автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Высокотемпературная очистка дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов

На правах рукописи

к

ГАСАНОВ ЗУГУМ САГИДОВИЧ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Специальность 05,23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ДПР 2013 005057952

Воронеж — 2013

005057952

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Панов Сергей Юрьевич

Официальные оппоненты: Мозговой Николай Васильевич

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет / кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, профессор

Чудинов Дмитрий Михайлович кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет / кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита диссертации состоится 16 мая 2013 года в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220; тел./факс: (473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещён на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 15 апреля 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета — А.И. Колосов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007—2013 годы» (государственный контракт ГК№ 16.516.11.6129).

Актуальность темы. Появление новых технологических процессов, нарастающее загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления, а также повышение стоимости электроэнергии стимулировало в последние годы развитие отрасли переработки отходов с целью получения из них различных видов топлива для использования на тепловых электростанциях. Рекуперация энергии из сжигаемых отходов при средней их теплотворной способности около 10 МДж/кг обеспечивает дополнительные преимущества.

В качестве исходного сырья для получения топлива могут быть использованы отработанные масла, отходы переработки пищевых продуктов (птичий помет, кости и субстанции животных, свекловичный жом и т.д.), использованные шины, полимерная тара, отходы деревообрабатывающих предприятий и многое другое.

Утилизация тепла и энергии отработанных газов (например, с помощью теплообменников, расширительных турбин) обеспечивает экономию топлива на 7—15 %, удельных капиталовложений до 25 % и электроэнергии до 15 %. Однако непременным условием эффективной и надежной работы теплообменных аппаратов является осуществление высокотемпературной очистки газов с высокой степенью эффективности.

Так, например, в процессе газификации твердого топлива в системах с комбинированным циклом дымовые газы, поступающие на турбину, должны быть очищены до остаточной концентрации, не превышающей 4 мг/м3, причем 99 % частиц должно быть менее 6 мкм, а наличие частиц размером более 10 мкм в дымовых газах вообще не допускается. Такие жесткие нормы пыле-содержания можно обеспечить лишь методом очистки фильтровальными перегородками.

Имеющийся практический опыт использования высокотемпературной очистки показал, что, кроме утилизации тепла газов, потенциальные преимущества ее могут выражаться также в возможности:

- повышения срока службы оборудования за счет эксплуатации его выше точки росы (в особенности кислотной);

- экономии капитальных и эксплуатационных затрат;

- повторного использования и рециркуляции очищенных горячих газов.

Высокотемпературная очистка газов фильтрами при температурах 500—

800 °С предлагает решение многих проблем, однако сам процесс фильтрования при этих температурах мало изучен, что не позволяет правильно выбрать эксплуатационные параметры работы фильтра.

Необходима объективная социально-экономическая оценка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продук-

тов переработки отходов, что позволит в дальнейшем реализовать бизнес-планирование инновационных проектов.

Цель работы — разработка научно-технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов котельных.

Задачи исследования:

- исследование кинетики процесса высокотемпературного фильтрования;

- исследование зависимости эффективности работы системы регенерации высокотемпературного фильтра;

- исследование очистки газов от комплекса токсичных компонентов и оценка влияния сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок;

- исследование работы высокотемпературного фильтра при изменении параметров отходящих газов пиролизной установки;

- исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра, что позволит создать прототип установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов.

Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании классических закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных Н. А. Фуксом, И. В. Петряновым-Соколовым, Е. П. Медниковым, В. А. Жужиковым, Т. А. Малиновской, И. Е. Идельчиком, Ю. В. Красовицким, А. Ю. Вальдбергом, и обеспечиваются использованием стандартизованных методов исследований, положительными результатами сопоставительного анализа расчетных, экспериментальных и литературных данных, а также проверкой предложенных решений в промышленных условиях. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20 % с доверительной вероятностью 0,95.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В соответствии с поставленной целью предложен, научно обоснован, разработан и реализован новый способ высокотемпературного фильтрования дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов; способ состоит в комплексной очистке от ряда вредных компонентов, способствующей высокоэффективному и энергосберегающему использованию фильтровальных перегородок различного типа;

2. Разработана математическая модель процесса улавливания на фильтровальном элементе с работающим слоем катализатора и учётом диффузионного осаждения. Отличие модели от известных состоит в том, что включает уравнение для определения коэффициентов массоотдачи в слое катализатора с учётом режимов движения газового потока;

3. На основании предложенной математической модели определены и экспериментально проверены условия регенерации различных фильтровальных материалов с разной концентрацией аэрозоля, скоростью подачи пылегазового

потока, температурой процесса, видами катализатора, концентрацией и количеством подаваемого сорбента и давлением регенерирующего импульса при комплексной очистке дымовых газов с учетом сопутствующих массообменных процессов;

4. Экспериментальная проверка подтверждает гидродинамическую обстановку и условия регенерации, возможность проведения процесса фильтрования с регулируемым перепадом давления на фильтровальной перегородке, а также показывает высокую эффективность комплексного улавливания твёрдых частиц и нейтрализации вредных газовых компонентов;

5. Определено влияние сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию. Установлено, что при прохождении аэрозольного потока через слой катализатора, где протекает гетерогенная каталитическая реакция, частицы осаждаются в слое катализатора во много раз интенсивнее. Эффект осаждения аэрозолей с работающим катализатором определяется влиянием катализофореза, выраженного в совместном действии термофореза, диффу-зиофореза, электрофореза и фотофореза;

6. Разработаны алгоритмы и программный комплекс расчёта процесса фильтрования с учётом осаждения на работающем слое катализатора. Интерфейс обеспечивает визуальный анализ работы установки и её режимные параметры, а также изменение гидравлического сопротивления слоя катализатора во времени.

Практическая ценность диссертации. На основе предложенных моделей и экспериментальных исследований разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего фильтровального оборудования, обеспечивающие комплексную высокотемпературную очистку дымовых газов.

Достоверность научных разработок подтверждена экспериментальными исследованиями в промышленных условиях (ОАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ООО НПП «АГК-ТК», Филиал ОАО «Татспиртпром» Тюр-нясевского спиртзавода).

Предложенные в работе технические решения внедрены на ОАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ООО «Придонхимстрой Известь» (г. Рос-сошь, Воронежская область), ООО «ТЕХИНМАШ.

Для реализации высокотемпературных фильтров-пылеуловителей разработаны перспективные конструкции (пат. РФ 2437710, 109984, 109985, 109987), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

Результаты работы также используются в учебном процессе Воронежского государственного университета инженерных технологий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010 г.); научно-практической конференции «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» (Воронеж, 2010 г.); XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и

химических производств» (ЭПАХПП-2011) (Воронеж, 2011 г.); 4-й международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011 г.); XI международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2011 г.); 3-й всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность» (Казань, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012 г.).

Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 5 научных статьях общим объёмом 13 страниц. Пять работ опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Новые огнеупоры», «Строительные материалы», «Химическое и нефтегазовое машиностроение».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работах [1, 2, 5] показаны особенности и проблемы, возникающие при высокотемпературном фильтровании с использованием различных обработок и покрытий, и влияние их на регенерацию; в работе [3] предложены перспективные способы измерения влажности, температуры и подсосов воздуха в пылегазовых трактах; в работе [4] рассмотрены различные виды коагуляций частиц мелкодисперсной фазы и механизмы использования энергосберегающего пылеулавливания. Получено четыре патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и четырех приложений. Диссертация изложена на 175 страницах основного машинописного текста и содержит 55 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, указаны объекты и предметы анализа, методы проведения экспериментов, научная новизна диссертации, практическая значимость и апробация полученных результатов.

В первой главе проведен анализ способов пиролизной переработки различных видов отходов с получением топливных продуктов.

Выявлено, что при сжигании продуктов переработки отходов образуется значительное количество загрязняющих веществ, многократно превышающее предельно допустимые значения выбросов.

На основе литературных источников проанализировано современное состояние проблемы газоочистки в теплоэнергетике, технологических процессах химической и смежных отраслей промышленности. Обзор показал, что в последние годы наметилась тенденция к расширению области применения комплексных методов высокотемпературной очистки отходящих газов.

Для высокотемпературного фильтрования в основном выделяют два приложения:

1. Очистка в зернистых фильтрах, сопровождающаяся пропусканием запыленного газа через насыпной слой различных гранул. В этом случае уловленная пыль вместе с насыпкой периодически удаляется из корпуса фильтра;

2. Очистка в керамических или металлических фильтровальных элементах, сопровождающаяся отложением на внешней поверхности элемента пылевого осадка, который должен быть периодически с поверхности удален.

Вторая группа фильтров рассматривается как наиболее перспективная. К ней относят аппараты, включающие регенерируемые фильтровальные элементы из высокотемпературных проницаемых материалов (стеклянные, металлические, керамические).

Анализ материалов, приведенных в первой главе, позволил сформулировать основные задачи работы.

Во второй главе проведена разработка возможных направлений проведения высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов и определены методы исследования решаемой проблемы.

Выбор метода очистки отходящих газов определяется на основании технико-экономических расчетов и зависит от характеристик очищаемого газа (объема, температуры, концентрации извлекаемого компонента и сопутствующих газообразных или твердых примесей), наличия того или иного хемосорбента, потребности в продуктах утилизации; требуемой степени очистки газа и т. д.

В предлагаемом процессе три загрязнителя (50х, N0, и твердые частицы) удаляются из дымовых газов в высокотемпературном рукавном фильтре.

В качестве хемосорбента использовали карбонат кальция, полученный в качестве побочного продукта при производстве нитроаммофоски на заводе ОАО «Минудобрения».

Процесс (рис. 1) имеет несколько потенциальных преимуществ:

1. Операции удаления частиц, 80х и КОх проводятся в одном аппарате, что позволяет рационально использовать промышленные площади и снижать капитальные затраты.

2. Более длительная работа катализатора, так как Б02 и твердые частицы удаляются из дымовых газов на входе в катализатор, сводя к минимуму его отравление и забивку.

3. Использование в качестве катализатора цеолита позволяет избежать потенциально опасных отходов катализаторов, содержащих такие металлы, как ванадий.

4. Увеличение тепловой эффективности котла. Сорбенты подаются, а продукты улавливания удаляются в сухом виде, теплота газов не теряется при взаимодействии с водой.

5. Удаление кислых компонентов происходит вверх по течению от теплообменной аппаратуры, что практически предотвращает кислотную точку росы и способствует повышению долговечности этих аппаратов.

Труба

Высокотемпературный рукамшй фигіь'ф

Тошною-'

Воздух —і

Кятолизи гор

Рис. 1. Схема очистки газов котельной при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов

Сухие продукта улавливаю ія

Разработаны методика экспериментальных исследований и лабораторная установка высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов.

В третьей главе представлен анализ результатов экспериментов. Проведены оценка и выбор высокотемпературных фильтровальных материалов для тонкой очистки дымовых газов.

В работе исследовались керамические фильтровальные материалы — кварцевая ткань, кварцевый фетр, волокнистая спеченная керамика, плотные гранулированные фильтры, перспективные для применения в диапазоне температур 500—850 °С.

При высокотемпературном фильтровании отмечается существенный рост гидравлического сопротивления, связанный с повышением вязкости очищаемых газов и сжатием пылевого осадка.

В процессе изучения степени влияния различных факторов на характер осаждения аэрозолей при комплексной очистке газов выяснили, что коэффициент улавливания существенно зависит от активности катализатора и температуры процесса катализа.

Эффект осаждения аэрозолей работающим катализатором определяется влиянием нескольких сил (термо-, диффузио-, электро- и фотофореза), совместное действие которых можно назвать катапизофорезом.

Данные по очистке оксидов серы активным карбонатом кальция приведенные на рис. 2а, показывают высокую эффективность улавливания оксидов серы на уровне 99—99,4 %.

При этом очистка от оксидов азота составила 90—94 %. Такая высокая эффективность активированного карбоната кальция объясняется наличием в его составе аммиачных примесей, выделяющихся при повышенных температурах и способствующих каталитическому восстановлению оксидов азота до элементарного азота.

б)

С,мг/мэ ..--------——

9Й0 *'

Рис. 2. Эффективность улавливания ЧСЪ: а) активным карбонатом кальция; б) карбамидом

В процессе очистки дымовых газов карбамидом в парогазовой смеси происходит восстановление оксидов азота до молекулярного азота, диоксид серы реагирует с образованием сульфата аммония.

Экспериментальная проверка показала высокие значения эффективности улавливания токсичных оксидов азота — 97—98 %, и удовлетворительную эффективность улавливания оксида серы (рис. 26) — 73—91 %.

В четвертой главе рассмотрены различные модели с известными допущениями для описания кинетических особенностей процесса.

Установлено, что при следующих параметрах: частицы с массовой концентрацией до 1 ■ 10"3 кг/нм3 и значением с/т < 1,0-10 ' м — фильтрование в слое нанесенного на поверхность фильтровального материала катализатора идет с закупориванием пор без образования автофильтра в стационарный период.

Анализ экспериментальных данных показал определяющую роль диффузионного механизма осаждения высокодисперсных частиц, если численное значение безразмерного времени релаксации частиц ^<0,22. При этом значение Гч+ определяют по формуле

+ _ dlp.pl

Ч 10 2 • '

р

Для частиц аэрозоля с диаметром меньше 10-10"6 м основными силами, удерживающими их на поверхности зерен, являются адгезионные силы.

Уравнение материального баланса для высокодисперсных частиц с низкой объемной концентрацией при условии пренебрежения величиной осевой диффузии по сравнению с конвективным потоком для одномерного потока примет вид

ди \ дN ^ дЕ

-н----— = --■ (2)

59 е дХ " 56

Предполагая линейный характер изменения коэффициента уноса К от величины накопления осадка в слое, при условии, что К^ ^ = 1 и К^^ = 0, получим

/г _ /г

к=т г ' (3)

или

Е — Е

1 -К =-¡2-. (4)

Изменение порозности зернистого слоя во времени, учитывая (4), представим зависимостью

— = —ТЕ • N ■ — Е). (5)

Коэффициент уноса можно задавать зависимостью, полученной экспериментально-статистическими методами, тогда (4)—(5) принимает вид:

Начальные и граничные условия для системы (2), (5) с учетом принятых допущений запишутся следующим образом:

ГЛ?(0,8) = 1, ГА'(Х,0) = 0,

£(0,в) = Епр. [Е(Х,0) = Е0.

Так как необходимо решать задачу на конечной области, т.е. 0 < X < 1, 0 < в < 9К, то в качестве сетки выбрана совокупность точек пересечения прямых Х= /'•ДА', 9 = }-Ав, = 0, 1,..., где -АХ> 0, Ав> 0 — шаг сетки. Искомыми сеточными функциями являются таблицы АГ= N (¡-АХ, /Лв), Е = Е (/•АХ,]-Ав) значений решения Ы(Х, в), Е (X, в) системы уравнений (7) в точках сетки.

По определению сеточных функций £/+1 = £(= Лг(в',Х,+1);

/У/^1 = /V (б1, ^, получим разностную схему:

- лу _1_ ^ Е/+1-Е!

де + Е>' АХ " де '

¿=1,2,...; 7 = 0, 1,.... (7)

Е'*1 - Е> Е> -Е , ч

' с _ г V ' /

де

Начальные и граничные условия в конечно-разностной форме:

К = /-1,2,...; у-О,......

| ц-е,. | £*-£„.

Разностные уравнения решаются относительно .V/41 и £/ ', т.е.:

е' - е - р1 -7 ■ Ы> • —2_^

Л"+1 =

л// + 2„\е;+х-е!)

(9)

где М ' =

де 1 , е/ + е£ .

---. &Я,----> Лср

1 + м>

ту/+лг/:1

1, 2, = О, 1,..

ДА' £4' ~ср 2 ' ср 2 При реализации данного метода решения необходимо сформировать начальный фронт изменения порозности слоя катализатора и концентрации аэрозоля. Для этого при расчете текущего значения порозности необходимо присваивать данной переменной значение начальной порозности е0 до тех

пор, пока не будет выполняться следующее условие:

р -

1 (Ю)

Для данной системы конечно-разностных уравнений составлен алгоритм решения, который представлен в виде блок-схемы.

Метод решения был реализован в виде программы расчета профилей изменения концентрации аэрозоля п и порозности слоя е как функций продольной координаты л- и времени г(рис. 3).

Гкдрвепкчеаюе сопрвп>вп»кле

О,«Я I 0.<£82

§ 0,403-I 6.402

I о,<02 0.«®2-<•,«02

> 8 9 10 11 12 13 14 15 1в ТОЧКИ КОЖ

яормиясгть слоя кагвпнзкгщю

нвшдекГреция в2{М>50ПЯ

. й^-г:.: ;...

012-5 456709 1011 12 1314 1613 1716 1Э

0.005 0.118« й.СС* 8.003 0.003 0.0020.092 0.091 0.001

щ

0 12 3 4 е 7 3 1 11 121314 1516171619

Рис. 3. Пример решения программным продуктом п

В пятой главе рассмотрены инженерные и социально-экономические аспекты работы и приведены конкретные рекомендации по повышению эффективности систем регенерации высокотемпературных фильтров на основе применения разработанных систем.

Так, из-за высоких температур пыль лишена как физически, так и химически связанной воды. Удаленная в результате регенерации с поверхности пыль не осаждается в бункер, а захватывается поступающим пылегазовым потоком и вновь транспортируется к фильтровальной поверхности, вследствие чего увеличивается гидравлическое сопротивление. Интенсификация процесса удаления осадка с поверхности фильтровального материала связана с созданием достаточно большой движущей силы близко к фильтровальной перегородке, которая будет препятствовать образованию слоя пыли на фильтровальной перегородке и по своему значению должна превышать адгезионную и аутогезионную силы.

Для этих целей предложен ряд конструктивных решений, полученных в результате исследований и реализованных в модельных фильтрах (пат. РФ 2437710, 109984,109985,109987).

Для исследования характеристик различных модификаций фильтра применили расчётные пакеты программ, построенные с использованием методов вычислительной гидрогазодинамики.

Паток, набегая на фильтровальную перегородку и противоположную стенку, закручивается. Вращательное движение пылегазового потока способствует удалению частиц на фильтровальном элементе, а при повешенном зазоре образуются горизонтальные вихри, что также способствует более эффективной очистке полости фильтра (рис. 4, 5).

Зазор 1 мм

Зазор 5 мм

Рис. 4. Поле скоростей пылегазового потока в плоскости симметрии фильтра

Зазор I мм

Зазор 5 мм

Рис. 5. Траектории движения пылегазового потока в горизонтальном сечении фильтра, проходящем через оси патрубков

Технико-экономическая оценка рыночного потенциала установки по пиро-лизной переработке отходов, оснащенной предложенным устройством очистки отходящих газовых выбросов, выполнена посредством БХУОТ-анализа и показала высокие конкурентные преимущества.

Приложения содержат характеристики пылегазовых потоков, математическую модель, программный продукт, результаты обработки экспериментальных данных, а также документы, подтверждающие научное, научно-методическое и практическое использование выполненных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В соответствии с поставленной целью предложен, научно обоснован, разработан и реализован новый способ высокотемпературного фильтрования дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов. Способ состоит в комплексной очистке от ряда вредных компонентов, способствующей высокоэффективному и энергосберегающему использованию фильтровальных перегородок различного типа.

2. Изучено влияние сопутствующих массообменных процессов в высокотемпературном фильтровании дымовых газов; определено, что при концентрации сорбента в пылегазовом потоке 10—30 % от объёма твёрдой фазы, поступающей в аппарат, гидравлические характеристики и регенерационная способность повышаются на 10—40 %.

3. В одном аппарате оригинально объединены механическая очистка от твердых примесей и химическая от оксидов SOx и NOx и приведены экспериментальные данные, по которым оптимально подобран процесс фильтрования.

4. Установлена роль активного слоя катализатора на поверхности фильтровального элемента в повышении эффективности улавливания аэрозольных частиц и регенерирующей способности.

5. Разработана и проанализирована новая математическая модель, представляющая собой систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая процесс улавливания частиц в стационарных зернистых слоях работающего катализатора при постоянной скорости фильтрования с закупориванием пор и с учетом диффузионного механизма осаждения. Получено аналитическое решение системы уравнений модели, позволяющее описать кинетические закономерности и определить параметры процесса фильтрования в различные моменты времени.

6. На основе разработанной математической модели предложен метод расчета, позволяющий определять рациональные режимы работы фильтров и их конструктивные размеры, а также реализующий пакет прикладных программ. Разработанное ПО функционирует в операционных системах семейства Windows 95, 2000, ХР, Vista, 7. Средой проектирования является Borland С++ Builder, математический пакет Mathsoft Mathcad 13, набор библиотек Borland Database Engine (BDE).

7. Разработаны, защищены патентом РФ и апробированы новые конструктивные решения аппаратов для высокоэффективной очистки газовых гетерогенных систем с твердой дисперсной фазой.

8. Особое внимание заслуживают инновационные перспективы выполненных исследований, представляющие интерес для широкого круга предприятий.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Гасанов, З.С. Анализ условий системы регенерации высокотемпературных фильтров пылеулавливания в огнеупорном производстве / С.Ю. Панов, Ю.В. Красовипкий, З.С. Гасанов // Новые огнеупоры. —№ 3. —2012. — С. 50.

2. Гасанов, З.С. Способы обработки фильтровальных материалов для тонкого обеспыливания и стабильной регенерации / С.Ю. Панов, Е.В. Архангельская, Ю.В. Красовицкий, З.С. Гасанов // Химическое и нефтегазовое машиностроение,—№ 1, —2012, —С. 33—35.

3. Гасанов, З.С. Рациональное измерение влажности, температуры и подсосов воздуха в пылегазовых трактах при производстве строительных материалах / Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов, Е.В. Романкж, З.С. Гасанов, Ю.И. Макарова, В.П. Мануковская // Строительные материалы. — № 1. — 2012. — С. 22—23.

4. Гасанов, З.С. Коагуляция частиц дисперсной фазы в пылегазовых потоках при производстве строительных материалов / Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов, Е.В. Романюк, Е.В. Архангельская, З.С. Гасанов // Строительные материалы. — № 4. — 2012. — С. 66—67.

5. Гасанов, З.С. Анализ условий проведения процесса регенерации высокотемпературных фильтров при пылеулавливании в огнеупорном производстве / С.Ю. Панов, Ю.В. Красовицкий, З.С. Гасанов // Новые огнеупоры. — № 6. — 2012, —С. 55—58.

Публикации в других изданиях

6. Гасанов, З.С. Специфика регенерации при высокотермической очистке дымовых газов / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов // Материалы XLVIII отчётной науч. конф. за 2009 г.: в 3 ч. Ч. 1 / Воронеж, гос. технолог, акад. - Воронеж, 2010. -С. 219.

71. Гасанов, З.С. Перспективы и проблемы очистки высокотемпературных газов / С.Ю. Панов, Ю.В. Красовицкий, О.А. Панова, З.С. Гасанов // Проблемы и перспективы экологической безопасности: материалы VI межрегионал. науч.-практ. конф., 20 мая 2010 г. - Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2010. — С. 101—104.

8. Гасанов, З.С. Анализ влияния сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок при высокотемпературной очистке газов / С.Ю. Панов, Ю.В. Красовицкий, З.С. Гасанов, М.Н. Фёдорова // Материалы Московской междунар. науч.-практ. конф., 15—17 марта, 2010 г. — М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. — С. 106—107.

9. Гасанов, З.С. Оценка надёжности и долговечности аппаратурного оформления процесса высокотемпературной очистки газов / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, В.Н. Шипилов, Ю.В. Красавицкий // Проблемы и инновационные решения в химической технологии: материалы науч.-практ. конф. / под общ. ред. проф. В.И. Корчагина. — Воронеж: ВГТА, 2010. — С. 164—167.

10. Гасанов, З.С. Гидродинамика фильтра с динамической регенерацией / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, Ю.В. Красовицкий, И.А. Чугунова // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: 4-я междунар. конф.: тез. докл. — М.: ИД МЭИ, 2011. — С. 288—289.

11. Гасанов, З.С. Токсикологическое воздействие пылей, образующихся при производстве керамических пигментов, на организм человека / Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов, Е.Е. Романюк, З.С. Гасанов // Экология и безопасность жизнедеятельности: 4-я междунар. науч.-практ. конф.: тез. докл. — Пенза, 2011, —С. 93—96.

12. Гасанов, З.С. Обеспылевание газов зернистыми слоями / Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов, Н.Н Лобачёва, З.С. Гасанов, Р.И. Григорьев // Экология и безопасность жизнедеятельности: 4-я междунар. науч.-практ. конф.: тез. докл. — Пенза, 2011. — С. 96—97.

13. Гасанов, З.С. Интенсификация процесса импульсной регенерации наложением акустических колебаний / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, A.A. Русанов, Ю.В. Красавицкий // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: материалы междунар. науч.-техн. интернет-конф. («ЭПАХПП—2011») / Воронеж, гос. технолог, акад. — Воронеж: ВГТА, 2011. — С. 119—123.

14. Гасанов, З.С. Расчёт ускорений отрыва пылевых слоёв при импульсной регенерации фильтров / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, A.A. Русанов, Ю.В. Красавицкий // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: материалы междунар. науч.-техн. интернет-конф. («ЭПАХПП— 2011») / Воронеж, гос. технолог, акад. — Воронеж: ВГТА, 2011. — С. 124—125.

15. Гасанов, З.С. Метод расчёта надёжности и эффективности газоочистного оборудования процесса высокотемпературной очистки газов / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, В.Н. Шипилов, Ю.В. Красавицкий // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: материалы междунар. науч.-техн. интернет-конф. («ЭПАХПП—2011») / Воронеж, гос. технолог, акад. — Воронеж: ВГТА, 2011, — С. 126—128.

16. Гасанов, З.С. Выбор фильтровальных материалов для специфических эксплуатационных условий / С.Ю. Панов, В.Н. Шипилов, З.С. Гасанов И Материалы XLIX отчётной науч. конф. за 2010 г.: в 3 ч. Ч. 1 / Воронеж, гос. технолог. акад. — Воронеж, 2011. — С. 266.

17. Гасанов, З.С. Перспективы применения зернистых фильтров для высокотемпературной очистки газов / С.Ю. Панов, Р.Ф. Галиахметов,Н.В. Литовский, Ю.В. Красовицкий, З.С. Гасанов, В.Н. Шипилов // Высокие технологии, образование, промышленность. Т. 3: сб. ст. 11-й междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27—29 апреля 2011 г. / под ред. А.П. Кудинова. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. — С. 191—192.

18. Гасанов, З.С. Очистка дымовых газов от комплекса загрязняющих веществ / С.Ю. Панов, Р.Ф. Галиахметов.Н.В. Пигловский, Ю.В. Красовицкий, З.С. Гасанов, В.Н. Шипилов // Высокие технологии, образование, промышленность. Т. 3: сб. ст. 11-й междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27—29 апреля 2011 г. / под ред. А.П. Кудинова. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. — С. 193—194.

19. Гасанов, З.С. Выбор фильтровального материала для высокотемпературной очистки газов / С.Ю. Панов, З.С. Гасанов // Материалы Ь отчётной науч. конф. за 2011 г.: в 3 ч. Ч. 1 / Воронеж, гос. ун-т инж. технолог. — Воронеж: ВГУИТ,2012. —С. 225.

20. Гасанов, З.С. Исследование металлических фильтровальных материалов для улавливания и утилизации пылевых выбросов / К.Б. Ким, З.С. Гасанов, С.Ю. Панов // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: 3-я всерос. студ. науч.-техн. конф., 23—25 мая 2012 г.: сб. ст. — Казань: Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», 2007. — С. 165—166.

21. Гасанов, З.С. Исследование керамических высокотемпературных фильтровальных материалов / О.В. Николенко, З.С. Гасанов, С.Ю. Панов // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: 3-я всерос. студ. науч.-техн. конф., 23—25 мая 2012 г.: сб. ст. — Казань: Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», 2007. — С. 167—169.

22. Гасанов, З.С. Исследование способов обработки фильтровальных материалов для тонкого обеспыливания и стабильной регенерации / А.М. Чекало-ва, З.С. Гасанов, С.Ю. Панов // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: 3-я всерос. студ. науч.-техн. конф., 23—25 мая 2012 г.: сб. ст. — Казань: Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», 2007. —С. 169—171.

23. Гасанов, З.С. Разработка высокоэффективной установки очистки газов ТЭС при использовании в качестве топлива отходов / Д.Е. Нечёсов, З.С. Гасанов, С.Ю. Панов // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: 3-я всерос. студ. науч.-техн. конф., 23—25 мая 2012 г.: сб. ст. — Казань: Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», 2007. — С. 172—175.

24. Гасанов, З.С. Исследование импульсной регенерации фильтровальных перегородок в процессе пылеулавливания / Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов, М.К. Аль-Кудах, З.С. Гасанов, Р.И. Григорьев // Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 3 ч. Ч. 2 / Воронеж, гос. ун-т инж. технолог. — Воронеж. 2012. — С. 22—24.

25. Гасанов, З.С. Прикладное программное обеспечение для высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов / З.С. Гасанов, Е.А. Шипилова, А.А. Хвостов, Ю.В. Красовицкий, С.Ю. Панов // Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 3 ч. Ч. 2 / Воронеж, гос. ун-т инж. технолог. — Воронеж. 2012. — С. 101—104

26. Гасанов, З.С. Создание высокоэффективных установок очистки газов тепловых электростанций при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов / Р. Шульц, С.Ю. Панов, З.С. Гасанов, К.Б. Ким, О.В. Нико-ленко, A.M. Чикалова // Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 3 ч. Ч. 2 / Воронеж. гос. ун-т инж. технолог. — Воронеж. 2012. — С. 177—180.

Патенты

27. Пат. 2437710 С2 Российская Федерация, МПК В 01 D 46/02. Рукавный фильтр с импульсной регенерацией для очистки запыленных газов / Красовицкий Ю. В., Панов С. Ю., Гасанов 3. С.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Воронеж, гос. технолог, акад. — № 2009148989/05; заявл. 28.12.2009; опубл. 27.12.2011, Бюл. № 36.

28. Пат. 109985 U1 Российская Федерация, МПК В 01 D 29/01. Фильтр для очистки гетерогенных систем / Красовицкий Ю.В., Галиахметов Р.Ф., Панов С.Ю., Гасанов З.С., Чугунова И.А. — Опубл. 10.11.2011.

29. Пат. 109987 U1 Российская Федерация, МПК В 01 D 46/10. Фильтр для очистки гетерогенных систем / Красовицкий Ю.В., Галиахметов Р.Ф., Панов С.Ю., Гасанов З.С., Чугунова И.А. — Опубл. 10.11.2011.

30. Пат. 109984 U1 Российская Федерация, МПК В 01 D 29/01. Фильтр для очистки гетерогенных систем / Красовицкий Ю.В., Галиахметов Р.Ф., Панов С.Ю., Гасанов З.С., Чугунова И.А. — Опубл. 10.11.2011.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

¿т — медианный диаметр; с! — диаметр; Е — порозность слоя; Е0 — начальная порозность; Епр — минимальное значение порозности слоя; К — коэффициент уноса; М— мольная масса среды; N— текущая безразмерная концентрация аэрозоля; п — объемная концентрация дисперсной фазы в аэрозоле; Яе — число Рейнольдса; Бс — число Шмидта; I* — безразмерное время релаксации частиц; С/0 — динамическая скорость; — скорость фильтрования; X— безразмерная продольная координата (толщина слоя); ХЕ — промежуточная переменная; /? — коэффициент массоотдачи; е — порозность слоя; е„ — начальная порозность; епр — минимальное значение порозности слоя; V — коэффициент кинематической вязкости; 9 —безразмерное время; р — плотность; рч — плотность частиц; т — время.

Индексы: з — зерно; огр — ограничивающее; ост — остаточный; пр — предельное; ср — среднее; ч — частиц.

ГАСАНОВ ЗУГУМ САГИДОВИЧ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано л печать 13.04. 2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 86

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

Гасанов Зугум Сагидович

2Г

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ

ОТХОДОВ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

СО ДИССЕРТАЦИЯ 00

^ на соискание ученой

СО го степени кандидата технических наук

ю £

со 8

~ СО

О °

СМ

4 7 О

^Г Научный руководитель;

® доктор технических наук

Панов С.Ю.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.......................................... 5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 7

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

1.1 Анализ способов пиролизной переработки отходов в различные виды

топлива..................................................................................... 13

1.2 Анализ схем высокотемпературной очистки дымовых газов..............................18

1.3 Анализ высокотемпературных фильтров........................................ 28

1.4 Выводы и постановка задач исследования........................................................................34

2 РАЗРАБОТКА ВОЗМОЖНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕШАЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ

2.1 Разработка принципиального решения высокоэффективной установки очистки газов котельных, использующих в качестве топлива продуктов переработки отходов................................................................................37

2.2 Выбор и характеристики компонентов химической очистки отходящих газов...................................................................................... 45

2.3 Разработка методик экспериментальных исследований и лабораторные установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов...... 48

2.4 Выводы.................................................................................. 57

ч

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРОВАНИЯ И

РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК ПРИ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОЧИСТКЕ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ

ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

3.1 Анализ и выбор высокотемпературных фильтровальных материалов для тонкой очистки дымовых газов.................................................... 58

3.2 Исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра............................... 72

3.3 Исследование работы высокотемпературного фильтра при изменении параметров эксплуатации установки комплексной очистки дымовых

газов...................................................................................... 81

3.4 Выводы.................................................................................. 88

4 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ

ОТХОДОВ

4.1 Разработка прикладного программного продукта.............................. 90

4.1.1 Математическое моделирование процесса фильтрования аэрозолей

с катализатором зернистыми фильтрами.................................... 91

4.1.2 Модели структур реальных зернистых слоев.............................. 91

4.2 Разработка моделей анализа и оптимизации параметров процесса......... 96

4.3 Математические модели глубинного фильтрования слабоконцентрированных высокодисперсных аэрозолей при нелинейных законах изменения коэффициента уноса......................... 105

4.3.1 Моделирование процесса фильтрования аэрозолей зернистыми

слоями с учетом диффузионного осаждения................................ 108

4.4 Разработка программной документации на прикладное программное обеспечение для экспериментальной установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов.................................................... 115

4.4.1 Особенности и специфика расчета............................................ 115

4.4.2 Описание программного обеспечения....................................... 117

4.5 Выводы.................................................................................. 121

5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ В РЕАЛЬНОМ СЕКТОРЕ ЭКОНОМИКИ, А ТАКЖЕ В ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И РАЗРАБОТКАХ

5.1 Новые проектные решения и научные разработки для решения

поставленной задачи....................................................................................................................................122

5.2 Разработка рекомендаций и предложений по использованию

результатов проведенной в реальном секторе экономики..........................................134

5.2.1 Печи сжигания отходов..................................................................................................................134

5.2.2 Керамическая промышленность..............................................................................................138

5.2.3 Производство цемента, извести, штукатурки, гипса............................................141

5.3 Оценка социально-экономической и экологической эффективности

рекомендуемых решений........................................................................................................................144

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................149

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Программа для математического моделирования процессов

очистки дымовых газов............................................................................................177

Приложение Б. Описание программы..................................................................................................209

Приложение В. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала

полученных результатов..........................................................................................231

Приложение Г. Итоги практического использования результатов

диссертационной работы........................................................................................244

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А и В - коэффициенты, зависящие от структуры слоя; а - масса бюкса с веществом до выпаривания; аср - коэффициент усреднения поле скоростей; а0 -удельная поверхность частиц; Ь - масса бюкса с веществом после выпаривания; Ъ

- численный множитель; С - концентрация; С - постоянная, зависящая от рода газа; с - масса пустого бюкса; с - число частиц в единице объема аэрозоля; сж -концентрация аэрозольных частиц в ядре потока; И - коэффициент молекулярной диффузии; Д. - коэффициент турбулентного переноса массы; с1 - диаметр; ¿7 -диаметр капилляров; с1с - минимальный диаметр каналов; (1т - медианный диаметр; Е - порозность слоя; Ей - число Эйлера; Ещ - минимальное значение порозности слоя;/г - число групп электроклапанов задействованных на выходе из управления регенерацией; и Яп - постоянные и собственные значения ряда; Но -число гомохронности; Н - высота слоя; К - показатель адиабаты; К -коэффициент уноса; К0 - численный множитель, зависящий от профиля канала; Ки

- коэффициент использования прибора в режиме работы; к - число раз срабатываний за один час с учетом фактической паузы между электроимпульсами; / - длина трубы; /' - протяжённость реального пути в слое;

- полная работа для сжатия 1 м3 воздуха до номинального давления (фактического); М - мольная масса среды; т - сумма масс всех фракций порошка; т„ - масса данной фракции порошка; N - число частиц, осаждающихся в единицу времени на единице площади твердой стенки; ТУ- текущая безразмерная концентрация аэрозоля; N - четное число задействованных на программаторе выходов; - число просветов (поровых каналов); А^ - Расход на преодоление гидравлического сопротивления; ИЭК - мощность, потребляемая электромагнитными клапанами; Ыу - установленная мощность одного клапан; Ыпр -мощность электромагнитных пневмопреобразователей; Ып - мощность, потребляемая программатором; Ыш - мощность, потребляемая электродвигателем шнека; Мсжв - Потребляемая мощность, Нф - фактические энергозатраты на рукавный фильтр; пчисло установленных электродвигателей; п - количество пневмораспределителей на одной секции, п - объемная концентрация дисперсной фазы в аэрозоле; пк - число одновременно срабатываемых клапанов за один импульс; псекц - число секций в фильтре; АР - перепад давлений; АРкр критическое сопротивление фильтра; Рг - давление газа; РГ - статическое давление пылегазового потока при входе в аппарат; Р0 - начальное давление; Р„ - конечное абсолютное давление в ресивере перед началом регенерации; Р - мощность электромагнитного пневмопреобразователя; р - давление; <2 - расход; <2 -производительность; - расхода сжатого воздуха на регенерацию; (2„к ~

необходимая производительность компрессора; q - удельная газовая нагрузка; Re

- число Рейнольдса; Sc - число Шмидта4; Sh - число Шервуда; Тг - температура газа; Тв - период между выгрузками; Т, t - температура; /ч+ - безразмерное время релаксации частиц; t, - длительность импульса; tp - период работы электродвигателя в режиме выгрузки; tn - установленная на программаторе пауза между импульсами; U - определяющая скорость; Uq - динамическая скорость; Рф

- скорость фильтрования; Vk - расход сжатого воздуха через один мембранный клапан за один электрический импульс (экспериментальные данные); X -массовая доля фракции; jc - количество испарившейся влаги; х - продольная координата (толщина слоя); X, х+ и у+ - безразмерная продольная и поперечная координата; у - расстояние от твердой стенки; ZN, Ze - промежуточная переменная; ц - динамический коэффициент вязкости; z - массовая концентрация дисперсной фазы; Г - критерий симплекс; Еи - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений средозащитного назначения; 3 - затраты на обслуживание фильтра; Сн - годовые эксплуатационные расходы на обслуживание основных фондов; П - смоченный периметр канала; Кн -капитальные вложения в строительство объекта; Ээ - общая (абсолютная) экономическая эффективность; Эц - экономический эффект i -го вида от предотвращения (уменьшения) потерь на j -м объекте, находящемся в зоне улучшенного состояния окружающей среды; Эк - общая (абсолютная) экономическая эффективность капитальных вложений; /? - коэффициент массоотдачи; е - порозность слоя; е0 - начальная порозность; г\ - общий к.п.д.; rj -КПД электродвигателя дымососа; rjad - полный адиабатический КПД; ц -коэффициент динамической вязкости; v - коэффициент кинематической вязкости; в - безразмерное время; р - плотность; т - время; тмр - периодичность регенерации.

Индексы: г - пылегазовый; з - зерно; к - колонны; кр - критический; н -начальный; о - оболочки; огр - ограничивающее; ост - остаточный; пл плавления; пр - предельное; р - рукова; per - регенерация; ср - среднее; ч -частиц.

ВВЕДЕНИЕ

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007—2013 годы» (государственный контракт ГК № 16.516.11.6129).

Актуальность темы. Появление новых технологических процессов, нарастающее загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления, а также повышение стоимости электроэнергии стимулировало в последние годы развитие отрасли переработки отходов с целью получения из них различных видов топлива для использования на тепловых электростанциях. Рекуперация энергии из сжигаемых отходов при средней их теплотворной способности около 10 МДж/кг обеспечивает дополнительные преимущества.

В качестве исходного сырья для получения топлива могут быть использованы отработанные масла, отходы переработки пищевых продуктов (птичий помет, кости и субстанции животных, свекловичный жом и т.д.), использованные шины, полимерная тара, отходы деревообрабатывающих предприятий и многое другое.

Утилизация тепла и энергии отработанных газов (например, с помощью теплообменников, расширительных турбин) обеспечивает экономию топлива на 7—15 %, удельных капиталовложений до 25 % и электроэнергии до 15 %. Однако непременным условием эффективной и надежной работы теплообменных аппаратов является осуществление высокотемпературной очистки газов с высокой степенью эффективности.

Так, например, в процессе газификации твердого топлива в системах с комбинированным циклом дымовые газы, поступающие на турбину, должны быть очищены до остаточной концентрации, не превышающей 4 мг/м3, причем 99 % частиц должно быть менее 6 мкм, а наличие частиц размером более 10 мкм в дымовых газах вообще не допускается. Такие жесткие нормы пылесодержания можно обеспечить лишь методом очистки фильтровальными перегородками.

Имеющийся практический опыт использования высокотемпературной очистки показал, что, кроме утилизации тепла газов, потенциальные преимущества ее могут выражаться также в возможности:

- повышения срока службы оборудования за счет эксплуатации его выше точки росы (в особенности кислотной);

- экономии капитальных и эксплуатационных затрат;

- повторного использования и рециркуляции очищенных горячих газов.

Высокотемпературная очистка газов фильтрами при температурах 500—

800 °С предлагает решение многих проблем, однако сам процесс фильтрования при этих температурах мало изучен, что не позволяет правильно выбрать эксплуатационные параметры работы фильтра.

Необходима объективная социально-экономическая оценка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов, что позволит в дальнейшем реализовать бизнес-планирование инновационных проектов.

Цель работы — разработка научно-технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности высокотемпературной очистки дымовых газов котельных.

Задачи исследования:

- исследование кинетики процесса высокотемпературного фильтрования;

- исследование зависимости эффективности работы системы регенерации высокотемпературного фильтра;

- исследование очистки газов от комплекса токсичных компонентов и оценка влияния сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок;

- исследование работы высокотемпературного фильтра при изменении параметров отходящих газов пиролизной установки;

- исследование влияния режимов работы системы регенерации на эффективность высокотемпературного фильтра, что позволит создать прототип

8

установки высокотемпературной очистки дымовых газов при использовании в качестве топлива продуктов переработки отходов.

Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании классических закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных Н. А. Фуксом, И. В. Петряновым-Соколовым, Е. П. Медниковым, В. А. Жужиковым, Т. А. Малиновской, И. Е. Идельчиком, Ю. В. Красовицким, А. Ю. Вальдбергом, и обеспечиваются использованием стандартизованных методов исследований, положительными результатами сопоставительного анализа расчетных, экспериментальных и литературных данных, а также проверкой предложенных решений в промышленных условиях. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20 % с доверительной вероятностью 0,95.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В соответствии с поставленной целью предложен, научно обоснован, разработан и реализован новый способ высокотемпературного фильтрования дымовых газов котельных, использующих в качестве топлива продукты переработки отходов; способ состоит в комплексной очистке от ряда вредных компонентов, способствующей высокоэффективному и энергосберегающему использованию фильтровальных перегородок различного типа;

2. Разработана математическая модель процесса улавливания на фильтровальном элементе с работающим слоем катализатора и учётом диффузионного осаждения. Отличие модели от известных состоит в том, что включает уравнение для определения коэффициентов массоотдачи в слое катализатора с учётом режимов движения газового потока;

3. На основании предложенной математической модели определены и экспериментально проверены условия регенерации различных фильтровальных материалов с разной концентрацией аэрозоля, скоростью подачи пылегазового потока, температурой процесса, видами катализатора, концентрацией и количеством подаваемого сорбента и давлением регенерирующего импульса при

комплексной очистке дымовых газов с учетом сопутствующих массообменных процессов;

4. Экспериментальная проверка подтверждает гидродинамическую обстановку и условия регенерации, возможность проведения процесса фильтрования с регулируемым перепадом давления на фильтровальной перегородке, а также показывает высокую эффективность комплексного улавливания твёрдых частиц и нейтрализации вредных газовых компонентов;

5. Определено влияние сопутствующих массообменных процессов на фильтрование и регенерацию. Установлено, что при прохождении аэрозольного потока через слой катализатора, г�