Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК. Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального
 Скачать 5.14 Mb.
|
|
ЧАСТИЦ В РОТОКЛОНЕ Сравнительный анализ основных известных газоочистных аппаратов ударно-инерционного действия показывает, что большинство конструкций работает в узком диапазоне изменения скорости газа в контактном канале и применяется в промышленности преимущественно для очистки газов от крупнодисперсных примесей в системах вспомогательного оборудования для газоочистки. Для известных аппаратов характерна чувствительность к изменению уровня жидкости и газовой нагрузки на контактный канал, даже незначительное отклонение этих параметров от оптимального значения приводит к колебаниям уровня жидкости в каналах, неустойчевому режиму работы и понижению эффективности пылеулавливания. Вследствие низких скоростей газа в контактных каналах подобные устройства, как правило, имеют большие габариты [73, 77]. Указанные недостатки, а также малоизученность процессов, протекающих в таких аппаратах, несовершенство существующих методов их расчета, затрудняют разработку новых конструктивно-схемных решений ударных пылеуловителей и их широкое внедрение в производство. Этим обусловлена необходимость более детального теоретического и экспериментального исследования газопромывателей ударно-инерционного действия с целью использования наиболее эффективных и экономичных схем компоновки системы очистки промышленных газов Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента Ротоклон представляет собой резервуар с водой, на поверхность которой по патрубку ввода запыленного газа поступает газодисперсная смесь. Над поверхностью воды газ разворачивается, а содержащаяся в газе пыль по инерции проникают в жидкость. Поворот лопаток импеллера производится вручную, относительно друг друга на резьбовом соединении посредством маховиков Угол наклона лопаток устанавливался в интервале от 25° докоси. В ротоклоне установлены три пары лопастей синусоидального профиля, выполненные с возможностью регулирования их положения. В зависимости от запыленности пылегазового потока нижние лопасти с помощью маховиков устанавливаются на угол, определяемый режимом работы устройства. Ротоклон характеризуется наличием трех щелевых каналов, образуемых верхними и нижними лопастями, причем в каждом последующем походу газа канале нижняя лопасть устанавливается выше предыдущей. Такое расположение способствует постепенному входу газожидкостного потока в щелевые каналы и снижает тем самым гидравлическое сопротивление устройства. Расположение входной части лопастей на оси с возможностью их поворота позволяет создавать активную зону диффузии. Последовательно расположенные щелевые каналы создают в диффузионной зоне, образованной углом поворота лопастей, гидродинамическую зону интенсивного смачивания частиц пыли. По мере перемещения потока через жидкостную завесу, обеспечивается возможность многократного пребывания частиц пыли в гидродинамически активной зоне, что значительно повышает эффективность пылеулавливания и обеспечивает работу устройства в широких диапазонах запыленности газового потока. Разработана и защищена патентом Российской Федерации конструкция ротоклона с регулируемыми синусоидальными лопастями, способного решить задачу эффективной сепарации пыли из газового потока [7]. При этом подвод воды к зонам контакта осуществляется в результате ее циркуляции внутри самого аппарата. Ротоклон с регулируемыми синусоидальными лопастями, (рис. содержит корпус 3 с патрубками для входа 7 и выхода 5 газа, в котором установлены пары лопастей синусоидального профиля. Перемещение верхних лопастей 2 осуществляется с помощью винтовых подъемников 6, нижние лопасти 1 закреплены на оси 8 с возможностью их поворота. Угол поворота нижних лопастей выбирается из условия постоянства скоростей пылегазового потока. Для регулирования угла поворота выходной части нижних лопастей предусмотрены маховики. Количество пар лопастей определяется производительностью устройства и запыленностью пылегазового потока, то есть режимом устойчивой работы устройства. В нижней части корпуса имеется патрубок для слива шламовой воды 9. Перед патрубком для выхода газа установлен лабиринтный каплеуловитель 4. Ротоклон работает следующим образом. В зависимости от запыленности пылегазового потока верхние лопасти посредством винтовых подъемников 6, а нижние лопасти 1 с помощью маховиков устанавливаются на угол, определяемый режимом работы устройства. Запыленный газ поступает во входной патрубок 7 в верхней части корпуса 3 аппарата. Ударяясь о поверхность жидкости, он меняет свое направление и проходит в щелевой канал, образованный верхними 2 и нижними лопастями. Благодаря высокой скорости движения, очищаемый газ захватывает верхний слой жидкости и дробит его в мельчайшие капли и пену с высокоразвитой поверхностью. После последовательного прохождения всех щелевых каналов газ проходит через лабиринтный каплеуловитель 4 и через выходной патрубок 5 удаляется в атмосферу. Рисунок 4.1 – Общий вид ротоклона: 1 – нижние лопасти 2 – верхние лопасти – корпус 4 – лабиринтный каплеуловитель; 7, 5 – патрубки входа и выхода газа 6 – винтовые подъемники – ось 9 – патрубок слива шлама Уловленная пыль оседает в бункере ротоклона и через патрубок для слива шламовой воды 9, вместе с жидкостью, периодически выводится из аппарата. Особенности аппарата, связанные с возможностью профилирования лопаток и регулировки положения импеллеров, не позволяют корректно использовать имеющиеся решения по гидродинамике газодисперсных потоков для разработанной конструкции. В связи с этим, для обоснованного описания процессов, происходящих в ротоклоне, возникла необходимость проведения экспериментальных исследований. Эксперименты проводились на лабораторной установке «ротоклон» (рисунок 4.2). Исследуемый ротоклон имел 3 щелевых канала, скорость газа в которых составляла до 15 мс. При этой скорости ротоклон имел гидравлическое сопротивление 800 Па. Работая в таком режиме, он обеспечивал эффективность улавливания пыли с входной концентрацией 0,5 г/нм 3 и плотностью 600 кг/м 3 на уровне 96,3 % Рисунок 4.2 – Экспериментальная установка "Ротоклон" Рисунок 4.3 – Схема экспериментальной установки – ротоклон; 2 – дозатор пыли – классификатор 4 – сборник крупной пыли – циклон 6,7 – газопровод 8 – вентилятор типа ВВД; 9 – потенциометр – дифманометр; 11 – диафрагма Запыленность воздушного потока моделировалась с помощью порошка талька, белой сажи имела. Корпус аппарата заполнялся водой на уровень h ж =0,175м. На выбор подходящей системы питания оказывала влияние способность частиц к слипанию и истиранию. Перед подачей частиц в аппарат их необходимо отделить от газа. Если тонкая фракция не должна теряться, тов качестве сепаратора, необходимо применить матерчатый фильтр [104]. Для высокой концентрации твердой фазы, особенно для мелких частиц, необходима противоточная очистка фильтра. Противоточные фильтры создают неустранимые полностью пульсации давления [105]. Так как более крупная фракция частиц меньшего размера может оставаться в материи фильтра, то размеры частиц в циркуляционном контуре могут отличаться от исходных размеров твердой фазы, подаваемой в установку. Эта задача может быть решена путем нормирования подачи дозатором [101]. Для поддержания давления при подаче крупных частиц наиболее оптимальным является конический бункер (рисунок 4.4). Использование поворотных заслонок ограничивается избыточным давлением до 1 атм и может вызвать много осложнений. Обычно необходимо использовать поворотную заслонку с пластичными концами лопаток [67]. Во избежание значительного истирания частиц она должна быть также снабжена торцевыми крышками [68]. При подаче мелкого порошка не исключается даже полное истирание поворотных заслонок. Пульсация давления от шиберов незначительна благодаря высокой частоте потоков нагнетаемых частиц и может быть легко устранена. Газопылевую смесь получали путем введения пыли в газоход с помощью шнекового дозатора (рисунок Дозатор с изменяющейся производительностью позволяет получить заданную концентрацию пыли на входе в аппарат. Запыленность пылегазовой смеси определялась прямым методом. На прямых участках трубопровода дои после аппарата производился отбор проб пылегазовой смеси. Рисунок 4.4 – Шнековый дозатор пыли После установления соответствующего режима работы аппарата, пробы газа отбирались с помощью заборных трубок. Для выполнения условия изокинетичности отбора проб посредством пневмометрической трубки была предварительно замерена скорость движения потока в газоходе. Сущность метода базируется на обеспечении равных скоростей потока в русле пробозаборной трубки ив газовом тракте. Внешняя фильтрация осуществлялась протягиванием газовой смеси через оттарированный электроаспиратор – 11, со скоростью, фиксируемой – ротаметром электроаспиратора ЭА–55, одновременно по секундомеру замерялось время отбора проб. Каждый фильтр АФА-10 был взвешен дои после замеров с помощью аналитических весов. Для каждого режима работы аппарата проводилось 8 замеров с различным временем отбора проб. Эффективность очистки воздуха определяли по разности весов фильтра G 2 –после очистки и G 1 –до очистки, в мг η=(ΔG 1 – G 2 )/ Расход воздуха Q в мс) определялся с учетом скорости воздушного потока υ, мс через поперечное сечение воздуховода S, м 2 по формуле Q=υ · где скорость воздушного потока, измерялась с помощью U-образных манометров по динамическому давлению. Отбор проб производился с учетом адгезии частиц на внутренней поверхности устройств отбора. Погрешность, вызываемая адгезией, проявляется двояким образом: 1)общее содержание частиц может быть заниженным) мелкие частицы более легко слипаются со стенками, чем крупные. Таким образом, в измеряемом диапазоне будет осуществляться тенденция к завышению части крупных частиц. Погрешность, вызванная адгезией, наиболее значительна для небольших расходных концентраций частиц в пробах, что объясняется скоростью стабилизации толщины и состава отложжений, которая зависит от условия течения в пробоотборнике. Таким образом, при одинаковой скорости отбора поток плотной взвеси станет независимым от влияния адгезии раньше, чем ноток разреженной взвеси. Однако во всех-случаях этот источник погрешности можно полностью исключить, производя сравнение последовательно взятых проб. Исследуемые пробы с пометкой времени отбора направлялись в отдельный фильтрующий блок с короткой подводящей трубой. Этот блок включался в контур, только когда это требовалось. Полное улавливание пыли, содержащейся в отобранной пробе пылегазовой смеси, производилось путем внешней фильтрации просасыванием смеси с помощью оттарированного электроаспиратора ЭА – 55 через специальные аналитические фильтры АФА – 10, которые вставлялись в фильтрующие патроны. Время отбора фиксировалось по секундомеру, а скорость – ротаметром электроаспиратора ЭА – 55. Расход воды определяется потерями ее на испарение и с удаляемым шламом. Слив воды производится небольшими порциями из бункера, снабженного пневматическим затвором. Небольшое снижение уровня быстро компенсируется доливом через патрубок ввода жидкости. При периодическом сливе сгустившегося шлама расход воды определяется консистенцией шлама и составляет в среднем до 10 г/м 3 воздуха, а при постоянном сливе расход не превышает 100÷200 г/м 3 воздуха. Заполнение ротоклона водой регулировалось с помощью датчика уровня. Поддержание постоянного уровня воды имеет существенное значение, так как его колебания влекут за собой заметное изменение как эффективности, таки производительности устройства. Отбор проб по методу внешней фильтрации проиллюстрирован на рисунке Рисунок 4.5 – Экспериментальное определение концентрации пыли – манометр 2, 8 – термометры 3 – заборная трубка 4 – электрообогрев; 5, 10 – зажимы – термометры 7 – ртутный манометр 9 – резиновая трубка 11 – тройник – трансформатор 13 – воздуходувка 14 – стеклянная диафрагма (реометр, 16 – дифференциальные манометры Запыленный газ отбирался из газохода посредством заборной трубки 3 и пропускался через фильтр АФА – 10, фиксированный в патроне 4. Из патрона чистый газ направлялся в реометр 9, соединенный с дифференциальным манометром 15, откуда далее поступал в воздуходувку 13. Температура и разряжение газа замерялись непосредственно перед реометром посредством термометра 8 и ртутного манометра 16, а температура и давление газа в газоходе соответственно термометром 2 и манометром Тройник 11 на линии от реометра до воздуходувки, снабженный зажимом 14, служит для изменения подсоса воздуха в воздуходувку, что позволяет регулировать скорость отбора проб из газохода. Зажим 5, устанавливленный на участке от патрона до реометра, служит для изменения разрежения в реометре. Заборная трубка 3 и патрон оснащены электрообогревом благодаря подключению к трансформатору 12. Скорость газового потока замеряется пневмометрической трубкой 6, соединенной с микромонометром 7. Введение пыли в газоход осуществлялась с помощью шнекового дозатора с изменяющейся производительностью, что позволило получить заданную концентрацию пыли на входе в аппарат Экспериментальные исследования эффективности улавливания различной пыли В ротоклоне происходит процесс взаимодействия газовой, жидкой и твердой фаз. В результате чего твердые частицы, содержащиеся в газе, переходят в жидкость. Протекающие при этом гидродинамические процессы можно распределить на четыре последовательно проходящие стадии на входе в лопатки импеллера происходит захват жидкости газовым потоком интенсивное дробление жидкости газовым потоком с образованием жидкостной завесы; коагуляция дисперсных частиц каплями жидкости сепарация капель жидкости от газа в лабиринтном каплеуловителе. При наблюдении через смотровое окно и видеосъемке, можно установить истинную картину течения газа в аппарате. Поток газа, двигаясь по траектории наименьшего пути, стремится пройти сквозь жидкость. Стоящие последовательно лопатки импеллера приданных условиях ограничивают распространение воздушной струи, заставляя ее резко изменить свое направление, что способствует процессу сепарации. Благоприятные условия очистки газа от пыли будут достигнуты только в случае эффективного захвата жидкости газовым потоком, в противном случае не будет обеспечено результативного взаимодействия фаз в контактных каналах. Следовательно, захват жидкости газовым потоком при последовательном прохождении лопаток импеллера является одним из важнейших этапов гидродинамического процесса в ротоклоне. Количественную оценку эффективности ударно-инерционного осаждения удобно проводить с помощью показателя, характеризующего величину удельного орошения газа в контактных каналах m= L ж /L г , мм, и определяемого как соотношение расходов жидкой и газовой фаз. Очевидно, что удельное орошение m, в первую очередь, определяется скоростью газа на входе в контактные каналы. Другой значимымый параметр определяется уровнем жидкости на входе в лопатки импеллера, оказывающим влияние на скорость газового потока: ) ( ж k г ж k г г г h h b bh bh S (4.1) где г сечение контактного канала – ширина контактного канала; h к – высота контактного канала; h ж – уровень жидкости. Следовательно, для установления механизма захвата жидкости газовым потоком необходимо экспериментальным путем определить следующую зависимость: ) ( ж г h f m (4.2) Экспериментально установлено, что размер капель жидкости влияет на эффективность пылеулавливания, при этом, с уменьшением размера капель эффективность пылеочистки повышается. Расчет среднего диаметра капель, формирующихся при прохождении через лопатоки импеллера, проводится по эмпирической зависимости [157]: г ж ж ж o L L d 68 , 0 3 869 , 17 10 где υ 0 – относительная скорость газа в импеллерах, мс – поверхностное натяжение капельной жидкости, Н/м; ρ ж – плотность капельной жидкости, кг/м 3 ; μ ж – вязкость капельной жидкости, Па/с; L ж – объемный расход жидкой фазы, мс г объемный расход газовой фазы, м 3 /с. Зависимость (4.3) совместно с физическими характеристиками фаз позволяет учесть также и влияние режимных параметров пылеочистки. На рисунке 4.6 представлены результаты расчета среднего размера капель жидкости, формирующихся при прохождении через лопатки импеллеров, при температуре воды Си ее физических свойствах ж 998 кг/м 3 ; μ ж = 1,002∙10 -3 Н∙С/м 2 ; ζ=72,86 ∙10 -3 Н/м. Дробление жидкости газовым потоком в контактных каналах ротоклона происходит благодаря высокой относительной скорости между жидкостью и газовым потоком. Анализ зависимости (4.3) показывает, что наиболее важными режимными параметрами, влияющими на диаметр капель в контактных каналах ротоклона, являются скорость газа и величина Рисунок 4.6 – Зависимость размера капель от скорости газа и удельного орошения удельного орошения m. Этими параметрами определяется гидродинамическая структура формирующегося газожидкостного потока. Механизм ударно-инерционного осаждения частиц пыли заключается в обтекании капель жидкости запыленным газом, при этом частицы пыли, обладающие инерцией, движутся поперек изогнутых линий тока, достигают поверхности жидкости и оседают на ней. Эффективность осаждения η и выражается функцией от безразмерного критерия: 0 d m f ч c ч и (4.4) где ч масса частицы; υ ч – скорость частицы – коэффициент сопротивления движению частицы миделево сечение капли Для частиц в форме шара, при движении которых соблюдается закон Стокса, критерий запишется в виде 2 0 18 1 d C d d m г к ч ч r c ч ч (4.5) где комплекс 2 18 / d C d г к ч ч ч выражается параметром (числом) Стокса 0 2 18 d C d f Stk f r к ч ч ч и (4.6) Следовательно, эффективность улавливания частиц в ротоклоне по предложенной модели зависит как от характеристик улавливаемых частиц (размера и плотности, таки от режимных параметров, среди которых наиболее важной является скорость газодисперсного потока при прохождении лопаток импеллера, таким образом, инерционная модель раскрывает физический смысл процессов, протекающих в контактных каналах ротоклона. На ее основе был разработан метод расчета эффективности очистки в газопромывателях с внутренней циркуляцией жидкости, который базируется на выражении (4.6), а для выполнения расчета необходима информация о дисперсном составе пыли, плотности частиц, вязкости газа, скорости газа в контактных каналах и удельном расходе орошающей жидкости. Расчет проводится в следующем порядке по формуле (4.3) находят средний диаметр капель в контактных каналах при различных режимах процесса по формуле (4.5) определяют для каждой фракций пыли инерционный параметр Стокса по формуле (4.6) рассчитывают фракционную эффективность η для каждой отдельной фракции пыли; Рассмотренная инерционная модель достоверно характеризует физические процессы, протекающие в контактных каналах ротоклона. Из анализа полученных результатов можно отметить, что на начальном этапе работы ротоклона для всех исследованных пылей были получены высокие эффективности пылеулавливания (93,4% для сажи и 99,7% для талька. Различие в значениях общей эффективности улавливания для разных типов пыли объясняется их различным фракционным составом на входе в аппарат, различной формой частица также их динамической смачиваемостью и плотностью. Как следует из представленного на рисунке графика, зависимость общей эффективности пылеулавливания от инерционного параметра Стокса хорошо согласуется с расчетными данными, что Рисунок 4.7 – Зависимость эффективности сепарации от значения подтверждает приемлемость принятых допущений. Высокие значения общей эффективности сепарации подтверждают правильный выбор конструктивных и эксплуатационных характеристик изучаемого аппарата и свидетельствуют о его пригодности в технике мокрого пылеулавливания. Рисунок 4.8 – Фракционная эффективность сепарации различных видов пыли Рисунок 4.9 – Эффективность сепарации в зависимости от уровня орошающей жидкости На рисунке 4.8 представлены результаты исследования эффективности очистки для трех видов пылей, характеризуемых различной смачивающей способностью. Получена высокая эффективность сепарации частиц тонких фракций, так например, для частиц дисперсностью до 5 мкм, эффективность сепарации превышает 70%. Даже несмачиваемая пыль (сажа) улавливается с эффективностью более 75%. Наибольшая эффективность пылеулавливания наблюдается при скорости газа в диапазоне от 20 до 23 мс (рисунок Для исследуемого ротоклона также характерно снижение фракционной эффективности очистки мелкодисперсных частиц, ноне настолько резкое, как для других пылеуловителей такого типа Важным итогом проведенных исследований явилось определение граничных концентраций суспензии различных пылей, после превышения которых общая эффективность пылеулавливания снижается. Значение величины граничной концентрации, как известно, необходимо для определения максимальной степени рециркуляции орошающей жидкости. Проведенные исследования дают основания сделать выводы о том, что в установках ударно-инерционного типа, где инерционный механизм является основным при выделении частиц пыли из газа, общая эффективность пылеулавливания существенно падает, когда концентрация суспензии отвечает такой концентрации, при которой она теряет свойства ньютоновской жидкости. Как следует из графиков (рисунки 4.10, вместе с ростом концентрации суспензии выше граничного значения, общая эффективность пылеулавливания снижается, а основной вклад в это явление вносят мелкие частицы с размером менее 5 мкм. Можно заметить, что в случае выделения пыли талька рост концентрации суспензии от 36% до 45% вызывает понижение общей эффективности пылеулавливания от 98% допри одновременном снижении фракционной эффективности выделения частиц, меньших 5 мкм от η = 93% до η = Рисунок 4.10 – Зависимость фракционной эффективности от диаметра частиц ТМП и их концентрации в жидкости Рисунок 4.11 – Зависимость общей эффективности концентрации в жидкости частиц ТМП Можно отметить, что в начальной фазе работы ротоклона при незначительной концентрации суспензии для всех исследованных пылей получена высокая эффективность пылеулавливания (от 83,2% до 99,8% для сажи и порошка талька соответственно. Отличие в величине общей эффективности для различных типов пыли объясняется их различным фракционным составом на входе в аппарата также отличием их формы, динамической смачиваемости и плотности. Аналогично для белой сажи рост концентрации от 7% до 20% вызывает падение фракционной эффективности от η = 65% до η = 20%, (рисунки 4.12, 4.13), для мела: рост концентрации от 18% до 30% вызывает ее снижение от η= 80% до Наиболее заметно снижение фракционной эффективности пылеулавливания можно отметить для трудно смачиваемой пыли – белой сажи (около Рисунок 4.12 – Зависимость фракционной эффективности от диаметра частиц белой сажи и их концентрации в жидкости Рисунок 4.13 – Зависимость общей эффективности концентрации в жидкости частиц белой сажи Таким образом, на основании вышеизложенного анализа можно утверждать, что снижение общей эффективности пылеулавливания при превышении граничной концентрации суспензии связано с уменьшающейся способностью системы задерживать мелкие частицы. Особенно это касается плохо смачиваемых частиц. Это совпадает с гипотезой об обновлении межфазной поверхности. Обновление межфазной поверхности связано также с трудностями движения осевших частиц пыли вглубь жидкости, тес вязкостью среды. Анализ общей эффективности пылеулавливания, особенно порошка талькомагнезита и белой сажи указывает, что до момента достижения граничной концентрации эффективность удерживается на постоянном уровне 148 |