Улавливание частиц из дымовых газов прямоугольными сепараторами

УДК 66.074.2

А. В. Дмитриев, В. Э. Зинуров, О. С. Дмитриева, Ву Линь Нгуен

УЛАВЛИВАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ СЕПАРАТОРАМИ

Ключевые слова: сепаратор, продукты сгорания, осаждение частиц, очистка газов.

В статье рассмотрены вопросы очистки дымовых газов от вредных примесей. Представлены конструкция прямоугольного сепаратора и результаты осаждения частиц продуктов сгорания на двутавровых балках устройства. Наличие нескольких рядов двутавровых балок повышает эффективность улавливания тонкодисперсных частиц. Исследованы разные варианты исполнения балок и их размещения в аппарате. Применение прямоугольного сепаратора обеспечивает увеличение удельной площади поверхности контакта фаз с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления газовому потоку.

Keywords: separator, combustion products, particle settling, gas purification.

The article considers the issues of cleaning flue gases from harmful impurities. The design of a rectangular separator and the results of the deposition of particles of combustion products on the I-beams of the device are presented. The presence of several rows of I-beams increases the efficiency of trapping fine particles. Various versions of the beams and their placement in the apparatus are investigated. The use of a rectangular separator provides an increase in the specific surface area of the phase contact while simultaneously reducing the hydraulic resistance to the gas flow.

Основная доля выработки электроэнергии в Российской Федерации приходится на ТЭС. Сжигание большого количества органического топлива, приводит к загрязнению атмосферы токсичными веществами. Количество выбросов вредных веществ, как правило, определяется видом используемого топлива и эффективностью процесса сжигания [1-3].

Аппараты для очистки газов от твердых и жидких примесей играют важную роль при комплектовании технологической аппаратуры предприятий энергетики, химической,

нефтехимической отраслей промышленности. Сегодня на предприятиях, оборудованных газоочистными сооружениями, золоулавливание, денитрификацию и десульфуризацию дымовых газов проводят в разных аппаратах. Вследствие этого процесс газоочистки становится громоздким и дорогостоящим, причем более 60% расходов приходится на долю сероочистки. В последние годы в ряде стран (Японии, США, Германии, России, Польше и др.) ведется разработка новых методов и аппаратов, рассчитанных на одновременную очистку дымовых газов от нескольких загрязнителей. Новые технологии более компактны и менее затратные [4]. В области газоочистки опубликованы работы [5-8], накоплен определенный опыт решения сложных задач по увеличению энерго- и ресурсоэффективности процесса. При этом, до сих пор актуальным остается вопрос конструирования новых аппаратов газоочистки и повышения их эффективности.

Целью настоящей работы является исследование процесса очистки дымовых газов от нескольких примесей, с помощью разработанного сепаратора [9]. Поскольку в процессе интенсивной работы энергопредприятий происходит существенный выброс продуктов сгорания в окружающую среду и существующие на данный момент мероприятия являются не столь эффективными и экономически затратными, предлагается равномерно эмиссировать

дымовые газы через сепарационные колонны для комплексной очистки дымовых газов.

Сепаратор состоит из N рядов двутавровых балок, собранных в прямоугольный корпус размером a^с^h. С целью обеспечения минимального прогиба балки удерживаются между собой двумя поперечными пластинами, которые фиксируются по высоте и крепятся к корпусу аппарата. Принцип работы устройства заключается в том, что при движении многофазного потока между элементами устройства возникает центробежная сила, которая обеспечивает коагуляцию тонкодисперсных капель жидкости, способствуя их равномерному осаждению на всей поверхности двутавровых балок. Наличие нескольких рядов двутавровых балок повышает эффективность улавливания тонкодисперсных частиц за счет более структурированного газового потока.

Исследования проводились для упрощенной модели сепарационного аппарата (рис. 1). Сепаратор состоит из 8 рядов стальных балок длиной 120 мм, в каждом из которых находится по 6 двутавров. Корпус аппарата варьировался в диапазоне: а от 120 до 600 мм, с от 95 до 580 мм в зависимости от изменяемых линейного размера и шага балок в ходе эксперимента, h = 120 мм.

Рис. 1 - 3D модель прямоугольного сепаратора

Аэрозольная смесь, состоящая из воздуха и частиц продуктов сгорания, попадала на двутавровые балки по трубе, соединяющей камеру сгорания и окружающую среду. Диаметр частиц продуктов сгорания d изменялся от 10 до 100 мкм. В ходе исследований на каждой поверхности /-ого ряда балок был зафиксирован массовый расход частиц продуктов сгорания G/. Понятно, что наиболее интенсивно частицы оседают на первых рядах двутавровых балок, расположенных по направлению движения смеси. Для визуализации результатов исследования на графиках (рис. 2 и 3) представлено изменение отношения массового расхода частиц продуктов сгорания на /-ом ряду балок к полному массовому расходу продуктов сгорания по всем рядам балок G/G. В ходе каждого исследования изменялся один из следующих параметров: диаметр частиц, шаг балок, начальная скорость смеси, а остальные приравнивались к базовым параметрам - диаметр частиц 30 мкм, начальная скорость смеси 15 м/с, шаг между балками 30 мм, ширина балки 15 мм. Также задавались некоторые постоянные параметры, а именно: на выходе из сепаратора: атмосферное давление 105 Па; массовый расход продуктов сгорания G = 50 г/с (0,05 кг/с); начальная скорость частиц 0 м/с; температура воздуха 273,15K.

Результаты показали, что нагнетание вентилятором относительно больших скоростей не приводит к значительному увеличению числа пойманных частиц вредных примесей (рис. 2). Линии, характеризующие различные скорости поступления смеси в аппарат, практически идентичны друг другу. На первых двух рядах балок оседает примерно 90% примесей, остальные частицы оседают на балках последующих рядов по направлению движения смеси.

Gj/G 0,4 0,3 0,2 0,1 0

1 2 3 4 5 6 7/ Рис. 2 - Изменение отношения Gi/G по рядам двутавровых балок при начальной скорости смеси, м/с: 1 - 5, 2 - 15, 3 - 25

С учетом полученных результатов на рис. 2, было рассмотрено влияние диаметра частиц на процесс их осаждения на разных рядах балок сепарационного устройства при начальной скорости смеси 15 м/с (рис. 3). Траектории движения частиц диаметром 10-100 мкм существенно не отличаются друг от друга, следовательно, количество осажденных частиц на разных рядах балок будут примерно одинаковым. Поэтому нет необходимости

в установке более мощных вентиляторов. Нагнетание скорости газового потока 10-15 м/с будет достаточным условием для эффективной очистки смеси от вредных примесей.

Основная часть продуктов сгорания оседает на первых двух рядах колонн, вследствие было рассмотрено влияние шага между сепарационными колоннами на осаждение частиц на данные ряды колонн (рис. 4). Увеличение шага между колоннами уменьшает эффективность первых рядов колон к улавливанию частиц продуктов сгорания при скорости воздуха 5 м/с.

0,4 0,3 0,2 0,1 0

1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 3 - Изменение отношения Gi/G по рядам двутавровых балок при диаметре частиц d, мкм: 1 - 10, 2 - 30, 3 - 100

Однако при скоростях воздуха 10 и 15 м/с увеличение шага балок Ь с 5 до 20 мм практически не влияет на эффективность работы сепаратора (рис. 4), что позволяет производить размещение двутавров внутри корпуса аппарата не столь плотно. Около 92% частиц оседает на первых двух рядах балок. Для обеспечения равнопроточности устройства, а значит и минимального гидравлического сопротивления, последующий ряд двутавровых балок должен быть расположен от предыдущего на расстоянии, равном 52-60% от длины двутавровой балки.

в12/в

0,9 -

0,85 -

0,8

0 5 10 15 20 Ь, мм Рис. 4 - Изменение отношения G1,2/G в зависимости от шага двутавровых балок Ь при начальной скорости смеси, м/с: 1 - 5, 2 - 15, 3 - 25

В ходе исследований установлено, что использование прямоугольного сепаратора позволяет улавливать до 99,9% частиц продуктов сгорания.

Таким образом, применение прямоугольного сепаратора позволит существенно снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду. Оптимальными параметрами при изготовлении сепараторов является двутавровые балки шириной 15 мм и с шагом 10-20 мм в зависимости от начальной скорости ввода смеси в аппарат. Изготовление сепараторов с балками шириной более 15 мм не имеет смысла, т.к. при диаметре частиц примесей в диапазоне 10-100 мкм наблюдается приблизительно один и тот же эффект осаждения. Использовать высокую начальную скорость ввода частиц не рекомендуется, наиболее оптимальной является 10-20 м/с. Достоинства устройства: простота изготовления и конструкции, малая металлоемкость, высокая степень очистки газов от вредных примесей, увеличение удельной площади поверхности контакта фаз с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления газовому потоку.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Президента РФ

№ МК-5215.2016.8.

Литература

1. В.В. Абрамов, В.С. Агабабов, С.Н. Аничков и др. Современные природоохранные технологии в электроэнергетике. Издательский дом МЭИ, Москва, 2007. 388 с.

2. Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, Вестник Казанского технологического университета, 13, 11, 247-251 (2010).

3. И.Р. Калимуллин, М.А. Закиров, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 13, 10, 279-280 (2010).

4. Н.Н. Ежова, А.С. Власов, Л.М. Делицын, Экология промышленного производства, 2, 50-57 (2006).

5. Е.В. Сугак, Н.А. Войнов, Н.А. Николаев. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами. Отечество, Казань, 2009. 222 с.

6. М.Г. Зиганшин, А.А. Колесник, В.Н. Посохин. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. Экопресс-ЗМ, Москва, 1998. 505 с.

7. А.Н. Николаев, А.В. Дмитриев, Д.Н. Латыпов. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Новое знание, Казань, 2004. 135 с.

8. А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Р.Ф. Миндубаев. Очистка газов от аэрозольных частиц сепараторами с насадками. Печатный двор, Казань, 2003. 120 с.

9. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев. Устройство для тонкой пылегазоочистки. Пат. 171615 РФ. Опубл. 07.06.2017. Бюл. № 16.

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», ieremiada@gmail.com, В. Э. Зинуров - магистрант ФГБОУ ВО «КГЭУ», vadd_93@mail.ru, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru, Ву Линь Нгуен - аспирант ФГБОУ ВО «КГЭУ», vulinhbk@gmail.com.

© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical Bases of Heat Engineering» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, V. E. Zinurov -graduate student, KSPEU, vadd_93@mail.ru, O. S. Dmitrieva - assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, Vu Linh Nguyen - postgraduate student, KSPEU, vulinhbk@gmail.com.