автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Сепарация взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях

На правах рукописи

004599739

Сафонов Сергей Геннадьевич

СЕПАРАЦИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ИНЕРЦИОННЫХ ПЫЛЕ- И ТУМАНОУЛОВИТЕЛЯХ

Специальность 05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 МДР 2010

Москва, 2010 г.

004599739

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по промышленной и санитарной очистке газов ОАО «НИИОГАЗ».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Вальдберг Арнольд Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лагуткин Михаил Георгиевич

кандидат технических наук Огурцов Александр Владимирович

Ведущая организация Белгородский Государственный

Технологический Университет им. В.Г. Шухова

Защита диссертации состоится 15 апреля 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145. 01 при Московском Государственном Университете Инженерной Экологии по адресу: 105066, г. Москва, улица Старая Басманная, дом 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского Государственного Университета Инженерной Экологии.

Автореферат разослан «_»

2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доц.

Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем современности. Актуальна эта проблема и для Российской Федерации.

Согласно наблюдениям служб охраны природы, проведенным в 2006 году, в 142 городах (69 % городов, где проводятся наблюдения), степень загрязнения воздуха оценивается как очень высокая и высокая и только в 17 % городов - как низкая, причем в городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы, проживает 58,2 млн. чел.

Почти во всех этих городах очень высокий уровень загрязнения связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена, в 33 городах - с высокими концентрациями формальдегида, в 26 - диоксида азота, 14 - взвешенных веществ, 10 - фенола.

В Приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения воздуха, насчитывающий 36 городов с общим числом жителей 14 млн. человек, вошли 9 городов с предприятиями алюминиевой промышленности и черной металлургии, 7 городов с предприятиями химии и нефтехимии, добычи и транспортировки нефтепродуктов, многие города топливно-энергетического комплекса из-за расширения их мощности в последние годы.

Отсюда вытекают важные задачи по разработке и внедрению систем очистки газов к аспирационного воздуха с применением надежных, конструктивно отработанных и серийно выпускаемых пыле- и туманоуловителей, полностью отвечающих требованиям, предъявляемым к конкретным установкам газоочистки. Значительное место среди подобных аппаратов принадлежит осадителям инерционного типа, отличающимся простотой в изготовлении и эксплуатации. Последние обстоятельства привели к исключительному множеству конструкций аппаратов инерционного типа и, соответственно, предложений по методике их расчета и использованию на практике.

В работах Н.А. Фукса, В.Н. Ужова, С. Калверта, П.А. Коузова, А.Ю, Вальдберга, М.И. Шиляева установлено, что осаждение взвешенных частиц в этих аппаратах определяется доминирующим воздействием одного и того же инерционного механизма. В связи с этим представляется целесообразным проведение обобщения теоретических и практических данных, характеризующих их работу, для выявления эксплуатационных возможностей каждого из основных типов инерционных пыле- и туманоуловителей с учетом энергетических затрат на процесс очистки.

Это даст возможность уточнить реальные технические показатели подобных пылеуловителей в процессе осаждения взвешенных частиц и получить практическую базу для проведения сопоставления их рабочих показателей с показателями других аппаратов, широко применяемых в технике газоочистки: фильтров и электрофильтров.

Решение подобной задачи позволит уточнить научно-технический подход к выбору инерционных аппаратов для использования в конкретных газоочистных установках и, что особенно важно, к разработке новых конструкций осадителей этого типа.

Цель работы. Исследование процессов сепарации твердых и жидких взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях и разработка на их базе надежных методов выбора и расчета газоочистных аппаратов этого вида.

Указанная цель достигается комплексным решением следующего круга задач:

- обобщения экспериментальных данных по энергетическим затратам на процесс сепарации и эффективности осаждения взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;

- формулирования требований к условиям, обеспечивающим надежную эксплуатацию различных типов инерционных осадителей;

- реализации полученных технических решений при разработке новых перспективных конструкций пылеуловителей, успешно осваиваемых промышленностью.

В основу теоретических и прикладных исследований положены установленные H.A. Фуксом, В.Г. Левичем, A.A. Гухманом, В. Страуссом, С. Калвертом, А.И. Пирумовым, А.Ю. Вальдбергом, М.И. Шиляевым закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами обработки данных исследований обеспечивают получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.

Научная новизна. Обобщены данные по работе пыле- и тумакоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадителях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях. Определена градация разных типов инерционных осадитедей по возможной эффективности осаждения взвешенных частиц различного размера в зависимости от энергетических затрат и от физических свойств улавливаемых частиц.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены в промышленность циклонный пылеуловитель, обеспечивающий более высокую эффективность осаждения взвешенных частиц по сравнению с существующими типовыми конструкциями, и циклон с уменьшенным габаритом по высоте. При непосредственном участии автора разработаны конструкции скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и волокнистого тумано-уловителя для системы очистки дымовых газов установок термического обезвреживания отходов.

Реализация работы. Результатами проведенных исследований, оформленными в виде технической документации, регламентов и рекомендаций на проектирование установок очистки газов, широко пользуются проектные институты, высшие учебные заведения и организации: ОАО «НИИОГАЗ», Московский Государственный Университет Инженерной Экологии, ЗАО «Щелково Агрохим», ФГУП «СоюзпромНИИпроект», ЗАО «Металхимпрогресс», ЗАО «Кондор-Эко», ОАО «Саянскхимпласт».

На основе полученных при проведении работы экспериментальных данных, конструктивных решений, методов расчета происходит все нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы очистки газов новых высокоэффективных и надежных в эксплуатации инерционных пыле- и туманоуловителей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждены и одобрены на 5-й Международной конференции «Инженерная защита атмосферы» (г. Москва, 2003 г.); на III и IV Международных конференциях «ЭкоРос» (г. Москва, 2004 и 2006 г.г.); на б Международной конференции «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 26-27 мая 2005 г.); на 17 Международном Конгрессе проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 27-31 августа 2006 г.); на Ш Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (г. Белгород, 25-27 октября 2006 г.); на Круглом столе «Рекреация: город и экология», проводившемся в рамках постоянно действующей Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, 1 марта 2007 г., РАН); на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 18-19 сентября 2007 г.); на 7-й Международной конференции «Экология и проектирование» (г. Вилыпос, Литва, 22-23 мая 2008 г.).

Публикации. Основные результаты проведенных исследований изложены в 9 публикациях общим объемом 19 п.с., из них лично автору принадлежит 10,5 п.с. В опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата работах лично соискателю принадлежит: в [1, 2, 3, 4, 8, 9] теоретическое обоснование и проведение расчетов инерционных пылеуловителей; в [5] обобщение данных по зависимости величины (150 от коэффициента гидравлического сопротивления мокрых циклонов и сопоставление значений ёзо в зависимости от гидравлического сопротивления для скрубберов различных типов; в [6] уточнение эмпирических зависимостей, позволяющих рассчитать величину <1}0 для рабочих режимов инерционных пыле- и туманоуловителей; в [7] теоретический анализ и результаты экспериментального исследования улавливания взвешенных частиц в высокоскоростных волокнистых туманоуловителях, вывод уточненной формулы для расчета величины <150 в зависимости от гидравлического сопротивления аппарата с учетом плотности улавливаемых частиц.

На защиту выносятся:

- анализ результатов исследования процесса очистки газов от взвешенных твердых и жидких частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;

- критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета величины Тр50 в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях;

- конструкции перспективных аппаратов инерционного типа (циклонов с высокими значениями коэффициента гидравлического сопротивления, скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и двухступенчатого туманоуловотеля) для механической очистки газов от частиц пыли и капель туманов;

- градация инерционных осадителей по достигаемой эффективности в зависимости от реализуемых в них энергозатрат и физических свойств улавливаемых частиц;

- результаты внедрения инерционных пыле- и туманоуловителей в различные отрасли промышленности.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием гостированных поверенных приборов и результатами внедрения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений. Содержит 134 страницы, в том числе 108 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 36 иллюстраций, список использованных источников из 100 наименований и четыре приложения на четырех страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертации; сформулированы цели и научная новизна работы; отмечены положения, выносимые на защиту; показаны практическая ценность результатов, полученных в процессе исследований, и формы их апробации; приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.

В первой главе изложены теоретические основы инерционного осаждения взвешенных частиц, предложена классификация инерционных пыле- и туманоуловителей, а также рассмотрены конструкции аппаратов с преобладающим инерционным механизмом осаждения.

Работа любого пылеулавливающего аппарата основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения. Среди этих механизмов обычно выделяют следующие: гравитационный, инерционный, касание (зацепление), диффузионный, электростатический.

Согласно теории подобия механики аэрозолей (H.A. Фукс, В.Г. Левин, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг), эффективность осаждения взвешенных частиц за счет определенного механизма их осаждения может быть качественно охарактеризована соответствующим безразмерным параметром, а общая эффективность улавливания частиц в аппарате г) является функцией этих параметров и критерия Re, определяющего характер движения газовой среды:

i7 = /(Re;G;Äjt;ffl;Ä;£>;A:£) (j)

При доминировании инерционного механизма эффективность осаждения взвешенных частиц характеризуется критериальной зависимостью:

r,Slt = f(Re;Stk) (2)

Коэффициент эффективности инерционного осаждения r|SCl определяется долей частиц, извлеченных из потока, при обтекании им какого-либо тела или поверхности.

Согласно работам H.A. Фукса, В.Н. Ужова, А.И. Пирумова, П.А. Коузова, А.Ю. Вальдберга, частным случаем инерционного осаждения взвешенных частиц является и центробежное осаждение, возникающее при криволинейном движении газового потока, обтекающего поверхность осаждения.

В технике пылеулавливания применяется большое число аппаратов, отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц.

В настоящее время с учетом накопленной информации представляется возможным предложить классификацию пыле- и каплеуловителей (рисунок 1), основанную исключительно на доминирующих в каждом конкретном виде аппаратов механизмах осаждения. Подобный подход позволил выделить в отдельную группу аппараты с доминирующим инерционным механизмом осаждения.

В работе рассматривается сепарация взвешенных частиц в наиболее распространенных в настоящее время в промышленности инерционных пыле- и каплеуловитедях: сухих и мокрых циклонах, скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях.

Сухие центробежные аппараты благодаря простоте устройства и обслуживания, небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным видом сухих инерционных пылеуловителей.

Простейшим типом сухих центробежных аппаратов являются циклоны. В настоящее время наиболее широкое применение получили нормализованные цилиндрические и конические циклоны НИИОГАЗ типа ЦН и СК-ЦН.

К мокрым центробежным пылеуловителям относятся циклоны с мокрой пленкой, в которых орошение внутренних стенок препятствует вторичному уносу осевших на них частиц пыли, а также мокрые центробежные скрубберы.

Центробежные скрубберы, применяющиеся на практике, конструктивно можно разделить на два вида: аппараты с тангенциальным подводом газов и аппараты, в которых вращение газового потока осуществляется с помощью специальных направляющих лопаток.

Наиболее распространенные типы центробежных скрубберов: ЦВП, СИОТ, СЦВБ-20, ЦС-ВТИ, ротоклон типа «Я».

Для предотвращения брызгоуноса из аппаратов мокрого типа используют центробежные сепараторы, а также различные типы циклонов: ЦВП, КЦТ, ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24.

К газопромывателям (скрубберам) относятся аппараты, где процесс осаждения взвешенных частиц основан на контакте аэрозоля с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Среди них следует выделить полый, насадочный, тарельчатый, центробежный скрубберы, скруббер с подвижной насадкой, скруббер Вентури.

Волокнистые фильтры широко применяются в качестве аппаратов, улавливающих взвешенные жидкие частицы (капли туманов, брызги). Подобные волокнистые фильтры получили название туманоуловителей.

К инерционным высокоскоростным туманоуловителям относят аппараты, работающие при скорости 2 м/с и более.

Во второй главе изложены вопросы методологического обеспечения экспериментальных исследований инерционных пыле- и каплеуловителей, приведены схемы экспериментальных стендов и установок (установка для определения гидравлического сопротивления и эффективности модели циклона, предложенного фирмой ООО «Элстат»; установка для исследований гидравлического сопротивления фильтрующих материалов и эффективности осаждения капель в высокоскоростном туманоуловителе; установка для исследования характеристик различных закручивателей в мокром центробежном пылеуловителе; установка очистки газопылевой смеси от частиц порошка беназола).

Основными параметрами, характеризующими эффективность инерционных пыле- и каплеуловителей, являются: дисперсный состав и плотность частиц; скорость газового потока, его плотность, вязкость и температура. Помимо этих параметров, в процессе проведения исследований необходимо фиксировать: производительность инерционного пыле- туманоуловителя, гидравлическое сопротивление аппарата, концентрацию частиц на входе и выходе из уловителя.

Все вышеперечисленные параметры (за исключением дисперсности частиц) измерялись в соответствии с действующими ГОСТами.

Для получения воспроизводимых результатов анализа дисперсного состава промышленных аэрозолей, предпочтение отдается методам определения, которые не требуют

2-я _ где

предварительного (до проведения анализа) осаждения дисперсной фазы. Таким является метод с использованием струйных сепараторов (импакторов), который и был применен при проведении настоящих исследований.

Практика показала, что большинство промышленных аэрозолей (туманов) подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения частиц по размерам. В этом случае дисперсионный анализ, проведенный с помощью импактора, позволяет экспериментальным путем определить две величины йт и адекватно характеризующие распределение частиц пыли и капель тумана по размерам.

Поскольку фракционная эффективность практически всех инерционных пыле- и ка-плеуловителей подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения, их эффективность может быть рассчитана с помощью интеграла вероятности:

I « I!

„ = -±-Ге*Л, (3)

7« я» л

■>- , = (4)

^Ч+'еЧ

В диссертации приведено описание лабораторных и промышленных установок, использованных для исследования инерционных пыле- и туманоу ловителей.

В третьей главе рассматриваются теоретические основы осаждения взвешенных частиц в наиболее распространенных в практике газоочистки инерционных пылеуловителях, а также приводятся результаты их экспериментальных исследований.

Сухие циклоны. Гидродинамический режим работы циклонов приходится на область развитой турбулентности, поскольку движение газового штока в сечении аппарата протекает при больших значениях критерия Ле и носит турбулентный характер. По мере развития турбулентности происходит постепенное вырождение критерия Яе. В этом случае движение газового потока становится автомодельным и характеризуется «квадратичным законом» сопротивления (£=сопяО.

При работе циклонных аппаратов в этой области была получена (А.Ю. Вальдберг, Н.С. Кирсанова) эмпирическая зависимость для расчета величины с!», мкм:

¿,„=14,5-10 (5)

-Рч

действительная в интервале значений коэффициента С от 8,5 до 4420.

Выражение (5) может быть преобразовано в критериальную зависимость:

Ж,,, = 5,76-Ю'2 -Еи'т (6)

Формула (5) была апробирована при разработке нового высокоэффективного циклона СК-ЦН-19, который должен был обеспечить высокую степень улавливания (до 0,99) порошка беназола (¿т=8,71 мкм, 1§с„=0,23).

Проведенные расчеты показали, что требуемая эффективность может быть достигнута за счет увеличения коэффициента гидравлического сопротивления до величины §=2460.

Модернизация аппарата была осуществлена за счет изменения в конструкции типового циклона СК-ЦН-34 отношения <1/0. Исследования привели к получению зависимости коэффициента £ от отношения (1/0 в виде формулы:

223

—___(71

4 (с1 / £>)м53'

позволившей установить, что значение отношения сЮ, соответствующее £=2460, равняется 0,19.

На базе типового циклона СКЦН-34 был разработан аппарат с уменьшенным отношением <Ш=0,19, величина £ для которого оказалась равной 2350. Последующие промышленные испытания на линии получения порошка беназола после струйной мельницы полностью подтвердили расчеты. Была достигнута эффективность очистки, превышающая 0,99.

Другим примером использования вероятностного метода расчета явилась разработка циклона по заданию фирмы ООО «ЭЛСТАТ», предусматривающая уменьшение габарита аппарата по высоте, без снижения эффективности осаждения взвешенных частиц. Отношение высоты к диаметру у разработанной модели циклона 11/0=2,4 (у циклона ЦН-15 -НЯЭ=4,56; ЦН-24 - 4,26; ЦН-11 - 4,38; СКЦН-34 - 2,9). Разработанный циклон обеспечивал достаточно высокую эффективность пылеулавливания (при скорости газового потока в свободном сечении аппарата иг=2 м/с пыль с параметрами <^=5,08 мкм и ^<т,=0,37 улавливалась с эффективностью 0,87). Расхождение экспериментальных и расчетных значений эффективности при этом не превышало 5,8%.

Проведенные исследования подтвердили надежность формулы (5) при проведении расчета эффективности центробежных пылеуловителей вероятностным методом.

Мокрые циклоны. Согласно работам С. Калверта, максимальная скорость газового потока при тангенциальном подводе в одиночный мокрый циклон не должна превышать 30 м/с, что для широко используемых в отечественной практике мокрых циклонов типа ЦВП и ЦСВТИ ограничивает скорость газов в активном сечении величиной *>г=8 м/с, а для мокрых циклонов типа СИОТ - ог=5 м/с. Отсюда следует тенденция к разработке мокрых циклонов батарейного типа, способствующая не только увеличению производительности отдельной установки, но и повышению эффективности улавливания взвешенных частиц за счет уменьшения диаметра отдельных элементов аппарата.

Ранее (А.Ю. Вальдберг, Н.С. Кирсанова) на основании обработки экспериментальных данных для одиночных мокрых циклонов была получена зависимость:

^=3,06-10'-Г0*5. (8)

Рг-Рч

действительная в интервале значений коэффициента С от 4 до 289.

Это выражение также может быть представлено в виде критериальной зависимости:

&£5О=2-10(9)

На лабораторной установке ОАО «НИИОГАЗ» были проведены сравнительные исследования характеристик различных конструкций циклонных элементов, отличающихся величиной с целью выбора оптимального варианта для применения в центробежных газопромывателях батарейного типа.

Полученные значения эффективности пылеулавливания показали, что наилучшие результаты обеспечивает цилиндрический многолопастной закручиватель с центральным подводом, снабженный 16-ю криволинейными лопатками, обладающий наибольшим значением коэффициента гидравлического сопротивления (£=43).

Исследования показали, что при иг<18-20 м/с увеличение удельного орошения от 0 до 2 л/м3 практически не влияет на величину гидравлического сопротивления циклонного элемента, т.е. для конкретной конструкции циклона сохраняется постоянство коэффициента С. Это подтвердило возможность использования зависимости вида (8) для расчета величины <15о циклонных элементов.

Проведенная обработка литературных и экспериментальных данных по элементам мокрых циклонов батарейного типа, подтвердила достаточно высокую надежность формулы (8).

На рисунке 2 приведена зависимость величины <150 от коэффициента £ для типовых одиночных циклонов при 1)г=5 м/с и для элементов мокрых циклонов батарейного типа при иг=20 м/с.

¿я, мкм

2

I

0,8

0.6 0,5

м

0,3

оа

ол 1 !

3 4 3 6 « ¡0 20 за 40 50 60 «0 100 200 №

а - мокрые циклоны одиночного исполнения (1 - ЦВП-1,2 - ЦВП-И, 3 - ЦСВТИ, 4 -СИОТ); б - мокрые циклоны батарейного типа (5 - СЦВБ-20,6 - Ротоклон Я,7 - центробежный скруббер МУА, 8 - циклон с цилиндрическим многолопастным закручивателем).

Рисунок 2 - Зависимость величины ё50 от коэффициента £

Приведенные на рисунке 2 кривые достаточно хорошо описываются формулой (8). Из рисунка 2 также следует, что величина эффективности пылеулавливания, которая может быть достигнута при использовании цилиндрического многолопастного завихрителя, превышает возможности по осаждению взвешенных частиц всех применяемых на практике мокрых циклонов.

Газопромыватели (скрубберы). Практически мокрые пылеуловители работают в турбулентном режиме, о чем свидетельствует квадратичный характер зависимости их гидравлического сопротивления от скорости газового потока в активном сечении. Однако в данном случае определить коэффициент гидравлического сопротивления сложно, поскольку он зависит как от конструкции аппарата (подобно центробежным пылеуловителям), так и от характера контакта фаз газ-жидкость. Поверхность же фазового контакта в скрубберах зависит от типа аппарата и способа подвода орошения и может представлять собой совокупность поверхностей капель различного дисперсного состава, различающихся по размеру газовых пузырей, пленки жидкости, стекающей по насадке.

Поэтому в данном случае для получения расчетной зависимости для оценки эффективности скрубберов был использован метод физической аналог ии, В качестве аналога взяты величины, наиболее полно характеризующие процесс образования межфазной по-

верхности и в то же время достаточно просто определяемые как экспериментально, так и расчетным путем.

В мокрых пылеуловителях подобным параметром является сумма энергетических затрат на обработку 1000 м3 газов, учитывающая как перемещение газового потока, так и распиливание орошающей жидкости:

Кч=АР+Рж-т (10)

Обобщение экспериментальных и литературных данных по эффективности скрубберов различных конструкций позволило получить зависимость:

188,32-К?'645 , (11)

действительную в интервале значений К, от 102 до З'Ю4 при плотности р,=1000 кг/м3.

В результате обработки литературных и экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость для расчета времени релаксации в скрубберах Тр50, с:

тр*> =0,И-К^'19 (12)

Основным видом мокрых пылеуловителей, используемых для осаждения субмикронных частиц, является скруббер Вентури, позволяющий обеспечивать энергетические затраты в аппарате в исключительно широких пределах.

Согласно (11), эффективность улавливания взвешенных частиц в скрубберах Вентури определяется реализуемыми в аппарате энергетическими затратами, которые зависят от скорости газового потока в активном сечении аппарата (горловине трубы Вентури) и в меньшей степени от величины удельного орошения. Поэтому при переменных расходах очищаемых газов необходимым условием обеспечения требуемой эффективности является поддержание постоянства оптимальной скорости газов в сечении горловины. В связи с этим в газоочистке получили распространение скрубберы Вентури с регулируемым сечением горловины.

Был разработан типоразмерный ряд скрубберов Вентури с коническим обтекателем типа СВ на производительность по очищаемым газам до 50000 м3/ч, включающий 4 типоразмера (таблица 1).

Таблица 1_ _ __ _ _

Типоразмер скруббера Вентури Площадь рабочего сечения горловины, мг

шах пип

СВ 150/90-800 0,0113 0,0062

СВ 210/120-1200 0,0233 0,0167

СВ 300/180-1600 0,0452 0,0316

СВ 400/250-2200 0,0765 0,0582

Значение величины удельного орошения в трубах Вентури колеблется в пределах от 0,5-Ю'3 до 2,5-Ю"3 м3/м3. Поскольку излишний расход орошающей жидкости экономически не целесообразен, для максимального расхода газов Уща» м3/с, было принято значение величины удельного орошения т=]-10"3 м3/м3, а для минимального расхода У„щ,

После преобразования уравнения, характеризующего гидравлическое сопротивление трубы Вентури, с учетом значений и были получены формулы для расчета площади максимального Г™,*, м2, и минимального Ртп, м2, рабочего сечения регулируемой горловины скруббера Вентури:

АР

= 5,421-10-М-;,

385,05 -рг+рж_

(13)

-1-0,737

ДР

385,05 • рг +

■Рж

Расход орошающей жидкости У», м /с, в этом случае постоянен:

Согласно техническому заданию на разработку системы очистки газовых выбросов на установке термического обезвреживания промышленных отходов, предполагалось установить газоочистной аппарат мокрого типа для улавливания твердых частиц РЬО. Производительность по очищаемым газам изменялась в пределах от 19705 до 20273 м3/ч; гидравлическое сопротивление аппарата ДР не должно было превышать 5000 Па.

После подстановки исходных данных в формулы (13) и (14) были получены значения Ртах=0,04136 м2 и Ри„=0,04084 м2, что позволило выбрать для применения в системе очистки газов скруббер Вентури типа СВ. Проведенные расчеты показали, что предложенный типоразмер скруббера позволяет поддерживать постоянным гидравлическое сопротивление ДР=5000 Па при изменении расхода газов от 13494 до 22157 м3/ч (рисунок 3) посредством регулирования площади проходного сечения горловины перемещением конического обтекателя, тем самым сохраняя постоянным значение скорости газового потока в горловине.

5600

Рисунок 3 -

10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 Расход газов, м3/ч

Зависимость гидравлического сопротивления скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины от расхода газов

Высокоскоростные туманоуловители. В аппаратах этого типа газовый поток при скоростях от 2 до 10 м/с обтекает цилиндры (волокна фильтровальной перегородки). При гидродинамическом режиме, характерном для высокоскоростных туманоуловителей, критерий Ке = ог -с!в ■ рг Iцг лежит в интервале значений от 30 до 3-Ю4 (рисунок 4), что при обтекании газовым потоком волокон (цилиндров) соответствует автомодельной области, и величина £=сопяГ

10■

10°

-1 10

-Яе

10'' 10° Ю' Юг Ю' Ю* Ю5 1-2 - область примерно постояшшх значений величины С,. Рисунок 4 - Зависимость коэффициента С от критерия Яе при обтекании газовым потоком

цилиндра

С другой стороны, при практических расчетах осаждения частиц в волокнистых фильтрах необходимо учитывать совокупное влияние большого числа волокон, составляющих фильтровальную перегородку. Это влияние можно выразить через отношение Н/с1в, после чего зависимость, описывающая эффективность высокоскоростного тума-ноуловителя, примет вид:

¿4 -Рч г П(1Г-<1В

я

(15)

Выражение (15) помимо параметров улавливаемых частиц включает практически все параметры, характеризующие гидравлическое сопротивление высокоскоростного ту-маноуловителя, рассчитываемое по формуле:

Уг-Рг-Н 81 ■с

(16)

В связи с этим представляется целесообразным применить метод физической аналогии и в качестве аналога использовать величину ДР, достаточно просто определяемую как экспериментально, так и расчетным путем.

В результате обобщения экспериментальных и литературных данных, полученных при высокоскоростной фильтрации, была предложена зависимость, аналогичная формуле, применяемой для расчета эффективности скрубберов:

¿50 = 1,044-ехрН,28-КГ4-ДР), (17)

действительная в интервале значений величины ДР от 0,2-103 до 4-103 Па при плотности улавливаемых частиц рч=1000 кг/м3.

С целью получения расчетной зависимости для определения времени релаксации в высокоскоростных туманоуловителях был проведен ряд экспериментальных исследований с использованием фильтровальных перегородок из различных пористых материалов (винипластовые и металлические сетки, а также войлок из лавсановых волокон).

Обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирическую зависимость для расчета величины тр50, с, в интервале значений ДР от 70 до 4120 Па:

трх ~ 3,25 • 10"4 ■ ехр(-7,73 • 10"4 • ДР) (18)

Адекватность зависимости (18) была подтверждена и промышленными испытаниями при улавливании капель тумана фосфорной кислоты. Газы, содержащие туман фосфорной кислоты, при температуре 70-100°С поступали в волокнистый фильтр производи-

тельностью 420-480 м3/ч. В качестве фильтрующего материала были использованы иглопробивные полипропиленовые маты из волокон различного диаметра. В тумане кислоты содержалось значительное количество частиц сажи, что объясняется загрязненностью фосфора, поступающего на сжигание. Результатом этого явилось увеличение медианного диаметра улавливаемых частиц до 5-9 мкм.

Согласно расчетам, проведенным по формулам (4) и (18), эффективность улавливания -0,99 может быть достигнута в процессе улавливания частиц подобного размера уже при минимальном гидравлическом сопротивлении, зафиксированном в экспериментах (при ДР-1900 Па).

Для системы очистки дымовых газов установки термического обезвреживания токсических отходов от капель тумана фосфорной кислоты разработан высокоскоростной двухступенчатый туманоуловитель на производительность по очищаемым газам 20480 м3/ч.

Первая ступень - фильтрующая плоская волокнистая перегородка из лавсанового иглопробивного войлока, работающая при скорости фильтрации 5 м/с. Скорость газового потока во второй ступени составляет 1 м/с.

При величине гидравлического сопротивления первой ступени 1384 Па расчетный размер частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, составляет 0,19 мкм.

В четвертой главе проведено обобщение экспериментальных и литературных данных по эффективности различных типов инерционных пыле- и каплеуловителей в зависимости от реализуемых в них энергозатрат.

На основании формул (5), (8), (11) и (17) построены графические зависимости величины и50 от энергетических затрат (см. рисунок 5) в виде номограммы для определения эффективности пылеуловителей различных типов.

Сч МкМ

20

Ю

8

6

5

4

1

2

0,8

0,6 0,5 0,4 О,}

0,2 0,1

SOSO 8010' 2 J 4 6 8 Ю' 2 3 4 5 8 Ю' 2 ф,Па

1 - циклоны (диаметр аппарата 1м); 2 - скруббер Вентури; 3 - мокрые центробежные пылеуловители со встроенными завихрителями (скорость газов в свободном сечении 20 м/с; диаметр аппарата 0,3 м); 4 - высокоскоростной туманоуловитель.

Рисунок 5 - Зависимость величины d50 от гидравлического сопротивления ДР инерционных аппаратов (для воздуха при нормальных условиях) при плотности пыли 1000 кг/м3

Графики, приведенные на рисунке 5, показывают градацию возможностей по эффективности улавливания взвешенных частиц различных типов инерционных осадителей практически при одинаковых энергетических затратах.

В то же время при выборе типа инерционного аппарата для решения конкретной задачи очистки газов необходимо учитывать свойства взвешенных частиц и параметры потока аэрозоля.

Так, например, согласно рисунку 5, наиболее энергоэкономичным аппаратом является высокоскоростной туманоуловитель. Однако этот вид газоочистного оборудования может быть применен исключительно для улавливания капель или хорошо растворимых частиц пыли. Сухие циклоны не следует применять при улавливании сильно слипающихся и абразивных частиц пыли. В последнем случае возможно использование специальных износоустойчивых циклонов.

С учетом данных, приведенных на рисунке 5, и анализа свойств взвешенных частиц (начальной концентрации, фазового состояния, дисперсного состава, плотности) осуществляется выбор оптимальной конструкции инерционного осадителя, обеспечивающего требуемую эффективность и возможности по реализации необходимых энергозатрат на процесс очистки газов.

На основании экспериментальных данных проведены сравнительные расчеты сухих и мокрых центробежных пылеуловителей, а также скрубберов Вентури по трем различным методам:

- вероятностному;

- методу, отличительной особенностью которого является выделение групп циклонов, близких по своей геометрии, и получение для них достаточно простых формул для расчета размера частиц улавливаемых в аппарате с эффективностью, равной 0,5 (Приемов С.И.);

- методу, основанному на определении суммарного коэффициента проскока пылеулавливающего аппарата (Шиляев М.И., Шиляев A.M., Грищенко Е.П.).

Наиболее близкие к экспериментальным результаты были получены при использовании вероятностного метода расчета. В этом случае ошибка при определении эффективности сухих циклонов не превышала 1,6%; при расчете центробежного скруббера батарейного типа СЦВБ-20 - 0,5%; а при расчете скрубберов Вентури колебалась в интервале 1,3-6,6%.

Отмечена универсальность вероятностного метода расчета, поскольку данный метод позволяет рассчитывать все типы мокрых аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения, в том числе ударно-инерционного действия, эжекторные и др. При этом для каждого конкретного типа аппарата могут быть с достаточно высокой точностью определены энергетические затраты на процесс очистки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обобщены данные по работе пыле- и туманоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения.

2. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадителях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных тума-ноуловителях.

3. На основании сравнительного анализа реализуемых в инерционных пыле- и тума ноуловителях энергетических затрат и зависимостей для расчета величины (35о определе ны практические возможности аппаратов по сепарации взвешенных частиц.

4. Разработаны и внедрены в промышленность эффективные и надежные в эксплуа тации инерционные осадители: циклон СК-ЦН-19 с высоким значением коэффициент! гидравлического сопротивления (£=2350; &}о=\,1Ъ мкм); скруббер Вентури с регулируе мым сечением горловины, позволяющий поддерживать на постоянном уровне гидравли ческое сопротивление ДР=5000 Па при изменении расхода газов от 13494 до 22157 м3Л (¿50=0,24 мкм при рч=9560 кг/м3); высокоскоростной двухступенчатый туманоуловител] ((350=0,19 мкм при ДР=1384 Па).

5. Разработана конструкция высокоэффективного цилиндрического многолопастно го закручивателя - элемента мокрого циклона батарейного типа, надежно работающей при скорости газов 18-20 м/с (£=43; с15О=0,365 мкм).

6. На основании экспериментальных данных проведены сравнительные исследова ния различных методов (вероятностного; метода Приемова С.И.; метода Шиляева М.И. Шиляева А.М., Грищенко Е.П.) расчета инерционных пылеуловителей сухого и мокрой типов, подтверждающие универсальность и высокую точность вероятностного метода.

Условные обозначения: Ю - диаметр аппарата, м; (1 - диаметр выхлопной трубь циклона; йе, <1, - диаметр волокна, частиц, м; - медианный диаметр частиц (капель), м 650 - диаметр частиц (капель), улавливаемых в аппарате с эффективностью, равной 0,! (50%), м; Рщи, Рщш - площадь максимального и минимального рабочего сечения регули руемой горловины скруббера Вентури, м2; Н - высота циклона, толщина фильтрующеп слоя, м; Кч - энергетические затраты на очистку 1000 м3 газов, кДж/1000 м5; т - уде ль ный расход жидкости, м3/м3; Рж - давление орошающей жидкости, Па; ДР - гидравличе ское сопротивление, Па; Бо - свободное сечение перегородки, мг/м2; Ую^ - макси мальный и минимальный объемный расход газа, м3/с; г>г - скорость газа, м/с; С, - коэффи циент гидравлического сопротивления; цг - динамическая вязкость газа, Па-с; г| - эффек тивность пылеулавливания, доли ед.; р,, р„ рж - плотность частиц, газа и жидкости, кг/м3 оч - среднеквадратичное отклонение в функции распределения частиц по размерам; оп ■ среднеквадратичное отклонение в функции распределения значений фракционных коэф фициентов пылеулавливания; тР50 =(рч -с/^)/(18-^г) - время релаксации для частиц раз мером ё5о, с; Не - критерий Рейнольдса; Згк-(иг ■ рч -с12ч)1(\%-цг ■/) - критерий Стокса Ей = АР/(рг - о).) - критерий Эйлера; в, БЙс, со, Я, Б, КЕ - гравитационный, инерционный центробежный, за счет зацепления (касания), диффузионный, за счет электрических си параметры осаждения взвешенных частиц.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вальдберг АЛО., Сафонов С.Г. Расчет циклонов с использованием вероятностно-энергетического метода. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. №8. С. 14 (лично соискателя 0,5с.).

2. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Расчет скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. №3. С. 35-36 (лично соискателя 1с.).

3. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Расчет эффективности сухих и мокрых механических пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. №10. С. 40-41 (лично соискателя 1с.).

4. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №3. С. 34 (лично соискателя 0,5с.).

5. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Анализ работы мокрых циклонов и пути повышения их эффективности. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №7. С. 29-30 (лично соискателя 1с.).

6. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Основы расчета эффективности газоочистных аппаратов инерционного типа. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №9. С. 43-44 (лично соискателя 1с.).

7. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Эффективность инерционного осаждения взвешенных частиц в высокоскоростных волокнистых фильтрах. Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. 2007. Vol XV, No 3. P. 153-157 (лично соискателя 4c.).

8. Вальдберг А.Ю., Хуторов Ю.Ф., Андреенко О.В., Сафонов С.Г. Исследования модели циклона. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №12. С. 36-37 (лично соискателя 0,5с.).

9. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. №5. С. 36-37 (лично соискателя 1с.)

Подписано в печать 11.03.2010. Зак. 30/д. Тир. 80. 2,0 печ.л.

Издательский центр МГУИЭ 105066, Москва, Старая Басманная ул., 21/4

Основные условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Теоретические основы инерционного осаяадения взвешенных частиц.

1.1. Основные механизмы осаждения взвешенных частиц.

1.2. Инерционное осаждение частиц.

1.3. Инерционное осаждение частиц в турбулентном потоке.

1.4. Промышленные инерционные пылеуловители.

1.5. Выводы.

Глава 2. Методологическое обеспечение экспериментальных исследований. Экспериментальные стенды и промышленные установки.

2.1. Общие положения.

2.2. Дисперсный состав частиц пыли (капель тумана).

2.3. Определение дисперсности частиц пыли (капель тумана).

2.4. Оценка эффективности пылеуловителя на основании вероятностно-энергетического метода расчета.

2.5. Экспериментальные установки.

2.6. Промышленная установка.

2.7. Выводы.

Глава 3. Исследование и обобщение экспериментальных результатов.

3.1. Постановка задачи. Теория подобия.

3.2. Практическая реализация вероятностно-энергетического метода расчета циклонов.

3.3. Эффективность осаждения взвешенных частиц в мокрых циклонах.

3.4. Эффективность инерционного осаждения взвешенных частиц в мокрых пылеуловителях (скрубберах).

3.5. Эффективность инерционного осаждения взвешенных частиц в высокоскоростных туманоуловителях.

3.6. Выводы.

Глава 4. Вероятностно-энергетический метод расчета инерционных пыле- и туманоуловителей.

4.1. Сопоставление инерционных аппаратов по энергетическим затратам и особенности их эксплуатации.

4.2. Основы расчета инерционных аппаратов.

4.3. Сопоставление вероятностно-энергетического метода расчета с другими методами.

4.4. Выводы.

Актуальность проблемы. Защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем современности. Отсюда вытекает то серьезное внимание, которое уделяется ее решению в большинстве стран мира и, прежде всего, в странах экономически развитых.

Предотвращение выбросов в атмосферу актуально и для Российской Федерации.

Данные наблюдений за 2006 год показывают, что уровень загрязнения атмосферы остается высоким. В 142 городах (69 % городов, где проводятся наблюдения), степень загрязнения воздуха оценивается как очень высокая и высокая и только в 17 % городов — как низкая.

В целом по России 38 % ее городского населения проживает на территориях, где не проводятся наблюдения за загрязнением атмосферы, а 55 % - в городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы, в этих городах проживает 58,2 млн. чел.

Приоритетный список 2006 г. включает 36 городов с общим числом жителей в них 14 млн. человек. В этот список включены города с очень высоким уровнем загрязнения воздуха, для которых интегральный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) равен или выше 14.

Почти во всех этих городах очень высокий уровень загрязнения связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена, в 33 городах - с высокими концентрациями формальдегида, в 26 - диоксида азота, 14 - взвешенных веществ, 10 - фенола.

В Приоритетный список вошли 9 городов с предприятиями алюминиевой промышленности и черной металлургии, 7 городов с предприятиями химии и нефтехимии, добычи и транспортировки нефтепродуктов, многие города топливно-энергетического комплекса из-за расширения их мощности в последние годы.

Отсюда вытекают важные задачи по разработке и внедрению систем очистки газов и аспирационного воздуха с применением надежных, конструктивно отработанных и серийно выпускаемых пыле- и туманоуловителей, полностью отвечающих требованиям, предъявляемым к конкретным установкам газоочистки. Значительное место среди подобных аппаратов принадлежит осадителям инерционного типа, отличающимся простотой в изготовлении и эксплуатации. Последние обстоятельства привели к исключительному множеству конструкций аппаратов инерционного типа и, соответственно, предложений по методике их расчета и использованию на практике.

Учитывая, что осаждение взвешенных частиц в этих аппаратах определяется доминирующим воздействием одного и того же инерционного механизма, представляется целесообразным проведение обобщения теоретических и практических данных их работы с выделением особенностей эксплуатации каждого из основных типов инерционных пыле- и туманоуловителей, включая энергетические затраты на процесс очистки газов.

Это даст возможность уточнить реальные технические показатели инерционных пылеуловителей в процессе осаждения взвешенных частиц и получить практическую базу для проведения сопоставления их рабочих показателей с показателями других аппаратов, широко применяемых в технике газоочистки: фильтров и электрофильтров.

Решение подобной задачи позволит сформулировать научно - технический подход к выбору инерционных аппаратов для использования в конкретных газоочистных установках и, что особенно важно, к разработке новых конструкций осадителей этого типа.

Цель работы. Исследование процессов сепарации твердых и жидких взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях и разработка на их базе надежных методов выбора и расчета газоочистных аппаратов этого вида.

Указанная цель достигается комплексным решением следующего круга задач:

- обобщения экспериментальных данных по энергетическим затратам на процесс сепарации и эффективности осаждения взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;

- формулирования требований к условиям, обеспечивающим надежную эксплуатацию различных типов инерционных осадителей;

- реализации полученных технических решений при разработке новых перспективных конструкций пылеуловителей, успешно осваиваемых промышленностью.

В основу теоретических и прикладных исследований положены установленные Н.А. Фуксом, В.Г. Левичем, А.А. Гухманом, В. Страуссом, С. Калвер-том, А.И. Пирумовым, А.Ю. Вальдбергом, М.И. Шиляевым закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами обработки данных исследований обеспечивают получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.

Научная новизна. Обобщены данные по работе пыле- и туманоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадите-лях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях. Определена градация разных типов инерционных осадителей по возможной эффективности осаждения взвешенных частиц различного размера в зависимости от энергетических затрат и от физических свойств улавливаемых частиц.

На защиту выносятся:

- анализ результатов исследования процесса очистки газов от взвешенных твердых и жидких частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;

- критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета величины Тр5о в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях;

- конструкции перспективных аппаратов инерционного типа (циклонов с высокими значениями коэффициента гидравлического сопротивления, скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и двухступенчатого тума-ноуловителя) для механической очистки газов от частиц пыли и капель туманов;

- градация инерционных осадителей по достигаемой эффективности в зависимости от реализуемых в них энергозатрат и физических свойств улавливаемых частиц;

- результаты внедрения инерционных пыле- и туманоуловителей в различные отрасли промышленности.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены в промышленность циклонный пылеуловитель, обеспечивающий более высокую эффективность осаждения взвешенных частиц по сравнению с существующими типовыми конструкциями, и циклон с уменьшенным габаритом по высоте. При непосредственном участии автора разработаны конструкции скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и волокнистого туманоуловителя для системы очистки дымовых газов установок термического обезвреживания отходов.

Результатами проведенных исследований, оформленными в виде чертежей, регламентов и рекомендаций на проектирование установок очистки газов, широко пользуются проектные институты, высшие учебные заведения и организации: ОАО «НИИОГАЗ», Московский Государственный Университет Инженерной Экологии, ЗАО «Щелково Агрохим», ФГУП «СоюзпромНИИпроект», ЗАО «Металхимпрогресс», ЗАО «Кондор-Эко», ОАО «Саянскхимпласт».

На основе полученных при проведении работы экспериментальных данных, теоретических обобщений, конструктивных решений, методов расчета происходит все нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы очистки газов новых высокоэффективных и надежных в эксплуатации инерционных пыле- и туманоуловителей.

Личный вклад соискателя состоит в обобщении экспериментальных и промышленных данных по эффективности и гидродинамике пыле- и туманоуловителей с доминирующим инерционным механизмом осаждения.

Соискателем проверены и уточнены методы и расчетные зависимости для оценки эффективности работы инерционных пыле- и туманоуловителей; разработаны конструкции и внедрены в промышленность аппараты инерционного типа для механической очистки газов; составлена градация инерционных оса-дителей по достигаемой эффективности в зависимости от реализуемых в них энергозатрат.

Апробация работы:

1) 5-я Международная конференция «Инженерная защита атмосферы» (г. Москва, 2003 г.);

2) III Международная конференция «ЭкоРос» (г. Москва, 2004 г.);

3) IV Международная конференция «ЭкоРос» (г. Москва, 2006 г.);

4) 6-я Международная конференция «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 26-27 мая 2005 г.);

5) 17-й Международный Конгресс проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 27-31 августа 2006 г.);

6) III Международная научно-практическая конференция «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (г. Белгород, 25-27 октября 2006 г.);

7) Круглый стол «Рекреация: город и экология», проводившиймся в рамках постоянно действующей Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, 1 марта 2007 г., РАН);

8) Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 18-19 сентября 2007 г.);

9) 7-я Международная конференция «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 22-23 мая 2008 г.).

Публикации:

1. Расчет циклонов с использованием вероятностно-энергетического метода. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. №8. С. 14 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

2. Расчет скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. №3. С. 35-36 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

3. Расчет эффективности сухих и мокрых механических пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. №10. С. 40-41 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

4. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №3. С. 34 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

5. Анализ работы мокрых циклонов и пути повышения их эффективности. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №7. С. 29-30 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

6. Основы расчета эффективности газоочистных аппаратов инерционного типа. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №9. С. 43-44 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

7. Эффективность инерционного осаждения взвешенных частиц в. высокоскоростных волокнистых фильтрах. Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. 2007. Vol XV, No 3. P. 153-157 (совместно с А.Ю. Вальдбергом);

8. Исследования модели циклона. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №12. С. 36-37 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, Ю.Ф. Хуторовым, О.В. Андреенко);

9. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. №5. С. 36-37 (совместно с А.Ю. Вальдбергом).

Объем и структура диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений. Содержит 134 страницы, в том числе 108 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 36 иллюстраций, список использованных источников из 100 наименований и четыре приложения на четырех страницах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обобщены данные по работе пыле- и туманоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения.

2. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадителях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях.

3. На основании сравнительного анализа реализуемых в инерционных пыле- и туманоуловителях энергетических затрат и зависимостей для расчета величины dso определены практические возможности аппаратов по сепарации взвешенных частиц.

4. Разработаны и внедрены в промышленность эффективные и надежные в эксплуатации инерционные осадители: циклон СК-ЦН-19 с высоким значением коэффициента гидравлического сопротивления (£=2350; d50=l,73 мкм); скруббер Вентури с регулируемым сечением горловины, позволяющий поддерживать на постоянном уровне гидравлическое сопротивление ДР=5000 Па при изменео нии расхода газов от 13494 до 22157 м /ч (d50=0,24 мкм при рч =9560 кг/м ); высокоскоростной двухступенчатый туманоуловитель (d50=0,19 мкм при АР=1384 Па).

5. Разработана конструкция высокоэффективного цилиндрического многолопастного закручивателя — элемента мокрого циклона батарейного типа, надежно работающего при скорости газов 18-20 м/с (£=43; d50=0,365 мкм).

6. На основании экспериментальных данных проведены сравнительные исследования различных методов (вероятностного; метода Приемова С.И.; метода Шиляева М.И., Шиляева A.M., Грищенко Е.П.) расчета инерционных пылеуловителей сухого и мокрого типов, подтверждающие универсальность и высокую точность вероятностного метода.

1. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. М., Химия, 1981, 392 с.

2. Strauss W. Industrial Gas Cleaning. 2nd Ed. Oxford, Pergamon Press, 1975. 622p.

3. Левич В.Г. Физико-химическая термодинамика. М., Физматгиз, 1959, 700с.

4. Scrubber Handbook, Prepared for EPA, A.P.T. Inc. California, 1972, v.l.

5. Левин H.M. Об осаждении частиц из потока аэрозоля на препятствие. ДАН СССР, 1953, т. 91, №6, с. 1329-1332.

6. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей. Итоги науки, химические науки. М., Изд-во АН СССР, 1961, №5, 160 с.

7. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б. Ахмедова. М., Энергия, 1977, 240с.

8. Коузов П.А. Очистка от пыли в циклонах. М., Профиздат, 1988, 88 с.

9. Маслов В.Е., Маршак Ю.Л. Исследование сепарации твердых взвешенных частиц на пленку жидкости при вихревом движении потока. Теплоэнергетика, 1958, №6, с. 63-70.

10. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955, 352 с.

11. Fage A., Towenend Н. Proc. Roy. Soc., 1932, Ser.A, v. 135, p.656.

12. Медников Е.П. Эффективность улавливания взвешенных частиц в трубчатых и пластинчатых насадках. Пром. и санит. очистка газов, 1979, №2, с. 15-16.

13. Кутузов Г.О., Вальдберг А.Ю. Осаждение частиц пыли в процессе движения газопылевого потока в ванне рудовосстановительной печи. Сталь, 1977, №12, с. 1101-1103.

14. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. К расчету эффективности пылеулавливания в полых скрубберах. Коллоидный журнал. 1988, т. 50, № 1, с. 19-20.

15. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М., Металлургия, 1977, 328с.

16. Экологические требования к установкам очистки газов. Методическое пособие. Минприроды России. Санкт-Петербург. 1996. 58с.

17. Вальдберг А.Ю. Современные тенденции в развитии теории и практики пылеулавливания. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №7. С.48-50.

18. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль, Верхнее-Волжск. кн. изд-во, 1971. 95с.

19. С.С. Янковский, Л.Я. Градус. Основные пути совершенствования аппаратов инерционной очистки газов. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1985, 46с.

20. Коузов П.А., Мыльников С.И. Расчет эффективности пылеулавливания в циклонах с водяной пленкой. Труды институтов охраны труда. Вып. 77, 1972, с. 6-12.

21. Методические рекомендации по расчету мокрых пылеуловителей. АЗ-679. М., Госстрой СССР, ГПИ Сантехпроект, 1976. 64 с.

22. Гервасьев A.M., Рабинович В.Б. В кн.: Новые конструкции мокрых пылеуловителей. Экспр.-информ. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1979, №2, с. 6-7.

23. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М.: Химия, 1972. 248 с.

24. Дергачев Н.Ф. Мокрые золоуловители системы ВТИ. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 96 с.

25. Каплеуловители и их применение в газоочистке. Авт.: Г.К. Лебедюк, А.Ю. Вальдберг, М.П. Громова и др. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1974, 84 с.

26. Пылеулавливание в металлургии. Справочник под ред. А.А. Гурвица. М., Металлургия, 1984, 336 с.

27. А.Ю. Вальдберг, А.А. Мошкин, И.Г. Каменщиков. Образование туманов и каплеулавливание в системах очистки газов. М.: Издательский Дом «Грааль». 2003. 256 с.

28. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. М.: Химия, 1975. 216 с.

29. Дубинская Ф.Е., Лебедюк Г.К. Скрубберы Вентури. Выбор, расчет, применение. М.: ЩШТИхимнефтемаш, 1977. 60с.

30. Ф.Е. Дубинская, А.Ю. Вальдберг. Рекомендации по выбору скрубберов Вентури из существующих типоразмерных рядов. Экспр.-информ., М., ЦИН-ТИхимнефтемаш, 1982, №2, 12с.

31. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М., Энергоатомиздат. 1989. 240с.

32. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Машиностроение, 1975, 559с.

33. А.Ю. Вальдберг, Ф.Е. Дубинская, Л.М. Исянов. Очистка промышленных газов в скрубберах Вентури. М., ЦНИИТЭнефтемаш. 1972, 84с.

34. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1972, 496 с.

35. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А. Русанова. М.: Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

36. Ф.Е. Дубинская, А.Ю. Вальдберг, М.И. Биргер. Унифицированный ряд скрубберов Вентури. Экспр.-информ., М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1977, №1, 7с.

37. Ф.Е. Дубинская. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления труб-распылителей. Промышленная и санитарная очистка газов. 1971, №3, с.5-7.

38. Б.И. Мягков. Волокнистые туманоуловители. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1973, 57с.

39. Б.И. Мягков, А.А. Мошкин. Улавливание туманов кислот в различных отраслях промышленности. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1984, 18с.

40. Б.И. Мягков. Волокнистые и сеточные брызготуманоуловители. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1983, 26с.

41. ГОСТ Р 50821-95. Туманоуловители волокнистые. Типы и основные параметры. Требования безопасности. Методы испытаний. М., ИПК, изд-во стандартов, 1996, 12 с.

42. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. М.: Химия. 1970. 320 с.

43. Ergun S. Chem. Engng. Progr., 1952, v. 48, p. 89-94.

44. Whitby K.T. ASHRAF, 1955, v. 7, N 9, p. 56-64.

45. Мошкин А.А., Вальдберг А.Ю., Каменщиков И.Г. Волокнистые туманоб-рызгоуловители. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. М., ВИНИТИ, 2000, № 4, с. 39-66.

46. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М., Высшая школа, 1963, 256 с.

47. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Контроль пылеулавливающих установок. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Металлургия». 1973. 384с.

48. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

49. ГОСТ 17.2.4.07-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения давления и температуры газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

50. ГОСТ 17.2.4.08-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения влажности газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

51. ГОСТ 17.2.4.01-80. Охрана природы. Атмосфера. Метод определения величины каплеуноса после мокрых газоочистных аппаратов.

52. ГОСТ Р 50820-95. Оборудование газоочистное и пылеулавливающее. Методы определения запыленности газопылевых потоков.

53. Вальдберг А.Ю., Исянов Л.М., Яламов Ю.И. Теоретические основы охраны атмосферного воздуха от загрязнения промышленными аэрозолями. Санкт-Петербург, МП "НИИОГАЗ-Фильтр". С.П6. ГТУ РП, 1993, 235 с.

54. Н.Г. Булгакова, Е.А. Петербургская. Измерение дисперсного состава промышленных пылей. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1981, 40с.

55. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Практическая реализация вероятностно-энергетического метода расчета центробежных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1994. № 9. С. 26-29.

56. Кирсанова Н.С. Совершенствование методов расчета пылеуловителей циклонного типа с целью разработки технологичной конструкции центробежного скруббера. Дис. канд. техн. наук. М., МИСиС, 1986, 165с.

57. Вальдберг А.Ю., Зайцев М.М., Падва В.Ю. и др. Результаты сравнительных испытаний конических циклонов со спиральным подводом газа. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1964. № 6. С. 3-6.

58. Вальдберг А.Ю., Зайцев М.М., Падва В.Ю. Применение теории подобия при экспериментальных исследованиях и конструировании циклонных аппаратов. Химическое и нефтяное машиностроение. 1968, №3, с.7-8.

59. Вальдберг А.Ю., Энтин С.В., Битюкова В.В. и др. Аппараты центробежного действия сухого типа. В кн. Машиностроение (энциклопедия). М., Машиностроение. 2004. Раздел IV. Т. IV-12. С.289-301.

60. Leith D., Mehta D. Atmospheric Environment. 1973. V.7. №5. P.527-549.

61. Лазарев В.А. Метод определения аэродинамических показателей циклонов по геометрическим параметрам их входных и выходных патрубков. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. № 6. С. 37-39.

62. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Осаждение взвешенных частиц в циклонах с мокрой пленкой. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1985, № 11, с. 27-28.

63. Shtorch О. Industrial Separators for Gas Cleaning. Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam-Oxford-New York, 1979, 387 p.

64. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник. Ч. 1. М., Металлургия, 1988, 760 с.

65. Kalen R., Zenz F.A. AIChE Symposium Ser. 70 (137), 388 (1974).

66. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М., Энергия, 1976, 296с.

67. Вальдберг А.Ю., Кутузов Г.О., Булгакова Н.Г. ИФЖ, 1979, т. 34, №4, с. 753-754.

68. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Расчет эффективности мокрых пылеуловителей ударно-инерционного действия. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1986, № 2, с. 16-18.

69. Semrau К.Т. J. Air Pollut. Contr. Assoc., 1960, v. 10, p. 200.

70. Semrau K.T. Chem. Eng. (N.Y.), 1977, v. 84, N 20, p. 87-91.

71. Вальдберг А.Ю. К вопросу о влиянии энергетических затрат на эффективность мокрого пылеулавливания в турбулентном промывателе. ЖПХ, 1972, т. 55, №7, с. 1623-1625.

72. Calvert S.C. J. Air Pollut. Contr. Assoc., 1974, v. 24, N 10, p. 929-934.

73. Вальдберг А.Ю. К расчету эффективности мокрых пылеуловителей. ТОХТ, т. 21, 1987, №3, с. 407-411.

74. Вальдберг А.Ю. Методы расчета и конструкции аппаратов мокрого пылеулавливания. Докторская диссертация. М., МИХМ, 1988.

75. Вальдберг А.Ю., Дубинская Ф.Е. Конструктивные и эксплуатационные возможности скруббера Вентури. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. №8. С. 36-38.

76. Дубинская Ф.Е. Скрубберы Вентури с регулируемым сечением горловины. Конструкция, расчет, применение. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. 40 с.

77. ГОСТ 25631-83. Пылеуловители мокрые. Типы и основные параметры.

78. Вальдберг А.Ю., Лазарев В.И., Кузина Т.Н. Системы очистки дымовых газов установок термического обезвреживания отходов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003, №8, с.34-35.

79. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Метод расчета эффективности механических пылеуловителей по энергозатратам. Теоретические основы химической технологии. 1992. Т. 26. № 1. С. 145.

80. Вальдберг А.Ю., Мошкин А.А., Каменщиков И.Г. Эффективность улавливания капель тумана в волокнистых фильтрах при малых скоростях фильтрации. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1999, №1, с.40-42.

81. Вальдберг А.Ю., Крайнов Н.В., Савенков Н.В., Савицкая Н.М. Расчет эффективности высокоскоростных волокнистых фильтров. Теоретические основы химической технологии. 1994, т. 28, № 2, с. 164 166.

82. Вальдберг А.Ю., Мошкин А.А., Огурцов А.В. Современное состояние теории и практики образования и улавливания жидких аэрозольных частиц. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. М., ВИНИТИ, 2002, №4, с.2-21.

83. Вальдберг А.Ю. Мошкин А.А. Расчет эффективности высокоскоростных волокнистых фильтров. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1999, №4, с.32-34.

84. А.В. Огурцов, А.Ю. Вальдберг, С.Н. Гришина. Расчет эффективности волокнистых туманоуловителей, работающих в переходном режиме. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003, №4, с.35-36.

85. А.В. Огурцов, А.Ю. Вальдберг, М.М. Косова. Исследование новых образцов фильтровальных материалов для волокнистых туманоуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004, №4, с.35-37.

86. Biirkholz A. Mist elimination air pollution control. Pt IV. Ed. G.M. Bragg, W. Strauss. N.Y.: Willey-Intersci. Publ., 1981, 187p.

87. Мошкин A.A., Вальдберг А.Ю., Каменщиков И.Г. Волокнистые туманоб-рызгоуловители. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. М., ВИНИТИ, 2000, №1, с. 25-65.

88. Экотехника. Под ред. JI.B. Чекалова. Ярославль, «Русь». 2004. 424с.

89. Шиляев М.И., Дорохов А.Р. Методы расчета и принципы компоновки пылеулавливающего оборудования. Учебное пособие. Томск. Изд-во Томского государственного архитектурно-строительного университета. 1999, 209с.

90. Асламова B.C., Асламов А.А., Мусева Т.Н., Жабей А.А. Универсальный метод расчета эффективности пылеулавливания циклонов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008, №1, с.34-37.

91. Лазарев В.А. Циклоны и вихревые пылеуловители. Справочник. Нижний Новгород. СпецстройЭнергоПроект. 2005, 285с.

92. Карпов С.В., Сабуров Э.Н. Аэродинамическая эффективность и выбор оптимальных параметров циклонных аппаратов. Химическое и нефтяное машиностроение. 1991, №2, с.28-30.

93. Лазарев В.А. Циклоны и вихревые пылеуловители. Справочник. 2-е изд. пе-рераб. и доп. Нижний Новгород. Фирма ОЗОН-НН. 2006, 320с.

94. Карпухович Д.Т. Испытание циклонов СЦН-40. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002, №12, с.30.

95. Приемов С.И. К расчету эффективности золоулавливания и гидравлического сопротивления циклонных аппаратов. Промышленная теплотехника. 2004, т.26, №4, с.47-52.

96. Шиляев М.И., Шиляев A.M., Грищенко Е.П. Методы расчета пылеуловителей. Томск: Изд-во Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2006, 385с.

97. Лебедюк Г.К., Вальдберг А.Ю., Саржант Ю.Ф. Создание и освоение серийного производства газопромывателей для ЯСЧПЗ. Промышленные исследования опытного образца центробежного скруббера батарейного типа СЦВБ-20. Москва, НИИОГАЗ, 1980, 27с.

98. Кутузов Г.О., Вальдберг А.Ю., Болбат Н.И. Мокрая система улавливания пыли при выплавке углеродистого ферромарганца. Промышленная и санитарная очистка газов. 1978, №5, с. 10-11.

99. Вальдберг А.Ю., Набутовская Л.Л., Хуторов Ю.Ф., Бернадинер М.Н., Еси-левич Б.С., Кацнельсон Л.О. Мокрая очистка отходящих газов печей огневого обезвреживания сточных вод. Химическая промышленность. 1979, №10, с.605-606.

100. Производительность по газу, м3/ч Гидравлическое сопротивление, Па Запыленность на Эффективность, %входе, г/нм3 выходе, г/нм3204 970 328,9 0,312 99,9

101. Представители организации, выполнявшей работы1. Представители предприятия1. B.П. Александров1. C.Г. Сафонов1. В.Я. Глушков Е.В, Иванов

102. Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный ордена Трудового Красного Знамени специальный научно-исследовательский и проектный институт

103. СОЮЗПРОМНИИПРОЕКТ Дйрсс 115487, Москва, ул.Садовники, 2

104. ФГУП "СоюЗпромНИИпроект") телефон 499-612-2324. факс 499-782-3445

105. Лицензии: ГС-1-77-01-26-0-7724000470-014712-1 e-mail- spniip@mait.ru

106. ГС-1 -77-01 -28-0-7724000470-014711 -1 http spniip.narod.ru

107. Z£. 1'2. ZOOS № OS-- ZOOS-Q<9 / Ha № от1. СПРАВКА

108. D:\SV\Pi\2008\CnpaBKa-doc 26 12.2008 12 30.001. ЭЛСТА Т»

109. Производство промышленных фильтров для очистки воздуха, пылеулавливающих агрегатов, еоздуховыпшжных устройств, пластиковых воздуховодов, вешпоборудования

110. ООО «Элстат» Адрес: 109147, г. Москва, ул. Марксистская д.5 http: www.elstat.ru e-mail: elstat@elstat.ru; clstat@yandex.ru Тел./факс: (495) 676-61-84, 676-76-12,926-47-49от «АР. 2010 г1. СПРАВКА

111. Результаты исследований модели циклона представлены в таблице 1.