СПОСОБ КОАГУЛЯЦИИ ИНОРОДНЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗОВЫХ ПОТОКАХ
METHOD OF COAGULATING FOREIGN PARTICLES IN GAS FLOWS

Изобретение относится к области технологий очистки газов от взвешенных инородных частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, а именно к способам коагуляции частиц, выделяющихся в процессе производств в различных отраслях (горно-металлургическая, химическая, теплоэнергетическая, пищевая) промышленности.
В связи с широким распространением потенциально опасных производств, характеризующихся высоким содержанием ядовитых твердых и жидких веществ в отходящих газах, а также возникающей в ряде случаев необходимостью улавливания ценных материалов из газовой среды, возникает необходимость в разработке эффективных способов коагуляции частиц в газовых потоках. Задача значительно усложняется при необходимости улавливания химически активных и агрессивных веществ. В этом случае традиционные средства улавливания аэрозолей оказываются не применимыми. Возможным решением существующей технологической проблемы является укрупнение и последующее осаждение аэрозольных частиц под действием высокоинтенсивных (более 140 дБ) ультразвуковых колебаний (ультразвуковая коагуляция аэрозолей) [1]. Ультразвуковая (УЗ) коагуляция обладает рядом неоспоримых преимуществ:
- применимость к агрессивным и взрывоопасным газам;
- возможность работы при высоких температурах и давлениях;
- высокая эффективность и низкая энергоемкость процесса;
- возможность осаждения высокодисперсных аэрозолей.
Подавляющее большинство известных [2-3] способов ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках характеризуется применением в качестве излучателей упругих колебаний газоструйных акустических излучателей, обеспечивающих преобразование энергии сжатого газа в энергию ультразвуковых колебаний. В этом случае известные способы характеризуются низкой эффективностью коагуляции, что обусловлено низким КПД газоструйных излучателей (менее 20…25% в зависимости от используемой конструктивной схемы), необходимостью использования специальных компрессоров для создания и подачи сжатого газа. Кроме того, при реализации известных способов (с применением газоструйных излучателей) возможно обеспечить высокую интенсивность излучения (мощность) только на низких рабочих частотах (до 10 кГц), поскольку на ультразвуковых частотах (более 20 кГц) диаметры выходных сопел излучателей и резонаторов становятся малыми (менее 1 мм), что ограничивает величины акустической мощности формируемых колебаний значениями, не превышающими 1…10 Вт [4]. По этой причине реализация способов коагуляции с применением ультразвуковых колебаний, создаваемых при помощи газоструйных излучателей, становится неэффективной.
Существенным недостатком известных способов коагуляции является также инжектирование в область коагуляции потока рабочего газа, что обуславливает повторное увлечение осажденных частиц воздушным потоком, приводящее к разрушению агрегатов коагулированных частиц, снижая также эффективность коагуляции. Известные способы отсекания воздушных потоков с помощью звукопрозрачных пленок в [5] приводят к значительному ослаблению УЗ колебаний, а также являются неприемлемыми при высоких температурах и давлениях.
Вышеперечисленные недостатки ограничивают возможности промышленного применения ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках и обуславливают необходимость создания новых способов, основанных на более эффективном создании и применении высокоинтенсивных УЗ колебаний.
Среди известных способов коагуляции частиц в газовых потоках [2-3] наиболее близким к предлагаемому техническому решению и одним из наиболее эффективных способов коагуляции с применением акустических излучателей (статических и динамических сирен, пневматических рупоров, электромагнитных громкоговорителей и т.п.) является способ, заключающийся в воздействии сфокусированными с помощью линзы колебаниями [3], принятый за прототип.
В способе коагуляции инородных частиц в газовых потоках, принятом за прототип, происходит воздействие на частицы упругими колебаниями. С целью повышения эффективности очистки низкоконцентрированных газовых потоков фокусирование упругих колебаний осуществляется при помощи линзы, выполненной в виде конического плосковыгнутого тела, образованного путем сечения конуса двумя плоскостями, параллельными его высоте и основанию, установленной внутри вращающегося клинообразного переходника, обеспечивающего вращение линзы.
При реализации процесса коагуляции частиц по [3] излучатель акустических колебаний воздействует на инородные частицы, что приводит к их взаимному колебанию, объединению и осаждению.
При этом увеличенная за счет фокусировки интенсивность воздействия и вращение зоны повышенной интенсивности (зоны фокусировки) позволяют частично устранить недостатки известных способов, однако не обеспечивают существенного повышения эффективности коагуляции инородных частиц в газовых потоках по следующим причинам:
- значительные потери энергии упругих колебаний при отражении, прохождении и фокусировке колебаний высокой интенсивности при помощи линз из материальных сред снижают величину максимальной интенсивности излучения в зоне коагуляции;
- низкая эффективность фокусирования ультразвуковых колебаний низкой частоты, создаваемых газоструйными излучателями (диаметр линии фокуса будет превышать несколько длин волн, что для частоты в 10 кГц в воздухе составит около 10 см) не позволяет создать зону повышенной интенсивности излучения (более 170 дБ);
- ограниченная скорость вращения линзы, что обусловлено ограниченными возможностями механических систем вращения, перпендикулярно оси трубопровода не позволяет осуществлять равномерное воздействие по сечению трубопровода;
- необходимость ремонта и обслуживания фокусирующих устройств (линз), работающих в запыленных потоках, при наличии абразивных частиц сокращает время непрерывной реализации способа.
Кроме того, способу по [3] присущи все основные недостатки, обусловленные применением газоструйных излучателей, а именно:
- низкая эффективностью [5] используемых для реализации способа коагуляции газоструйных излучателей гартмановского типа (коэффициент полезного действия менее 20…25%);
- ограниченный диапазон частот излучения (менее 20 кГц), исключающим возможность эффективной коагуляции мелких частиц, так как известно [6], что эффективность коагуляции в значительной степени зависит от степени увлечения дисперсных частиц дисперсионной средой, которая определяется как:
,
где µ - коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды, ρ - плотность дисперсной фазы/частиц, R - радиус частицы.
0
При этом отношение амплитуды скорости колебаний взвешенной частицы к амплитуде скорости колебаний дисперсионной среды в зависимости от отношения частоты f излучения звука к характеристической частоте F имеет асимптотический характер. Например, для воздуха, при нормальных условиях
поэтому оптимальная частота акустического воздействия определяется по формуле
.
Таким образом, для коагуляции частиц с размерами 15…20 мкм и менее необходимо осуществлять воздействие ультразвуковыми колебаниями в частотном диапазоне 20…30 кГц.
В предлагаемом техническом решении задача заключается в создании способа коагуляции инородных частиц в газовых потоках, который был бы свободен от вышеперечисленных недостатков, при реализации которого была бы повышена эффективность коагуляции, а достигаемая степень очистки практически не зависела бы ни от дисперсности, ни от концентрации загрязняющих частиц в очищаемой среде, ни от их способности к коагуляции.
Суть предлагаемого технического решения в том, что в способе коагуляции инородных частиц в газовых потоках, заключающемся в воздействии на частицы упругими колебаниями, фокусируемыми во вращающуюся перпендикулярно оси трубопровода линию, длина которой соответствует поперечному размеру трубопровода, упругие колебания создают питаемым электронным генератором, продольно колеблющимся и вращающимся вдоль акустической оси пьезоэлектрическим преобразователем, излучают и фокусируют упругие колебания механически и акустически связанным с преобразователем излучателем в виде прямоугольной, ступенчато переменной по толщине пластины, совершающей изгибные колебания относительно большей из его осей на частотах, кратных основной, в диапазоне от 30 до 20 кГц, осуществляют одновременную фокусировку колебаний, создаваемых обеими сторонами прямоугольной пластины, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Таким образом, в предлагаемом способе коагуляции инородных частиц в газовой среде задача повышения эффективности процесса решается за счет:
- создания ультразвуковых колебаний питаемым электронным генератором, продольно колеблющимся и вращающимся вдоль акустической оси пьезоэлектрическим преобразователем, акустически связанным с совершающим изгибные колебания излучателем;
- излучения и фокусировки упругих колебаний, механически и акустически связанных с излучателем в виде прямоугольной, ступенчато переменной по толщине пластины, совершающей изгибные колебания относительно большей из его осей на, кратных основной, частотах в диапазоне от 30 до 20 кГц;
- осуществления одновременной фокусировки колебаний, создаваемых обеими сторонами прямоугольной пластины, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг.1.
Предлагаемый способ реализуется при помощи излучающего и фокусирующего упругие колебания излучателя 1, выполненного в виде прямоугольной, ступенчато переменной по толщине пластины, вращающейся вместе с пьезоэлектрическим преобразователем 2. Электрическое питание преобразователя 2 осуществляется от электронного генератора (на фиг.1 не показан). Излучатель установлен в специальном отражателе 3. Излучатель совершает изгибные колебания относительно большей из его осей на частотах в диапазоне от 30 до 20 кГц, кратных основной, и за счет излучения колебаний с определенными фазами с участков различной толщины (фаза излучаемых колебаний определяется толщиной участка) осуществляет фокусировку колебаний. За счет того, что колебания противоположной стороны излучателя также генерируются с различных по толщине участков с различными фазами, обеспечивается одновременная фокусировка колебаний, создаваемых обеими сторонами прямоугольной пластины, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют в зону фокусировки после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Предлагаемый способ ультразвуковой коагуляции реализуется следующим образом. Включается электродвигатель 4 и ультразвуковой генератор (на фиг.1 не показан). При этом излучатель 1 вместе с пьезоэлектрическим преобразователем 2, при помощи ременной передачи начинает вращаться вокруг собственной оси с угловой скоростью, пропорциональной скорости входного потока трубопровода 6. Акустические колебания, излучаемые пластиной, формируются в фокусе, представляющем собой вращающуюся перпендикулярно оси трубопровода линию, длина которой соответствует поперечному размеру трубопровода, и воздействуют на твердые частицы газового потока. Под действием ультразвуковых колебаний твердые частицы коагулируют в более крупные и осаждаются в бункер 5. Очищенный газовый поток выходит через трубопровод 7. Воздействие на взвешенные инородные частицы в процессе коагуляции осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими сторонами плоского излучателя, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Таким образом, обеспечивается равномерность акустического (ультразвукового) воздействия по всему диаметру трубопровода с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя как минимум вдвое.
Разработанное для реализации предложенного способа устройство имеет следующие технические характеристики: для формирования и фокусирования акустических колебаний в трубопроводе диаметром 500 мм использован излучатель в виде изгибно-колеблющейся пластины размером 250×70 мм. Совершая колебания на 3 и 5 модах в частотном диапазоне от 20 до 30 кГц излучатель обеспечивает на околофокусном расстоянии (до 0,5 м), формирование ультразвуковых колебаний с уровнем звукового давления 130…170 дБ, на фокусном расстоянии (0,5 м) - 180 дБ. По мере увеличения расстояния от фокуса излучателя уровень звукового давления уменьшается. Распределение уровня звукового давления схематично показано на фиг.1 в виде заштрихованных областей с указанными уровнями звукового давления. Материал излучателя и концентратора - титановый сплав; размер отражателя 500×140 мм; материал отражателя - металл.
Для определения эффективности предложенного способа коагуляции и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования путем усовершенствования системы очистки за счет введения в конструкцию источника УЗ колебаний. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию системы очистки отходящих газов одной из котельных города источника УЗ колебаний обеспечивает повышение эффективности существующей системы очистки до 99,5% (с 82%) за счет реализации возможности улавливания частиц микронного размера.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности ультразвуковой коагуляции.
Разработанный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета способ коагуляции инородных частиц в газовой среде прошел лабораторные и технические испытания и был практически реализован в действующей установке. Мелкосерийное производство устройств планируется начать в 2011 году.
Список литературы
1. Хмелев В.Н.. Ультразвуковая коагуляционная камера для работы в агрессивных средах [Текст] / В.Н.Хмелев, А.В.Шалунов, К.В.Шалунова // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / науч. ред.: А.И.Громыко, А.В.Сарафонов; отв. за вып.: А.А.Левицкий. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 465 с.
2. Авторское свидетельство №1029996.
3. Авторское свидетельство №927280 - прототип.
4. Ультразвуковой газоструйный излучатель [Текст]: пат. 1789301 Рос. Федерация: МПК 5 B06B 1/20 / Митин А.Г., Хмелев В.Н. (Россия), заявитель: Научно-производственное объединение "АЛТАЙ", заявка, 4898490 от 02.01.1991. Опубликовано 23.01.1993.
5. Источники мощного ультразвука [Текст] / под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1967. - 265 с.
6. Юдаев Б.Ф. Акустическая коагуляция аэрозолей. Бюллетень строительной техники, 2004, №6.