Акустические способы и средства осаждения взвешенных частиц промышленных дымов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, доктор технических наук Чернов, Николай Николаевич

• Чернов, Николай Николаевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Чернов, Николай Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

1.1. Физическая модель поведения взвешенных частиц в акустическом поле

1.2. Пространственное взаимодействие взвешенных частиц в звуковом поле

1.3. Взаимодействие взвешенных частиц в сложных акустических полях

1.4. Дрейф взвешенных частиц в гармоническом и импульсном звуковых полях

1.5. Взаимодействие ансамбля частиц в звуковом поле

1.6. Исследование влияния формы частиц на процесс гидродинамического взаимодействия

1.7. Исследование влияния инерционности среды на взаимодействие частиц в звуковом поле

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Акустические способы и средства осаждения взвешенных частиц промышленных дымов»

Загрязнение атмосферы является составной частью всей нашей жизни и особенно ощутимо для больших городов и промышленных центров. Оно формируется как за счёт природных процессов, таких как лесные пожары, извержения вулканов, пыльные бури, так и за счёт деятельности человека. По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта происходит концентрация населения и промышленных предприятий в больших городах и промышленных зонах и, как следствие, значительное локальное загрязнение атмосферы. По оценке министерство природных ресурсов, на 15% территории страны, где проживает около 60% населения России и сосредоточены основные производственные мощности, экологическая обстановка уже не соответствует нормативам, определяющим уровень экологической безопасности людей [46].

Исследование влияния различных антропогенных нагрузок на человека в городских условиях [9, 10] показали, что наибольшую экологическую опасность представляют загрязнения воздушного бассейна стационарными источниками, такими как тепловые электростанции, транспорт, металлургические, машиностроительные и химические заводы, выбрасывающие в атмосферу широкий спектр токсичных веществ, способных накапливаться в приземном слое атмосферы и почве.

Вопросам уменьшения промышленных выбросов в атмосферу в настоящее время уделяется значительное внимание. Однако, создание высокоэффективных схем осаждения пылевых частиц со степенью улавливания 99 — 99,9% затруднено из-за ограничений физического плана: резко снижается эффективность пылеулавливания мельчайших микронных и субмикронных частиц, доля которых в связи с интенсификацией производства постоянно возрастает. Возникает необходимость использования новых принципов построения пылеулавливающих схем, использующих, например, предварительное изменение физических параметров пыли. Одним из путей решения этой задачи является использование схем осаждения с предварительным укрупнением микронных и субмикронных частиц в агрегаты частиц, легко улавливаемые существующими осадительными аппаратами. В этом смысле акустическая коагуляция является одним из прогрессивных методов (и часто единственно возможным) быстрого укрупнения микронных и субмикронных частиц промышленных аэрозолей с целью их дальнейшего улавливания в существующих или специально создаваемых схемах осаждения.

Несмотря на то, что в исследовании физики процесса и в вопросах промышленного использования акустической коагуляции аэрозолей сделано много (первые исследования были начаты еще на заре 30-х годов 20 века C.B. Горбачевым и А. Б. Северным, Н.С. Паттерсоном, О. Брандтом, X. Фройндом и Е. Гидеманном, Х.В. Сэн-Клером и др. [15, 25, 32, 69]) вряд ли и в настоящее время исследования в этой области можно считать завершенными. Связано это с тем обстоятельством, что акустическая коагуляция аэрозольных частиц исключительно многофакторное явление. При его исследовании и практическом использовании приходится решать вопросы из различных областей физической науки — не только "типичные" акустические задачи (движение ансамбля частиц в звуковом поле, проблемы генерирования мощных звуковых колебаний, измерение основных характеристик акустического поля и др.), но и вопросы физической кинетики, прикладной гидродинамики, механики аэрозолей и др.

Экспериментальные исследования и работы по практическому использованию акустической коагуляции в промышленности, всегда опережали теоретическое осмысливание отдельных аспектов и всего явления в целом.

В середине 20-го века в основном в США и Франции были проведены исследования и начаты работы по промышленному использованию акустического метода осаждения промышленных дымов и естественных туманов. Этому в значительной степени содействовало появление в этот период целой серии сравнительно мощных источников звука [167, 168]. Немного позже Б.Ф. Подошевниковым, Е.П. Медниковым, Р.Ш. Школьниковой, М.Ж. Пальмэ, Р.М.Ж. Буше, Е. Брюном, Р. Левавасэром, И. Ояма, Б. Мончевски-Ровинским, Ю.А. Борисовым, В.И. Тимошенко и др. [1, 45, 122] было проведено много работ по использованию акустической коагуляции в металлургической, химической, горной, цементной и других отраслях промышленности.

При положительном физическом эффекте акустической коагуляции общим недостатком этих работ являлось наличие слишком больших энергетических затрат: от 2 до 7 кВтч на 1000 м3 газа, обусловленных в основном эмпирическим подходом при выборе основных параметров акустических коагуляционных установок (например, использование повышенных частот) и газоочистных схем улавливания (к примеру, использование циклонов). В условиях необходимости обработки сотен тысяч кубических метров газа в час (как например, в теплоэнергетике) при малой стоимости улавливаемого продукта такие энергозатраты делали акустические методы экономически нецелесообразными. Требовалось снизить эти цифры в несколько раз.

Целью диссертационной работы является: решение научной и прикладной проблемы создания экологически и экономически рациональной системы подготовки промышленных дымов в акустическом поле к очистке от взвешенных частиц в штатных осадительных устройствах, теоретически обоснованной и учитывающей индивидуальные свойства аэродисперсной среды, а так же разработка новых конструктивных схем акустических коагуляционных осадительных устройств, обеспечивающих интенсивное улавливание микронных и субмикронных взвешенных частиц.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретическое исследование пространственного гидродинамического взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в многокомпонентном звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды;

- создание модели и разработка методов расчёта макропроцесса акустической коагуляции на основе исследования единичного взаимодействия частиц;

- создание экспериментальной базы и методики проведения исследований макропроцесса коагуляции в акустическом поле взвешенных частиц различных промышленных дымов, наносящих наибольший вред природе и человеку;

- получение на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований расчётного уравнения, описывающего макропроцесс акустической коагуляции произвольного аэрозоля.

- проведение теоретического и экспериментального анализа процесса агрегатообразования, плотности, формы и устойчивости агрегатов частиц, а также разрушение дисперсной структуры слоя пылевых отложений в мощном звуковом поле;

- разработка теоретических и экспериментальных аспектов создания конструкций низкочастотных акустических излучателей для промышленных коагуляционных установок;

- внедрение в промышленность акустических способов и средств интенсификации очистки дымовых газов, обеспечивающих повышение эффективности улавливания взвешенных частиц и снижение вредных выбросов в атмосферу.

На защиту выносятся следующие теоретически и экспериментально полученные научные результаты и положения:

1. Теоретические методы исследования пространственного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в многокомпонентном звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды.

2. Закономерности влияния физических параметров аэрозолей (концентрации, дисперсности, температуры и формы частиц дисперсной фазы) и характеристик акустического поля (частоты, уровня звукового давления, времени озвучивания, параметров компонентов и формы поля колебательной скорости) на макропроцесс акустической коагуляции.

3. Экспериментальные методы и средства исследования макропроцесса коагуляции взвешенных частиц промышленных дымов.

4. Принципы и методы инженерных расчётов осадительных характеристик пылеулавливающих устройств с предварительной обработкой пылегазового потока мощным акустическим полем с учётом физических характеристик потока и поля.

5. Физическая модель агрегатообразования и разрушения слоя дисперсной фазы пылевых отложений в мощном акустическом поле.

6. Рекомендации по расчету, проектированию и результаты практической реализации мощных излучателей звука — низкочастотных электродинамических сирен.

7. Принципы построения, рекомендации и результаты практической реализации в промышленности низкочастотных акустических установок для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- впервые проблема повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов за счёт коагуляции в акустическом поле решается на основе комплексных исследований процесса на микро- и макроуровнях с подтверждением теоретических расчетов лабораторными и промышленными исследованиями; установлены закономерности пространственного единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в сложных гармонических и негармонических акустических полях; на основе полученных закономерностей разработаны схемы модернизации штатных осадительных систем с использованием акустической коагуляции промышленных дымов;

- впервые на созданной промышленной коагуляционной установке исследован разработанный теоретически способ очистки поверхностей пылеулавливающих и других технологических устройств от слоя пылевых отложений;

- предложены и экспериментально подтверждены принципиально новые критерии выбора параметров акустических коагуляционных установок для различного типа осадителей и очищаемых дымов.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке технологии и техники эффективного осаждения высокодисперсной пыли в штатных осадительных устройствах путём предварительного укрупнения взвешенных частиц дымовых газов в мощном акустическом поле. На основе комплекса исследований единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц аэродисперсной среды предложены инженерные методики расчёта основных параметров акустических коагуляционных установок для различных типов осадительных аппаратов и промышленных дымов. Применение разработанных схем очистки с акустической коагуляцией позволяет решить проблему сухой очистки газов от высокодисперсной пыли без замены существующего осадительного оборудования. Разработанный способ очистки и созданные электродинамические излучатели высокоинтенсивного звука позволяют совмещать процесс укрупнения взвешенных частиц в потоке объёмом от тысячи до миллиона метров кубических дымового газа в час с очисткой поверхностей пылеулавливающих и других технологических устройств от слоя пылевых отложений, что повышает эффективность их работы, сроки службы и упрощает обслуживание. Кроме этого, разработанные методы исследований, полученные математические модели, зависимости и закономерности могут быть использованы в смежных областях науки и техники.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе модели, методы, конструктивные решения и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся по постановлениям директивных органов: «Разработка низкочастотного акустического метода глубокой очистки воздуха от мелкодисперсных субмикронных частиц промышленных аэрозолей (№ гос. регистрации 77068431, результаты внедрены на ПО «Лакокраска», г. Ростов-на-Дону); «Разработка физических основ и принципов использования акустической коагуляции и осаждения промышленных дымов и туманов» (№ гос. регистрации 77073118, результаты использованы РЭУ «Ростовэнерго»). Результаты диссертационной работы использовались в ряде научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам предприятий и организаций: «Исследования и разработка оптимальных режимов работы элементов мощных динамических сирен» (Донецкий филиал ВНИПИчерметэнергоочистка); «Разработка комплекса программного моделирования распространения загрязняющих веществ, выделяемых автотранспортом и промышленными предприятиями г. Таганрога» (Администрация г. Таганрога); «Разработка программы неотложных мер по сокращению выбросов в атмосферу» (Таганрогский межрайонный комитет по охране природы). Во всех перечисленных работах автор являлся ответственным исполнителем, либо научным руководителем работы.

Эффективность и целесообразность применения разработанных акустических способов и средств улавливания взвешенных частиц промышленных дымов подтверждены актами внедрения на промышленных предприятиях и в организациях: Новочеркасской ГРЭС, АО «ТАГМЕТ» (г. Таганрог), ООО фирме «РАСВЕТ» (г. Ростов-на-Дону), Таганрогском лакокрасочном заводе, Межрайонном комитете охраны природы (г. Таганрог), Ставропольском заводе технического углерода, фирме HOLMKO Elektroakustik (г. Берлин, Германия).

Техническая и конструкторская документация на мощные излучатели для коагуляционных установок была передана для внедрения на промышленных предприятиях следующим организациям и научным учреждениям: Донецкому филиалу ВНИПИчерметэнергоочистка, Чимкентскому цементному заводу, Косогорскому металлургическому комбинату (г. Тула), Львовскому политехническому институту, Ташкентскому филиалу ЦКБ Главэнергоремонта, Красноярской ГРЭС-2.

В первой главе приведены результаты исследования пространственного гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц в вязкой среде обтекания в многокомпонентных звуковых полях. Они показали, что эффективное сближение частиц происходит в широкой области частот, в том числе и на низких звуковых частотах. Было установлено, что оптимальной формой для моделирования процесса взаимодействия частиц практически любого промышленного аэрозоля является эллипсоид вращения. При теоретических расчётах гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц пределы варьирования основных параметров звукового поля (частоты, амплитуды, колебательной скорости, конфигурации поля), аэрозоля (расстояния между частицами, их размеры, ориентация, удельный вес вещества) и вмещающей среды (плотности, вязкости, температуры) существенно превышали встречающиеся на практике и в экспериментах.

Разработанный путь решения задач (см. раздел 1.2) позволяет в принципе рассчитывать множественное взаимодействие частиц с учетом различных сил, действующих на частицу, но пока не удастся на основе совместного решения уравнений движений всех частиц с учетом их взаимодействия (такая система уравнений составлена), выявить закономерности изменения параметров аэродисперсной системы в целом при облучении ее мощным звуком, хотя бы потому, что в реальных случаях в одном кубическом сантиметре бывает порядка десятков и даже сотен миллионов частиц.

Поэтому были решены уравнения, описывающие пространственное движение двух и ансамбля из трех частиц в едином и многокомпанентном звуковом поле, представляющем суперпозицию трёх взаимно ортогональных колебаний, с учетом взаимного влияния гидродинамических полей обтекания частиц при вязком (Яе < 1) режиме обтекания с учетом изменения расстояния между частицами. Результаты исследования пространственного взаимодействия частиц позволяют сделать предположение о превалирующем влиянии на движение частиц соседних, близкорасположенных частиц. Решение задачи взаимодействия трёх близкорасположенных частиц в звуковом поле подтверждает сделанный вывод.

При высоких интенсивностях звукового поля и среднедисперсном аэрозоле (осееновский режим при Яе>\) на обтекание частицы начинают оказывать существенное влияние инерционные свойства среды, что приводит к интенсификации, по сравнению со стоксовским режимом, взаимного сближения частиц. При этом основные закономерности процесса не меняются.

Так же рассмотрены общие особенности появления направленного дрейфа частиц в акустическом поле и, в частности, дрейф частиц при несинусоидальной форме колебаний среды, который играет определенную роль в процессе увеличения локальной концентрации частиц и способствует их сближению, что дает дополнительные объяснения эффекту акустической коагуляции при несинусоидальной форме озвучивании. При этом наибольшее смещение частица получает при определённой форме импульса акустического воздействия, что может быть полезным при расчёте узлов генерации динамических сирен для коагуляционных установок.

Модель макропроцесса акустической коагуляции может быть построена на основе определения пространственных зон эффективного взаимодействия частиц, форма и величина которых может быть получена из расчета гидродинамического взаимодействия двух частиц в звуковом поле.

Вторая глава посвящена получению уравнения макропроцесса акустической коагуляции, позволяющего найти, например, изменение счетной концентрации при варьировании параметров звукового поля и пылегазового потока, что необходимо не только для исследования физики явления, но и для расчета и выбора основных элементов промышленных акустических коагуляционных установок. Получение расчетного уравнения кинетики базируется на исследовании закономерностей пространственного взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле. Исследование динамики процесса акустической коагуляции показало, что эффективное сближение аэрозольных частиц происходит в узкой пространственной зоне, вытянутой в обе стороны от центра частицы в направлении колебаний. Проникновению частиц в эту пространственную зону способствуют рассмотренные виды диффузии частиц, некоторые виды взаимных дрейфов частиц, вторичные движения среды и др.

В уравнение кинетики входит коэффициент диффузии аэрозольных частиц. Вследствие того, что подвижность аэрозольных частиц в звуковом поле меняется (для крупных частиц из-за изменения силы сопротивления при осееновском обтекании, для малых - из-за влияния прерывистости среды), расчетное значение коэффициента диффузии мельчайших частиц может значительно отличаться (иногда в два раза) от эйнштейновского значения. Это обстоятельство было исследовано в разделе 2.2 и по полученным ранее в [2] аналитическим выражениям, произведен расчет коэффициента диффузии в функции от параметров звукового поля и аэрозоля.

При наличии уравнения кинетики возникает возможность теоретически проанализировать процесс акустической коагуляции в функции от параметров звукового поля и аэрозоля. В качестве варьируемых параметров были выбраны значения для реальных промышленных дымов. Расчеты показали, что частота звуковых колебаний и вязкость среды практически не влияют на процесс изменения концентрации частиц при акустической коагуляции. Основное влияние оказывает амплитуда колебательной скорости и концентрация аэрозоля (начальное расстояние между частицами).

Аналитическое уравнение кинетики учитывает практически все основные факторы, влияющие на процесс акустической коагуляции. Однако подучено оно было при определенных допущениях, правильность которых необходимо было проверить экспериментальным путем.

Теоретические исследования гидродинамического взаимодействия отдельных пар частиц в звуковом поле и макропроцесса акустической коагуляции были подтверждены экспериментально в лабораторных условиях на специально разработанной экспериментальной базе.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию макропроцесса акустической коагуляции в возможно более широком диапазоне варьирования основных параметров аэродисперсной среды и акустического поля, чтобы выяснить условия и пределы применимости метода, а также охватить значительную часть типичных ситуаций, встречаемых в промышленности.

Экспериментальные исследования в динамических условиях проводились (см. раздел 3.2) на лабораторной установке с мощными электродинамическими излучателями. Экспериментально исследована акустическая коагуляция промышленных аэрозолей с различными физико-химическими свойствами (плотностью, конфигурацией, сжимаемостью, концентрацией, дисперсностью и др.). Исследования метода акустической коагуляции проведены с различными промышленными аэрозолями: оксидами железа, дымами ТЭС, сажей и фталиевым ангидридом. Свойства перечисленных аэрозолей и параметры сред учитывались при задании пределов изменения характеристики в расчётных соотношениях пространственного гидродинамического взаимодействия частиц и расчете макропроцесса коагуляции в мощном акустическом поле.

На основании теоретического анализа уравнения кинетики и проведенных предварительных экспериментов было выяснено, что основными факторами, влияющими на процесс акустической коагуляции являются: интенсивность звука, время озвучивания, частота звуковых колебаний, концентрация пыли в потоке и температура пылегазового потока. Эти факторы в основных экспериментах варьировали в широких пределах. Высокие значения коэффициентов множественной корреляции указывают на полный учет всех основных факторов. В экспериментах оценивали изменение дисперсного состава и относительное изменение счетной концентрации при акустической коагуляции. Общее число частиц в единице объема подсчитывалось из дисперсного распределения, полученного методом микроскопического анализа.

Исследование картины изменения дисперсного распределения субмикронных частиц при акустической коагуляции позволило выявить количественные характеристики роста размеров частиц отдельных фракций в функции от основных параметров. Эти исследования показали, что степень укрупнения микронных частиц аэрозолей при приемлемых энергозатратах вполне достаточна для резкого повышения эффективности пылеулавливания традиционных аппаратов, особенно электрофильтров.

Выявленная закономерность слабого влияния частоты на процесс коагуляции указывает, что выбор этого параметра для акустической коагуляции промышленных аэрозолей должен определяться технико-экономическими показателями используемых излучателей и создаваемых установок. При обработке больших объемов запыленного газа и повышенных концентрациях пыли в потоке следует рекомендовать использование низких звуковых частот порядка 300 — 800 Гц. Затухание в этом случае невелико, а генерирование мощных колебаний, например, с помощью низкочастотных сирен (см. главу 6) весьма просто и дешево. Размеры коагуляционных колонн или озвучиваемых участков газопроводов следует выбирать из условия обеспечения минимально необходимого времени озвучивания.

В четвертой главе на базе теории взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле и кинетики акустической коагуляции, а также экспериментальных данных (в основном электронной и оптической микроскопии) представлены результаты исследования структуры и динамики роста агрегатов, образующихся в звуковом поле, а также их физических параметров: размеров, формы, плотности, распределения по фракциям, прочности и устойчивости пылевых отложений. Эти данные необходимы для оценки поведения образованных при акустической коагуляции агрегатов в осадительных аппаратах, расчета их эффективности и изучения возможности очистки рабочих поверхностей пылеулавливающего и другого технологического оборудования от обрастания пылевыми отложениями (в частности, осадительных электродов электрофильтров).

Аэрозольные частицы, например, сталеплавильного производства, для которых целесообразно использовать акустическую коагуляцию, имеют размеры десятые и даже сотые доли микрона. Поэтому при исследовании структуры агрегатов и динамики их роста использовались электронно-микроскопические методы в сочетании с оптическими. Анализ большого числа микроснимков, подученный при различных значениях параметров звукового поля, показал, что за 1 — 2 с за счет акустической коагуляции образуются разветвленные, рыхлые агрегаты, содержащие несколько сотен и даже тысяч первоначальных частиц. Наблюдения позволили классифицировать агрегаты и описать закономерности роста каждого из наблюдаемых типов агрегатов. Обнаружено два основных типа агрегатов, образующихся при акустической коагуляции: первый тип - состоящих только из мелких ветвящихся субмикронных частиц и второй тип - сравнительно крупная микронная частица, на которую присоединяются и ветвятся мелкие частицы.

Электронно-микроскопические исследования структуры и динамики роста агрегатов проводили в широком диапазоне варьирования основных параметров звукового поля и, в частности, частоты звука. Общая структура и конфигурация агрегатов были одинаковыми, что еще раз подтверждает сделанный ранее вывод о незначительном влиянии частоты на процесс акустической коагуляции и возможности его проведения на низких звуковых частотах.

Микроскопические исследования позволили количественно оценить изменение содержания отдельных фракций и действительную плотность рыхлых агрегатов, образующихся в процессе акустической коагуляции. Содержание мелких фракций существенно уменьшается при сохранении общего нормально-логарифмического закона распределения частиц и дисперсии распределения. Отсутствует какое-либо селективное воздействие звуковых колебаний на коагуляцию отдельных фракций.

Образовавшиеся агрегаты и отдельные крупные частицы за счёт сил гравитации, а также при столкновении с металлическими поверхностями газоходов и осадительных аппаратов образуют слои осевшей пыли, повышающие аэродинамическое сопротивление газоходов и очистных аппаратов и препятствующие процессу эффективной очистки газа от пылей.

Обрастание поверхностей пылью особенно отрицательно сказывается на работе электроосадительных аппаратов, имеющих высокую чувствительность процесса очистки к отклонениям от заданного технологического режима. В ряде производств, таких как теплоэнергетика, тепловая энергия отходящих газов используется в производственном цикле для подогрева воздуха, поступающего в топку котла. Очистка поверхностей нагрева теплообменных аппаратов от слоя пыли является актуальной задачей, решение которой, без остановки котлоагрегата, пока не найдено. В связи с этим, использование мощных акустических полей для разрушения слоя пыли может быть полезным.

В пятой главе на основании выявленных закономерностей поведения аэрозольных частиц и изменения их физических параметров при акустической коагуляции проведен расчет эффективности пылеулавливания в действующих промышленных схемах осаждения с использованием наиболее распространенных осадительных аппаратов типа циклон, труба Вентури и электрофильтр. Целесообразность выполнения подобных исследований диктовалась необходимостью изыскания и обоснования оптимальной схемы осаждения при создании промышленных пылеосадительных установок с использованием акустической коагуляции частиц.

Расчет эффективности осаждения укрупненных в звуковом поле частиц проведен по существующим эмпирическим и полуэмпирическим выражениям для каждого из перечисленных типов аппаратов с учетом выявленных изменений размеров частиц, их плотности и дисперсного распределения при коагуляции. Расчеты показали, что предварительная акустическая коагуляция частиц позволяет улучшить работу центробежных осадителей (циклонов), значительно повысить пылеулавливание в инерционных осадителях (трубах Вентури), но особенно преимущества акустического метода проявляются при электростатическом методе осаждения.

Создание высокоэффективных осадительных аппаратов на основе традиционных схем осаждения с использованием предварительной обработки пылегазового потока акустическим полем осложняется из-за отсутствия мощных источников дешевой акустической энергии. Для целей акустической коагуляции промышленных аэрозолей в условиях больших объемов обрабатываемого потока, повышенных температур и концентраций пылей наиболее целесообразно применение низкочастотных динамических или статических сирен, как наиболее простых, дешевых в изготовлении и надежных в эксплуатации мощных акустических излучателей.

В шестой главе представлены результаты исследований рабочих характеристик и конструктивных особенностей электродинамических сирен большой мощности, на основе которых разработаны конструкторские документы на три типа мощных низкочастотных электродинамических сирен для коагуляционных установок различной производительности, изготовлены промышленные образцы сирен и успешно проведено их испытание в условиях промышленных коагуляционных установок.

В седьмой главе рассматриваются устройство, параметры и результаты испытаний созданных под руководством или с участием автора промышленных акустических коагуляционных установок (они разработаны и изготовлены для различных предприятий в городах Красноярске, Чимкенте, Туле, Ставрополе, Ростове-на-Дону, Новочеркасске и Таганроге) были низкочастотными и имели производительность от тысячи до миллиона кубометров в час обрабатываемого пылегазового потока. Каждая из смонтированных коагуляционных установок была уникальной. Однако их всех объединяло одно: они не меняли уже имеющуюся на предприятии систему очистки и значительно повышали её эффективность. Такой подход существенно снижает затраты на внедрение акустического метода осаждения промышленных дымов.

Разработанные и созданные экспериментальные установки и методика аэрозольных и акустических измерений позволяют изучать процесс акустической коагуляции различных типов аэрозолей и рассчитывать оптимальные параметры промышленных коагуляционных установок.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение содержит акты внедрения и использования результатов диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Чернов, Николай Николаевич

5.5. Основные результаты и выводы

Заканчивая раздел, можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Установленные закономерности укрупнения частиц и изменения их характеристик дисперсного распределения и физических параметров при акустической коагуляции позволяют рассчитать эффективность осаждения в действующих промышленных схемах пылеулавливания с использованием традиционных осадительных аппаратов при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле.

2. Проведены исследования влияния параметров акустической коагуляции на характеристики различных типов осадителей: электрофильтров, циклонов и скрубберов. Установлено, что при приемлемых затратах акустической энергии достигается значительное уменьшение остаточной запыленности дымовых газов.

3. Рассчитана осадительная характеристика циклона с предварительной акустической коагуляцией пылегазового потока. Показано, что при укрупнении в 10 раз в звуковом поле взвешенных частиц летучей золы ТЭС величина остаточной запыленности уменьшается в 2 раза (до величины ¡Лц = 0,7), т.е. акустическая коагуляция улучшает работу центробежных осадителей.

4. С учетом изменения плотности и дисперсного состава аэрозоля при акустической коагуляции рассчитана осадительная характеристика инерционного осадителя при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле. Полученные результаты говорят о перспективности использования данной схемы.

5. Результаты экспериментального исследования осаждения аэрозоля фталиевого ангидрида в трубе Вентури при акустической коагуляции, полученные на опытной заводской установке показали, что расхождение расчетной и экспериментальной осадительных характеристик связано с разрушением агрегатов, образованных при акустический коагуляции, в условиях больших градиентов скоростей и ускорений пылегазового потока в трубе Вентури.

6. Экспериментальное исследование электростатического осаждения аэрозоля при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле показало, что при 10-ти кратном укрупнения частиц за счет акустической коагуляции остаточная запыленность после электрофильтра уменьшается в 15 - 17 раз (до значений ¡лэл = 0.02 - 0,018). При электростатическом осаждении агрегаты, образованные в звуковом поле, не разрушаются.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Чернов, Николай Николаевич, 2004 год

1.1. Высокоинтенсивные акустические генераторы

2. Несмотря на широкое распространение сирен, некоторые вопросы их конструирования не получили достаточного освещения в литературе. Большинство работ 3, 116. посвящено описанию теоретических расчетов по выбору частоты, формы рабочих отверстий и т. д.

3. При отсутствии экспоненциального рупора акустический к.п.д. сирен резко понижается, в особенности на низких частотах, не превышает 1 — 2%, что объясняется отсутствием согласованности между источником звука и озвучиваемой средой.

4. Каждый экспоненциальный рупор имеет свою критическую частоту, ниже которой звук не проходит; величина ее зависит от коэффициента расширения рупора

5. Рис.6.1. Зависимость звукового давления и расхода воздуха от величины зазора. Кривые 1 и 2 для расхода воздуха; 3 и 4 - для звукового давления; 1 и 3 — для дозвуковой, 2 и 4 — сверхзвуковой скорости истечения воздуха.

6. Рис. 6.2. Зависимость эффективности излучения от числа генераторов звука для различной формы диффузоров.

7. Кривые: 1 экспоненциальной, 2 - конической, 3 и 4 конической с вставкой и с отношением площадей оснований 5ниж/5верх равным 4 и 5.

8. Низкочастотная электродинамическая сирена малой мощности

9. Рис. 6.3. Низкочастотная электродинамическая сирена малой мощности.

10. Рис.6.4. Низкочастотная электродинамическая сирена СДН 0.5.

11. Диффузор сирены рассчитан на согласование с закрытым пространством (газоходом) диаметром (или квадратом) 200 250 мм.

12. Низкочастотная электродинамическая сирена средней мощности

13. Рис. 6.5. Низкочастотная электродинамическая сирена средней мощности С-200.

14. Устройство узла генерации сирены показано на рис. 6.6.

15. Рис. 6.6. Общий вид электродинамической сирены.

16. Сирена в сборе без согласующего диффузора показана на фотографии рис.6.7.

17. Рис. 6.7. Сирена в сборе с электродвигателем.

18. Рис. 6.8. Общий вид диффузора.

19. Сирена с электродвигателем и диффузором показана на фотографии рис.

20. Рис. 6.9. Общий вид сирены с диффузором на экспериментальной установке.

21. Низкочастотная электродинамическая сирена большой мощности

22. Для озвучивания больших объёмов пылегазовых потоков была разработана сирена большой мощности: аксиальная сирена с экспоненциальным согласующим диффузором.

23. Чертёж общего вида мощной аксиальной сирены С-450, поясняющий её конструкцию, показан на рис. 6.11.

24. Рис. 6.11. Конструкция мощной аксиальной электродинамической сирены С-450.

25. На рис. 6.12 представлена фотография рупора и внутренней вставки диффузора для согласования излучения от узла генерации звука в газоход сечением 3x5 м от котлоагрегата типа ТПП-210А энергоблока мощностью 300 МВт Новочеркасской ГРЭС.

26. Рис. 6.12. Рупор и внутренняя вставка диффузора сирены С-450.

27. Для определения и оптимизации технических характеристик мощная низкочастотная сирена была испытана на специальном стенде. На рис. 6.13. представлена фотография сирены С-450, установленной на испытательном стенде Новочеркасской ГРЭС.

28. Рис. 6.13. Испытательный стенд сирены большой мощности.

29. Основные результаты и выводы

30. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СХЕМ ОСАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОЙ КОАГУЛЯЦИИ ДЫМОВ

31. Промышленная установка для осаждения летучей золы с предварительной акустической коагуляцией дымов ТЭЦ71.1. Общая схема и основные параметры установки

32. Рис. 7.1. Общий вид промышленной коагуляционной установки на Новочеркасской ГРЭС.

33. Рис. 7.2. План расположения основных узлов и газоходов промышленной установки для осаждения летучей золы.

34. Схема установки с системой контрольно-измерительных приборов представлена на рис. 7.3.

35. Рис. 7.3. Схема промышленной установки для коагуляции частиц летучей золы в мощном низкочастотном акустическом поле.

36. Степень загрязнения регенеративных воздухонагревателей 3 и 4 определялась по их аэродинамическому сопротивлению дымовым газам, величина которого определялась по перепаду давления с помощью и-образных манометров 17 и 18.

37. Основные параметры промышленной установки для низкочастотной акустической коагуляции дымовых газов в скрещенных звуковых поляхприведены ниже.

38. Производительность, м3/ч 750000.

39. Диапазон рабочих частот, Гц 100-1000.

40. Звуковое давление в газоходах и РВВ, Па, (дБ) 630 (150).

41. Уровень шума на расстоянии 1 м от сирен, Па (дБ) 0,8 (92).

42. Потребление рабочего пара давлением 106 Па, т/ч 1,6-2.

43. Потребление электроэнергии, кВт/ч 4.

44. Датчиком звукового давления служил пьезокерамический шарик диаметром 10 мм. Так как размеры датчика намного меньше длины звуковой волны, он не вносил искажений в звуковое поле. Точность измерения датчиком звукового давления составляла 20 %.

45. Аэродинамическое сопротивление воздухонагревателей измерялось по перепаду полных напоров на входе и выходе аппарата:

46. МЛ,.« +к,ин) (РвЬ1ХСт + кых.дин), (7.1)где Рвхст и Рвыхст статические давления на входе и выходе РВВ; Кхст и Кыхст " динамические напоры в тех же точках замера.

47. Испытания проводились на энергоблоке мощностью 300 мВт при различных режимах работы котлоагрегата типа 11И1-210А, что позволило определить пределы изменения параметров пылегазового потока и осадите льных электрофильтров.

48. В топках котлоагрегата сжигалось пылевидное топливо, получаемое после размола донецкого угля АШ в шаровых барабанных мельницах до тонины помола 7 8% остатка на сите 80 мкм и 2% остатка на сите в 200 мкм.

49. На рис. 7.4 показано дисперсное распределение по счету (кривая 1) и весу (кривая 2) частиц летучей золы перед осадителем при сжигании в топках котлоагрегата донецкого угля АШ.

50. Средний медианный размер частиц по счету равен 1.8 мкм, по весу 9,5 мкм, частицы размером менее 5 мкм составляют 70% по счету и 30% по весу.Жа-а11. Э* §99.999,5 99 9895 90 80 70 60 50 40 30§■ 20 В Ша 5