Введение к работе
Актуальность проблемы. На предприятиях металлургической промышленности большинство технологических процессов сопровождается выделением значительного количества пылевидных материалов. К таким процессам относятся: дробление, грохочение, измельчение, сушка, приготовление шихты, окомко-вание, обжиг концентратов, вельцевание, плавка. Кроме того из вельц-печей, сушилок и другого оборудования выбрасываются токсичные газы. И, как правило, технологические пылегазовые выбросы содержат ценные компоненты сырья, которые могут быть использованы для дальнейшей переработки с целью получения дополнительной продукции.
В районах своего расположения крупные металлургические заводы играют определяющую роль в загрязнении окружающего воздушного бассейна. Защита экосистемы территорий от вредных выбросов является одной из важных современных проблем производства цветных металлов.
К числу способов борьбы с вредными выбросами относится формирование их в металлургических агрегатах, совершенствование технологических методов их подавления, а также разработка эффективных пылеуловителей. В частности, в процессе вельцевания кеков на цинковых заводах возгоны, направляемые на дальнейшую переработку в цех пылей и окислов, проходят систему газоочистки с окончательным их улавливанием в рукавных фильтрах. С рукавными фильтрами могут успешно конкурировать мокрые пылеуловители – барботажные аппараты, позволяющие улавливать широкий размерный спектр пыли, включая наночасти-цы, не улавливаемые в фильтрах.
Задача эффективной очистки технологических газов металлургических предприятий остается актуальной и требует своего решения.
Цель работы – разработка технологии улавливания возгонов вельц-печей цинкового производства и конструкции струйного барботера на основе исследования взаимодействия в нем пылегазовых струй.
Методы исследований. При выполнении теоретического исследования использовались критическое обобщение опыта очистки металлургических газов на основе анализа литературных и патентных источников, основные положения теории двухфазных газожидкостных систем, гидродинамики, математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов физического моделирования процессов и аппаратов пылеулавливания, видеосъемки процессов барботажа, обработки экспериментальных данных, седи-ментационных методов анализа пыли с применением аналитического центрифугирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработана математическая модель, описывающая процесс образования воздушных пузырьков в жидкой среде струйного барботера при открытии окон в прорезях его колпачков, учитывающая силовое взаимодействие появляющихся пузырьков с жидкостью.
-
Предложена методика определения формы наружной поверхности направляющего канала колпачка струйного барботера, описываемой уравнением спирали Архимеда в полярных координатах.
3. Выявлено, что процесс получения пенного режима пылеулавливания в струйном барботере протекает в шести зонах участка взаимодействия пары колпачков, создающих пенный режим пылеулавливания: в пятой зоне – между колпачками при соударении газожидкостных струй, во второй зоне – зоне интенсивного пенного режима, в первой и третьей – зонах омывания колпачков, в четвертой и шестой – зонах омывания направляющих каналов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении современных методов исследования, анализе существующих способов и схем улавливания пыли металлургических предприятий, положений теории двухфазных систем, методов математического моделирования, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных условиях с использованием современных методик и измерительной аппаратуры.
Научная новизна
-
Разработанная математическая модель процесса образования воздушных пузырьков в жидкой среде при открытии окон в прорезях колпачка струйного барботера получена на основе анализа взаимодействия сил, действующих на пузырек воздуха: давления на внутреннюю поверхность пузырька, поверхностного натяжения и гидравлического сопротивления росту пузырька.
-
Разработанная методика построения криволинейной наружной поверхности направляющего канала колпачка струйного барботера учитывает расширяющий поток в канале, объединяющий выход пузырьков из прорезей колпачка.
-
Механизм пылеулавливания в струйном барботере в пенном режиме без применения ПАВ включает две стадии: в пятой зоне – осаждение пыли за счет соударения пузырьков газожидкостных струй друг о друга и в первой по четвертую и шестой зоне – инерционно-турбулентное осаждение частиц пыли в слое турбулизированной пены.
Практическое значение работы
-
Разработана технологическая схема улавливания пылевидных возгонов вельцевания цинковых кеков при использовании струйного барботера.
-
Разработанные методики расчета параметров процесса образования пузырьков в струйном барботере и построения криволинейной наружной поверхности направляющего канала колпачка барботера могут быть использованы при проектировании технологических процессов и аппаратов для пылеулавливания из газов металлургических предприятий.
3. Разработана и изготовлена лабораторная установка, представляющая со
бой фрагмент барботера (пылегазоуловителя) с промышленными размерами кол
пачков, позволяющая определить необходимые технологические параметры про
цесса пылеулавливания и конструктивные параметры барботера. Выставоч
ный стенд установки экспонировался на III Национальной ежегодной выставке-
форуме «Вузпромэкспо-2015», г. Москва.
4. Экспериментально подтверждена возможность получения пенного ре
жима барботажа, наиболее эффективного для процесса пылеулавливания в бар
ботере, без применения поверхностно-активных веществ.
-
Разработана конструкция струйного барботера для улавливания пылевых возгонов и выбросов металлургических предприятий и конструкция распределительной тарелки аппарата (патент РФ № 2303479).
-
Реализация выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена актом ОАО «Кавказцветметпроект» о целесообразности использования конструкции разработанного струйного барботера при проектировании схем улавливания пылевидных материалов на предприятиях цветной металлургии.
Личный вклад автора состоит в участии во всех этапах работы: разработке математической модели процесса образования пузырьков воздуха в прорезях колпачков струйного барботера, разработке методики построения криволинейной наружной поверхности направляющего канала колпачка барботера, создании экспериментальной лабораторной установки для исследования процессов барбо-тажа и пылеулавливания в струйном барботере, проведении экспериментальных исследований на установке в технологических режимах улавливания пылевидных материалов, обработке экспериментальных данных, разработке технологической линии очистки газов от пылевидных возгонов в цехе окиси цинка, разработке конструкции струйного барботера и методики расчета его параметров, подготовке публикаций по выполненной работе.
Апробация работы. Основные научные положения работы обсуждались на XVIII Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», ОМА-18, г. Ростов-на-Дону, 2015 г.; конференции «Современная Российская наука глазами молодых исследователей», г. Красноярск, 2017 г.; VII Международном междисциплинарном симпозиуме "Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы", г. Ростов-на-Дону, 2017 г.; IX Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Современная российская наука глазами молодых исследователей", г. Дубай, ОАЭ, 2017 г.; заседаниях кафедры «Технологические машины и оборудование» и научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), г. Владикавказ, 2007 – 2017 г.г., на расширенном заседании кафедры «Технологические машины и оборудование» СКГМИ (ГТУ), 2018 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, из них 5 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 статей в других изданиях, а также получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 5 приложений, изложена на 132 страницах машинописного текста, включает 31 рисунок, 21 таблицу и библиографический список из 99 наименований.