автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Высокоскоростной струйный аппарат для подготовки и очистки газов, отходящих от сталеплавильных печей

Основные условные обозначения . ^

1. Введение

2. Состояние вопроса.

2.1. Сравнительный анализ работы обычных и эжекционных скрубберов Вентури

2.2. Анализ закономнрностей работы водо-воздушных эжекторов

2.3. Выводы по разделу и постановка задач исследований . 15)

3. Теоретическое исследование некоторых вопросов транспортировки и очистки газов в разрабатываемом аппарате.

3.1. Вывод основных расчетных зависимостей.

3.1.1. Определение оптимальной скорости движения газа в горловине аппарата.

3.1.2. Определение оптимального значения геометрической характеристики центробежной форсунки и необходимой длины горловины аппарата

3.1.3. Оптимальный перепад давлений, развиваемый эжекционной трубой.

3.1.4. Влияние'температуры орошающей жидкости на основные расчетные зависимости

3.2. Математическая модель степени пылеулавливания в аппарате

3.3. Аналитическое исследование влияния влажности газа на коагуляцию частиц пыли с каплями

3.4. Выводы по разделу

4. Лабораторные исследования эжекционного скруббера кал тягодутьевого аппарата.

4.1. Исследование эжекционных свойств аппарата в диапазоне давлений 2-10 МПа

4.2. Влияние температуры орошающей жидкости на энергетические показатели эжектора

4.3. Выводы по разделу

5. Опытно-промышленные исследования аппарата.

5.1. Уточнение основных зависимостей, определяющих эжекционные свойства аппарата. 45;

5.2. Экспериментальное исследование степени пылеулавливания в эжекционном скруббере

5.2.1. Исследование дисперсного состава распылив аемой орошающей жидкости.

5.2.2. Экспериментальная проверка степени пылеулавливания и затрат энергии на очистку газа в эжекционном скруббере

5.2.3. Очистка газов мартеновских печей с использованием орошающей жидкости при температуре 188 °С

5.3. Выводы по разделу

6. Реализация результатов работы в промышленности

Охрана окружающей среды в условиях интенсивного развития промышленности стала одной из важнейших проблем современности. ХХУ и Ш1 съезды КПСС поставили ряд задач перед советской наукой по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. Среди многих мер по разрешению данной проблемы, основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы предусматривается также и увеличение выпуска высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов.

Загрязнение атмосферы вредными технологическими выбросами явилось следствием бурного развития промышленности. Техническое перевооружение сталеплавильного производства, основанное в первую очередь на интенсификации кислородного дутья, привело к значительному увеличению количества отходящих дымовых газов и их запыленности. Это вызвало необходимость применения малогабаритных и эффективных газоочистных аппаратов. В настоящее время в сталеплавильном производстве преобладают установки с применением скрубберов Вентури различных модификаций. Однако, внедрение этих аппаратов встретило значительные трудности. Пыль сталеплавильного производства оказалась склонной к налипанию на поверхность роторов дымососов. Это явление имеет место на заводах За-порожсталь, Днепроспецсталь, Магнитогорском металлургическом комбинате и других предприятиях.

Кроме этого не всегда оказывается возможным, размещать скрубберы Вентури с дымососом в условиях действующих цехов из-за отсутствия необходимых для этого производственных площадей. Это значительно повышает стоимость очистки газов сталеплавильного производства.

Указанные недостатки в значительной мере могут быть устранены за счет использования аппаратов, позволяющих исключить дымососы из системы газоотводящего тракта. Такими аппаратами являются эжекционные трубы Вентури, работающие на принципе перемещения газового потока за счет кинетической энергии струи жидкости, используемой одновременно для отсоса и очистки газов. В этом случае в газоотводящем тракте нет дымососов, а следовательно и всех связанных с их использованием трудностей. Высоконапорные насосы нет необходимости размещать в непосредственной близости от газоходов, поэтому и устанавливать их на территории цехов значительно проще. Результаты теоретических и опытно-промышленных исследований, выполненных в работе, показали, что применение эжекционных скрубберов, в определенных условиях, обеспечивает также и общее снижение затрат энергии на транспортировку и очистку газов.

Следует отметить, что в мокрых аппаратах для очистки газа обычно используется только механическая энергия газового и жидкого потока. В разработанных же эжекционных скрубберах для повышения показателей работы газоочисток может эффективно использоваться и тепло перегретой орошающей жидкости.

Все вышеизложенное вызвало необходимость проведения специальных исследований, связанных с разработкой эжекционных скрубберов, работающих с удельным расходом орошающей жидкости 1-Е л/ м3 очищаемого газа, давлении 3-10 МПа или температуре орошающей жидкости 150-200°С. Аналогичных исследований до настоящего времени не проводилось.

Работа состоит из шести разделов. Первый раздел - введение.

Второй раздел посвящен сравнительному анализу работы обычных и эжекционных скрубберов Вентури, критическому обзору литературы, рассматривающей закономерности работы и опыт применения водогазовых эжекторов в различных областях техники и промышленности. Раздел заканчивается обобщениями, выводами и постановкой задач исследований.

В третьем разделе рассмотрены некоторые теоретические вопросы, касающиеся особенностей работы разрабатываемого аппарата. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры его эксплуатации. Предложены физическая модель влияния влажности газа на коагуляцию частиц пыли с каплями и математическая модель степени пылеулавливания в эжекционном скруббере.

В четвертом разделе описаны лабораторные исследования эжекционных свойств аппарата.

В пятом разделе представлены опытно-промышленные исследования, выполненные на установке производительностью до 20 тыс.м3/ч, которая установлена за мартеновской печью № 7 завода "Запорож-сталь". На этой установке уточнены результаты лабораторных исследований, исследована степень очистки газов мартеновских печей в диапазоне давлений воды 3-10 МПа, а также с температурой орошающей жидкости 188°С.

Шестой раздел состоит из краткого описания промышленных установок, внедренных в производство на основании результатов проведенных исследований.

В заключении сформулированы выводы по работе, подчеркнуто ее отличие от известных работ. Перечислены основные научные и технические результаты работы.

Работа защищена авторскими свидетельствами [28 , 69,70]. Основное содержание работы опубликовано в статьях [i, 39, 54, 62, 66, 67, 68] и доложено на Всесоюзных конференциях и семинарах: "Охрана воздушного бассейна от загрязнения технологическими и вентиляционными выбросами промышленных производств", г.Ереван, 1974 г.; "Очистка промышленных сточных вод и газовых выбросов в атмосферу на предприятиях черной металлургии", г. Донецк, 1974 г.; "Пути совершенствования технологии выплавки ферросплавов в мощных закрытых электропечах", г. Ермак, 1974 г. "Охрана окружающей среды и утилизация ценных отходов в металлургии", Москва,ШСиС, 1978 г.

Предметом защиты диссертациооной работы является следующее:

1. Расчетные зависимости и номограмма для разработки эжекци -онных скрубберов, работающих при давлениях 2-10 МПа и удельных расходах орошающей жидкости 1-2 дм3/м3.

2. Математическая модель процесса пылеулавливания, учитываю -щая к.п.д. аппарата как тягодутьевого устройства.

3. Зависимость увеличения тягодутьевых показателей эжекцион -ной трубы Вентури за счет повышения температуры орошающей жидкости до 190°С.

4. Расчет дополнительного сопротивления, вносимого в газовый поток, при полном испарении нагретой жидкости распыливаемой нав -стречу газовому потоку.

5. Результаты лабораторных и промышленных исследований по установлению оптимальных режимов эксплуатации эжекционных труб, как средств транспортировки и очистки газов сталеплавильного производства.

Нумерация рисунков, таблиц и формул в работе отражает по -строение по разделам ( например, рис. 3.4 означает рисунок раздела 3, номер 4 ).

Пользуясь случаем, автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук Павленко Ю.П. за консультации, оказан -ные в процессе выполнения диссертационной работы.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Получены основные зависимости и разработаны номограммы для расчета высокоскоростных эжекционных скрубберов, как тягодутъевых и пылеулавливающих аппаратов, работающих в оптимальных режимах при давлениях 2-10 МПа и удельных расходах орошающей жидкости 1-2 дм3/м3.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что угол раскрытия факела центробежной форсунки около 25° создает наиболее благоприятные условия для пылеулавливания и эжекции. При этом длина пути торможения капель в горловине эжекционных труб, эксплуатируемых в оптимальных режимах, не зависит от давления воды перед форсункой и составляет 0,8 - I м.

3. Предложена математическая модель процесса пылеулавливания, учитывающая условия энергопередачи от капель жидкости к газовому потоку и позволяющая определить степень очистки газа в аппарате с учетом его к.п.д. как тягодутьевого устройства.

4. Разработана физическая модель, качественно описывающая влияние влажности очищаемого газа на процесс пылеулавливания. В основу модели положено взаимодействие инерционных сил и избыточного давления, возникающего в зазоре между частицей пыли и каплей. Результаты расчетов, выполненных по модели, не противоречат общепринятым представлениям.

5. Результаты опытно-промышленных исследований, выполненных совместно с институтом газа АН УССР, заводом "Запорожсталь" и институтом ВНИПИЧерметэнергоочистка, а также анализ энергозатрат в обычных и эжекционных скрубберах Вентури, показали, что применение эжекционных скрубберов не вызывает повышение суммарных энергозатрат на транспортировку и очистку газов.

6. Установлено, что перегрев орошающей жидкости резко повышает степень отистки газов. Эффективность очистки от пыли газов мартеновских печей, равная 98-99$, получена при удельном расходе 0,75 л/м3(н), температуре 188°С и давлении воды перед соплом 1,5 МПа. Для получения подобных показателей без перегрева жидкости необходимо давление воды около 10 МПа. На этой основе, совместно с институтом ВНИПИЧЭО и Магнитогорским металлургическим комбинатом, разработан новый способ очистки газов.

7. Эяекционный скруббер Вентури внедрен на ряде промышлен~ ных объектов.

На предприятии п/я М-5143 промышленная установка предназначена для транспортировки и очистки взрывоопасных, запыленных технологических газов. Экономический эффект от внедрения составляет 14 тыс. рублей в год.

Тонкое распиливание воды с температурой 180°С соплом Лаваля позволило получить полное испарение капель в газовом потоке и на этой основе внедрить на Магнитогорском металлургическом комбинате две установки по подготовке мартеновских газов к очистке в электрофильтрах. В результате внедрения повышена степень очистки газов с 91% до 95,5$.

Полученные разработки использованы институтом "ВНИПИЧЭО" при проектировании смешивающего струйного подогревателя для промышленной газоочистной установки мартеновской печи Л 17 Магнитогорского металлургического комбината, работающей на перегретой воде. Общий ожидаемый экономический эффект 240 тыс. рублей. Долевое участие ЗИИ - 40 тыс. рублей.

1. Эжекционная очистка газов электротермических печей. / Ильинков Д.В., Мальц B.C., Павленко Ю.П. и др. - Бюллетень "Цветная металлургия". 1975, № 20, с. 62-64.

2. А.с. 242132 (СССР) Эжекторный скруббер./ Г.К. Лебедюк Заявл. 07.12.67. № 832135; Опубл. в Б.И. 1969, № 15.

3. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты.- м.: Энергия, 1970. . 287 е., ил,

4. Патент 2035683 ( США ) Метод и устройство для очистки и удаления загрязненных промышленных газов / Лоренс Е., Сейдлер М., Гуссел X., Витт И. Монхен, 1971. - 29 е., ил.

5. Tfiomad R. B&IC?, W. Leon Martin. At*г poituiionсопЫР шЬт at Lone б/ее?>3 open JeaitK bHop, O-zonand бМ Entfneei. Ю6, T-4.M3-M.n И E cuzdeniez, SutmLcZon Mticy&i 6c?uMtnMM9\Lo pY^S'S^Uk. qapea, W «Ю. fiM-M

6. Опарышева В.Т. Новая система отвода и тонкой очистки отходящих газов.- Экспресс-информация ЦНИИЧМ., 1975, серия 22, № I, В е.,ил.

7. Славутский Б.П. Повышение эффективности улавливания мелкодисперсной пыли при мокрой очистке конденсационным способом.- Сталь, 1969, № 9, с. 863.

8. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. М.: Химия, 1975. 216 е., ил.

9. Е6. Бутаков С.Е. Воздухопроводы и вентиляторы. Аэродинамика вентиляционных установок. Свердловск: Машгиз, 1961. - 193 с. ил.

10. Баулин К.К, 0 расчете эжектора. Отопление и вентиляция. 1938, № 6, с. 14-17.

11. Гервасьева М.М. Расчет воздушного эжектора на оптимальный режим работы. Водоснабжение и санитарная техника. 1968, № II, с.25^28.

12. Бутаков С.Е. Основы вентиляции горячих цехов.-Свердловск: Метал-лургиздат, 1962. 288 с. ил.

13. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве.- М.: Стройиздат,1970♦ 415 е., ил,

14. Кимура Нарис, Абэ Дзиро, Иия Киньити. Фундаментальные исследования водоструйного скруббера. Кагаку кагаку. I960, т. 24, № I, с. 28 - 32.

15. Берман Л.Д., Ефимочкин Г.И. Особенности рабочего процесса и режим работы водоструйного эжектора. Теплоэнергетика. 1964, № 2, с. 31 - 35.

16. Берман Л.Д., Ефимочкин Г.И. Расчетные зависимости для водоструйных эжекторов. Теплоэнергетика. 1964, № 7, с. 44 - 48.

17. Берман Л.Д., Ефимочкин Г.И* Методика расчета водовоздушного эжектора. Теплоэнергетика. 1964, № 8, с. 92-94.

18. Торф А.И., Максимов В.Ф. К вопросу о принципе действия струйных аппаратов. Труды Ленинградского политехнического института целлюлозно-бумажной промышленности. Выпуск 17, Лесная промышленность, 1965, с. 108 - 115.

19. Лебедюк Г.К., Юрчик Э.Ф. Эжекционные скрубберы: Краткие методические указания по подбору, расчету, проектированию и эксплуатации. M.s НИИОГАЗ, 1971. - 32 е., ил.

20. Товбин М.В., Даценко Д.Ф., Кривцова Л.Ф. К вопросу о захвате частиц водного аэрозоля. Коллоидный журнал, 1962, том ХХ1У, вып.1, с. 92.

21. А.С. 782844 (СССР) Устройство для очистки газов / Ю.П. Павленко, Г.К. Лебедюк, И.Г. Резниченко и др. Заявл. 09.01.79 № 2710697; Опубл. в Б.И. 1980, № 44.

22. Славин В,И. О влиянии орошающей жидкости на гидравлическое сопротивление труб Вентури: Сборник научных трудов / институт ВНИПИЧерметэнергоочистка. М.: Металлургия, 1971, с. 126 - 127.

23. Волковинский В.А., Роддатис К.Ф., Хорламов А.А. Мельницы-вентиляторы. М.: Энергия, 197Г. - 288 е., ил.

24. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. M.: Энергия, 1970. - 423 е., ил.

25. Гурченок А.А. Истечение кипящей воды через цилиндрические насадки.- Диссертация кандидата технических наук. Томск* 1954. -168 с*, ил.

26. Положий С.В. Экспериментальное исследование адиабатического парообразования при течении в насадках, Энергетика. 1963, № 9, с. 78-84.

27. Калинин Ю.Ф. Исследование потоков самоиспаряющейся жидкости в соплах и применение их в струйных аппаратах. Диссертация кандидата технических наук. - Москва-Николаев, 1971. - 191 е., ил.

28. Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника. М.: Металлургия, 1974, том I. - 672 е., ил.

29. К методике приближенного расчета эжекционных смесителей Вентури газоочистных установок / Сорока B.Ci, Еринов А.Е., Легкобыт Л.Б., Павленко Ю.П. Химическая технология, 1972, № 3, с. 44.

30. Павленко Ю.П., Резниченко И.Г., Старк С.Б. Расчет эжекционных труб Вентури, работающих на перегретой жидкости. ~ Промышленная и санитарная очистка газов, 1979, № I, с. 3-4.

31. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: ГИТТЛ, 1954. - 507 е., ил.

32. Колпаков А.В. Слияние капель воды при соударении. Физика аэродисперсных систем. 1979, № 19. с. 3-5.

33. Колпаков В.А. Некоторые задачи теории взаимодействия капель воды при соударении. Физика аэродисперсных систем. 1980, № 20, с. 19 - 22.

34. Романенко В.Н., Контуш С.М. Уравнение взаимодействия малой капли с плоской поверхностью. Физика аэродисперсных систем. 1977, № 16, с. 27.

35. Маликов Б.А., Прохоров П.С. Силы, препятствующие слиянию водных капель при длительном контакте. Экранизирующее действие поверхностно-активных веществ. Физика аэродисперсных систем. 1977, № 16, с. II - 15.

36. Борисенко А.И., Кулешов В.Н., Потапенко А.Е. Опытное исследование испарения капель воды в нагретом воздушном потоке. Физика аэродисперсных систем. Изд. Киевского ун-та, 1972, № 6, с.26-28.

37. Чаленко В.Г., Гельман Л.А., Пестун Т.О. Влияние монослоев поверхностно-активных веществ на скорость испарения воды. Физика аэродисперсных систем. 1970, № 2, с. 28.

38. Кинетика фазовых переходов на каплях перегретых и переохлажденных жидкостей / Глушков В.Е., Федосеева Н.В., Беккер М.Б., копыт Н.Х. Физика аэродисперсных систем. 1977, № 16, с. 16.

39. Кудрицкий С.Б., Григорян Е.Н., Чайчук С.А. Температурная зависимость коэффициента конденсации на поверхности капли воды, покрытой монослоем метилового спирта. Физика аэродиоперсных систем. 1978, № 17, с. 8 - 9.

40. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд. АН СССР, 1958. - 91 е., ил.

41. Пейсахов И.Л., Лютин Ф.Б. Атлас диаграмм и номограмм по газопылевой технике, М.: Металлургия, 1974. - 116 е., ил.

42. Разработка форсунок для высоконапорных эжекционных труб Вентури/ Резниченко И.Г., Павленко Ю.П., Белугина В.А., Белявская Е.М. -Промышленная и санитарная очистка газов, 1975, № б, с. I 3.

43. Зысин В.А., Баранов Г.А. Вскипающие адиабатные потоки. М.: Атомиздат, 1976. - 292 с. ил.

44. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: 1979 .- 191 е., ил.

45. Махин В.А., Присняков В.Ф., Токарь И.Ф. Теория истечения кипящей жидкости через центробежную форсунку. Авиационная техника. 1962, № 3, с. 166 176.

46. MvA<j«!& R.A,, Evans H.t), J*<}„ En<j,. c&im, 1959, ^43, p. 1317.

47. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пы~ лей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1971. - 280 е., ил.

48. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. -Л,: Химия, 1969. - 428 с.

49. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М.: Химия, 1975. - 216 е., ил.

50. Резниченко И.Г., Павленко Ю.П., Тверской А.А. Увлажнение газов, очищаемых электрофольтрами. Промышленная и санитарная очистка газов, 1978, № 5, с. 7-8.

51. Булгакова Н.Г., Янковский С.С. Инструкция по определению запыленности газов в производственных условиях. М.: НШОГАЗ, 1978. - 37 е., ил.

52. Гаврилов Е.Е., Тандура И.П., Павленко Ю.П. Основы научных исследований. Днепропетровск: ДМетИ. 1976. - 116 е., ил.

53. Гордон Г.М.,Пейсахов И.Л. Контроль пылеулавливающих установок.- М.: Металлургия, 1977. 455 е., ил.

54. Испытания эжекционной трубы Вентури / Павленко Ю.П., Танду-ра И.П., Супруненко Р.С. Бюллетень "Черметинформация"Л974, № 22, е. 58.=

55. О целесообразности применения эжекционных труб Вентури для очистки технологических газов / Резниченко И.Г., Павленко Ю.П., Толмачев В.И. и др. Химическая технология» 1975, № 6, с.58-60.

56. Повышение эффективности пылеулавливания в эжекционной трубе Вентури при орошении перегретой жидкостью / Резниченко И.Г., Павленко Ю.П., Толмачев В.И. и др. Бюллетень "Черметинформация". 1976, № И, с. 57 - 58.

57. А.с. 728890 (СССР) Способ очистки газов от высокодисперсных частиц пыли. / Ю.П. Павленко, И.Г. Резниченко, С.Б. Старк и др. Заявл. 26.05.76 Н» 2363022; Опубл. в Б.И. 1980, № 15.