Разработка методов расчета полых форсуночных скрубберов и промывных камер

Актуальность работы.

Предприятия по производству стройматериалов входят в первую пятерку промышленных загрязнителей атмосферы [1]. Для «сухой» очистки газов от пыли на них широко используются циклоны НИИОГАЗ [2]. Для более глубокого пылеулавливания применяются «мокрые» способы газоочистки. Наиболее эффективными пылеуловителями «мокрого» типа являются скрубберы Вентури [3,4,5]. Однако они обладают большим гидравлическим сопротивлением до несколько десятков кПа, или, что-то же самое, большими удельными энергозатратами на очистку единицы объема газов [6]. Меньшее сопротивление имеют пенные аппараты (ПА) [3,5], но высокая эффективность пылеулавливания в них достигается для частиц с размерами большими 5 мкм. Частицы пыли с размерами до 1 мкм затруднительно улавливать как «сухим» способом в циклонах НИИОГАЗ, так и «мокрым» в ПА. В литературе представлены и обсуждены различные возможности повышения эффективности улавливания мелких частиц в различных аппаратах в [7−14] и, в частности, в «мокрых» пылеуловителях [15,16,17]. Особо обращает на себя внимание способ конденсации водяных паров на мелких частицах, который наиболее целесообразно осуществлять в малых объемах при высокой интенсивности протекания тепломассообменных и гидродинамических процессов. Такие условия могут быть реализованы в ПА и центробежно-барботажных аппаратах (ЦБА) в пузырьках, формирующихся на отверстиях и щелях их газораспределительных решеток.

Существенное повышение эффективности улавливания мелких частиц может быть достигнуто и в полых форсуночных скрубберах (ПФС), оросительных камерах с противоточным и поперечным движением пылегазового потока, где основным механизмом улавливания частиц пыли является их столкновение с падающими каплями, за счет также конденсации паров на частицах, их укрупнения, повышения инерционности и, как следствие, повышения коэффициента захвата мелких капель с частицами внутри каплями, генерируемыми форсунками. Теория конденсации паров жидкости на частицах подробна изложена в [18,19,20,21]. В [3] Ужовым В. Н., Вальдбергом А. Ю. представлены общие положения ее применения для повышения эффективности улавливания мелких частиц в «мокрых» пылеуловителях.

Анализ осаждения пыли на капли, генерируемые одним рядом форсунок в приближении их скорости падения, равной постоянной скорости стационарного осаждения под действием силы тяжести проведен С. Калвертом [15,22]. Им получена формула для фракционного коэффициента проскока для этих условий, которая приводится в [3]. Однако вопрос о нестационарном движении капли с начальной скоростью Vk0, существенно превышающей скорость стационарного осаждения (витания) и достигающей 50 м/с, до работ М. И. Шиляева с сотрудниками [23] никем не рассматривался. Процесс улавливания частиц на капли при установке нескольких рядов форсунок, а в реальных аппаратах их число достигает 14+16 [4], до сих пор не изучался. В настоящей работе такая задача поставлена и решена, построены номограммы для расчета полых проти-воточных скрубберов с несколькими рядами форсунок, которые могут быть с успехом использованы в инженерной практике. Наиболее простым полым газопромывателем является промывная камера. В работе рассмотрен также процесс улавливания пыли на капли диспергируемой форсунками жидкости при поперечном движении очищаемого газа, описанный в [23], и построены номограммы для расчета этого устройства.

Цель работы.

Разработка методов расчета полых противоточных форсуночных скрубберов и промывных камер, в том числе и с многоуровневой установкой форсунок.

Научная новизна работы.

1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного скруббера, проведены его анализ и сопоставление с точным решением, определен диапазон режимно-геометрических параметров его применимости, соответствующий реальным условиям.

2) Впервые осуществлено сопоставление расчетных и опытных значений фракционного коэффициента проскока в ПФС с однорядным устройством форсунок.

3) Получены аналитические обобщенные зависимости и аппроксимаци-онные формулы для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксов-ском режиме движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в различных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных приложениях.

4) Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления падающих капель в противоточном форсуночном скруббере. Из ряда формул для коэффициентов сопротивления движения капель выбрана наиболее приемлемая, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и достаточную для практических целей точность в широком диапазоне чисел Рей-нольдса.

Практическая значимость работы.

1) На основе анализа приближенного решения для фракционного коэффициента проскока впервые построен метод, алгоритм и программное обеспечение расчета полых скрубберов с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограммы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффициент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможности таких аппаратов.

2) Разработан инженерный метод расчета эффективности пылеулавливания в промывных камерах с поперечным движением очищаемого газа в форме номограмм с программным обеспечением.

3) Разработанные методы расчета переданы предприятию ОАО «Томск-вентиляция» и используются при проектировании и создании высокоэффективных и экономичных аппаратов газоочистки и систем тепловлажностной обработки воздуха по заказам различных производств, а также ипользуются в учебном процессе ТГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий со студентами специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков» и «Методы расчета и проектирование пылегазоочистного оборудования».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

— четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, ТГУ, 2004 г.);

— десятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, ТПУ, 2004 г.);

— седьмом Всероссийском студенческом научно-практическом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, ТПУ, 2005 г.);

— 63-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сиб-стрин), 2006 г.);

— седьмой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Энергия молодых — экономике России» (г. Томск, ТПУ, 2006 г.);

— тринадцатом Международном семинаре АТАМ. Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2006 г.);

— пятой Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, ТГУ, 2006 г.);

— 64-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2007 г.);

— пятой Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Волгоград, 2007 г.).

Публикации.

По основным результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, одна из которых в рекомендуемом ВАК издании (Ж-л «Известия вузов. Строительство») [24−5-34].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 59 рисунков и 7 таблиц.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное.

решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного.

скруббера, проведен его анализ, сопоставление с точным решением и опреде лены режимно-геометрические параметры его применимости, соответствующие.

реальным условиям. 2) На основе анализа приближенного решения для фракционного коэф фициента проскока впервые построен метод и алгоритм расчета полого скруб бера с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограм мы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффици ент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от.

пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможно сти таких аппаратов. В работе приведены примеры расчета полых противоточ ных скрубберов с использованием предложенных номограмм. 3) Показано, что при организации пылеулавливания в ПФС необходимо.

обеспечивать равномерность распыла жидкости по сечению аппарата с целью.

исключения мертвых зон и значительного выхода капель из потока за счет.

столкновения их со стенками. 4) В представленной диссертационной работе на основе эксперименталь ных данных [57] для фракционного коэффициента проскока получена зависи (0 89^-34,3 5*/^^ ' и введена в банк данных инерционных пылеуло-S J.

вителей, составленным Шиляевым М. И. и др. [20] (прил. 2). Так что, ПФС.

можно с использованием этой зависимости рассчитывать, применяя универ сальную номограмму для расчета известных инерционных пылеуловителей [20].

(прил. 3) и ее программное обеспечение, ограничивая высоту эффективного.

пылеулавливания величиной порядка 1,5-^ 2 м. Сопоставление с известными.

опытными данными номограмм и результатов расчета К^ по массмедианному.

размеру дает удовлетворительные согласования и позволяет полученную зави симость для К использовать в инженерных расчетах. 5) Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления па дающих капель ^^ в ПФС. Показано, что из ряда выбранных формул для ста ционарного и нестационарного движения капель наиболее приемлема зависи мость, отвечающая автомодельной области ньютоновского режима сопротив ления ^^ = 0,44, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и.

достаточную для практических целей точность. 6) Получены аналитические зависимости и аппроксимационные формулы.

для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксовском режиме.

движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в раз личных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных.