автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Утилизация теплоты и очистка вентиляционных выбросов стекловаренных печей в аппарате пленочного типа

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

> >' ^ а ; 2 О НОЯ 7ППП

Удовиченко Злата Викторовна

УДК 697.97

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ II ОЧИСТКА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ В АППАРАТЕ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА

05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазосяабжение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка - 2000

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры на кафедре «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: Кандидат технических наук, профессор

Дымнич Анатолий Харитонович, Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, профессор кафедры теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Строй Анатолий Федорович, Полтавский технический университет им. Юрия Кондратюка, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция»;

Кандидат технических наук, доцент Кошельник Вадим Михайлович, Харьковский государственный политехнический университет, доцент кафедры теплотехники.

Ведущая организация: Киевский национальный университет

строительства и архитектуры, кафедра теплотехники, Министерство »

образования и науки Украины (г.Киев).

Защита диссертации состоится «29» июня 2000 г. в 11°° часов на заседании специализированного ученого совета Д 12.085.01 Донбасской государственной академии строительства и архитектуры (Украина, 86123, Донецкая обл., г. Макеевка, ул. Державина, 2, первый учебный корпус, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан <А$у> мая 2000 г. Ученый секретарь

специализированного ученого совета кандидат технических наук, доцент

-X - и Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим резервом экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, улучшения экологического состояния окружающей среды является утилизация теплоты выбросных газообразных потоков различного топливо- и энергоиспользующего оборудования.

По данным института технической теплофизики HAH Украины ожидаемая экономия энергоресурсов за счёт развития энергосберегающих технологий составляет в среднем около 20 %. Потери теплоты с вентиляционными выбросами стекловаренных печей в окружающую среду достигают 60 %. Потенциал тепловых вторичных энергоресурсов (ТВЭР) выбросных газов при производстве 1 кг стеклоизделий равен 50 МДж, что обусловливает актуальность вопроса утилизации этих ресурсов. Одновременно газообразные выбросы стекловаренных печей являются источником интенсивного загрязнения воздушного бассейна пылью.

Анализ современного состояния вопроса утилизации" теплоты и очистки дымовых газов стекловаренных печей показал, что при всем многообразии разработанных методов газоочистки отсутствует универсальный и высокоэкономичный способ утилизации ТВЭР. Эффективно обеспечить утилизацию теплоты и экономию топливно-энергетических ресурсов можно с помощью устройств на основе теплопередающих элементов, обеспечивающих очистку от пыли. В связи с этим, наряду с совершенствованием применяемых на заводах систем улавливания вредных веществ, необходима разработка принципиально новых тепломассообменных аппаратов и технологических процессов, обеспечивающих утилизацию ■ теплоты и уловленных продуктов при минимальных расходах электроэнергии и воды.

Одним из направлений решения этих проблем является использование контактных утилизаторов с пленочным движением ассимилирующего пыль промежуточного теплоносителя, предотвращающего интенсивный занос конвективных поверхностен нагрева. Однако теоретические и технологические основы протекающих в них тепломассообменных и аэродинамических процессов применительно к вентиляционным выбросам стекловаренных печей изучены недостаточно.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Основные исследования теоретического и прикладного характера были осуществлены в замках выполнения госбюджетной научно-исследовательской темы по заданию ГКНТ Украины №02.03.06/160-93 «Разработать систему очистки технологических ■азов от твердых и газообразных вредностей для производств с выбросом пыли,

склонной к налипанию в газоочистных аппаратах» (1995-1996 г.г.) и госбюджетной научно-исследовательской темы № К-2-4-96 ДГАСА «Разработка способов увеличения энергетической и экологической эффективности теплотехнических устройств с использованием энергосберегающих технологий» (1996-1999 г.г.)

Цель исследования - разработка комплексного способа утилизации теплоты с очисткой от пыли высокотемпературных вентиляционных выбросов стекловаренных печей на основе интенсивных тепломассообменных процессов в контактном аппарате с пленочным промежуточным пылепоглощающим теплоносителем.

Задачи исследования:

- изучить температурные характеристики вентиляционных выбросов стекловаренных печей и состав пылевых компонентов;

- проанализировать современные способы и средства утилизации ТВ ЭР стекловаренных печей и очистки вентиляционных выбросов;

- исследовать процессы при теплообмене через пленку промежуточное теплоносителя;

- исследовать массообменные явления пылеулавливания пленочным промежуточным теплоносителем;

- определить гидравлические характеристики и пылеулавливающутс способность трубного пучка с наружным пленочным теплоносителем;

- разработать аппаратурное обеспечение и технологию комплексного способа утилизации теплоты с одновременной очисткой газов;

- осуществить опытно-промышленное испытание разработанной теплоутилизационной пылеулавливающей системы на предприятиях стекольной промышленности.

Научная новизна подученных результатов заключается в следующем:

- теоретически обоснован способ утилизации теплоты высокотемпературных газов стекловаренных печей с одновременной очисткой труб от склонной к налипанию пыли, основанный на использовании промежуточного пленочного теплоносителя;

- предложена математическая модель теплопередачи от газового потока I теплоносителю в трубах через наружный пленочный слой промежуточного теплоносителя;

- определены аэродинамические характеристики трубного пучка с наружным пленочным слоем промежуточного теплоносителя на трубах;

- изучена эффективность обеспыливания вентиляционных выбросов лекловаренных печей пленочным слоем промежуточного теплоносителя.

Практическое значение полученных результатов:

- разработаны и внедрены в производство промышленная установка и технология нового способа утилизации теплоты с очисткой от пыли зысокотемпературных (400- 550°С) вентиляционных выбросов стекловаренных яечей;

- предложена методика расчета, конструирования и проектирования контактных аппаратов с промежуточным теплоносителем для комплексной утилизации теплоты газов и их очистки от пыли;

- определены направления утилизации теплоты для целей теплоснабжения и уловленной пыли в технологическом процессе выплавки стекла.

Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертационной работе зезультаты исследований получены соискателем самостоятельно. Личный вклад штора состоит в разработке:

- математической модели процессов теплопередачи через пленочный слой промежуточного теплоносителя;

- аппарата и технологии комплексной утилизации теплоты и очистки от пыли зентиляционных выбросов стекловаренных печей;

- рекомендаций по утилизации ТВЭР и водощелочной эмульсии, образующейся при пылеулавливании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях «Экология промышленного региона» (г. Донецк, 1995 г.), «Ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (г. Макеевка, 1995 г.), «Актуальные проблемы современного лроительства» (г. Санкт-Петербург, Россия, 1999 г.); второй Всеукраинской тонференции им. Т.Г. Шевченко (г. Киев, 1996 г.); научно-технической сонференции ХГТУСА (г. Харьков^ 1999 г.); научно-технических конференциях ЗГАСА (г. Макеевка, 1996,1998 и 1999 г.г.).

Публикации» Основные положения и выводы диссертации опубликованы в ) статьях в научно-технических изданиях и трудах международной конференции «Актуальные проблемы современного строительства».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка использованных источников из 165 наименований на 13 страницах. 5 приложений на 13 страницах. Общин объем работы 167 страниц, из которых 115 страниц основного текста, 22 рисунка, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены положения научной новизны, практическое значение полученных результатов и области реализации исследования.

В первом разделе анализируется состояние вопроса и научные достижения пс утилизации теплоты и очистке высокотемпературных газовых выбросов нг предприятиях стекольной промышленности (Воликов А.Н., Варламов О.Ю.. Кошельник В.М. и др.).

Использование ТВЭР стекловаренных печей идет по трем известным направлениям: в конвективных поверхностях нагрева, в том числе двухфазных термосифонах (Л.С. Пиоро, Ю.Н. Кигур, В.М. Кошельник); в аппаратах пенногс типа (Э.Я. Тарат, И.П. Мухленов, В.А. Вавилов); в устройствах с применением зернистых теплоносителей (A.B. Малинов). Сложность в обслуживании первых, обусловленная быстрым заносом конвективных трубчатых поверхностей нагревг пылевыми отложениями, большой расход воды и высокое аэродинамическое сопротивление во вторых, пониженная пылеулавливающая и тепловая эффективность в аппаратах третьего типа явились основной причиной того, что дс настоящего времени вышеуказанные способы утилизации теплоты не получили широкого распространения. Это, в значительной мере, объясняется спецификой химического и гранулометрического состава пыли, содержащейся е вентиляционных газах стекловаренных печей. Оснащенность источников горячю газов на предприятиях стекольной промышленности Украины и стран СНГ пылеулавливающим оборудованием не превышает 20 %. Очисткг высокотемпературных газов от пыли при работе технологического оборудования нг стекольных заводах осуществляется преимущественно в сухих циклонах и мокрых пылеуловителях различных конструкций. Однако пыль стекольного производства с размерами частиц менее 10 мкм чрезвычайно сложно уловить циклонами. Поэтому для достижения требуемого эффекта пылеулавливания предприятия в качестве второй ступени очистки используют фильтры, требующие постоянной регенерации и быстрой замены, что приводит к дополнительным материальным затратам.

С целью снижения затрат и использования уловленного продукта в технологическом процессе в большинстве современных исследований (Тарат Э.Я., Губарь В.Ф., Строй А.Ф., Журавлев В.П., Колотушкин В.В., Петросов В.К. и др.) рекомендуется применять конструкции пылеулавливающих устройств, основанные на мокром способе пылеулавливания. Мокрые пылеуловители позволяют повысить степень коагуляции мелкой пыли в отходящем вентиляционном пылевоздушном потоке и за счёт этого обеспечить высокую степень его очистки перед выбросом в атмосферу. Выбор способов мокрого пылеулавливания обусловлен природой источника пылеобразования, а также условиями минимальных энергетических затрат и оптимальных расходов воды. Существенное влияние на эффективность мокрых способов пылеулавливания среди прочих параметров пылегазового потока оказывает температура газов. Исследования Богатых С.А., КопейкоЕ.Г. и др. свидетельствуют о резком снижении эффективности мокрых аппаратов всех видов при повышении температуры пылегазового потока сверх 100°С.

Анализ работ Л.й. Купермана, Л.Н. СидельковскогЬ, H.A. Семененко, В.М. Котельника, A.A. Цымбала, М.В. Шапилова показал необходимость комплексного подхода к проблеме утилизации теплоты и очистки газов от пыли. В этой связи необходимо отметить, что для стекольного производства отсутствует однозначное решение этого вопроса.

Широкое применение в различных технологиях, в частности в системах тепловлажностной обработки воздуха и выпарных установках, находят тепломассообменные аппараты с пленочным течением жидкости (Е.Г. Воронцов, Ю.М. Тананайко, Л.Я. Живайкин, В.А. Горбенко, И. Танасава и др.). Во всех рассматриваемых работах тепловой поток направлен от греющей поверхности к стекающей по ней жидкостной пленке, что нашло отражение в особенностях описания процессов теплообмена. Использование пленочного течения жидкости а качестве пылепоглощающего и теплопередающего элемента от высокотемпературных газов к нагреваемой поверхности обусловливает необходимость дополнительного теоретического и экспериментального изучения протекающих при этом тепломассообменных процессов и явлений.

На основе аналитического изучения литературных и патентных источников определен круг нерешенных вопросов, сформулированы задачи и направления исследований.

Во втором разделе приведены результаты теоретического изучения особенностей тепломассообменных процессов при пленочном стекании промежуточного теплоносителя.

Научной гипотезой диссертационной работы является совмещение процессов теплообмена между высокотемпературными газами и трубной поверхностью через пленочный слой промежуточного теплоносителя и ассимиляция этим слоем пылевых частиц, содержащихся в газах. Это обусловлено необходимостью предотвращения зарастания межтрубного пространства пылевыми отложениями и улавливания пыли.

Интенсивность процессов тепло- и массообмена в жидких пленках зависит от плотности орошения, определяющей их толщину, и степени турбулизации течения. При стекании тонкого слоя жидкости по вертикальной поверхности под действием сил гравитации гидродинамическая обстановка течения и интенсивность процессов теплообмена определяются его скоростью и толщиной пленки. На основе изучения результатов теоретических и экспериментальных исследований пленочного движения по вертикальным и наклонным поверхностям (В. Нуссельт, Г.Н. Кружилин, Г. Брауэр, Е.Г. Воронцов, А.Х. Дымнич и др.) нами проанализированы характеристики пленочного течения по ~ наружной трубной поверхности и получено следующее выражение для безразмерной скорости:

— 2 — /1\ *>Г =—г-г2+=—гг+и>„, (1)

28

_ V/ _

где \нг = рхш - безразмерная скорость; \Л/ =,1д-Я0 - характерная скорость, м/с; VI/

- характерный наружный радиус трубы, м; т. - вертикальная координата, м;

4Г

б -толщина пленки жидкости, м; Яе =-- - число Рейнольдса для пленочного

и

течения; Г„ - объемная плотность орошения, м3/(м-с).

С увеличением плотности орошения в жидкостной пленке ламинарно-волновое течение постепенно переходит в турбулентное. Численное значение Не,р обычно фиксируется по характерному излому кривых средних параметров движения пленки и коэффициентов тепло- и массоотдачи в зависимости от числа Рейнольдса. Для гравитационных пленок неослабленных жидкостей, орошающих гладкие вертикальные поверхности, большинством авторов было получено значение Ре„, = 1600. Так как при возникновении волнового режима течения локальная толщина пленки зависит, прежде всего, ог времени, а также от плотности орошения, физических свойств жидкости, длины пробега и т.д., то для оценки состояния течения и практических расчетов технологических аппаратов следует определить среднюю толщину пленки. Обобщение опытных данных, полученных К. Файндом, Л.Я. Живайкиным, Г.Фулфордом, Е.Г. Воронцовым при измерении средней толщины стекающей пленки воды для различных температур, приведено на рис. 1.

5, м

0.003'

0.002

0.001

0.000

Рис. 1. Зависимость средней толщины пленки (8) от числа Рейнольдса (Re)

-в—t=20°C • * - • t=70°C

t=50°C --*- t=90°C

Содержащиеся в вентиляционных выбросах оксиды № и К, переходя в раствор, снижают поверхностное натяжение воды и приводят к возникновению тангенциальных сил, действующих на граничной поверхности пленки, что ведет к изменению условий и режима течения жидкости. С увеличением их концентрации волнообразование начинается на все большем расстоянии от распределительного устройства и изменяется Яе,р.

Нами изучена температурная зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды в интервале температур от 10 до 100°С от массовой доли растворенного в ней ИаОН (СКа0Н), имеющая следующий вид:

а = 0,04 ■ (1,89 - Сшон )■ (f - 0,002 -1),

(2)

я установлено, что при средней температуре воды 70°С и концентрации NaOH в пределах 60...80 % значение коэффициента поверхностного натяжения раствора снижается до 0,045...0,038 Н/м. В этих условиях обеспечивается возможность увеличения плотности орошения в докритической области до 1,25 кг/(м-с) и толщины пленки промежуточного теплоносителя до 7-10\

В отличие от широко используемых в технике пленочных аппаратов в нашем :лучае наблюдается теплоперенос через пленку жидкости при теплоотдаче от газов < ее наружной поверхности и от пленки к поверхности трубы. При этом имеет место юполнительная турбулнзация жидкости в пленке омывающим газовым потоком. В гурбулентной области течения пленки (Re > Re^} теплота от орошающей жидкости с стенке передается как молекулярной теплопроводностью, так и, в значительной

степени, путем перемешивания пленки под действием волн. Предложенная математическая модель теплообмена при вышеуказанных условиях позволила определить влияние основных технологических факторов на интенсивность теплопереноса.

Суммарная эффективность пылеулавливания проанализирована с позиций вероятностного подхода, базирующегося на анализе комплекса явлений физико-химических превращений, гидродинамических и тепловых процессов. Для эффективного пылеулавливания частиц жидкостью необходимо выполнение ряда последовательных стадий, которые осуществляются с определенной степенью вероятности: встреча пылинки на пути своего движения с пленкой жидкости (г,); соприкосновение пылинки с ней (гс); смачивание и захват пылинки жидкостью (г3). В процессе пылеулавливания проявляется действие следующих сил: на первой стадии - инерционных, турбулентных и электростатических; на второй стадии -инерционных, адгезионных и межмолекулярных; на третьей стадии - инерционных, адгезионных и сил сопротивления проникновению высокотемпературных пылинок в слой жидкости, обусловленных образованием паровой рубашки на их наружной поверхности. Принимая во внимание высокие скорости газового потока, на первых двух стадиях действием электростатических и молекулярных сил можно пренебречь. Таким образом, при определении конечной эффективности пылеулавливания с позиций феноменологического подхода справедливо допущение, что весь процесс пылеулавливания включает три стадии: встреча пылинок с пленкой жидкости, соприкосновение пылинок с ней, смачивание и захват пылинок жидкой пленкой, В этом случае математическая модель расчета эффективности пылеулавливания разрабатываемым способом имеет вид:

Э = гв-гс-г3 Р)

Проведенными аналитическими исследованиями выявлены форма влияния и основные варьируемые факторы, определяющие степень улавливания пылевых частиц при пленочном движении ассимилирующей жидкости по наружной поверхности труб, к которым относятся скорость газов, наружный диаметр труб, поперечный и продольный шаги трубного пучка и количество рядов труб по ходу газов.

В третьем разделе для решения поставленных в диссертации задач разработана блок-схема лабораторных и производственных исследований (рис. 2).

ФАКТОРЫ, учитываемые при построении экспериментально-статистических моделей Группа ЭС-моделей

1 | 2 3 | 4 | 5

Пять факторов, варьируемых по плану: X] - скорость газов; Х2 - наружный диаметр труб трубного пучка; Х3 - поперечный шаг трубного пучка; Х4 - продольный шаг трубного лучка; Х5 - число рядов труб в пучке +

Моделируемые параметры Группы" ЭС-моделей

1 2 3 4 5

Аэродинамическое сопротивление аппарата + + + + +

Эффективность пылеочистки + + + + +

Коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности труб + + + + +

Опытно-промышленная проверка разработанных конструктивных параметров теплоутилизационного газоочистного аппарата

Рис. 2. Блок-схема исследований

Кроме стандартных, использован ряд специальных лабораторных методик экспериментов, а именно: комплексная методика изучения аэродинамических процессов, влияния факторов на степень извлечения пыли из газового потока и эффективность теплообмена (рис. 3); методики определения поверхностных свойств и температуры кипения водного раствора ЫаОН от концентрации щелочи.

В качестве базовых объектов промышленных исследований приняты современные стекловаренные печи Керченского, двух Константиновских и Макеевского стекольных заводов.

Сущность лабораторных экспериментов заключалась в:

- установлении зависимости аэродинамических потерь от определяющих факторов;

- изучении влияния определяющих факторов на эффективность извлечения из газового потока пыли;

- определении зависимости коэффициента теплопередачи от газов через промежуточный пленочный слон жидкости к поверхности труб.

1 - модель аппарата ГОТУК; 2 - воздуховод; 3 - вентилятор; 4 - газовая горелка; 5 - пылепитатель; 6 - микроманометр; 7 - и-образный манометр; 8 - электроаспиратор; 9 - термометр; 10 - заслонка; 11 - алонж; 12 - емкость для шлама; 13 - трубка пневмометрическая; 14 - отстойник; 15 - насос.

В процессе исследований был проведен многофакторный эксперимент, для осуществления которого выбран ортогональный план второго порядка с такими факторами: температура газов, tг,в пределах от ? =250 до =550°С; скорость газов, IV, в пределах от \Л/=2 до № =10 м/с; наружный диаметр труб, ¿¡а, в пределах от с!0 =0,02 до {¡в—0,05м; относительные поперечный (/7,) и продольный (Л2) шаги трубного пучка в пределах от 1,5 до 4; число рядов труб в пучке, п, в пределах от п= 1 до п=19.

Результаты экспериментов обрабатывались на ПЭВМ методами математической статистики с доверительной вероятностью 0,95. Значимость коэффициентов уравнений регрессии и доверительный интервал (//|) определялись с помощью числа Стьюдента, адекватность модели проверялась с помощью числа Фишера.

В четвертом разделе приводятся результаты исследований характеристик вентиляционных выбросов стекловаренных печей и факторов, определяющих технологическую применимость газоочистных теплоутилизационных контактных аппаратов. Экспериментально установлены следующие показатели, характеризующие вентиляционные выбросы: объем газов в зависимости от производительности печи- 7,0...32,5 нм3/с; температура после регенераторов-350...560°С; концентрация пыли - 320...880 мг/нм3; содержанием пыли Ыа20 + К2О -

и

5...91 %; содержание частиц пыли размером менее 5 мкм - до 63 %. На рис. 4. оказаны при пятикратном увеличении характерные сталакгитообразные отложения

пыли на трубах диаметром 20 мм через месяц со дня установки в газоходе. Высота отдельных сталактитов достигает 15мм. Методом пленочной флотации установлено, что содержащаяся в газах пыль обладает высокой растворимостью в воде.

Рис. 4. Пылевые отложения го вентиляционных газов на поверхности трубы

При изучении влияния динамических параметров газового потока и онструктивных характеристик газоочистного теплоутилизационного аппарата на гепень извлечения пыли, аэродинамическое сопротивление и коэффициент еплообмена оценку значимости каждого фактора производили с помощью планированного отсеивающего эксперимента по методу случайного баланса.

В результате статистической обработки данных многофакторных кспериментов получены следующие уравнения регрессии:

- для эффективности пылеулавливания (Э)с коэффициентом корреляции 1 = 0,935

' 1,754-аг -(А,-ьгУ

Э = 99,7 • ехр

)Мго;* ■п5

(4)

- для коэффициента гидравлического сопротивления аппарата (£) при Ы 0,961

4 = °-686 • (5)

- для эффективного коэффициента теплообмена («э) при Я = 0,947

аэ =2,5.^.^'«-/,^ -Л^'5 (6)

В этих уравнениях: 1Л/Г - скорость газа, - наружный диаметр труб, Л, и -эответственно относительные поперечный н продольный шаги трубного пучка, п -исло рядов труб по ходу газов.

Среднеквадратичное отклонение при проведении исследований составляло: 3,6% для степени очистки; 1,54%- для коэффициента гидравлического эпротивления и 2,5 % - для коэффициента теплообмена.

В результате проведенных исследований предложена методика для графо-залитического расчета эффективного коэффициента теплообмена, который ычисляется по формуле:

аэ=в0-Сг-С(1)-СЛ2. (7)

Входящие в уравнение (7) коэффициенты определяются по номограмме, представленной на рис. 5.

6=0.038 сН).040

Относительный поперечный шаг Относительный продольный шаг трубного пучка трубного пучка

Рнс. 5. Номограмма для определения коэффициента теплообмена

На рис. 6. Представлены однофакторные зависимости эффективносп пылеочистки, анализ которых позволяет сделать ряд заключений. В частности наибольшее влияние на Э оказывает скорость газа и наружный диаметр труб > пленкой жидкости, а положительное влияние увеличения \Л/ п п имеет затухающш характер.

О 5 10 15

XV, м/с;п, рядов; ЬгЬ2

0,015 0,025

-г

-г

0,035 0,045 0,055

¿о, м

Рис. б. Влияние скорости газов (IV), наружного диаметра труб (й0), количества рядов труб в пучке (п) и произведения относительных шагов труб (Л, -Л2) на эффективность пылеулавливания:

1. Э от IV при с/0= 0,02 м,

/7,= 2,йг= 2, п = 10 рядов;

2. Э от б0 при Ш = 8 м/с,

/),= 2, Л2 = 2, п = 10 рядов;

3. Э от п при Ш = 8 м/с,

</„= 0,02 м, /?, = 2, Л2= 2;

4. Э от Л,'Л2 при IV м/с,

с/0= 0,02 м, п = 10 рядов.

Доверительный интервал 7^=3%

Анализ модели, описывающей влияние определяющих факторов на эродинамические потери в теплоутилизационном газоочистном аппарате (рис. 7), озволяет сделать вывод о том, что этот аппарат характеризуется достаточно низким эродинамическим сопротивлением и это обстоятельство является его ополнительным существенным преимуществом.

Рис. 1. Влияние скорости газов

АР, Па

п, рядов -!—

10

0,015 0,025

0,035 0,045 0,055 сЪ, м

-1-1-1

0,05 0,1 0,15

0,2 0,25 Бг, м

(IV), наружного диаметра труб (с/0), количества рядов труб в пучке (л) и поперечного шага труб (32) на аэродинамическое сопротивление аппарата:

1. ДР от ^гтри с/„= 0,02 м, Э, = 0,075 м, в2 = 0,075 м,

п = 10 рядов;

2. ДР от ба при IV = 8 м/с, 5,= 0,075 м, Б2= 0,075 м, п = 10 рядов;

3. ДР от п при РГ = 8 м/с, с/0= 0,02 м; Б, = 0,075 м, 52= 0,075 м;

4. ДР от Э2 при Ж = 8 м/с, ёа= 0,02 м, 3,= 0,075 м

Л = 10 ряДОВ;

Доверительный интервал ¿¡=3,2 Па

Уравнения (4), (5) и (6) представляют математическую модель газоочистнол теплоутилизационного контактного аппарата, на основании которой разработан программа расчета на ПЭВМ «ГОГУК» показателей, определяющих ег. конструктивные размеры и степень очистки газов от пыли.

В пятом разделе приводятся результаты исследований разработанно: системы утилизации теплоты и очистки газов в промышленных условия ОАО «Константиновский стекольный завод». Она включает в себя следующи основные узлы (рис. 8): контактно-поверхностный теплообменник (1), дымосос (2 емкость для промежуточного теплоносителя (3), насос (4), устройство отвод концентрированного раствора ИаОН (5), устройство подвода подпиточной воды (6] устройство отвода шлама (7), распределительную камеру промежуточног теплоносителя (8), каплеуловитель (9).

Рис. 8. Схема опытно-промышленной теплоутилизационной установки и Константиновском заводе стеклоизделий

Испытания опытно-промышленной системы проводились на рабочих режима стекловаренной печи производительностью 12500 кг/ч. В качестве промежуточног теплоносителя на основании предварительных исследований был выбран водны раствор NaOH, концентрация которого находится в пределах 60...80 %, температура кипения- 124...132°С. Нагретая до температуры 1Ю...115°С сегева вода использовалась для целей горячего водоснабжения завода, что обеспечивае экономию около 1900 тыс. м3 природного газа в год. Значения эффективносх удаления из газов пыли находились в пределах от 90,1 до 90,5 % при низки дополнительных затратах электроэнергии и воды (табл. I). Сравнение технически показателей разработанного газоочистного теплоутилизационного контактам аппарата с известными современными аналогичными устройствами (табл. \ свидетельствует о его преимуществах по вышеуказанным показателям.

Таблица 1

Технические показатели работы установки очистки вентиляционных

№ п/п 1

2

3

4

5

6 Т_ 8

9

10 11

Таблица 2

Показатели различных систем очистки газов_

оказатель Ед-цы измерен. Ротоклон «Урал» Р-20-Т (ВНИИ Энерго-цветмет) ПВПР-17 (ЛенНИИ Гипро-хим) Мокрый пылеуловитель (Франция) Аппарат втипп (НИПИО ТСТРОМ, ДГАСА) Разработанный аппарат ГОТУК (ДГАСА)

роизводи-гльность ТЫС. нм3/ч 20 15 16-24 20 20-25

идравлическое :> противление кПа ДО 7,0 1,6 до 10 до 3,2 0,6

тепень очистки % 97 98 99,0 95-98 90,3

[атериалоемкость кг/1000м1 195 213 130 75,0 82,6

дельный расход >ды кг/1000^ газа 200 1000 50 50 2,55

(асса кг 3900 3200 *200 1020 1900

Образующийся раствор ЫаОН и КОН используется в технологическом роцессе изготовления стекла в качестве добавки в шихту взамен соды. Годовой сономический эффект от внедрения разработанной установки на

выбросов стекловаренной печи

Показатель

Единицы измерен.

Пределы изменения

Среднее значение

Объем очищаемых газов перед газоочисткой

тыс. м /ч м3/с

49,76-70,34 16,42-19,54

64,73 17,98

Объем очищаемых газов при нормальных физических условиях

тыс. м /ч м'/с

20,88-24,84 5,8-6,9

22,86 6,35

Аэродинамическое сопротивление ГОТУК

Па

529,6-574,2

551,9

Температура газов: перед установкой после установки

424-520 117-121

472 119

Температура сетевой воды: перед установкой после установки_

°С

62-70 113-115

66 114

Расход сетевой воды

т/ч

33,5-51,8

42,7

Мощность утилизированных ТВЭР

кВт

1987-2717

2352

Расход воды для подпитки промежуточного теплоносителя

кг/ч

52,8-63,8

58,3

Содержание в газах пыли: перед установкой после установки

мг/нм3

530-580 50,3-55,1

555 52,7

Степень очистки газов от пыли

%

90,1-90,5

90,3

Количество уловленной пыли

кг/ч

10,0-13,8

11,6

ОАО «Константиновский стекольный завод» составил 299,6 тыс. гривен. П< результатам проведенных исследований разработана методика расчета конструирования и подбора основного оборудования газоочистно! теплоутилизационной установки и технологическая инструкция по ее эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана целесообразносг. использования для утилизации теплоты и очистки вентиляционных выбросо: стекловаренных печей, имеющих значительный потенциал тепловых вторичны: энергоресурсов, контактных утилизаторов с промежуточным пылепоглощающш теплоносителем, предотвращающим занос конвективных поверхностей нагрева.

2. Теоретически получено уравнение для средней скорости движени жидкости и установлена возможность увеличения плотности орошения д 1,25 кг/(м с), а толщины пленки до 7-10Л1.

3. Установлены динамические параметры газового потока и конструктивны характеристики конвективной контактной поверхности охлаждения, определяющие эффективность теплообмена и пылеулавливания, а также гидравлические потери : аппарате, которыми являются скорость газового потока, наружный диаметр труб относительные поперечный и продольный шаги трубного пучка и число рядов тру| в нем.

4. Получены уравнения регрессии, представляющие математическую модел разработанного контактного аппарата, путем выделения по данным натурны экспериментов воздействия скорости газового потока, наружного диаметра труб продольного и поперечного шагов трубного пучка и количества рядов в нем : последующего учета этих характеристик в многофакторных исследованиях.

5. Разработанные графо-аналитические методы определения коэффициент теплообмена через пленочный промежуточный теплоноситель, аэродинамически потерь и эффективности пылеулавливания, на основе которых создана программ расчетов на ЭВМ «ГОТУК», позволяют по исходным данным (объем очищаемы газов, их температура, скорость движения, диаметр труб и характеристики трубног пучка) рассчитать и подобрать основное оборудование теплоутилизационног газоочистного аппарата и его энергетические и пылеулавливающие характеристики.

6. Результаты испытаний опытно-промышленной установки комплексно! утилизации теплоты и очистки газов показали ее технологичность при низки энергетических затратах, обеспечили глубокую очистку газов от пыли (более 90 % и возможность утилизации ТВЭР мощностью до 2,5 МВт от одной стекловарение, печи для целей теплоснабжения, а в технологическом процессе изготовления стекл

спользования взамен соды водощелочной эмульсии, образующейся при ьшеулавливании.

7. Разработаны теплоутилизационная газоочистная установка и ;хнологическая документация по ее эксплуатации, которые внедрены в роизводство на Константановском стекольном заводе с годовым экономическим |)фектом 299,6 тыс. гривен.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ГубарьВ.Ф., ДымничА.Х., Удовиченко З.В. Гидравлическое ^противление газоочистного теплоутилизационного контактного аппарата// оммунальное хозяйство городов. - К.: Технжа, 2000,- Вып. 21. - С.102-105.

2. Удовиченко З.В.Утшпзащя теплоти i очищения вщходячих ra3iß отоварних печей// Вюник ДонДАБА. - Макивка.- 1999. Вип. 99-3(17).- С.72-74.

3. ГубарьИ.В. ЯценкоА.Г. Удовиченко З.В. Лукьянов A.B. К вопросу о эагуляции мелкодисперсного аэрозоля// Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 1995.-ып. 95-1,- С.138-140.

4. ГубарьВ.Ф., Гущин A.M., ГубарьИ.В., Удовиченко З.В. Физическая одель тепло- и массообменных процессов в ширмовом теплообменнике// Вестник онГАСА. - Макеевка. - 1996. - Вып. 96-1(2).- С.76-78.

5. Удовиченко З.В., Губарь В.Ф. Использование вторичных энергоресурсов гекольного производства// Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 1996.- Вып. 96-2(3).-.18-19.

6. Сербии В.А., ГубарьВ.Ф., Удовиченко З.В., Грачева B.C. Анализ юбенностей тепломассообменных процессов взаимодействия высоко-:мпературной пыли с жидкостью при мокрой очистке// Вестник ДонГАСА. -[акеевка.- 1998,- Вып.98-2(10).- С.61-68.

7. Удовиченко З.В., Сербии В.А., Губарь В.Ф. Анагаз пдродинам!чних умов ювлювання високотемпературних частинок пилу фшьтруючою р1диною// Вестник онГАСА. - Макеевка. - 1999,- Вып. 99-1(15).- С.90-94.

8. Сербии В. А., Удовиченко З.В., ГубарьВ.Ф., Грачёва B.C. Влияние апологических факторов и конструктивных особенностей на термическую и :сергетическую эффективность теплообменного аппарата// BicHHK ДонДАБА. ->99,- Вип. 99-3(17). - С. 106-109.

9. Губарь В.Ф., Удовиченко З.В. Использование зернистых теплоносителей и утилизации теплоты отходящих газов стекловаренных печей// Актуальные

проблемы современного строительства/ Труды 53-й международной научно технической конференции молодых ученых. - С.-Петербург: 1999.- Ч.П.- С.121-126.

АНОТАЦ1Я

Удовиченко З.В. Угшшацш теплота та очистка вентиляцшних викида скловарних печей в апарал шпвкового типу. - Рукопис.

Дисертац^я на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук з спещальтспо 05.23.03- Вентиляцш, освгтлення та теплогазопостачання. - Донбаськ державна академм будашщтва I архпекгури Мшстерства освгга 1 науки Украши Макнвка, 2000.

Встановлено, що вентиляшйт викиди скловарних печей являються джерелам] значних вторинних енергоресурав, утшпзащя яких ускладнена особливостями пил> що м!ститься в газах, основними компонентами х1м!чного складу якого е оксид натр1я 1 калш.

Теоретично та експериментально обгрунтований концептуальний пцгад д розроблення системи знешкодження вш пилу та угаипзаци теплота газ1в, засновани: на використанш пром! ясного щивкового пилопоглинаючого теплонос1я.

Отримаш р1вняння для розрахунку пдравл!чного опору апарата, коефниент теплообмшу м1ж газами 1 теплоутшпзуючою поверхнею, а також оцшю ефективносп пилоочисгки, що дозволили розробити математичну модель апарата.

Розроблена 1 випробувана промислова установка, створена шженерн методика проектування газоочисно1 системи.

Ключовт слова: вентилящйш викиди, скловарш печ1, yтилiзaцíя, теплота, пил шпвка рщини, газоочисна установка.

АННОТАЦИЯ

Удовиченко З.В. Утилизация теплоты и очистка вентиляционных выбросо стекловаренных печей в аппарате пленочного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук п специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерств образования и науки Украины, Макеевка, 2000.

Установлено, что вентиляционные выбросы стекловаренных печей являютс источниками значительных вторичных энергоресурсов, утилизация которы

атруднена особенностями содержащейся в газах пыли, основными компонентами имического состава которой являются оксиды натрия и калия.

Разработана методика проведения экспериментов. Исследования выполнены а созданной экспериментальной установке с использованием экспериментально-татистического моделирования.

В результате теоретического анализа определены факторы, влияющие на гепень очистки газов от пыли, интенсивность теплообмена через слой ромежуточного теплоносителя и гидравлические характеристики конвективного рубного пучка с наружным омыванием труб пленкой жидкости.

Теоретически и экспериментально обоснован концептуальный подход к азработке системы обеспыливания и утилизации теплоты газов, основанный на спользовании промежуточного пленочного пылепоглощающего теплоносителя.

Получены уравнения для расчета гидравлического сопротивления установки, оэффициента теплообмена между газами и теплоутилизирующей поверхностью, а зкже оценки эффективности пылеочистки, являющиеся математической моделью ппарата.

Экспериментально обоснован выбор промежуточного теплоносителя, в ачестве которого применяется обогащающийся в результате растворения павливаемой пыли высококонцентрированный водный раствор NaOH.

Разработана и испытана опытно-промышленная установка, обеспечивающая гилизацию теплоты газов для целей теплоснабжения, очистку газовых выбросов от ыли на 90,3 % и возможность использования уловленных продуктов в ;хнологическом процессе производства стекла.

Создана методика проектирования газоочистной установки с выполнением 1счетов параметров основного оборудования на ЭВМ по программе «ГОТУК». азработана технологическая инструкция по эксплуатации теплоутилизационной 1300ЧИСТНОЙ системы.

Ключевые слова: вентиляционные выбросы, стекловаренные печи, гилизация, теплота, пыль, пленка жидкости, газоочистная установка.

ABSTRACT

Udovychenko Z.V. Utilization of a heat and cleaning of ventilation ejections of ass furnaces in the film type apparatus. - Manuscript.

Dissertation for Degree of Candidate of Technical Science on 05.23.03 specialty -entilation, lighting and heatgassupply. - Donbass State Academy of Civil Engineering id Architecture of the Ministry of Education and Science of the Ukraine, Makeevka, )00.

Is placed, that the ventilation ejections of glass furnaces are sources of considerabl« secondary power-resources, which utilizing is hampered by features of a dust contained ii gases, principal components of which chemical composition are the oxides of a sodiun and potassium.

Theoretically and experimentally conceptual approach to system development o dust neutralization and utilization of a gases heat based on usage intermedial dustswallowing film heatcarrier is justified.

The equations for account of hydraulic resistance of the apparatus, coefficient o heatexchange between gases and heatutilizing surface are obtained, and also evaluation o dustclean efficiency, which allow to create mathematical model of the apparatus.

Industrial plant is developed and tested and the engineering methodic of designinj gascleaning system is worked out.

Keywords: ventilation ejections, glass furnaces, utilization, heat, dust, film of ; liquid, gascleaning plant.