Зависимость окислительной способности аэратора от поверхности контакта фаз «Жидкость-газ» в аэротенке

- разработана методика оценки эффективности работы котла как энерготехнологической установки на основе эксергетического КПД;

- наибольшая эффективность работы ТЭЦ может быть достигнута при производстве не только тепловой и электрической энергии, но и побочных золошлако-вых продуктов, которые могут быть учтены при определении эксергетического КПД в качестве полезных потоков эксергии;

- при совместной выработке пара и золошлаковых

продуктов достигается тройной эффект: повышение качества окружающей среды; снижение себестоимости тепловой энергии; энерго- и ресурсосбережение; - снижение себестоимости строящегося жилья возможно достичь за счет переработки и прямого использования ЗШМ в качестве замены природного минерального сырья при производстве строительных материалов и изделий, что способствует реализации государственных программ «Доступное жилье» и «Малоэтажное строительство».

1. Фомин И. Промышленные отходы - ценное сырье для стройматериалов // «Строительная газета». 2005, апрель. № 13.

2. Торгово-промышленная палата РФ. Комитет по предпринимательству в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства. «О предложениях по переходу промышленности стройматериалов РФ на использование многотоннажных технологий на основе техногенного сырья»: доклад Денисова Г.А. от 29 июля 2006 г. 7 с.

3. Усманов Н.В., Усманов Н.Н. Производство силикатного кирпича и других строительных материалов из золы уноса и шлаков энергогенерирующих компаний: аналитический обзор. Казань, 2008. 13 с.

4. Деятельность ЗАО «Иркутскзолопродукт». Рекламный проспект ОАОЭ и Э «Иркутскэнерго», 2010. 5 с.

5. Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей. М.: Энергия, 1977. 312 с.

)ский список

6. Картамышев А.А. Физико-химическая модель сжигания высокозольных твердых топлив: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 02.00.01 / Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Иркутск, 1992. 18 с.

7. Коваль Т.В., Картавская В.М. Образование и поведение минеральных компонентов твердого топлива в топках энергетических котлов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 9-10. С.149-152.

8. Сидельковский Л.Н., Фальков Э.Я. Эксергетические балансы огнетехнических процессов. М.: МЭИ, 1967. 55 с.

9. Степанов С.В. Химическая энергия и эксергия веществ. Новосибирск: Наука, 1990. 163 с.

10. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Эффективность использования энергии. Новосибирск: Наука, 1994. 257 с.

11. Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2004. 158 с.

УДК 628.316

ЗАВИСИМОСТЬ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ АЭРАТОРА ОТ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ «ЖИДКОСТЬ-ГАЗ» В АЭРОТЕНКЕ

В.Н.Кульков1, Е.Ю.Солопанов2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены зависимости удельной поверхности контакта фаз от интенсивности и вида аэрации, места расположения аэраторов, количества и глубины погружения аэраторов, наличия в модели аэротенка синтетических водорослей типа «ерш». Ил. 6. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: аэротенк; аэратор; окислительная способность; аэрация; поверхность контакта фаз.

DEPENDENCE OF OXIDATIVE ABILITY OF AN AERATOR ON THE «LIQUID-GAS» PHASE CONTACT SURFACE IN THE AERATION TANK V.N. Kulkov, E.Yu. Solopanov

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The authors present the dependences of the specific surface of phase contact on the intensity and type of aeration, the location of the aerators, quantity and depth of aerators, the presence of synthetic algae of the «brush» type in the model of the aeration tank. 6 figures. 5 sources.

Key words: aeration tank; aerator; oxidative capacity; aeration; phase contact surface.

1 Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, водоотведения, охраны и рационального использования водных ресурсов, тел.: (3952) 405142, e-mail: kvn@istu.edu

Kulkov Viktor Nikolaevich, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the chair of Water Supply, Water Drainage, and Ecology of Water Resources, tel.: (3952) 405142, e-mail: kvn@istu.edu

2Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, тел.: (3952) 405279.

Solopanov Evgeny Yurievich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Information Science, tel.:

405279.

Процесс растворения кислорода в воде, необходимый для окисления органических загрязняющих веществ в химических и микробиологических процессах, определяется поверхностью контакта фаз «жидкость-газ». Межфазная поверхность газожидкостной системы является важной расчетной величиной, которая зависит от геометрии сооружения, технологических условий и физических свойств жидкости.

Методика и установка для изучения межфазной поверхности «жидкость-газ» в модели вертикального поперечного сечения аэротенка, кинетические и термодинамические характеристики химических реакций, используемых для определения поверхности контакта фаз, приведены в [1].

аэрации приведены на рис 1,б. Они также имеют линейный характер и описываются соответствующими уравнениями, приведенными на рисунке, которые мало отличаются от уравнений зависимостей для бокового расположения мелкопузырчатого аэратора в модели аэротенка.

Зависимости удельной поверхности контакта фаз от интенсивности аэрации с двумя мелкопузырчатыми аэраторами, расположенными по бокам модели аэро-тенка, представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что при увеличении интенсивности аэрации от 2 до 8 м3/(м2-ч) удельная поверхность контакта фаз в модели аэротенка возрастает в ~ 2 раза. Поверхность контакта фаз для глубины модели аэротенка 0,8 м приблизи-

18

16

5 14

12

<Г

в 10

^

с

гс 8

а

ьн

с; е 6

>

4

2

0

А(б) = 2,0315и -0,2156

А(б) = 1,6357-и -0,1854

2 4 6 8

Интенсивнось аэрации и, м3/

10

а)

э

£ с

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

= 2,0959и -0

1,5527^ + 0,1219

10

Интенсивнось аэрации и, м3/

Рис. 1. Зависимость удельной поверхности контакта фаз от интенсивности аэрации при боковом (а) и центральном (б) расположении мелкопузырчатого аэратора для глубины модели аэротенка: '- 0,8 м;  - 0,4 м

Результаты определения удельной поверхности контакта фаз (УПКФ), отнесенной к единице рабочей поверхности проекции аэратора на плоскость, в зависимости от интенсивности аэрации с боковым расположением мелкопузырчатого аэратора для различного уровня жидкости в модели аэротенка или для глубины модели аэротенка 0,8 и 0,4 м представлены на рис. 1,а.

Видно, что при увеличении интенсивности аэра-

3 2

ции от 2 до 8 м /(м -ч) удельная поверхность контакта фаз возрастает приблизительно в 3 раза для приведенных глубин модели аэротенка. Эти зависимости имеют линейный характер и описываются следующими уравнениями:

Л(6) = 2,0315 - 3 - 0,2156; Л(6) = 1,6357 - 3 - 0,1854.

Использование модели аэротенка глубиной 0,4 м приводит к уменьшению на ~ 25% величины удельной ПКФ при любой интенсивности аэрации.

Зависимости удельной поверхности контакта фаз мелкопузырчатого аэратора «АКВА-ЛАЙН», расположенного в центре модели аэротенка, от интенсивности

тельно на 15% больше, чем при глубине 0,4 м для любой интенсивности аэрации.

§ с

к го

I .0 с ш

чд >

18 16 14 12 10 8 6 4 2

0

А(м) = 1,8742и - 0,53

А(||) = 1,6368и -0,5229

0 2 4 6 8 10

Интенсивность аэрации и, м3/

Рис. 2. Зависимость УПКФ от интенсивности аэрации с двумя мелкопузырчатыми аэраторами, расположенными по бокам модели аэротенка для глубины модели: ш- 0,8 м;  - 0,4 м

14

гм 12

ь

гм м 10

< 8

6

с

я а 4

н

.0 л 2

е

£ 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Глубина погружения аэратора И аэр, м Рис. 3. Зависимость УПКФ от глубины погружения мелкопузырчатого аэратора в модели аэротенка при интенсивности аэрации J = 4,33 м3/

Величины удельных поверхностей контакта фаз для двух мелкопузырчатых аэраторов, расположенных по бокам модели аэротенка, уменьшаются на 5-10% по сравнению с величинами ПКФ с боковым (см. рис. 1,а) или центральным (см. рис. 1,б) расположением мелкопузырчатого аэратора.

На рис. 3 представлена зависимость поверхности контакта от глубины погружения мелкопузырчатого аэратора. Найдено, что по мере погружения аэратора с 0,22 до 0,72 м удельная поверхность контакта фаз возрастает с 6,6 до 8,5 м2/м2. Зависимость удельной ПКФ от интенсивности аэрации имеет линейный характер и описывается уравнением

А = 4,2803 • Наэр + 5,3526.

Это объясняется газогидродинамической обстановкой в модели аэротенка, способствующей увеличению циркуляционного контура движения жидкости, что приводит к дроблению пузырьков воздуха и закручиванию их по контуру.

На рис. 4 представлены зависимости величин удельных поверхностей контакта фаз от интенсивно-

сти аэрации для различных типов аэрирующих устройств и модели аэротенка различной глубины. Опыты проводились для бокового расположения в модели аэротенка фильтросной пластины, мелкопузырчатого аэратора «АКВА-ЛАЙН» и среднепузырчатого аэратора. Среднепузырчатый аэратор представлял собой перфорированную трубу с диаметром отверстий 4 мм, просверленных в два ряда по образующей трубы под углом 45° к вертикали.

Удельная поверхность контакта фаз для средне-пузырчатой аэрации меньше на 20-25%, чем при использовании мелкопузырчатой аэрации для модели аэротенка различной глубины. Для фильтросной пластины величины поверхности контакта фаз при глубине модели аэротенка 0,4 м несколько больше, чем для мелкопузырчатого аэратора (рис. 4,а), а при глубине 0,8 м - лежат на 1-3 % ниже (рис. 4,б). Это можно объяснить тем, что газожидкостный факел для аэратора «АКВА-ЛАЙН», сузившись над аэратором до минимального размера, начал расширяться, и при глубине 0,8 м раструб факела шире, чем при глубине 0,4 м [3]. Газожидкостный факел для фильтросной пластины первоначально имеет величину, равную его поперечному сечению, что значительно больше газожидкостного факела для аэратора «АКВА-ЛАЙН», истекающего с верхней его сферической поверхности, где происходит активная коалесценция пузырьков. Следует заметить, что по данным, приведенным в [3], трубчатые аэраторы позволяют получить более высокую удельную поверхность контакта фаз, чем плоские (примерно на 8-12%), что качественно согласуется с полученными данными, приведенными на рис 4,б.

Одним из широко изучаемых и перспективных направлений повышения окислительной мощности аэрационных сооружений является повышение рабочей дозы активного ила в них с использованием различных технических решений. Одним из исследуемых путей увеличения биомассы в аэротенке, а соответственно и интенсификации его работы является использование нейтральных носителей, служащих основой

18

16

2 м/ 14

2 м 12

с"

© 10

с 8

ТС

а

ьн 6

ф

чд 4

>

2

0

1,7327и -0,1736

Лм

4196-и -0,7134

5 10

Интенсивнось аэрации и, м3/

а)

© с

18 -16 14 12 10 8 6 4 2 0

А(м) = 2,0222и -0,1771

7575-и - 0,8547

10

Интенсивнось аэрации и, м3/

Рис. 4. Зависимость удельной ПКФ от интенсивности аэрации при боковом расположении аэраторов для глубины модели аэротенка: а - 0,4 м; б - 0,8 м: '- фильтросная пластина;  - аэратор «АКВА-ЛАЙН»;

♦ - среднепузырчатый аэратор

А = 4,2803  п + 5,3526

для прикрепления и развития на поверхности этих материалов фиксированной микрофлоры. Таким образом, в аэрационном сооружении поддерживаются два вида микробиальных культур: свободно плавающая, представляющая собой обычный активный ил и прикрепленная к находящемуся в иловой смеси носителю. В качестве носителей микрофлоры используются как плавающие, так и укрепленные насадки из различных материалов с различной формой, позволяющие поднять дозу ила в аэротенке до 8-10 г/л без ухудшения работы вторичных отстойников.

Проведено исследование зависимости удельной ПКФ от интенсивности аэрации при наличии синтетических водорослей типа «ерш» в модели аэротенка глубиной 0,8 м. Для крепления полимерных «ершей» была изготовлена рамка из оргстекла. Водоросли крепились на каркас вертикально с шагом 100 мм, чтобы на 1 м3 объема сооружения приходилось в среднем 80 пм «ершей» [4]. В модели аэротенка они размещались на 0,08 м выше дна и на 0,05 м ниже поверхности воды. Таким образом, лишь ~ 70% объема её было занято насадкой (над аэратором ершовая нагрузка не устанавливалась).

А = 2,5042^ -2,13:

18

16

2

м/ 14

2

м 12

< 10

в

^ 8

с

к 6

а

н

ь 4

с

е 2

чд

>

0

А = 2,0315^ -0,2156

I I I I I I I I I I

0 2 4 6 8 10

Интенсивнось аэрации и, м3/

Рис. 5. Зависимость удельной ПКФ от интенсивности

аэрации в модели аэротенка глубиной 0,8 м при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора:  - с синтетическими водорослями «ерш»; '- без загрузки «ерш» На рис. 5 представлены зависимости удельной поверхности контакта фаз от интенсивности аэрации с находящимися в модели аэротенка синтетическими водорослями и без них при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора. При сравнении этих зависимостей видно, что при интенсивности аэрации меньше 4 м3/(м2-ч) величина удельной ПКФ с присутствующими в модели аэротенка синтетическими водорослями меньше, чем без них. Это объясняется отсутствием циркуляционного контура, вовлекающего газ в объем модели аэротенка. Для интенсивностей аэрации больше 4 м3/(м2-ч) величина ПКФ с «ершовой загрузкой» больше, чем без неё, потому что пузырьки воздуха потоками жидкости циркуляционного контура доставляются в объем модели и прикрепляются к синтетическим водорослям, что приводит к увеличению времени нахождения их в объеме жидкости и соответственно к возрастанию концентрации растворенного в жидкости кислорода.

Окислительная способность аэратора определяет количество кислорода, растворяющегося в сточной воде и поставляемого к хлопкам ила. Процесс массо-передачи, кроме прочих факторов, зависит от поверхности контакта фаз «жидкость-газ», т.к. процесс гетерогенный. До настоящего времени зависимость окислительной способности аэратора от удельной поверхности контакта фаз «жидкость-газ» в литературе отсутствует ввиду сложности её получения.

Были проведены исследования по определению окислительной способности (ОС) пневматической аэрации с использованием мелкопузырчатого аэратора «АКВА-ЛАЙН» и среднепузырчатого аэратора. Прибором для определения окислительной способности аэратора являлся кислородомер АТТ-3010 с встроенным электронным термометром.

Модель аэротенка заполнялась слабоминерализованной ангарской водопроводной водой, аэратор устанавливался в рабочее положение у дна модели. Производилась калибровка кислородомера, затем датчик кислородомера устанавливался в ячейке на глубине: 0,36 м при глубине погружения аэратора 0,72 м и 0,24 м при глубине погружения аэратора 0,32 м при уровне воды в модели аэротенка 0,8 и 0,4 м соответственно. В [3] показано, что корреляции между случайными погрешностями определения коэффициента массопередачи и эффективностью использования кислорода при стандартных условиях, а также самими этими величинами и глубиной погружения датчика кислородомера не существует, что позволило проводить эксперименты с помощью одного датчика кислородомера, установленного в описанных нами точках в модели аэротенка. Для обескислороживания воды использовали сульфит натрия и катализатор -хлорид кобальта [5]. До и после аэрации фиксировали показания атмосферного давления, температуры окружающей среды и воды.

Окислительная способность аэратора (гО2/ч) определяется по уравнению

К2а• С-ГУ

ОС =—2---,

1000

где К а - объёмный коэффициент массопередачи,

1/ч; С« - предельная концентрация кислорода в воде при бесконечном времени аэрации при данном атмосферном давлении, температуре воды и её солёности, мг/л; V - объем воды в ячейке, л.

Объёмный коэффициент массопередачи определяется по методу переменного дефицита кислорода [5] по формуле

К = 2,303 •( 1в(С-- С1) - 1в(С-- С2 )• 60

К2а = -,

2 t -1 '2 '1

где С1, С2 - концентрация растворенного кислорода в момент времени и ¿2, мг/л; 1Ь 12 - время начала и конца эксперимента, мин.

Увязывая значения УПКФ и ОС при идентичных величинах удельной интенсивности аэрации, построили зависимость окислительной способности аэратора от удельной поверхности контакта фаз для мелкопузырчатого аэратора «АКВА-ЛАЙН» (рис 6,а).

Строительство и архитектура

4 4

3 - ОС(м) = 02527^0^ 3

т d о 2 - У У* ОС(м) = 0,1933 А „Г г/ е 2  d о ОС(с) = 0,1416 A

1 1 0 1 A

0 1 1 1 1 I 1  1  0 —i—i—i—i—i—i—i—•—i—•—i—•—i—•—i

0 2 4 6 8 10 12 14 , 16 Удельная поверхность контакта фаз А, м2/м2

а)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Удельная поверхность контакта фаз А, м2/м2

б)

Рис. 6. Зависимость окислительной способности аэратора от удельной поверхности контакта фаз при боковом расположении аэратора в модели аэротенка: а - мелкопузырчатый; б - среднепузырчатый; ♦- глубина модели аэротенка 0,8 м; '- глубина модели аэротенка 0,4 м

Зависимость имеет линейный характер и описывается уравнением ОС(м) = к  А, где k - тангенс

угла наклона прямой к оси абсцисс, определяемый глубиной модели аэротенка. При глубине модели аэротенка 0,8 м угловой коэффициент k = 0,2527, а при глубине 0,4 м зависимость окислительной способности от удельной ПКФ слабо выраженная и k = 0,1933.

Для мелкопузырчатого аэратора, расположенного в центре модели аэротенка, получены уравнения зависимостей, мало отличающиеся от уравнений для бокового расположения аэратора.

Использование среднепузырчатого аэратора приводит к ~ 50%-ному уменьшению окислительной спо-

собности при идентичных величинах поверхности контакта фаз (рис. 6,б). Так, например, при глубине модели аэротенка 0,8 м и величине удельной поверхности контакта фаз А = 7 м2/м2 для мелкопузырчатого аэратора ОС(м) = 1,8 кгО2/ч, а для среднепузырчатого аэратора ОС(с) = 1,0 кгО2/ч. Эта зависимость наглядно показывает, что удельная ПКФ и соответственно доставка кислорода к хлопкам ила не полностью определяют окислительную способность аэротенка. Весьма существенное значение в решении этого вопроса имеет гидродинамическая обстановка в аэротенке, формирующая равномерные поля активного ила в сечении аэротенка.

Библиографический список

1. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. О межфазной поверхности «жидкость-газ» в аэрируемых сооружениях // Вода: проблемы и решения: сб. докладов Всерос. науч.-практ. конф. (24 апр. 2007, Тюмень). Тюмень, 2007. Вып. 4. С. 51-57.

2. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции. М.: Химия, 1973. 296 с.

3. Мешенгиссер Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической

очистки сточных вод: дис. ...д-ра техн. наук / ФГУП «НИИ ВОДГЕО». М., 2005. 257 с.

4. Куликов Н.И. Биологическая очистка сточных вод сообществами свободно-плавающих и прикрепленных микроорганизмов и гидробионтов: автореф. дис. .д-ра техн. наук / МакИСИ. Макеевка, 1990. 34 с.

5. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я.А.Карелин [и др.]. М.: Стройиздат, 1973. 223 с.

УДК 552.3.08:544

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА МИНЕРАГЕНИИ МАГМАТИТОВ КАЛИЕВОЙ ЩЕЛОЧНОЙ СЕРИИ

Е.А.Николаенко1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнены термокинетические исследования в области гетерогенного взаимодействия дисперсных систем, положенных в основу технологии разнообразных неорганических материалов на калиевой щелочной композиции. Ил. 2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: неорганические материалы; дисперсные системы; гетерогенное взаимодействие; щелочная среда.

'Николаенко Елена Аркадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, тел.: 89041177325. Nikolaenko Elena Arkadievna, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Building Structures, tel.: 8904 1177325.