Интенсификация процесса пылеулавливания в электроциклоне путём снижения вторичного уноса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Титов, Анатолий Геннадьевич

• Титов, Анатолий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Титов, Анатолий Геннадьевич

Оглавление

Введение

1. Современное состояние вопроса очистки газов от пыли

1.1. Классификация аэрозолей и газоочистных аппаратов

1.2. Существующие конструкции электроциклонов

1.3. Вторичный унос в электрофильтрах и методы борьбы с ним

1.4. Вторичный унос в циклонах и методы борьбы с ним

1.5. Методики расчета электроциклонов

1.6. Постановка задач исследований

2. Характеристика объектов и методов исследований

2.1. Характеристика исследуемых материалов

2.2. Описание экспериментальной установки

2.3. Методика проведения эксперимента

2.4. Расчетные формулы и погрешности измерений

3. Исследование эффективности процесса улавливания технологических пылей и оценка вторичного уноса в электроциклонах

3.1. Влияние скорости потока и фракционного состава на эффективность процесса улавливания технологических пылей

3.1.1. Исследование процесса улавливания перкарбоната натрия

3.1.2. Исследование процесса улавливания железо-ванадиевого концентрата

3.1.3. Исследование процесса улавливания возгонов медеплавильных печей

3.1.4. Исследование процесса улавливания золы

3.2. Количественная оценка вторичного уноса в электроциклоне

3.2.1. Исследование процесса улавливания золы в электроциклоне в сухом режиме

3.2.2. Исследование процесса улавливания аэрозоля в электроциклоне в мокром режиме

3.2.3. Анализ величины вторичного уноса

3.3. Исследование эффективности применения профилированных элементов для снижения вторичного уноса в электроциклоне

3.4. Электрические характеристики лабораторного электроциклона

3.5. Гидравлические характеристики лабораторного электроциклона

3.6. Выводы по главе

4. Модель вторичного уноса частиц в электроциклоне

4.1. Уравнения, описывающие работу электроциклона

4.2. Результаты расчетов траекторий частиц на 2В-модели

4.3. Результаты расчетов траекторий частиц на 3D модели

4.4. Верификация 2Б-модели

4.5. Верификация ЗБ-модели

4.6. Методика расчета электроциклона

4.6.1. Расчет технологических характеристик

4.6.2. Расчет гидравлического сопротивления и подбор электроагрегата

4.7. Выводы по главе

Выводы

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса пылеулавливания в электроциклоне путём снижения вторичного уноса»

Введение

Актуальность темы. В настоящее время остро стоит проблема тонкой очистки больших объемов газов от дисперсных частиц. Это связано как с необходимостью улавливания целевого продукта промышленных предприятий, так и с очисткой сбросных газов от пыли в электроэнергетике. В том и другом случае пылеулавливающее оборудование должно обеспечивать максимально возможную эффективность. Особенно остро стоит вопрос очистки дымовых газов ТЭС от золы-уноса. Из всего объема вырабатываемой в мире энергии 27 % приходится на долю ТЭС, работающих на угле. В обычном режиме ТЭС выбрасывает в атмосферу более 700 ООО тонн золы-уноса в год. Только в РФ, по разным оценкам, ежегодно вырабатывается 27-35 миллионов тонн золы-уноса.

Для очистки выбрасываемых в атмосферу газов от золы-уноса применяют аппараты разного принципа действия и конструкции: скрубберы, циклоны, пылеосадительные камеры, электрофильтры и другие. Указанные аппараты имеют как преимущества над другими, так и недостатки, к примеру, циклоны имеют высокую степень очистки (до 90 %) от крупных (свыше 40 мкм) частиц и возможность работы с аэрозолями большой концентрации (свыше 50 г/м ), в свою очередь электрофильтры пригодны для улавливания мелких (менее 40 мкм, а также субмикронных) частиц, но могут работать с относительно небольшими концентрациями (до 50 г/м ) золы. Применяемые в настоящее время многопольные пластинчатые электрофильтры сравнительно дороги, громоздки и не обеспечивают требуемую высокую степень очистки, которая при современном уровне технологий должна составлять 99,5—99,7 %. Мокрая очистка газов в эмульгаторах затрудняет утилизацию золы, так как необходимо ее выделение из пульпы и последующая сушка. Для этого требуются значительные затраты тепла.

В связи с возрастающими природоохранными требованиями задача разработки высокоэффективного оборудования для очистки больших объемов

о

(сотни тыс. м /ч) газов является весьма актуальной.

Одним из вариантов решения задачи является использование в пылеулавливающих аппаратах использование различного вида полей. Благодаря этому, кроме центробежных сил, на дисперсные частицы будут действовать кулоновские силы. Однако известные в настоящее время конструкции электроциклонов, обеспечивая высокую степень очистки газов от пыли в одиночном исполнении, имеют производительность не более 15 тыс. м /ч. Батареи из нескольких параллельно работающих аппаратов громоздки и неудобны в эксплуатации. Одним из важных условий эффективной работы электроциклона является отсутствие (либо снижение) вторичного уноса. Тщательный анализ публикаций в мировой технической литературе показал, что систематические исследовательские работы по изучению явления вторичного уноса в электроциклонах не проводятся.

Тематика настоящего исследования соответствует «Перечню критических технологий Российской Федерации», а именно разделу «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения». Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 14-08-00046 А «Вторичный унос в электроциклоне. Механизм и природа процесса, математическая модель и методы устранения»).

Объект исследования — электроциклон типа ЭЦВ (электроциклон вертикальный).

Предмет исследования — закономерности процесса вторичного уноса в электроциклоне и конструктивные элементы и особенности электроциклона.

Цель работы — повышение эффективности работы электроциклона за счет снижения вторичного уноса изменением технологических режимов работы и разработкой конструктивных элементов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Создание экспериментальной установки для исследования влияния физических, гидродинамических, конструктивных параметров процесса пылегазоочистки на вторичный унос.

2. Проведение экспериментальных исследований по влиянию вторичного уноса на эффективность пылеулавливания.

3. Установление закономерностей вторичного уноса в электроциклоне; разработка математической модели вторичного уноса.

4. Разработка методов и конструктивных решений для снижения вторичного уноса и апробация их на практике.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые установлено влияние технологических параметров процесса пылегазоочистки (скорость потока в интервале 14-27 м/с, концентрация аэрозоля в потоке от 2 до 30 г/м , рабочее напряжение на коронирующих электродах в диапазоне 0-17 кВ, конфигурация профилированных элементов, орошение осадительного электрода) на степень вторичного уноса. Показано, что наибольшее влияние оказывает скорость аэрозоля на входе в аппарат.

2. Установлено, что наличие вторичного уноса в электроциклоне при увеличении скорости аэрозоля в интервале 14-27 м/с и концентраций пыли на входе в аппарат 2,4—30,6 г/м снижает степень очистки на 6,0-32,7 %. Степень очистки может быть повышена путем снижения вторичного уноса с помощью установки профилированных элементов на осадительные электроды либо путем устранения вторичного уноса с помощью орошения жидкостью поверхности осадительных электродов.

3. Определены основные факторы, влияющие на пылегазоочистку в электроциклоне (скорость и концентрация аэрозоля, напряжение на коронирующих электродах и геометрия активной зоны), которые легли в основу предложенной математической модели, позволяющей рассчитывать

траектории движения частиц, значения их мгновенных скоростей, распределение скоростей газа и электрического поля, а также оптимальные технологические (диаметр, длину активной зоны, скорость аэрозоля и другие) и электрические (межэлектродное расстояние, напряжение питания, конфигурация коронирующих электродов) характеристики аппарата.

Практическая значимость работы

1. Разработана конструкция электроциклона с пониженным вторичным уносом, на конструкцию получен патент. При использовании этой конструкции вторичный унос может быть снижен в 1,3-26,7 раз в диапазоне *ГВХ=15,0-27,0 м/с и СВх=2,0-30 г/м путем применения в системах осадительных электродов профилированных элементов с глубиной от 3,0 до

______т

7,0 мм и шириной от 30, до 7,0 мм. Так при Жвх=18,0 м/с, Свх=9,0 г/м вторичный унос снижается в 2,0 раза (с 6,6 до 3,3 %), а при Жвх=24,0 м/с, Свх=9,0 г/м вторичный унос снижается в 4,9 раз (с 32,7 до 6,6 %). Целесообразно выполнять С-образные элементы.

2. Разработана компьютерная модель для проектирования промышленных газоочистных аппаратов и разработан алгоритм, позволяющий рассчитывать технологические характеристики электроциклона с помощью ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для расчета электроциклона» № 2014615834 от 04.06.2014 г.).

3. Опытно-промышленный электроциклон рекомендован к внедрению на участке пылеулавливания линии сушки микросфер ЗАО УралНИПИнефть (г. Екатеринбург, Свердловская область). По результатам диссертационного исследования составлено техническое задание на разработку рабочего проекта промышленного аппарата производительностью 100 000 м /ч ООО «Химтехнология» (г. Екатеринбург), позволяющего сократить потери продукта от 2 до 2,5 раз по сравнению с существующей технологией.

4. Основные результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов ФГАОУ ВПО УрФУ (г. Екатеринбург) при изучении дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии».

На защиту выносятся:

1. Зависимости по влиянию параметров процесса газоочистки (скорость и концентрация аэрозоля, рабочее напряжение на коронирующих электродах, орошение осадительного электрода и другие) на вторичный унос и эффективность электроциклона.

2. Способ снижения вторичного уноса в электроциклоне. Конструкции профилированных элементов. Сравнительный анализ эффективности элементов.

3. Математическая модель и компьютерное моделирование движения частиц в активной зоне электроциклона. Результаты вычислительного эксперимента. Анализ расчетных данных. Корреляционная зависимость результатов моделирования и физического эксперимента.

Личный вклад автора

Автор руководил экспериментальной работой, участвовал в постановке и проведении экспериментов, проводил математическую обработку результатов, разработал алгоритм по расчету электроциклона на ЭВМ, готовил публикации. В соавторстве создан патент на полезную модель и подготовлены публикации. Автором разработана и изготовлена оригинальная ячейка модели изучения траекторий частиц в электроциклоне и профилированные элементы для электроциклона.

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах из Перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, получен 1 патент на

полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Пылегазоочистка-2013» (Москва, 2013), всероссийской конференции «Химия в федеральных университетах» (Екатеринбург, 2013), международной практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2013), международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Москва, 2012), международной научной конференции «Актуальные проблемы техники и технологии» (Липецк, 29 октября 2011 г.), международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011).

1. Современное состояние вопроса очистки газов от пыли 1.1. Классификация аэрозолей и газоочистных аппаратов

Газы и воздух, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, называются аэрозолями.

Аэрозоли условно подразделяются на: собственно аэрозоли (размер частиц или капель от 0,01 до 0,1 мкм), дым (размер твердых частиц от 0,1 до 5 мкм), пыль (размер твердых частиц от 5 до 100 мкм), туман (размер капель жидкости от 0,1 до 5. мкм). В технической литературе пылью также называют осажденные из гетерогенной газовой системы частицы твердой фазы.

Под газовзвесью понимается гетерогенная газовая система с размером твердых частиц или капель жидкости свыше 100 мкм [1].

Для очистки аэрозолей от взвешенных частиц существует большое количество аппаратов, отличающихся по принципу работы и по конструкции. Очистка аэрозолей производится для защиты от загрязнений атмосферного воздуха (особенно при выбросе отходящих промышленных газов), технологической подготовки газов и извлечения из них ценных продуктов. Пылеулавливание осуществляют с помощью аппаратов, встроенных в основное технологическое оборудование, а также выносных.

Степень очистки г| газа в электроциклоне (эффективность пылеулавливания, коэффициент полезного действия) определяется, как правило, отношением массы частиц пыли, уловленных (осажденных) в пылеуловителе Шь к массе частиц пыли на его входе ш2 [2]. Степень очистки выражается процентами либо долей единицы в соответствии с уравнением (1.1):

Основные методы очистки газов от вредных примесей подразделяются на две группы: физико-механические и физико-химические. Физико-химические методы служат в основном для очистки гомогенных газовых систем, т. е. для удаления вредных газовых или парообразных веществ из потока газовой смеси. Физико-механические методы служат в основном для очистки гетерогенных газовых систем.

При физико-механических методах очистки газовых смесей в различных типах оборудования действуют один или несколько механизмов осаждения (выделения) частиц из газового потока.

Гравитационное осаждение (седиментация) происходит под действием силы тяжести, действующей на частицы, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.

Центробежное осаждение происходит под действием центробежных сил, действующих на частицы, двигающиеся в газоочистном аппарате.

Инерционное осаждение происходит под действием сил инерции, возникающих при резких изменениях направления движения частиц, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.

Осаждение зацеплением (касанием) происходит за счет поверхностных сил, возникающих при касании частиц фильтровальных перегородок, жидкостных пленок и капель, рабочих элементов газоочистного оборудования при движении сквозь них гетерогенных систем.

Электрическое осаждение происходит под действием электрического поля, действующего на заряженные частицы, при движении гетерогенных систем через газоочистной аппарат.

Диффузионное осаждение происходит под действием непрерывно направленного воздействия молекул газа, находящихся в броуновском движении, на частицы, что приводит к их осаждению на поверхности [1].

Также существуют комбинированные газоочистные аппараты [3].

, 1.2. Существующие конструкции электроциклонов

Электроциклон - комбинированный пылеуловитель, сочетающий центробежный и электростатический эффект для очистки аэрозолей.

Первые лабораторные и промышленные конструкции начали появляться в 50-60-х годах XX века: конструкция МТИПП (1954) [4], электроциклон Веселова С. А. и Душина В. Н. [5]. С того времени были предложены многочисленные конструкции, отличающиеся по форме, размеру и компоновке деталей. Рассмотрим некоторые из них.

Кочетов О. С. и Кочетова М. О. предложили электроциклон [6] с центральным коронирующим электродом, схема которого показана на рисунке 1.1. Авторы отмечают, что такая конструкция имеет степень очистки и надежность выше, чем у аналогов.

Конструкция, разработанная в УНИХИМ [7], имеет центральную перфорированную газопроницаемую трубу и оригинальное устройство на выхлопной трубе, что уменьшает унос уловленной пыли из бункера и тем самым повышает степень очистки. Схема аппарата показана на рисунке 1.2.

Воздухоочиститель [8], разработанный в Воронежском государственном аграрном университете им. К. Д. Глинки, имеет раздельные зоны зарядки и осаждения, а также фильтрующий элемент для грубой очистки газа. Схема электроциклона показана на рисунке 1.3.

(патент 1Ш2306182)

Л. Хорн предлагает аналогичное решение [9] для замены фильтров предварительной очистки для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Применение особой игольчатой конструкции коронирующего электрода позволило снизить напряжение зажигания короны с 14 до 7 кВ.

Авторы [10] конструкции, показанной схематично на рисунке 1.4, для снижения металлоемкости пошли на исполнение корпуса электроциклона в виде концентрически расположенных и последовательно соединенных секций, у основания вогнутых стенок которых в днище проделаны щелевые отверстия, а на стенках и в промежутке между ними установлены ленточно-игольчатые

Очишенхый

газ

Рисунок. 1.2. Схема электроциклона (патент 1Ш2142853)

электроды, перед циркуляционным отверстием в бункере по осевой линии цилиндрической перфорированной оболочки укреплены игольчатые электроды.

Однако эта конструкция неработоспособна из-за размещения отрицательно заряженных коронирующих электродов на заземленных осадительных электродах. Аппарат имеет только один канал для прохода газов, что ограничивает его производительность. Не предусмотрены устройства или способы регенерации электродов. Поэтому аппарат не пригоден для осаждения пыли с высоким УЭС.

Рисунок 1.3. Схема воздухоочистителя (патент 1Ш2096650)

Рисунок 1.4. Схема электроциклона (патент 1Ш2077952)

Электроциклон компании «ГК РАН» имеет несколько другую конструкцию, показанную на рисунке 1.5. (схема с переменной скоростью потока), но идея новой разработки еще не была проверена экспериментально [11].

мтрм

Вли»ст>

Рисунок 1.5. Схема электроциклона компании «ГК РАН»

Обг-ими

Кдроиир>хмцдя вихюпидд ТО'«'

Коичс ркпрслсмтс.и.

ОсЛД1Г1СИНЫ1'| |.№>1ри]

иплри

Интересно исследование [12], посвященное улавливанию частиц в электрогидроциклоне, где кулоновская сила вызывается не коронным разрядом, а электрическим током малого напряжения (несколько вольт), что приводит к электрофорезу частиц в водном растворе щелочи. Этот метод не пригоден для очистки больших объемов газов с получением уловленного продукта в сухом виде.

Существуют точки зрения, не подтвержденные, однако, ни расчетами, ни экспериментально, о невозможности применения электроциклонов в промышленности [13].

Вопросу регенерации осадительного электрода, т. е. удаления с его поверхности слоя осевшего порошка, было посвящено несколько исследований. Предложены 3 основных способов регенерации.

Коллектив авторов [7] рекомендует механическое обстукивание осадительных электродов молотковыми механизмами. Этот метод широко используется в пластинчатых электрофильтрах.

Кущев Л. А. рассматривает способ удаления слоя сжатым воздухом, причем как показало исследование [14], пыль не дезагрегируется, а агломератами падает в бункер.

Едапин Е. Н. [15] предлагает орошение водой осадительного электрода с помощью кольцевого коллектора, удаление загрязненной воды предусматривается в сборник кольцевой формы.

Высокая степень очистки в электроциклонах подтверждена экспериментально на различных средах, на пылях строительных материалов [16], летучей золе ТЭС [17].

Все рассмотренные выше конструкции имеют низкую производительность и не имеют механизмов регенерации электродов от осажденной пыли.

1.3. Вторичный унос в электрофильтрах и методы борьбы с ним

Вторичный унос [18] частиц в электрофильтрах [19] может происходить двумя способами: (I) во время встряхивания электродов в сухих электрофильтрах [20], и (II) вследствие отскока крупных частиц от поверхности осадительного электрода в процессе их осаждения из-за упругого удара крупных частиц и низкой адгезии [21].

В электрофильтрах при отсутствии в потоке частиц при скоростях газа до 3 м/с не наблюдается вторичного уноса [22], при появлении в потоке частиц диаметром более 20 мкм уже наблюдается унос [23], частицы с диаметром свыше 210 мкм вызывают сильный вторичный унос с осадительных электродов [24].

В работах [25, 26] рассмотрены алгоритмы расчета вторичного уноса полидисперсной золы, в том числе с использованием Шггу-логики.

Механизм вторичного уноса (II) рода заключается в выбивании частиц осажденного порошка. Выбитые из слоя частицы вновь оседают на осадительный электрод либо попадают в основной поток газа [27].

Также существуют работы, показывающие связь между распределением тока короны и величиной вторичного уноса [28, 29].

Левитов В. И. [24] отмечает, что отскакивающая при вторичном уносе пыль практически не перемешивается с основным потоком, а уносом можно пренебречь в случае отсутствия частиц с диметром меньше критического, вызывающего вторичный унос.

Для учета влияния вторичного уноса при встряхивании электродов на степень очистки в электроциклоне вводится коэффициент уноса кун, равный отношению логарифмов уносов пыли при наличии и отсутствии встряхивания:

где т)св - степень очистки при наличии встряхивания, г|БВ - степень очистки при отсутствии встряхивания. Коэффициент уноса слабо зависит от скорости газа, его значения лежат в диапазоне 0,8-1,0. Модифицированное уравнение Дейча выглядит следующим образом:

где т), — степень очистки с учетом вторичного уноса, т| — степень очистки,

вычисленная без учета вторичного уноса.

Методики расчета степени очистки электрофильтров и электроциклонов, учитывающие вторичный унос по механизму (II), также встречаются в литературе

(1.2)

(1.3)

[24, 30].

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) частиц также влияет на вторичный унос.

Низкоомные частицы легко заряжаются в электрическом поле, однако с приближением к электроду с противоположным знаком перезаряжаются, и между ними начинают действовать силы отталкивания. Это служит причиной вторичного уноса низкоомных частиц, даже успевших осесть на электрод [31].

В работе [32] предпринята попытка обобщить явления, происходящие в электрофильтре (коронный разряд, зарядка частиц, столкновения частиц, встряхивание осадительных электродов, вторичный унос и некоторые другие), но модель, реализованная методом конечных элементов, не решает сопряженной задачи пылеулавливания, т. е. каждое явление включено индивидуально, без эффектов взаимодействия.

Одним из способов снижения вторичного уноса является уменьшение скорости газа в активной зоне электрофильтра [33], но при этом увеличиваются размеры аппарата.

Вторичный унос в электрофильтрах зависит и от формы осадительных электродов [3]. Некоторые из них показаны на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Осадительные электроды пластинчатых электрофильтров (а - коробчатые, б - коробчатые, в - желобчатые): 1 - гладкие пластины,

2 - сетчатые, 3 - прутковые, 4 — карманные, 5 - перфорированные, 6 - тюльпанообразные, 7 - волнистые, 8 - и-образные, 9 - Э-образные, 10 — С-образные, 11 - Вальтер-электроды, 12 - С-образные электроды Гладкие электроды просты в изготовлении, хорошо встряхиваются, но имеет место значительный вторичный унос с поверхности. По этой причине плоские осадительные электроды применяются при скоростях до 1 м/с. Для уменьшения вторичного уноса при более высоких скоростях и обеспечения жесткости и прочности разработано большое количество осадительных электродов, что вызвано не только техническими требованиями, но и патентными

соображениями изготовителей. Наиболее распространены прутковые, карманные, желобчатые, С-образные конструкции профилированных осадительных электродов [3].

Карманные электроды выполняются в виде двух- или трехстенной коробки, в наружных стенках которой выштампованы отверстия различной формы. При работе электрофильтров с такими электродами часть выли должна попадать во внутренние полости и при встряхивании удаляться в бункеры изолированно от газового потока. Но на практике оказывается, что отверстия забиваются, а вторичный унос снижается незначительно [3].

Желобчатые электроды выгоднее карманных по металлоемкости, но также заметно не снижают вторичный унос [3].

На вторичный унос как при встряхивании, так и при ударах крупных частиц, оказывает влияние и интенсивность встряхивания осадительных электродов для регенерации. Автор [24] приводит оптимальное значение ускорения встряхивания 250 g.

Анализ конструкций, проведенный в работе [3], показал, что наиболее эффективными для снижения вторичного уноса оказались осадительные электроды С-образной формы. Они имеют наименьшую металлоемкость

О О

(20 кг/м") среди остальных (до 60 кг/м ), позволяют увеличить степень очистки на 15 %.

Способ регенерации [34] осадительных и коронирующих электродов, заключающийся в одновременном их встряхивании при увеличенном интервале времени между встряхиваниями, несомненно снижает вторичный унос, но вследствие больших интервалов между встряхиваниями на электродах накапливается больший слой пыли, что ухудшает электрогазоочистку.

Принципиальным отличием гидродинамического режима работы электроциклона от пластинчатого электрофильтра является высокая скорость движения запыленного газового потока. В пластинчатых электрофильтрах

скорость газа не превышает 1-2 м/с. В кольцевых же каналах электроциклона окружная скорость газа достигает 16-18 м/с, т. е. на порядок больше. Поэтому большинство из известных конструкций профилированных осадительных электродов не способно удержать осажденную на них пыль. Ее будет сдувать высокоскоростным газовым потоком, а степень очистки будет снижаться.

В данной работе для исследования выбрана конструкция наиболее простых С-образных элементов с различным соотношением геометрических размеров «карманов» по глубине и длине.

1.4. Вторичный унос в циклонах и методы борьбы с ним

Явление вторично уноса [35] присуще также и центробежным пылеуловителям-циклонам [36]. Поскольку скорости в них существенно выше, чем в электрофильтрах, то и унос значительней. Вторичный унос в циклонах снижает степень очистки [37, 38]. Факторы, влияющие на величину вторичного уноса, различны [39]: скорость и концентрация аэрозоля [40], угол наклона входного патрубка, геометрия циклона [41], физико-химические свойства пыли и аэрозоля и т. д. [42-44].

Авторы [45] описывают вторичный унос как явление, возникающее при конкуренции силы адгезии и силы отрыва частиц от поверхности, приводят уравнение, аналогичное уравнению Аррениуса, вводя в него вместо традиционных констант члены, характеризующие конкурирующие силы. Существует несколько моделей, где в основу берется одна из упомянутых сил [46-49].

Один из важных подходов к описанию вторичного уноса — стохастический [50]. В его рамках появляется возможность учесть многочисленные факторы с помощью вероятностной модели [51]. Авторы приводят хорошо согласующуюся с экспериментальными данными математическую модель, используя при расчетах метод Монте-Карло [52].

Алиев Г. М.-А. [53] описывает следующий механизм вторичного уноса в циклоне: область циклонного процесса, или зона улавливания пыли, расположена между концом выхлопной трубы и пылеотводящим отверстием циклона. Часть этой зоны занимает корпусный патрубок. В нем оканчивается циклонный вихрь. В цилиндрическом циклоне (без корпусного патрубка) циклонный вихрь опирается на пылевой слой в бункере аппарата. При этом частицы вторично уносятся из бункера, т. е. происходит явление, аналогичное действию атмосферных вихрей на предметы, находящиеся на поверхности земли. Вторичный унос частиц возникает и тогда, когда выбран чрезмерно большой угол конусности нижней части корпуса циклона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Титов, Анатолий Геннадьевич, 2014 год

Список литературы

1. Тимонин, А. С. Инженерно-экологический справочник: в 3-х томах. Т. 1. / А. С. Тимонин. - Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. - 1076 с.

I

2. Сайт о химии «Химик» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.xumuk.rU/encyklopedia/2/3771.html.

3. Ужов, В. Н. Очистка промышленных газов от пыли / В. Н. Ужов, А. Ю. Вальдберг, Б. И. Мягков, И. К. Решидов. - М.: Химия, 1981. - 386 с.

4. Электроциклон // Магнитогорский металл. - 1965. - 06 октября.

5. Веселов, С. А. Электроциклоны коронного действия типа ЭЦ-Кд-МТИИП для очистки воздуха от пыли / С. А. Веселов, В. Н. Душин // Вестн. техн. инф. ЦБТИ Госкомзага СССР. - 1961.

6. Пат. 2306182 С1 Россия. МПК B03C3/15. Электроциклон / О. С. Кочетов, М. О. Кочетова, Заявлено 19.04.2006. Опубликовано 20.09.2007. Бюл. № 26. -5 с.

7. Пат. 2142853 С1 Россия. МПК ВОЗСЗ/15, В04С7/00. Электроциклон / К. JI. Новиков, Н. В. Инюшкин, Л. М. Новиков, А. А. Ермаков. Заявлено 17.02.1998. Опубликовано 20.12.1999. Бюл. № 35. - 13 с.

8. Пат. 2096650 С1 Россия. МПК F02M35/022. Воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания / А. П. Затонский, С. А. Затонский, Заявлено 25.04.1995. Опубликовано 20.11.1997. Бюл. № 32. - 10 с.

9. Hörne, L. A media-free option for engine cleaning / L. Home // Filtration+Separation. - 2006. - № 10. - P. 12-16.

10. Пат. 2077952 CI Россия. МПК ВОЗСЗ/15. Электроциклон / О. М. Горнов, Д. Г. Закиров, Ю. В. Каплунов. Заявлено 13.01.1993. Опубликовано 27.04.1997. Бюл. № 12. - 9 с.

11. Электроциклон [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://rangroup.ru/areas/explab/further/index.php?sphrase_id=31.

12. Yoshida, H. Particle separation performance by use of electrical hydro-cyclone / H. Yoshida, K. Fukui, W. Pratarn, W. Tanthapanichakoon // Separation and Purification Technology. - 2006. - № 50. - P. 330-335.

13. Володин, H. И. Пути повышения эффективности циклонов / Н. И. Володин, Г. М. Гончаров, А. В. Сугак, Д. Е. Смирнов [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.eco-oos.ru/biblio.htm.

14. Кущев, JI. А. Интенсификация процессов улавливания твердой и жидкой фазы аэрозолей при использовании силовых полей : дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук: 03.00.16 / Кущев Леонид Анатольевич. - Белгород, 2004. - 367 с.

15. Пат. 2058827 С1 Россия. МПК ВОЗСЗ/15. Электроциклон / Е. Н. Едапин. Заявлено 30.07.1993. Опубликовано 27.04.1996. Бюл. № 15. - 7 с.

16. Орлов, Н. Л. Лабораторные испытания электроциклона на некоторых пылях строительных материалов / Н. Л. Орлов, Л. И. Ещенко, А. В. Малыхин,

B. А. Смирнов // Тр. НИПИОТСТРОМа, Новороссийск. - 1978. - № 15. -

C. 26-34.

17. Chen, С. L. Grade efficiency of electrocyclone for fly ash particulates / C. L. Chen, M. T. Cheng // Fuel and Energy Abstracts. - 1998. - № 40. - p. 27-34.

18. ГОСТ P EH 779-2007 Фильтры очистки воздуха общего назначения. Определение эффективности фильтрации. - М.: Стандартинформ, 2008. - 18 с.

19. Felder, R. М. Radiotracer measurement of particle deposition and reentrainment in an electrostatic precipitator / R. M. Felder, E. Arce-Medina // The International Journal of Applied Radiation and Isotopes. - 1980. - № 31. - P. 761-767.

20. Yamamoto, T. Studies of rapping reentrainment from electrostatic precipitators / T. Yamamoto, M. Mieno, K. Shibata, K. Sakai // Seventh International Conference on Electrostatic Precipitation. - Kyongju, Korea.

21. Tsai, R. A model of particle re-entrainment in electrostatic precipitators / R. Tsai, A. F. Mills // J. of Aerosol Science. - 1995. - №2. - P. 227-239.

22. Zhuang, Y. Experimental and theoretical studies of ultra-fine particle behavior in electrostatic precipitators / Y. Zhuang, Y. J. Kim, T. G. Lee, Pratim Biswas // J. of Electrostatics. - 2000. - № 48. - P. 245-260.

23. Current distribution and reentrainment of low cohesive dust / E.L. Christensen, K.S. Poulsen, L. Lind // Seventh International Conference on Electrostatic Precipitation. - 1998. Kyong.

24. Левитов, В. И. Дымовые электрофильтры / В. И. Левитов и др. - М.: Энергия, 1980.-448 с.

25. Kiss, I. New concept of ESP modeling based on fuzzy logic / I. Kiss, I. Berta // J. of Electrostatics. - 2001. - № 51. - P. 206-211.

26. Ivancsy, T. Behavior of polydisperse dust in electrostatic precipitators / T. Ivancsy, J. M. Suda // J. of Electrostatics. - 2005. - № 63. - P. 923-927.

27. Ondov, J. M. Elemental particle-size emissions from coal-fired power plants: Use of an inertial cascade impactor / J. M. Ondov, R. C. Ragaini, A. H. Biermann // Atmospheric Environment. - 1978. - № 12. - P. 1175-1185.

28. J^drusik, M. The correlation between corona current distribution and collection of fine particles in a laboratory-scale electrostatic precipitator / M. J^drusik, A. Swierczok // J. of Electrostatics. - 2013. - № 71. - P. 199-203.

29. Blanchard, D. Correlation between current density and layer structure and reentrainment in a laboratory ESP / D. Blanchard, P. Atten, L. M. Dumitran // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2002. - № 38. - P. 832-839.

30. Varonos, A. A. Prediction of the cleaning efficiency of an electrostatic precipitator / A. A. Varonos, J. S. Anagnostopoulos, G. C. Bergeles // J. of Electrostatics. -2002. - № 55. - P. 111-133.

31. Процессы и аппараты пылеочистки : учеб. пособие / Ветошкин, А. Г. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 210 с.

32. Gallimberti, I. Recent advancements in the physical modelling of electrostatic precipitators /1. Gallimbert // J. of Electrostatics. - 1998. - № 43. - P. 219-247.

33. Охрана атмосферного воздуха [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.air-protection.ru/uog/4_el.htm.

34. Пат. 2152260 Cl Россия. МПК B03C3/00, ВОЗСЗ/76, ВОЗСЗ/88. Способ регенерации многопольного электрофильтра, устройство для его осуществления, многопольный электрофильтр и аппарат гидрозолоудаления / И. В. Олексевич, М. П. Шанин, Заявлено 14.11.1997. Опубликовано 10.07.2000. Бюл. № 19. - 3 с.

35. Masuda, H. Simultaneous phenomenon of particle deposition and reentrainment / H. Masuda, S. Matsusaka, I. Adhiwidjaja // J. of Aerosol Science. - 1999. - №30. -P. S405-S406.

36. Shi, L. Comparison of boundary conditions for predicting the collection efficiency of cyclones / L. Shi, D. J. Bayless // Powder Technology.- 2007. - № 137. -P. 29-37.

37. Cleaver, J. W. Mechanism of detachment of colloid particles from a flat substrate in turbulent flow / J. W. Cleaver, B. Yates // J. Colloid Interface Sci. - 1973. - № 44. -P. 464-473.

38. Савельев, H. И. Влияние уноса жидкости на эффективность контактных ступеней массообменных аппаратов прямоточно-вихревого типа / Н. И. Савельев, Н. А. Николаев, С. С. Сабитов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1977. - № 20. - С. 1697-1705.

39. Большая Энциклопедия нефти газа [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ngpedia.ru/id539316pl .html.

40. Huang, S. H. Aerosol loading characteristics of personal cyclones samplers / S. H. Huang, C. Y. Lai, С. C. Chen // J. of Aerosol Science. - 1998. - № 29. - P. SI 091-S1092.

41. Yang, J. Effect of the inlet dimensions on the maximum-efficiency cyclone height / J. Yang, G. Sun, C. Gao // Separation and Purification Technology. - 2013. -№ Ю5.-P. 15-23.

42. Николаев, H. А. Гидравлические закономерности в массобменных аппаратах вихревого типа с осевыми завихрителями / Н. А. Николаев, Н. М. Жаворонков // Теоретические основы химической технологии. - 1973. -№3.-С. 386-394.

43. Сафонов, В. Н. Влияние физических свойств жидкости на критические режимы в центробежном каплеуловителе с цилиндрческим завихрителем / В. Н. Сафонов и др. // Промышленная и санитарная очистка газов - 1984. -№ 3. - С. 3^1.

44. Зимон, А. Д. Адгезия пыли и порошков / А. Д. Зимон // М.: Химия, 1967. -372 с.

45. Wen, Н. Y. On the kinetics of particle reentrainment from surfaces / H. Y. Wen, G. Kasper // J. of Aerosol Science. - 1989. - № 20. - P. 483-498.

46. Ziskind, G. Resuspension of particulates from surfaces to turbulent flows—Review and analysis / G. Ziskind, M. Fichman, C. Gutfinger // J. of Aerosol Science. -1995.-№26. -P. 613-644.

47. Braaten, D. A. Particle resuspension in a turbulent boundary layer-observed and modeled / D. A. Braaten, К. T. Paw U, R. H. Shaw // J. of Aerosol Science. -1990. -№21. - P. 613-628.

48. Adhesion moment model for estimating particle detachment from a surface / G. Ziskind, M. Fichman, C. Gutfinger // J. of Aerosol Science. - 1997. - №28. -

P. 623-634.

49. Jurcik, В. The modelling of particle resuspension in turbulent flow / B. Jurcik, H. C. Wang // J. of Aerosol Science. - 1991. - № 22. - P. 149-S152.

50. Braaten, D. A. A stochastic model of particle reentrainment-deposition in turbulent boundary layers / D.A. Braaten, K.T. Paw U // J. of Aerosol Science. - 1996. -№27. - P. 601-602.

51. Stempniewicz, M. M. Comparison of several resuspension models against measured data / M. M. Stempniewicz, E. M. J. Komen // Nuclear Engineering and Design. -2010. - № 240. - P. 1657-1670.

52. Guingo, M. A new model for the simulation of particle resuspension by turbulent flows based on a stochastic description of wall roughness and adhesion forces / M. Guingo, J. P. Minier // J. of Aerosol Science. - 2008. - № 39. - P. 957-973.

53. Алиев, Г. M.-A. Устройство и обслуживание газоочистных и пылеулавливающих установок / Г. М.-А. Алиев. - М.: Металлургия, 1988. -368 с.

54. Matsumoto, S. Simulation of gas-solid two-phase flow in horizontal pipe / S. Matsumoto, S. Saito, S. Maeda // J. Chem. Eng. Jap. - 1976. - № 9. - P. 23-28.

55. Бютнер, Э. К. Динамика приповерхностного слоя воздуха / Э. К. Бютнер. -Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 158 с.

56. Медников, Е. П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей / Е. П. Медников. - М.: Энергия, 1981. - 176 с.

57. Сугак, Е. В. Процессы очистки газов в турбулентных газодисперсных потоках / Е. В. Сугак. - Дудвейльстраб: LAP, 2011. - 308 с.

58. Пылеулавливающие циклоны [Электронный ресурс] Режим доступпа: http://www.cikloni.ru/item.php?uid:=::23.

59. Литра, А. Н. Разработка и совершенствование технологических решений по

повышению эксплуатационных показателей оборудования для промысловой подготовки газа : дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 25.00.17, 05.02.13 / Литра Алексей Николаевич. - Краснодар, 2010. - 192 с.

60. Сугак, Е. В. Моделирование и интенсификация процессов очистки промышленных газовых выбросов в турбулентных газодисперсных потоках, дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук: 11.00.11 / Сугак Евгений Викторович. -Красноярск, 1999. - 320 с.

61. Ляпустин, П.К. Интенсификация и моделирование процесса сепарации в прямоточном циклоне : дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 05.17.08 / Ляпустин Павел Константинович. - Ангарск, 2005. - 190 с.

62. Пат. 2183495 С2 Россия. МПК B01D45/12, В04СЗ/06. Вихревой пылеуловитель / Е. В. Щибарев, А. Е. Щибарев, Н. П. Тюрин, И. А. Хурин, Д. Н. Ватузов, С. В. Дежуров. Заявлено 10.03.2000. Опубликовано 20.06.2002. Бюл. № 18. - 5 с.

63. Пат. 2136349 С1 Россия. МПК B01D45/12, В04С1/00, В04СЗ/00. Прямоточный циклон / Л. С. Чугунов, А. И. Березняков, О.М. Ермилов, В. П. Поликарпов,

A. П. Попов, Л. С. Забелина, А. Б. Осокин, Г. К. Смолов, С. С. Фесенко. Заявлено 18.11.1997. Опубликовано 10.09.1999.

64. Асламова, В. С. Эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе / А. А. Асламов,

B.C. Асламова, A.A. Жабей, М.И. Аршинский // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2008. - Т. 51, №. 12. - С. 80-83.

65. Луговский, С. И. Определение времени сепарации частиц в электроциклоне /

C. И. Луговский, В. А. Корчагин // Сб. науч. трудов по сантехнике Волгоград, ин-та инженеров городского хозяйства. - 1973. - № 5. - С. 44-^18.

66. Пеньков, Н. В. К расчету эффективности работы пылеулавливающих

аппаратов / Н. В. Пеньков, В. Б. Ведерников // Сб. трудов УНИХИМа. Свердловск. - 1979. - № 13. - С. 50-62.

67. Пеньков, Н. В. Об эффективности пылеулавливания в конических и цилиндрических электроциклонах / Н. В. Пеньков, В. Б. Ведерников, JI. М. Новиков, JI. Ф. Савицкая // Сб. трудов УНИХИМа. Свердловск. - 1979. -№ 13.-С. 43-50.

68. Душин, В. Н. Основы теории работы электроциклонов коронного действия / В. Н. Душин // Тр. Моск. технолог, ин-та пищев. промышленности. - 1962. -№ 19. - С. 85-93.

69. Обзор методов расчета электрофильтров [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gazoochistca.ru/main/5_5.htm.

70. Петров, В. А. К вопросу расчёта степени очистки в электроциклоне / В. А. Петров, Н. В. Инюшкин // Вестник ТГТУ. - 2010. - № 16. - С. 841-847.

71. Li, J. Numerical simulation of flow velocity distribution in cyclone with impulse electrostatic excitation / J. Li, W. Cai // J. of Electrostatics. - 2008. - № 66. -P. 438-444.

72. Bhasker, C. Flow simulation in Electro-Static-Precipitator (ESP) ducts with turning vanes / C. Bhasker // Advances in Engineering Software. - 2011. - № 42. -P. 501-512.

73. Davidson, J. H. Turbulent mixing in a barbed plate-to-plate electrostatic precipitator / J. H.Davidson, P. J. McKinney // Atmospheric Environment. - 1989. -№ 10.-P. 2093-2107.

74. Петров, В. А. Об осаждении частиц пыли в электроциклоне / В. А. Петров, Н. В. Инюшкин, С. А. Ермаков // Вест. ТГТУ. - 2010. - № 16. - С. 44-53.

75. Кнуянц, И. JI. Краткая химическая энциклопедия : в 5 т. / под ред. И. JI. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1967. - Т. 5.

76. ГОСТ Р 51125-98 Оборудование бытовое для кондиционирования и очистки воздуха. Требования безопасности и методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 6 с.

77. Красовский, Г. И. Планирование эксперимента / Г. И. Красовский, Г. Ф. Филаретов. - Минск: Изд-во БГУ, 1982. - 302 с.

78. Блохин, В. Г. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов / В. Г. Блохин, О. П. Глудкин, А. И. Гуров, М. А. Ханин. - М.: Радио и связь, 1997. - 232 с.

79. Кафаров, В. В. Методы кибернетики в химии и химической технологии /

B. В. Кафаров - М.: Химия, 1985. - 448 с.

80. Статистика [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.statsoft.ru/statportal/tabID_50/MId_449/ModeID_0/PageID_341 /D esktopDefault.aspx.

81. Верещагин, И. П. Основы электрогазодинамики дисперсных систем / И. П. Верещагин, В. И. Левитов, Г. 3. Мирзабекян. - М.: Энергия, 1974. - 480 с.

82. Intra, P. Progress in unipolar corona discharger designs for airborne particle charging: A literature review / P. Intra, N. Tippayawong // J. of Electrostatics. -2009. - № 67. - P. 605-615.

83. Титов А. Г., Исследование процесса улавливания летучей золы в экспериментальной модели электроциклона / А.Г. Титов и др. // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». - 2012.- Т. 55. Вып. 10. -

C. 104-107.

84. Инюшкин, Н. В. Исследование процесса улавливания летучей золы в экспериментальной модели электроциклона / Н. В. Инюшкин и др. // Инженерный вестник Дона [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y201 l/524.html.