Энергетический принцип сравнения и универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей

М.И. Шиляев, А.М. Шиляев

Томский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Томск, пл. Соляная ,2

 

Представляются и анализируются универсальный метод расчета и обобщенная математическая формулировка энергетического принципа сравнения пылеулавливающих систем из аппаратов, установленных последовательно в каскады и параллельно в батареи, при произвольном распределении частиц пыли по размерам. Для практического использования принципа и метода расчета приводится банк данных по характеристикам отдельных аппаратов.

 

1. Введение. На сегодняшний день уголь в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) России составляет менее 32%, а в районах максимального потребления газа – до 11%. Между тем в связи с ограниченностью запасов нефти и газа в ближайшей и даже отдаленной перспективе именно углю принадлежит определяющее место в топливообеспечении электроэнергетики мира. Без сомнения и энергетическая концепция России также должна предусматривать изменения в структуре ТЭБ, направленные на снижение доли мазута и газа в производстве электроэнергии и тепла и соответствующее увеличение доли использования угля[1]. Однако для того, чтобы уголь мог реализоваться как стратегическое топливо, необходимо решить ряд крупных технологических и экологических проблем. На долю теплоэнергетики 15 лет назад приходилось более 40% общих выбросов пыли в атмосферу, 70% окислов серы и более 50% окислов азота. Предполагалось, что количество пыли, образующейся в промышленности в целом, должно было увеличиваться ежегодно на 4%. Однако, принимая во внимание вынужденный пересмотр топливно-энергетической стратегии, ориентированной на увеличение доли сжигания угля, эта величина может оказаться значительно выше и предотвращение роста загрязнения атмосферы потребует освоения более эффективных газоочистных систем. В этой связи, учитывая огромные объемы очищаемых газов в промышленности, вопросы экономики газоочистных установок становятся чрезвычайно важными и особенно актуальными.

 

2. Математическая формулировка энергетического принципа. Впервые авторами настоящей работы в [2, 3] сформулирован принцип сопоставления пылеулавливающих аппаратов и каскадов из них и получено его математическое выражение, позволяющее определять из нескольких сравниваемых аппаратов и систем такие, в которых при равной эффективности пылеулавливания удельные энергозатраты, приходящиеся на единицу объема очищаемого газа, будут наименьшими.

 

 

Рис. 1. Схемы двух сравниваемых пылеулавливающих систем:

каскада m последовательно соединенных аппаратов (а)

и группы n параллельно установленных аппаратов (б)

 

Вывод принципа был проведен для условий улавливания пыли, подчиняющейся логарифмически нормальному закону распределения частиц по размерам (ЛНР). Его проверка осуществлена на экспериментальном материале для противоточных циклонов НИИОГАЗ [4] и прямоточных циклонов [2, 3]. Однако практический интерес представляет получение математического выражения принципа сравнения пылеулавливающих аппаратов и для произвольного распределения частиц. Такое выражение для сравнения каскадов и батарей с последовательной и параллельной установкой аппаратов (рис. 1) авторами найдено в [5] и имеет вид

,              (1)

где Δр_1,К и Δр₀ – гидравлические сопротивления (удельные энергозатраты на очистку газа) каскада m последовательно установленных одинаковых пылеулавливающих аппаратов, параметры которых обозначены индексом «1», и батареи n параллельно установленных аппаратов с параметрами, обозначенными индексом «0», соответственно; n₀ и n₁ - показатели чисел Stk в зависимостях для фракционных коэффициентов проскока сравниваемых аппаратов:

,       (2)

; ρ и μ – плотность и динамическая вязкость очищаемого газа; ρ_Ч и δ – плотность и размер частиц; ; δ₅₀ – массмедианный размер частиц; а₀ и а₁ – постоянные, характеризующие индивидуальные пылеулавливающие качества аппаратов; d₀ и d₁, v₀ и v₁ - характерные линейные размеры и скорости инерционного осаждения пыли в аппаратах; ζ₀ и ζ₁ - коэффициенты гидравлических сопротивлений аппаратов;

,                                  (3)

;                         (4)

К_Σ – суммарный коэффициент проскока, при котором проводится сравнение каскада и батареи аппаратов:

,                         (5)

 - нормированная дифференциальная весовая функция распределения частиц по размерам. Для функции , подчиняющейся закону ЛНР,

,

где

, - дисперсия ЛНР ,  (6)

,                           (7)

.

          В формуле (1) учтено равенство объемных расходов очищаемых газов в сравниваемых системах . В зависимостях (4) численные значения А₀ и А₁ определяются из интегралов (5) при заданных n₀, n₁, коэффициенте К_Σ и распределении . При этом А₀ и А₁ связаны с параметрами v₀, d₀ и v₁, d₁ соотношениями

.

 

3. Банк данных по характеристикам аппаратов. Практическое применение математического выражения принципа (1), кроме параметров пыли и газа , предполагает знание величин , входящих в зависимости для фракционных коэффициентов проскока (2), а также знание коэффициентов . Анализ литературных источников, собственные исследования авторов позволили составить таблицу 1 выше названных величин.

Таблица 1

№ п/п	Пылеулавливающий аппарат	a	n	V	d	Источник определения коэффициента , отнесенного к скорости V	Источник определения a, n, V, d
1 2 3 4 5 6	Циклоны НИИОГАЗ ЦН-11 ЦН-15 ЦН-15у ЦН-24 СК-ЦН-33 СК-ЦН-34	22,05 17,14 12,37 11,90 24,31 27,90	0,45 0,46 0,41 0,47 0,37 0,38	Скорость в плане	Диаметр циклона	[4]	[2, 3]
7	Пенный аппарат (ПА)	3,0	0,5	Скорость в отверстиях решетки	Диаметр отверстий решетки	[3]	[3]
8	Центробежно-барбо-тажный аппарат (ЦБА)	3,85	0,5	Скорость в щелях завихрителя	Гидравл. диаметр щелей завихрителя	[3]	[6]
9	Прямоточный циклон (ПЦ) с 15% отсосом газа в пылесборник1)		0,625	Скорость в плане	Диаметр циклона	[2, 3]	[2, 3]
10	Прямоточный циклон без отсоса	5,32	0,75	Скорость в плане	Диаметр циклона	[7]	[7]
11	Скруббер Вентури2)	K×m	0,5	Скорость в горловине трубы Вентури	Диаметр капель диспергированной жидкости	[8, 9]	[8, 9]
12	Сухой трубчатый (пластинчатый) электрофильтр3)	аЭТ   (аЭП)	0,5	Скорость газов в активном сечении	Радиус R2 осадит. элемента (расстояние Н между корон. и осад. электродами)	[8]	[8, 10]

Примечание: 1) ; 2) К=1,25¸1,56, m=0,5¸1,5 л/м³ – удельное орошение[8, 9]; 3) ,  ,  - относительная диэлектрическая постоянная частиц (для газов =1), Е – напряженность электрического поля, L – длина активной зоны электрофильтров; k=0,5 – поправочный коэффициент [10].

 

4. Основные следствия из энергетического принципа. 1). Очистка газов в каскадах более экономична, чем в одиночных аппаратах. Этот вывод следует из общего соотношения (1). Действительно, поскольку  (табл. 1), то с увеличением количества аппаратов в каскаде m удельные энергозатраты в нем по сравнению с удельными энергозатратами в одиночном аппарате () снижаются в противоположность заключению, сделанному ошибочно в [11]. Это обстоятельство наглядно иллюстрируется на примере сравнения каскадов и одиночных аппаратов одного типа, когда в формуле (1) надо положить , . В этом случае формула (1) преобразуется к виду, не зависящему от свойств пыли и газа, а только от количества аппаратов в каскаде m и от показателя числа Стокса  в зависимостях (2):

.                                                  (8)

Рис. 2. Сопоставление энергозатрат в каскадах и одиночных аппаратах	Рис. 3. Снижение коэффициентов проскока циклонов в каскаде в сравнении с одиночным циклоном при одинаковых удельных энергозатратах на очистку газа

 

Зависимость (8) для циклонов НИИОГАЗ представлена на рис. 2, откуда видно, что, во-первых, в каскадах удельные энергозатраты при одинаковой эффективности газоочистки могут быть снижены более чем на порядок по сравнению с одиночными аппаратами, во-вторых, установка более 4-х аппаратов в каскад с практической точки зрения нецелесообразна: снижение энергозатрат при m>4 незначительно, в то время как металлоемкость каскада будет с очевидностью существенно возрастать.

2). При одинаковых энергозатратах эффективность пылеулавливания в каскадах достигается более высокой, чем в одиночных аппаратах. Этот факт иллюстрируется рис. 3, где  и  - фракционные коэффициенты проскока каскада и одиночного аппарата соответственно, откуда видно, что наиболее существенное снижение коэффициента проскока в зависимости от количества аппаратов m наблюдается для невысоких , соответствующих высокой эффективности пылеулавливания.

3) На рис. 4 приведены результаты расчета по формуле (1) с коэффициентом А, вычисляемым по зависимости (3), отношения перепадов давления в каскаде m циклонов ЦН-11 к перепадам давления в одиночном циклоне СДК-ЦН-33 при параметрах ЛНР частиц пыли σ=4, δ₅₀=5мкм, ρ_Ч=2650 кг/м³ и скорости газа в циклоне СДК-ЦН-33 =1,6м/с. Из рисунка следует, что одиночный циклон ЦН-11 по удельным энергозатратам превосходит циклон СДК-ЦН-33 в 3 и более раз, в то время как при m=2 удельные энергозатраты становятся соизмеримыми, а в каскаде 3-х циклонов ЦН-11 затрачивается энергии вдвое меньше, чем в эквивалентном циклоне СДК-ЦН-33. Однако при невысоких значениях суммарной эффективности пылеулавливания применение каскадных систем становится неоправданным.

4). На основе соотношения (1) проведен анализ энергоемкости циклонов НИИОГАЗ по группам, для которых показатели при числах Стокса близки друг к другу (, табл. 1). В результате установлено: а) наиболее эффективным и менее энергоемким из цилиндро-конических циклонов является ЦН-11; б) самым энергоемким является циклон ЦН-24, удельные энергозатраты в нем почти в 2 раза выше, чем в циклоне ЦН-11; в) циклон ЦН-15 по удельным энергозатратам занимает промежуточное место между циклонами ЦН-11 и ЦН-24, удельные энергозатраты в нем на 40 % выше, чем в циклоне ЦН-11; г) конические циклоны СДК-ЦН-33 экономичнее циклонов СК-ЦН-34 процентов на 25, эффективность улавливания тонкодисперсной пыли в каскадах этих аппаратов может быть достигнута достаточно высокой.

 

5. Универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей и каскадов из них. Формула для расчета полного проскока в отдельном аппарате или каскаде с учетом (6) может быть преобразована к виду

,                                    (9)

 

где .     Рис. 5. Универсальная номограмма для расчета эффективности пылеулавливания в инерционных пылеуловителях

На основе вычисления интеграла (9), построена номограмма рис. 5. Ее сопоставление с номограммами для циклонов НИИОГАЗ [4], ПА и ЦБА [3, 6, 12] дало удовлетворительное согласие.

 

6. Выводы. 1. Из проведенного анализа видно, что математическое выражение энергетического принципа, сформулированное в настоящей работе, представляет собой эффективный инструмент, позволяющий осуществлять оптимальный с экономической точки зрения выбор и компоновку пылеулавливающего оборудования, отдавая предпочтение одним аппаратам и схемам их установки в сравнении с другими.

2. Разработан универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей и каскадов из них с номограммным и программным обеспечением.

 

Литература

1.      Чурашов В.Н. Особенности перспективного развития энергетики Сибири// Энергетика в России и в мире: Проблемы и перспективы. – М.: МАИК. «Наука/Интерпериодика», 2001.

2.      Шиляев М.И., Шиляев А.М., Афонин П.В., Кобякова Ю.Н. Энергетический принцип сопоставления и компоновки пылеулавливающего оборудования// Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих бытовые отходы и мусор. Под ред. д.ф.-м.н. С.В. Алексеенко и д.т.н. А.С. Басина. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 1999. (Сб. научно-техн. работ).

3.      Шиляев М.И., Дорохов А.Р. Методы расчета и принципы компоновки пылеулавливающего оборудования: Учебное пособие. -–Томск: Изд-во ТГАСУ, 1999.

4.      Циклоны НИИОГАЗ/ Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. – Ярославль, 1970.

5.      Шиляев М.И., Шиляев А.М. Принцип сравнения пылеулавливающих систем по удельным энергозатратам на очистку газов // Изв. вузов. Строительство. – 2002. - №4.

6.      Аппроксимация опытных данных и номограмма для расчета эффективности пылеулавливания в центробежно-барботажном аппарате / М.И. Шиляев, Д.Н. Шашко, Д.Г. Серебряков, А.И. Поливанов // Изв. вузов. Строительство. – 2001. - №11.

7.      Шиляев М.И., Шиляев А.М. Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2003.

8.      Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А. Русанова. – М.: Энергия, 1975.

9.      Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. – М.: Химия, 1972.

10.  Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. – М.: Металлургия, 1990.

11.  Страус В. Промышленная очистка газов. – М.: Химия, 1981.

12.  Аппроксимация опытных данных и номограмма для расчета эффективности пылеулавливания в пенном аппарате / М.И. Шиляев, Д.Н. Шашко, Д.Г. Серебряков, А.И. Поливанов // Труды НГАСУ. – Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2000. – Т. 3, № 2 (9).