экспериментальных данных для четырехполочного пенного аппарата (ПА) (аналога каскада из 4-х ступеней) по снижению фракционной эффективности пылеулавливания от полки к полке в зависимости от размеров частиц пыли на основе численных расчетов проведена корректировка УМР и даны рекомендации к применению УН в инженерных расчетах каскадов из одинаковых аппаратов с помощью введения поправочных коэффициентов.

2. Для каскадных систем из разнотипных аппаратов показано, что установка более эффективных аппаратов на первые места по ходу движения очищаемого газа дает более высокую (до 6%) общую эффективность пылеулавливания, чем противоположная компоновка аппаратов.

3. Определен уровень снижения энергозатрат в каскадных системах по сравнению с одиночными аппаратами до 5-ти раз в зависимости от дисперсного состава пыли и габаритов аппарата. Показано, что в каскадные системы целесообразно устанавливать не более 3-х аппаратов.

4. Объяснен физический механизм снижения фракционной эффективности пылеулавливания от ступени к ступени каскада влиянием турбулентности потока

очищаемого газа на частицы пыли и тем сильнее, чем меньше частицы. На крупные частицы, как показывают расчеты, это влияние незначительно.

5. Предложен способ и методика оперативного экспериментального определения постоянных в обобщающей функции фракционного коэффициента проскока для пополнения БД УМР новыми аппаратами. Метод проверен экспериментально в лабораторных условиях и в производственных условиях предприятия ООО «Томлесдрев». При этом определены постоянные во фракционном коэффициенте проскока для циклона УЦ-38, используемого этим предприятием, и внесены в БД инерционных пылеуловителей УМР.

6. Для предприятия ООО «Томлесдрев» на основе скорректированного УМР по результатам проведенных исследований разработана двухступенчатая система очистки сухого улавливания древесной шлифпыли в аспирационной линии шлифовального цеха. Система предложена из 8-и циклонов УЦ-38 £>=1600 мм в качестве первой ступени и 8-и циклонов ЦН-11 0=1000 мм в качестве второй. Испытания реконструированной системы пылеулавливания предприятия показали, что концентрация шлифпыли в выбросах в атмосферу была снижена с 15000 мг/м3 до 55 мг/м3 при требуемой ПДК равной 100 мг/м3.

Основные публикации по теме диссертации

1. Пенявский, В.В. Подбор пылеулавливающих циклонов в каскадные системы с помощью универсального метода расчета / В.В. Пенявский // Вестник ТГАСУ. -2013. -№3,- С. 290-297.

2. Шиляев, М.И. Экспериментальное определение постоянных о и л УМР инерционных пылеуловителей / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Известия вузов. Строительство. - 2013. - №8. - С. 87-97.

3. Шиляев, М.И. К расчету каскадных систем пылеуловителей / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 247-248.

4. Шиляев, М.И. Влияние компоновки пылеуловителей на эффективность каскадных систем / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. Семнадцатой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». - Томск: Изд-во ТПУ, 2011.-С. 351-353.

5. Шиляев, М.И. Корректировка универсального метода расчета инерционных пылеуловителей на каскадные системы / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерно-экологические проблемы энергоресурсосбережения и безопасности производств в строительстве и ЖКХ». -Томск: Изд-во ТГАСУ, 2013. - С. 167-168.

6. Шиляев, М.И. Удельные энергозатраты на очистку в каскадных системах пылеулавливания / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. IX Международной на-

учной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2011.-С. 232-238.

7. Шиляев, М.И. Снижение энергозатрат на газоочистку с помощью каскадных пылеулавливающих систем / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий». - Томск: Изд-во ТПУ 2011.-С. 289-292.

8. Шиляев, М.И. Методика определения констант а и п банка данных инерционных пылеуловителей универсального метода расчета / М.И. Шиляев, В.В Пенявский/Сб. докл. II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» -Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 285-288.

9. Рекунов, B.C. Определение фракционного коэффициента проскока циклона УЦ-38 для производства ООО «Томлесдрев»/ B.C. Рекунов, В.В. Пенявский, М.В. Лосев // Сб. докл. 5б-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2010. - С. 315-318.

10. Шиляев, М.И. Экспериментальное обоснование способа определения постоянных а и и УМР инерционных пылеуловителей / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский, Л.В. Кандаракова // Сб. докл. Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерно-экологические проблемы энергоресурсосбережения и безопасности производств в строительстве и ЖКХ» - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2013. - С. 173-175.

11. Шиляев, М.И. Опыт использования универсального метода расчета инерционных пылеуловителей при организации двухступенчатой воздухоочистки на предприятии ООО «Томлесдрев» / М.И. Шиляев, В.В. Пенявский // Сб. докл. VII Всероссийского семинара вузов по теплофизике и энергетике. - Кемерово- Изд-во КузГТУ, 2011. - С. 121-125.

Подписано в печать 27.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсет. Гарнитура Тайме. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №434.

Изд-во ТГАСУ, 634003, г.Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ. 634003, г.Томск, ул. Партизанская, 15.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи 04201454104 иМ

ПЕЫЯВСКИЙ ВИТАЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗВИТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ИНЕРЦИОННЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ ДЛЯ КАСКАДНЫХ СИСТЕМ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор М.И. Шиляев

Томск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ

ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА............................................................. 10

1.1 Способы и технические средства обеспыливания газов.......................... 13

1.2 Классификация пылеуловителей...................................................... 16

1.2.1 Характеристики обеспыливающих устройств.............................. 18

1.2.2 Конструктивные особенности некоторых

пылеулавливающих аппаратов......................................................... 20

1.2.2.1 Циклоны НИИОГАЗ..................................................... 20

1.2.2.2 Пенные пылеуловители................................................. 22

1.2.2.3 Центробежно-барботажные аппараты.............................. 23

1.2.2.4 Скрубберы Вентури..................................................... 25

1.2.3 Методы расчета некоторых типов пылеуловителей........................ 27

1.2.3.1 Методы расчета циклонов НИИОГАЗ.............................. 27

1.2.3.2 Энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей...... 30

1.2.3.3 Метод расчета конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли предложенный А.Ю. Вальдбергом....................... 35

1.2.3.4 Метод отсечного диаметра Вальдберга............................. 37

1.2.3.5 Универсальная система расчета инерционных пылеуловителей.... 40

1.2.3.6 Энергетический принцип сравнения пылеуловителей......... 45

2 КОРРЕКТИРОВКА УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА

НА КАСКАДНЫЕ СИСТЕМЫ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ............................. 50

2.1. Опытные данные по снижению фракционной эффективности пылеуловителей в многополочных пенных аппаратах............................... 50

2.2. Использование эмпирических данных по фракционной эффективности пылеулавливания в многополочных пенных

аппаратах к расчету каскадов циклонов НИИОГАЗ................................... 53

2.3. Влияние порядка установки циклонов в каскаде на общую эффективность пылеулавливания. Поправки к универсальной

номограмме для расчета каскадных систем пылеулавливания........................ 60

2.4. Применение энергетического принципа пылеулавливания 63 к расчету каскадных систем на примере циклонов НИИОГАЗ.......................

3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ аИп БАНКА ДАННЫХ ИНЕРЦИОННЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ................................................ 67

3.1. Теоретическое обоснование метода................................................... 67

3.2. Экспериментальное обоснование метода........................................... 70

3.2.1. Описание экспериментального стенда....................................... 70

3.2.2. Проведение экспериментальных исследований по определению дисперсного состава пыли................................................................. 75

3.2.2.1 Измерения дисперсного состава исходных образцов пылей седиментационным методом............................................................... 75

3.2.2.2 Измерения дисперсного состава каскадным импактором

(блоком измерительных ступеней)....................................................... 77

3.2.3. Обработка полученных экспериментальных результатов..................85

3.3. Расчет постоянных аип банка данных инерционных пылеуловителей на основе экспериментальных данных........................................................ 89

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА КАСКАДНЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ................................................... 92

4.1. Потребность установки двух ступеней улавливания древесной

шлифпыли в аспирационной линии предприятия ООО «Томлесдрев»............ 92

4.2. Способы решения проблемы.......................................................... 94

4.2.1. Определение постоянных аип для циклонов УЦ-38 первой

ступени очистки............................................................................... 98

4.2.2 Выбор циклонов второй ступени пылеулавливания........................ 100

4.2.3 Выбор циклонов второй ступени пылеулавливания..................... 101

4.3. Результаты испытаний двух ступеней пылеулавливающей системы и их

сравнение с расчетными данными........................................................ 104

Заключение..................................................................................... 106

Библиографический список................................................................ 108

Приложение.................................................................................... 116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Проблема охраны воздушного бассейна от промышленных газовых выбросов, содержащих механические и газовые контаминан-ты, в связи с ростом народонаселения на планете, ростом производственных мощностей, исчерпаемостью углеводородных энергоносителей таких как нефть и газ, необходимостью их замещения каменным углем в основном низкой калорийности и высокой зольности с каждым годом усугубляется. Основными загрязнителями атмосферы пылью являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия, нефтехимия, производство строительных материалов. Проблема очистки газов от пыли в ближайшей перспективе в основном должна решаться за счет совершенствования пылеулавливающего оборудования в направлении повышения его эффективности газоочистки и снижения удельных энергозатрат на ее осуществление. На кафедре «Отопление и вентиляция» в ТГАСУ разработан под руководством проф. Шиляева М.И. универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей (УМР), позволяющий в каждом конкретном случае решать эту проблему за счет последовательной установки пылеуловителей одного типа в каскадные системы.

Этот метод дает возможность производить расчеты всех типов инерционных пылеуловителей и каскадов из них в отличие от известных частных методов, пригодных только для конкретного типа аппаратов (метод расчета циклонов НИИОГАЗ, метод расчета мокрых пылеуловителей А.Ю. Вальдберга, энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей, метод отсечного диаметра). Он включает в себя универсальную номограмму (УН) и математическое выражение энергетического принципа (ЭП) сравнения энергозатрат на очистку газов от пыли в пылеуловителях и каскадных системах из них. На основе обработки известных экспериментальных данных для более чем 50-ти типов инерционных пылеуловителей сформирован банк данных (БД) по их характерным параметрам, позволяющий использовать УМР в инженерных расчетах как отдельных аппаратов, так и

каскадных систем из них. Однако, как показывает опыт, фракционные эффективности пылеулавливания от ступени к ступени каскада понижаются и это не предусмотрено в УН и ЭП. Актуальность работы обусловливается необходимостью усовершенствования УМР для каскадных систем пылеуловителей, учитывающего понижение фракционной эффективности от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады.

В этой связи целью настоящей диссертационной работы является на основе теоретических и экспериментальных исследований в разработанный ранее УМР внести поправочные коэффициенты для каскадных систем, учитывающие понижение фракционной эффективности пылеулавливания от ступени к ступени и порядок установки разнотипных аппаратов в каскады. Разработать метод экспериментального определения постоянных в фракционном коэффициенте пылеулавливания для пополнения БД новыми аппаратами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе литературных экспериментальных данных проанализировать закономерности изменения фракционной эффективности пылеулавливания в каскадных системах от одной ступени к другой.

2. Определить количественное различие результатов расчетов общих эффек-тивностей и энергозатрат на газоочистку с учетом понижающих коэффициентов фракционной эффективности пылеулавливания по ступеням каскадов циклонов различных типов и без их учета. Внести поправочные коэффициенты в исходный УМР для каскадных систем, учитывающие фракционный состав пыли и типоразмеры циклонов.

3. Для выявления наиболее высокой общей эффективности улавливания пыли каскадными системами определить порядок установки разнотипных циклонов в этих системах.

4. Разработать способ оперативного экспериментального определения постоянных в обобщающей экспоненциальной зависимости для фракционного коэффициента проскока инерционных пылеуловителей с целью пополнения БД новыми аппаратами.

5. Экспериментально подтвердить в лабораторных и производственных условиях количественные поправки к исходному УМР на каскадные пылеулавливающие системы как для расчета общей эффективности, так и энергозатрат на газоочистку.

Научная новизна работы;

1. Внесены поправочные коэффициенты к расчету эффективности газоочистки каскадных систем пылеулавливания с помощью УН.

2. Выявлен физический механизм снижения фракционной эффективности пылеулавливания в последующих ступенях каскада после первой, определяющийся влиянием турбулентности потока очищаемого газа, действующей на частицы пыли и тем сильнее, чем мельче частицы.

3. Предложен оперативный способ определения постоянных в обобщающей зависимости фракционного коэффициента проскока для БД, являющегося основной характеристикой пылеуловителя конкретного типа.

4. Установлено преимущество каскадной компоновки пылеулавливающих систем в сравнении с одиночными аппаратами по энергозатратам на газоочистку.

Практическая значимость работы выражается:

1. В рекомендациях использования УМР для расчета и оптимизации каскадных систем пылеулавливания с корректировочными коэффициентами на реальные условия их эксплуатации как по эффективности газоочистки, так и по энергозатратам.

2. В практическом применении способа определения постоянных, определяющих пылеулавливающие качества инерционных пылеуловителей как для известных конструкций, но не внесенных в банк данных (БД), так и новых.

3. В определении оптимального порядка установки аппаратов в каскадные системы в направлении обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки при минимальных энергозатратах.

Результаты исследований использованы при реконструкции системы пылеулавливания на предприятии ООО «Томлесдрев», а также используются в учебном процессе ТГАСУ при преподавании дисциплин «Методы расчета пылеуловителей», «Охрана воздушного бассейна», «Диагностика пылегазовых выбросов и контроль газоочистного оборудования» специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Методология и методы исследования. При теоретическом исследовании использовались численные методы расчета эффективностей пылеулавливания циклонов. При экспериментальном исследовании для определения дисперсных составов пыл ей применялись: метод микроскопического анализа, метод 3-х прямоточных циклонов, метод жидкостной седиментации и метод отбора проб с помощью касадного импактора.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов расчетов и фактических показателей работы отдельных пылеулавливающих аппаратов и систем в целом в производственных условиях. Сопоставлением результатов, полученных экспериментально и теоретически в данной работе, с результатами исследований других авторов, опубликованных ранее. Воспроизводимостью результатов дисперсного анализа экспериментальных и натурных образцов пыли различными методами.

Положения, выносимые на защиту

1. Правомерность внесения и количественные значения поправочных корректив в расчеты реальных каскадных систем с использованием УМР;

2. Способ и методику оперативного экспериментального определения постоянных в обобщенной зависимости фракционного коэффициента проскока, определяющих пылеулавливающие качества аппаратов, для отсутствующих в банке данных как новых, так и известных типов аппаратов и необходимых для использования УМР в инженерной практике;

3. Рекомендации по порядку установки аппаратов в каскадные системы с целью обеспечения наиболее высокой эффективности газоочистки;

4. Результаты расчетов эффективности пылеулавливающей каскадной системы для предприятия ООО «Томлесдрев», выполненных на основе проведенных в диссертации исследований.

Основное содержание работы

В первой главе обсуждено современное состояние проблемы охраны воздушного бассейна от промышленных контаминантов как механических, так и газовых. Даны характеристики основных широко применяемых в промышленности

пылеуловителей различных типов, а также рассмотрены наиболее известные и наиболее применительные в инженерной практике методы расчета этих аппаратов. В работе проанализированы следующие методы: энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей, методы расчета циклонов НИИОГАЗ, метод расчета конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли, предложенный А.Ю. Вальдбергом, метод отсечного диаметра А.Ю. Вальдберга и др.

Особое внимание уделено универсальному методу расчета инерционных пылеуловителей (УМР), который отличается рядом преимуществ от других методов, а также дана его подробная характеристика. На основе проведенного анализа УМР сформулированы цель и задачи исследования, для решения которых необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования с последующим их сопоставлением.

Во второй главе на основе экспериментальных данных для четырехполоч-ного пенного аппарата (ПА) по снижению фракционной эффективности пылеулавливания от полки к полке проведены численные расчеты по определению эффективности разнотипных циклонов с учетом их перестановки местами в каскаде. На основе этих расчетов скорректирован УМР и даны рекомендации к использованию УН в инженерных расчетах каскадов из одинаковых аппаратов с введением поправочных коэффициентов. Определен уровень снижения энергозатрат в каскадных системах по сравнению с одиночными аппаратами при одинаковой эффективности пылеулавливания.

В третьей главе предложен способ и методика оперативного экспериментального определения постоянных а и п в обобщенной функции фракционного коэффициента проскока для пополнения БД УМР новыми аппаратами. Метод подтвержден экспериментально в лабораторных условиях кафедры ОиВ ТГАСУ и в производственных условиях улавливания древесной шлифпыли в аспирацион-ной линии предприятия ООО «Томлесдрев». Экспериментальные исследования проводились на установке, состоящей из прямоточных циклонов в одиночном и каскадном исполнении. Для проведения опытов были подобраны специальные средства определения дисперсного состава пыли на входе и выходе из установки, разработана методика проведения эксперимента и обработки опытных данных.

В четвертой главе на основе УМР с учетом корректировочных коэффициентов на каскадные системы рассчитана двухступенчатая очистка воздуха от шлифпыли в аспирационной линии предприятия ООО «Томлесдрев». По разработанной методике определены постоянные а=41,5 и «=0,42 для циклона УЦ-38, используемого этим предприятием, и внесены в БД инерционных пылеуловителей УМР. Проведенные измерения концентрации древесной шлифпыли с начальной

о л

запыленностью газов 15000 мг/м показали снижение в выбросах до 55 мг/м при

о

ПДК равной 100 мг/м . Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, подтверждены актом внедрения на предприятии ООО «Томлесдрев».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 56-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых (г. Томск, ТГАСУ, 2010г.); IX Международной научной конференции, «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Кошалин, 2011г.)); ХУ11-Й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); П-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, ТПУ, 2011г.); УП-ом Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Кемерово, КузГТУ, 2011г.); Семнадцатой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность», (г. Томск, ТПУ, 2011г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерно-экологические проблемы энергоресурсосбережения и безопасности производств в строительстве и ЖКХ» (г. Томск, ТГАСУ, 2013г.).

Публикации. Основное содержание изложено в 11 публикациях, включая 2 статьи в изданиях входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 75 наименований. Текст диссертации изложен на 134 стр. машинописного текста, содержит 37 рисунков, 22 таблицы, 3 таблицы и 6 рисунков пр