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.
|
|
Шестая глава посвящена опытно-промышленной апробации разработанных аппаратов для очистки газовых выбросов и оценке технико-экономической эффективности от реализации разработок. На разработанных опытно- промышленных установках была проведена верификация результатов математического моделирования процесса движения и сепарации дисперсных частиц из газового потока. Разработан модернизированный ряд газоочистных аппаратов, подтвердивших высокую эффективность работы, как в лабораторных, так ив промышленных условиях, что свидетельствует о научной обоснованности методики их расчета. Разработаны рекомендации по совершенствованию схемных решений системы газоочистки. По результатам работы внедрено в различных производствах более 10 инерционных аппаратов. Экологический результат внедрения систем и рекомендаций заключается в повышении эффективности очистки отходящих газов и улучшении экологической обстановки в зоне предприятий. Годовой экономический эффект от внедрения разработок составил 26 млн руб/год. ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В химической промышленности и смежных с ней отраслях производства используются газоочистные аппараты с закрученным движением дисперсной среды, эффективность которых полностью определяется гидродинамическим совершенствованием ведения процесса. Из современных газоочистных аппаратов наиболее распространены циклоны, сепараторы, скрубберы, вихревые аппараты. Как правило, эти аппараты отличаются друг от друга способом формирования закрученных потоков и конструкцией узла разделения фаз. Основными недостатками известных устройств являются низкая эффективность улавливания тонкодисперсных частиц, вторичный унос дисперсной фазы, высокое гидравлическое сопротивление, склонность к залипанию пыли. Указанные недостатки обусловливают поиск новых оригинальных конструктивно-схемных и технологических решений для перехода к современным газопромывателям нового поколения, в которых низкие энергетические затраты на газоочистку, эксплуатационная надежность и простота конструктивного оформления, сочетаются с высокой эффективностью процесса сепарации дисперсных частиц. Несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию процессов сепарации, накопленный применительно к аппаратам с закрученными потоками, ряд наблюдаемых в них явлений не может быть объяснен в рамках сложившихся представлений, а проблема повышения их эффективности остается острой. Сложность общей гидродинамической картины сепарации многофазных потоков, а также взаимодействие этих потоков между собой, обуславливает трудности ее математического описания. Этим объясняется необходимость исследования влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность процесса газоочистки с параллельным изучением вклада отдельных элементов для более детального понимания физического механизма центробежной интенсификации. Конструктивные решения известных газоочистных аппаратов в большинстве своем разрабатывались десятки лет назад, когда отсутствовали эффективные инструменты для реального мониторинга аэрогидродинамической обстановки в них. Значительный вклад в развитие теории и техники процесса газоочистки внесли отечественные ПА. Коузов, АИ. Пирумов, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Е.П. Теверовский, С.Б. Старк, МИ. Шиляев, А.Я. Тарат, И.Н. Мухленов, В.С. Швыдкий, ВТ. Стефаненко и зарубежные ученые В. Страус, ГМ. Инглунд, С. Калверт. Однако, несмотря на сравнительно большое число исследований в этой области, практически отсутствуют работы, охватывающие принципы расчета газоочистного оборудования с единых методологических позиций. Сточки зрения большинства исследователей существуют задачи, решить которые необходимо в ближайшие годы отсутствие комплексного подхода к оценке параметров аппаратов и технологических процессов, способного обеспечить оптимальную настройку аппаратов и максимальную эффективность процесса; недостаточная точность известных методов расчета эффективности, основанных на аппроксимации фракционной эффективности пылеуловителей эмпирико- вероятностными функциями. В настоящее время произошли значительные изменения в области математического моделирования, связанные с применением вычислительных технологий и пакетов программ, что дает возможность прогнозировать аэрогидродинамические характеристики аппаратов уже на стадии проектирования, можно предусмотреть такие конструктивные решения отдельных узлов аппарата, которые позволят значительно повысить эффективность газоочистки Состояние и перспективы развития газоочистного оборудования Интенсификация технологических процессов приводит к непрерывному ухудшению экологической обстановки в промышленно развитых центрах, которое обусловлено увеличением объемов газовых выбросов, содержащих токсичные компоненты. Поэтому становится актуальной задача разработки инерционных аппаратов с активной гидродинамикой, обладающих эксплуатационной надежностью, высокой пропускной способностью и низкой энергоемкостью. Для крупномасштабных газовых выбросов промышленных предприятий проблема очистки существенно осложняется тем, наиболее распространенное газоочистное оборудование вследствии его низкой пропускной способности по газовой фазе, не может применяться для больших объемов отходящих газов. Мокрая очистка применяется для тонкой сепарации газов, при которой реализуется процесс взаимодействия потоков газа с пленкой или каплями орошающей жидкости. Она применяется в случае технологической необходимости для увлажнения и охлаждения газа, в частности, для предварительной подготовки и очистки газов перед подачей их в газоочистные устройства других типов, например, сухие (электрофильтры, рукавные фильтры), а также в случае, когда частицы, отсепарированные из газа, не представляют ценности. Эффективность сепарации определяется запыленностью газа, размерами улавливаемых частиц, скоростью газового потока и удельным расходом жидкости. Целесообразно проводить мокрую очистку при условии создания частичной рециркуляции, либо замкнутого цикла орошения, с применением в качестве орошающей жидкости оборотной воды, а также в том случае, когда сухие методы очистки по тем или иным причинам недопустимы. К недостаткам мокрых пылеуловителей можно отнести потери жидкости с брызгоуносом; сложности при рассеивании в атмосферу влажных очищенных газов, содержащих агрессивные компоненты необходимость обработки и удаления значительного количества стоков и шламов; высокие энергозатраты; технологическая необходимость использования антикоррозийных конструкционных материалов для изготовления аппаратуры. Указанные недостатки могут быть компенсированы путем разработки высокоэффективных аппаратов с относительно низким потреблением энергии, повышением степени сепарации газовой фазы, применением загрязненной орошающей жидкости в системах рециркуляции и т.д. 25 1.2 Методы повышения эффективности газоочистки Широкое внедрение новых мощностей в промышленном производстве, а также интенсификация технологических процессов, как правило, влечет за собой резкий рост летучих выбросов и повышение нагрузки на воздухоочистительные сооружения, что обуславливает одну из основных проблем интенсификации процесса очистки газов. Из научно-технической и патентной литературы [3 - 20] известно немало аппаратов, в которых использованы различные методы интенсификации эффективности пылеулавливания. К таким методам можно отнести кондиционирование газов, режимную интенсификацию и специальные методы (применение эффекта конденсации, использование поверхностно-активных- веществ. Сущность метода режимной интенсификации состоит в том, что работа пылеуловителя приводится к наиболее напряженному режиму, в зависимости от свойств очищаемого газа и улавливаемых компонентов. Конструктивно-технологическая интенсификация основана на совершенствовании конфигурации конструктивных частей пылеулавливающих аппаратов [20, 22], в частности, для циклонов усовершенствуются корпус, входные и выхлопные патрубки, верхние крышки и т.д. Для устройств мокрой очистки газов [23-25], прежде всего, модернизируются устройства для распыла орошающей жидкости, а также контактные ступени, влияющие на характер взаимодействия очищаемого газа с жидкостью. Распространены следующие способы интенсификации: использование комбинированных (многоступенчетых) схем газоочистки; применение высокоскоростных аппаратов, в которых реализованы различные гидродинамические режимы физико-химические методы обработки газовых потоков (агрегирование, употребление поверхностно-активных компонентов, смачиваемость стенок аппарата и т.п.). Одним из способов обеспечения оптимального режима мокрой пылеочистки может быть способ, примененный в вихревом массообменном аппарате с винтовым факелом орошения, представленном в соответствии с рисунком 1.1 [20]. Газ, вводимый тангенциально через патрубок 4, поднимается по аппарату закрученным потоком. Для орошения газового потока жидкостью служит дефлекторный ороситель – центральная труба 2, по которой поступает жидкость. В трубе вдоль спиральной пластины выполнены отверстия, через которые жидкость выходит в виде струи, ударяясь о кромку пластины 6 и образуя при этом расширяющуюся жидкостную пленку. Рисунок 1.1 – Вихревой массообменный аппарат с винтовым факелом орошения – наружный цилиндр 2 – центральная труба – внутренний цилиндр 4 – патрубок – штуцер 6 – спиральная пластина Рисунок 1.2 – Вихревой пылеуловитель с вертикально – дефлекторным оросителем: 1 – цилиндрический корпус – ороситель; 3 – сепаратор 4 – входной патрубок Закрученный газовый поток разрушает пленку на мелкие капли, которые отбрасываются к стенке аппарата под действием центробежных сил и проникают в зазор между внутренними наружным 1 цилиндрами через отверстия во внутреннем цилиндре, как бы отсекаясь от газа. Жидкость под действием гравитационных сил опускается в пространстве между внутренними наружным 1 цилиндрами и удаляется через штуцер 5. Газ, отделенный от жидкости, выводится из аппарата в газоход или атмосферу [100]. Промышленные испытания показали небольшое гидравлическое сопротивление такого аппарата. Вихревой безнасадочный аппарат для пылеочистки, представленный в соответствии с рисунком 1.2, конструктивно подобен вихревому массообменному аппарату для абсорбции газов [21], показанному на рис. 1.1. При этом для полного перекрытия жидкостной пленкой газового потока дефлектор оросителя 2 выполняется в виде пластин, приваренных к трубе вдоль ее оси. Газ через тангенциальный входной патрубок 4 поступает в цилиндрический корпус 1, образуя восходящий вращающий поток. Жидкость, выходя из отверстий оросителя 2 в виде струи, растекается по дефлектору (пластине) и образует вертикальные пленочные завесы по всей высоте контактной зоны. Жидкость отделяется отвращающегося потока газа перфорированным сепаратором 3. Эффективность очистки запыленного газа от частиц размером более 5 мкм в зависимости от диаметра аппарата составляет 90% Но, необходимо иметь ввиду, что гидравлическое сопротивление достигает Паи частицы размером менее 5 мкм улавливаются плохо. Кроме того, в таких аппаратах возможно образование отложений в оборудовании и газопроводах при капельном уносе влаги из пылеуловителя, а также коррозионный износ при очистке газов, содержащих агрессивные компоненты. Сепаратор-промыватель [22], согласно рисунку 1.3, включает вертикальный цилиндрический корпус 1. Внутри корпуса установлен конический завихритель 2, содержащий заглушенное нижнее основание 3 и кольцевое с отбортовкой верхнее основание Рисунок 1.3 – Сепаратор - промыватель: 1 – корпус 2 – завихритель; 3, 4 – основание 5 – лопасть – зигзагообразные элементы – патрубок 8 – срез Верхнее основание соединено жестко с корпусом устройства. Основания 3 и 4 завихрителя 2 жестко соединены друг с другом посредством однонаправленных лопастей 5. Нижнее основание 3 снабжено пакетом радиальных зигзагообразных элементов с вершинами, ориентированными по направлению крутки лопастей 5. Перед завихрителем 2 размещен патрубок подвода жидкости, выполненный с верхним плоским срезом 8, которым упирается в нижнее основание 3 завихрителя 2. 28 Сепаратор-промыватель работает следующим образом. Газовый поток, содержащий механические или газообразные примеси, поступает в устройство снизу. Жидкость поступает в устройство посредством осевого патрубка Благодаря тому, что патрубок 7 подвода жидкости размещен перед завихрителем, при подаче жидкости увеличивается зона контакта фаз и, следовательно, имеет место более эффективное использование рабочего объема устройства. Благодаря выполнению нижнего основания 3 завихрителя 2 в виде пакета радиальных зигзагообразных элементов 6, в которые упирается плоским верхним срезом 8 патрубок 7 подвода жидкости, происходит растекание жидкости по нижнему основанию 3 и образование плоских радиальных струй. За счет того, что зигзагообразные элементы 6 частично перекрывают друг друга в плане, радиальные жидкостные струи перекрывают друг друга по всему сечению устройства, образуя жидкостной завихритель. Восходящий газовый поток проходит жидкостной завихритель и приобретает вращательное движение, характеризуемое интенсивными турбулентными пульсациями в ядре потока. При этом в закрученный поток поступает жидкость благодаря отражению радиальных струй жидкостного завихрителя от корпуса 1 устройства, что обуславливает высокоинтенсивный контакт фаз снаружи конического завихрителя 2, повышает степень очистки газа и позволяет более рационально использовать рабочий объем устройства. Далее, закрученный газожидкостной поток взаимодействует с лопастями 5 завихрителя 2, что приводит к дроблению жидкости, обновлению поверхности контакта фаз и интенсификации процессов межфазного обмена. Благодаря тому, что вершина зигзагообразных элементов ориентированы по направлению крутки лопастей 5, происходит увеличение степени крутки газожидкостного потока после прохождения лопастей 5, что повышает эффективность последующего центробежного осаждения жидкости на корпусе Жидкость, осажденная на корпусе 1, стекает в зону кольцевого с отбортовкой основания 4 завихрителя 2, откуда выводится из устройства, а очищенный от примесей и капельной жидкости газ покидает устройство в верхней части [22]. Конденсационный пылеуловитель представленный в соответствии с рисунком 1.4, относится к технике газоочистки и позволяет повысить эффективность улавливания тонкодисперсных частиц пыли. Пылепарогазовая смесь с температурой 120…200º С по подводящему тангенциальному патрубку поступает в спиральный канал, расположенный в цилиндрической части корпуса, где закручивается, смачивается распыленной водой и за счет центробежной силы отбрасывается к стенке рубашки охлаждения 9. В рубашку охлаждения по патрубкам поступает холодная вода и отводится отработанная. Рисунок 1.4 – Конденсационный пылеуловитель – корпус 2 – тангенциальный патрубок 3 – ввод воды 4 – вывод воды 5 – выхлопная труба – шламосборник; 7 – перегородка – канал 9 – рубашка охлаждения – трубки 11 – желоб Трубки 10, сообщенные с полостью рубашки охлаждения 9, выполнены перфорированными, и хладагент (вода) из охлаждающей рубашки 9 поступает в канал, где диспергируется пылепарогазовым потокам на мелкие капли, смачивающие частицы пыли. В канале происходит конденсация паров пылепарогазового потока, образующийся конденсат и капли диспергированной воды совместно с частицами пыли стекают по стенкам канала частично в сборник шлама, а частично в желоба 11, расположенные под трубками 10. Желоба 11 наклонены в сторону внутренней стенки канала, поэтому вода стекает к этой стенке и диспергируется пылепарогазовым потоком. Капли диспергированной воды за счет центробежной силы отбрасываются к наружной стенке канала. Происходит многократная циркуляция воды, ее нагрев и дополнительное насыщение пылепарогазового потока водными парами. Очищенный газовый поток выбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу [23]. С целью увеличения поверхности контакта фаз разработано устройство для контактирования фаз, представленное на рисунке 1.5 Устройство содержит коагуляционную камеру 1, разгонные трубы 2 подачи запыленного газа, изогнуты в плоскости или пространстве, патрубок ввода орошающей жидкости 3, патрубок ввода запыленного газа 4, патрубок отвода очищенного газа 5, завихрители установленные на выходных участках разгонных труб 2 перед коагуляционной камерой 1, завихрители 7, установленные на выходных участках разгонных труб отводной патрубок Запыленный газ через патрубок поступает в разгонные трубы 2, куда одновременно через патрубок 3 подают орошающую жидкость. Рисунок 1.5 – Устройство для контактирования фаз – коагуляционная камера 2 – разгонные трубы 3 – ввод орошающей жидкости – ввод газа 5 – вывод газа, 7 – завихрители; 8 – отводной патрубок С помощью завихрителя 7, установленного на входе в разгонные трубы газожидкостные потоки закручиваются в противоположном направлении. За счет того, что разгонные трубы изогнуты в плоскости или пространстве, т.е. выполнены в виде криволинейных каналов, газожидкостные потоки перемещаются по сложной пространственной траектории, испытывая действие двух полей поля центробежных сил, создаваемого завихрителя 7, и поля центробежных сил разгонных труб 2. В результате наложения действий этих полей частицы запыленного газа и орошающей жидкости, двигаясь по касательной к криволинейному каналу разгонных труб, получают зигзагообразное направление, причем в разных участках канала они имеют свою траекторию, те. происходит их многократное взаимное пересечение. За счет этого увеличивается поверхность контакта фаз и происходит интенсификация процесса. Достигнув завихрителей 6, на выходных участках труб, подготовленные газожидкостные потоки, получившие высокую степень турбулентности, раскручиваются этими завихрителями в противоположную сторону и поступают в коагуляционную камеру 1 одновременно с двух противоположных сторон. Очищенный газ удаляют через патрубок 5, а уловленные частицы пыли вместе с жидкостью – через патрубок 8 Мокрый пылеуловитель [26], представленный на рисунке 1.6 состоит из вертикального цилиндрического корпуса, патрубков 2 и 3 входа и выхода газа, патрубка 4 входа воды с распылительными форсунками 5, патрубка отвода шлама 6, шламосборника 7, генераторов турбулентности 8. Генератор турбулентности состоит из крепежной решетки 9, пружин 10 для подвески листов 11, осей 12 и дистанционных пружин 13. Запыленный поток газа по патрубку 2 поступает через зону орошения и крепежную решетку 9 с большим живым сечение в генератор турбулентности 8. В генератор турбулентности вместе с газовым потоком поступает диспергированная вода. Благодаря малому расстоянию между листами 11, равному мм, образуются узкие прямоугольные каналы, в которых при высоких скоростях газа (более 10 м/с) возникают мелкомасштабные трехмерные пульсации газового потока и находящихся в нем твердых частиц и капель жидкости, что приводит к интенсивному сталкиванию частиц с каплями жидкости истекающей пленкой жидкости, и тем самым способствует эффективному улавливанию мелкодисперсных частиц. Кроме того, усилие пульсаций газового потока и пленки жидкости по всей высоте каналов достигается за счет вибрации тонкостенных листов 11, возникающей при высоких скоростях газа вследствие незначительной толщины листков. В зависимости от производительности пылеуловителя толщина листов металла равна 0,4…0,8 мм, толщина листов из пластмасс несколько больше. Эффект вибрации листов вследствие высокой скорости газа усиливается нежестким креплением листов в генераторе турбулентности, те. как подвеской на пружинах листов, составляющих генератор, таки установкой дистанционных пружин 13 между листами. При интенсивной турбулизации газового потока истекающей пленки жидкости по всей высоте листов генераторов твердые частицы улавливаются не только каплями диспергированной жидкости, но истекающей турбулизованной пленкой. Рисунок 1.6 – Мокрый пылеуловитель – корпус 2,3 – вход выход газа 4 – вход воды 5 – форсунка 6 – отвод шлама – шламосборник; 8 – генератор турбулентности 9 – решетка 10,13 – пружина – листы 12 – ось Рисунок 1.7 – Устройство для очистки газов – корпус 2 – входной патрубок – форсунки 4 – выводной патрубок – лопатки 6 – желоб Загрязненная жидкость попадает в шламосборник 7, откуда шлам через патрубок 6 удаляется из пылеуловителя, а очищенный газ удаляется через патрубок 3. Благодаря прямоточному движению фаз, позволяющему перемещать газ с большой скоростью сверху вниз по прямоугольным каналам простой формы, в пылеуловителе отсутствуют отстойные зоны, что делает невозможным зарастание внутренних элементов пылеуловителя пылью. Кроме того, в силу простоты каналов генератор турбулентности обладает незначительным гидравлическим сопротивлением, что снижает энергетические затраты на прокачку газового потока Устройство для очистки газов [25], представленное на рисунке 1.7, относится к технике мокрой очистки газов от пыли и позволяет более полно улавливать частицы пыли и капли влаги. Запыленный газ поступает в корпус 1 по тангенциальному входному патрубку 2. Во входной зоне радиально расположенные форсунки 3 орошают закрученный поток брызгами раствора, что способствует коагуляции частиц и оседанию их на внутренних стенках устройства ив нижней части аппарата. Перед поступлением в выводной патрубок 4 очищенного газа пылегазовый поток проходит зону направляющих лопаток 5, где плавно меняет направление с вращательного на поступательное. На участке изгиба лопаток происходит дополнительное осаждение капель шлама по инерции и ударения их о поверхности лопаток. При стекании капель влаги по направляющим лопаткам 5 происходит их слияние в струйки, которые движутся в желобах 6. Явно выраженный рельеф желобов предотвращает механический каплеунос сих поверхностей. Пылегазовый поток ударяется вертикально в поверхность улавливаемой жидкости и происходит досаждение взвешенных в нем частиц пыли и водно- шламовых капель за счет резкого изменения направления потока На рисунке 1.8 представлен аппарат выполненный в виде цилиндрического корпуса с тангенциальным входным патрубком в его нижней части, патрубком для выхода очищенного газа – в верхней части, патрубком для вывода шлама, опорная решетка со слоем насадки, над которой установлено оросительное устройство, выполнена в виде перфорированной конической поверхности, имеющий угол откоса, равный углу естественного откоса Рисунок 1.8 – Аппарат для мокрой очистки газов – корпус 2, 3, 4 – патрубки – опорная решетка 6 – шток – опора 8 – насадка – ороситель; 10 – водоотбойник; 11 – дозатор 12 – бункер – воронка 14 – окно – крышка 16 – лотковый спуск используемой насадки, с жалюзийным водоотбойником, закрепленным на штоке под ней с возможностью вертикального перемещения на штоке, в верхней части корпуса установлен загрузочный дозатор насадки, а в среднем выполнены боковые окна для выгрузки забитой отложениями насадки. Изобретение повышает эффективность очистки запыленных газов за счет того, что аппарат представляет собой комбинированную систему, имеющую две ступени очистки, первую – циклон с водяной пленкой и вторую – насадочный газопромыватель Для всех представленных конструкций аппаратов мокрой газоочистки характерна сравнительно высокая эффективность работы, но при этом они требуют больших расходов воды и тонкого распыления, что приводит к необходимости организации оборотного цикла водоснабжения и, следовательно, к увеличению стоимости газоочистки. В рассмотренных конструкциях при неравномерной плотности орошения происходит нарушение аэродинамики воздушного потока и значительный каплеунос. Таким образом, анализ рассмотренных конструктивных решений газоочистных аппаратов свидетельствует о необходимости разработки высокоэффективных орошаемых инерционных аппаратов с активной гидродинамикой для очистки и охлаждения газовых потоков. Разработка конструкций новых газоочистных аппаратов позволит повысить эффективность пылеулавливания при значительном снижении гидравлического сопротивления устройства, а также сэкономить материальные средства и площади производственных помещений за счет возможности установки аппаратов в газоходах пылеулавливающей системы Обзор известных конструкций газопромывателей с внутренней |