Повышение эффективности щелевых фильтров для очистки газов от промышленной пыли Виноградов Владимир Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Оценка состояния и направления развития пылеулавливания, анализ закономерностей процесса фильтрования 13

1.1. Сравнение способов и аппаратов для очистки запыленных газов 13

1.2. Классификация процессов фильтрования и пути совершенствования фильтрующей аппаратуры 28

1.3. Основные механизмы фильтрования и оценка эффективности пылеулавливания 34

1.4. Модели структур фильтрующих перегородок и способы их регенерации 43

1.5. Постановка задачи исследований 48

1.6. Выводы по главе 1 51

2. Экспериментальные установки, методы исследования и обработки результатов 52

2.1. Щелевые перегородки и схема экспериментальной установки 52

2.2. Методы исследований и обработки результатов 60

2.3. Методология исследований 65

2.4. Выводы по главе 2 68

3. Исследование закономерностей процесса фильтрования запыленных газов щелевой перегородкой 69

3.1. Влияние структурных характеристик щелевой фильтрующей перегородки на гидравлическое сопротивление 69

3.2. Влияние стационарности процесса фильтрования на эффективность очистки 80

3.3. Математическая модель процесса фильтрования пыли через щелевую перегородку 90

3.4. Выводы по главе 3 105

4. Методика расчета технологических параметров и поверхности фильтрования 108

4.1. Основные положения и функциональная схема алгоритма расчета 108

4.2. Разработка автоматизированной программы ЭВМ для расчета фильтрующей перегородки 114

4.3. Выводы по главе 4 116

5. Разработка технологической схемы обеспыливания воздуха в производстве портландцемента с использованием щелевого фильтра 118

5.1. Щелевой фильтр с упорядоченной структурой фильтрующей перегородки 118

5.2. Анализ источников пылеобразования и технологическая схема очистки выбросов в производстве цемента 123

5.3. Математическое моделирование процесса фильтрования для опытно промышленного щелевого фильтра 127

5.4. Технико-экономическое сравнение щелевого фильтра с другими пылеуловителями 135

5.5. Выводы по главе 5 136

Заключение 139

Основные результаты работы 142

Условные обозначения 145

Список литературы 150

Приложение 1. Результаты исследований эффективности очистки для коридорной намотки проволоки 169

Приложение 2. Результаты исследований эффективности очистки для шахматной намотки проволоки 179

Приложение 3. Описание блок-схемы автоматизированной программы ЭВМ для расчета фильтрующей перегородки 189

Приложение 4. Интерфейс программы расчета фильтрующей перегородки 192

Приложение 5. Результаты моделирования процесса фильтрования в щелевом фильтре (приближение 1) 193

Приложение 6. Результаты моделирования процесса фильтрования в щелевом фильтре (приближение 2) 204

Приложение 7. Расчет системы регенерации щелевого фильтра 210

Приложение 8. Протокол внедрения щелевого фильтра 214

Приложение 9. Акт внедрения в учебный процесс 215

• Классификация процессов фильтрования и пути совершенствования фильтрующей аппаратуры
• Влияние структурных характеристик щелевой фильтрующей перегородки на гидравлическое сопротивление
• Основные положения и функциональная схема алгоритма расчета
• Математическое моделирование процесса фильтрования для опытно промышленного щелевого фильтра

Введение к работе

Актуальность работы. Очистка запыленных газов является одной из важнейших задач современного производства и относится к приоритетному направлению науки, технологий и техники «Рациональное природопользование». Пылевые выбросы предприятий составляют более 50 % суммарных выбросов в атмосферу и приближаются к 3 млн тонн пыли в год и их количество постоянно увеличивается. Так на Ачинском цементном заводе только в отделении дробления клинкера с 6-ти одновременно работающих мельниц выбросы цемента в атмосферу составляют 864 кг/сутки.

Для промышленной эффективной сухой очистки газа от пыли используются центробежное осаждение (циклоны), электроосаждение (электрофильтры) и фильтрование (рукавные, волокнистые и зернистые фильтры). Эффективность очистки в циклонах в среднем по промышленности не превышает 80–90 %, а эффективность свыше 98 % чаще возможна лишь при входной запыленности более 50 г/м³ и размерах пылевых частиц свыше 40 мкм. Электрофильтры, обладая эффективностью очистки свыше 99,9 %, применяются для очистки больших объемов газа более 20000 м³/ч, при температурах до 400 С. Рукавные и волокнистые фильтры обладают низкой скоростью фильтрования, менее 0,05 м/с, имеют малую механическую прочность, подвержены химическому воздействию и выдерживают температуры лишь до 350 С. Зернистые фильтры, обладая эффективностью 95–99 %, пока несовершенны и требуют сложной системы регенерации.

Перспективным направлением уменьшения пылевых выбросов на промышленных предприятиях является замена низкоэффективных пылеуловителей на щелевые фильтры, которые обеспечивают эффективность очистки газа от пыли свыше 98–99 % при небольшом гидравлическом сопротивлении, в пределах 500–1500 Па. Такие фильтры можно использовать для очистки абразивных и коррозионных потоков, особенно при невысоких концентрациях пыли (20–40 г/м³), малых расходах газа (до 10000– 15000 м³/ч на один аппарат), а также при высоких температурах, свыше 300–450 С.

Щелевой фильтр рекомендуется использовать для очистки аспирационного воздуха после дробления клинкера в производстве портландцемента, а так же для очистки колошниковых газов от ваграночных и других печей, очистки воздуха в производстве гипохлорита кальция, при пескоструйных работах и в других технологических процессах.

Исследования процессов фильтрования, протекающих в щелевом пылеуловителе и нахождение теоретических закономерностей очистки запыленных газов являются актуальными научными задачами, решение которых обеспечит повышение эффективности улавливания пыли, уменьшение энергетических затрат за счет выявления путей совершенствования щелевого фильтра, разработки новой конструкции фильтра повышенной эффективности и практического применения созданного пылеуловителя.

Работа выполнялась в рамках научно-технической программы «Человек и окружающая среда» по проблеме 09.01.07 «Экологическая технология», а также госбюджетной НИР ИРНИТУ по теме № 8.403 «Исследование нетрадиционных видов керамического сырья Байкальского региона, разработка новых составов масс, технологий и технологических процессов», в соответствии с приоритетным направлением модернизации и технологического развития российской экономики.

Степень разработанности темы. Задачу по повышению эффективности очистки запыленных газов фильтрованием решали многие научные коллективы: НИИОГАЗ г. Москва (Ужов В.Н., Мягков Б.И., Вальдберг А.Ю.), ВГУИТ г. Воронеж (Красовиц-кий Ю.В.), НИПИОТСТРОМ г. Новороссийск (Трущенко Н.Г., Коновальчик К.Ф., Лапшин А.Б.), ИРНИТУ г. Иркутск (Ульянов Б.А.) и др. Наиболее изучены процессы фильтрования в рукавных и зернистых фильтрах. Выявленные в них закономерности учитывают влияние на эффективность очистки и гидравлическое сопротивление только скорости фильтрования, толщины фильтрующей перегородки и свойств пылегазо-вого потока. Не изучена зависимость эффективности очистки от факторов времени, к которым относятся время пребывания запыленного потока в фильтрующем слое, продолжительность цикла фильтрования. Закономерности процессов фильтрования, определяющие размеры щелевой перегородки и технологические параметры, ранее не исследовались. Известные методики расчета не учитывают особенности и структурные характеристики щелевой перегородки и их нельзя использовать для описания процесса очистки запыленных газов в щелевом фильтре.

Цель работы: оптимизация структуры щелевой перегородки и технологических параметров фильтрования для создания щелевого фильтра с улучшенными характеристиками для повышения эффективности очистки газов от промышленной пыли и снижения гидравлического сопротивления.

Для достижения цели диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить возможность высокоэффективной и стабильной во времени очистки запыленных газов щелевым фильтром и установить факторы, влияющие на обеспечение эффективности работы фильтра при пылеулавливании и снижение гидравлического сопротивления.

2. Выявить экспериментальную зависимость эффективности очистки в щелевом фильтре от времени пребывания запыленного потока в фильтрующей перегородке, продолжительности межрегенерационного цикла фильтрования, структурных характеристик фильтрующей перегородки, и разработать математическое описание их влияния на вторичный унос пыли и гидравлическое сопротивление.

3. Установить теоретическую зависимость эффективности захвата пылевых частиц щелевой фильтрующей перегородкой с силами, действующими в потоке газа на частицы, и механизмами осаждения.

4. Разработать математическую модель процесса фильтрования щелевой фильтрующей перегородкой, учитывающую структурные характеристики, гидравлическое сопротивление, механизмы осаждения, время пребывания запыленного потока в перегородке и продолжительность цикла фильтрования и позволяющую определять конструктивные размеры фильтра и технологические параметры процесса.

5. На основе результатов исследований и разработанной математической модели усовершенствовать щелевой фильтр, определить конструктивные размеры и технологические параметры работы, с целью его применения для очистки пылевых выбросов в производстве портландцемента.

Научная новизна: 1. Выявлено, что высокую и стабильную во времени эффективность очистки щелевой фильтр обеспечивает только в стационарном периоде, который определяется на основе граничного фактора стационарности и критического

времени пребывания, соответствующие началу перехода к нестационарному периоду для заданных условий очистки.

2. Доказано, что эффективность работы щелевого фильтра определяется временем пребывания запыленного потока в щелевой перегородке и продолжительностью межрегенерационного цикла фильтрования, отношение которых является фактором стационарности (величина, обратная критерию Струхаля), и обеспечивается не только за счет изменения толщины перегородки и скорости фильтрования, но и за счет сокращения межрегенерационного цикла.

3. Выявлено, что гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки существенно зависит от числа слоев проволоки, размера щелей между витками и слоями, влияющих на долю живого сечения, долю свободного объема, толщину перегородки, а коэффициент гидравлического сопротивления учитывает структуру каналов и режим течения, применительно к смешанной задаче гидродинамики.

4. Впервые разработана математическая модель процесса фильтрования щелевой перегородкой, позволяющая учитывать влияние на эффективность очистки структурных характеристик перегородки, механизмов осаждения пыли, вторичного уноса пыли и фактора стационарности процесса, и обеспечивать стабильную и высокоэффективную очистку газа от пыли.

5. Разработана методика и алгоритм определения технологических параметров работы (скорости и продолжительности) и поверхности фильтрования щелевого фильтра, с целью обеспечения высокоэффективной очистки запыленных газов и минимального гидравлического сопротивления.

Теоретическая значимость исследований заключается в получении новых научных знаний и развитии представлений о процессе фильтрования запыленных газов, в котором для оценки эффективности очистки кроме скорости фильтрования и толщины фильтрующей перегородки учитывается влияние времени пребывания запыленного потока в фильтрующей перегородке и его соотношение с продолжительностью межрегенерационного цикла, определяющие величину вторичного уноса пыли.

Практическая значимость работы: 1. Разработана опытно-промышленная конструкция щелевого фильтра с упорядоченной структурой фильтрующей перегородки для улавливания цементной пыли, которая позволяет обеспечить эффективность очистки свыше 98–99 % и гидравлическое сопротивлением менее 1000 Па.

2. Установка на основе опытно-промышленной конструкции щелевого фильтра
принята к внедрению на Ачинском цементном заводе ООО «Ачинский Цемент» хол
динга «БазэлЦемент» с ожидаемым экономическим эффектом более 1,2 млн. руб./год.
Результаты внедрения позволят увеличить эффективность очистки выбросов, снизить
потери цемента и улучшить экологическую обстановку на производстве.

3. Разработана методика и программа ЭВМ для ее практической реализации,
позволяющие производить расчет и оптимизацию основных размеров щелевого филь
тра и параметров фильтрования, что дает возможность проектирования промышлен
ных установок для очистки запыленных газов.

4. Материалы исследований используются в учебном процессе при подготовке
студентов по направлению «Химическая технология» на кафедре «Химическая техно-

логия неорганических веществ и материалов» Иркутского национального исследовательского технического университета.

Реализация результатов работы. Опытно-промышленная установка принята к внедрению на ООО «Ачинский Цемент» с ожидаемым экономическим эффектом более 1,2 млн руб./год. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Химическая технология» в ФГБОУ ВО ИРНИТУ.

Методология исследования. Принятая методология исследования основывалась на гипотезе о возможности проведения высокоэффективного и стабильного во времени процесса пылеулавливания при использовании в качестве фильтрующего элемента щелевой перегородки. При этом предусматривалось, что процесс фильтрования протекает с постоянной скоростью в пределах 0,01–0,2 м/с и различной запыленностью потока, а медианный размер пылевых частиц составлял более 1 мкм. Использовались щелевые перегородки с шахматной и коридорной намоткой проволоки диаметром 0,5–1,4 мм с числом слоев от 2 до 7 и межщелевым расстоянием 50–300 мкм. Длительность цикла фильтрования составляла от 300 до 1800 с.

Объект и методы исследования. Объектом исследования является процесс фильтрования запыленного газа через щелевую фильтрующую перегородку. Математическое описание процесса фильтрования основывалось на законе Стокса и основном законе улавливания частиц однородным фильтром с использованием теории гидродинамического подобия и метода анализа размерностей. Расчеты гидравлического сопротивления базировались на законе Дарси. Дисперсный состав пыли определялся с помощью каскадного импактора НИИОГАЗа и метода ситового анализа, а размер частиц оценивался медианным диаметром. При исследованиях проводились измерения расхода и температуры очищаемого газа, входной и остаточной запыленности, продолжительности цикла фильтрования и гидравлического сопротивления щелевой перегородки. Сыпучесть пыли определялась по статическому углу естественного откоса. Остаточная запыленность очищенного потока воздуха определялась методом внешней фильтрации с весовым измерением навески пыли.

Положения, выносимые на защиту: 1. Высокая и стабильная во времени эффективность очистки в щелевом фильтре зависит от критического времени пребывания запыленного потока в щелевой фильтрующей перегородке и граничного фактора стационарности, которые соответствуют предельной длительности стационарного периода фильтрования.

6. Эффективность очистки в щелевом фильтре определяется временем пребывания запыленного потока в щелевой перегородке и продолжительностью межрегенера-ционного цикла фильтрования, и обеспечивается не только за счет изменения толщины перегородки и скорости фильтрования, но и за счет сокращения межрегенерацион-ного цикла.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, показавшие, что гидравлическое сопротивление щелевой фильтрующей перегородки существенно зависит от числа слоев проволоки, размера щелей между витками и слоями, а коэффициент гидравлического сопротивления учитывает структуру каналов и режим течения, применительно к смешанной задаче гидродинамики.

4. Математическая модель процесса фильтрования щелевой перегородкой позволяющая учитывать влияние на эффективность очистки структурных характеристик перегородки, механизмов осаждения пыли, вторичного уноса пыли и фактора стационарности процесса, и обеспечивает стабильную и высокоэффективную очистку газа от пыли.

5. Методика и алгоритм расчета технологических параметров и поверхности щелевого фильтра с учетом гидравлического сопротивления, а также результаты их численной реализации и практические рекомендации.

Степень достоверности результатов работы основывается на использовании известных, высоконадежных и широко используемых методик экспериментальных исследований, правильности проведения эксперимента и хорошей сходимости опытных и расчетных данных, на отсутствии противоречий полученных результатов существующим представлениям и теориям процесса фильтрования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Всероссийской конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» в 2012, 2013 и 2014 гг. (г. Новосибирск, ФГБОУ ВО НГТУ), V и VII Международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (г. Иркутск, 2014, 2016 ФГБОУ ВО ИрГУПС), IV Международной научно-практической конференции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 2014, ФГБОУ ВО ИрГУПС), Всероссийской научно-технической конференции «Химия и химическая технология», проходившей в ФГБОУ ВО АнГТУ г. Ангарска в 2016 г., на научно-технических конференциях филиала ФГБОУ ВО ИРНИТУ в г. Усолье-Сибирском в 2013, 2014, 2015 и 2016 гг.

Личный вклад автора состоит в постановке цели работы и задач исследования, обсуждении результатов и формулировке выводов. Автор принимал непосредственное участие в создании лабораторного стенда, проводил лабораторные исследования и математическую обработку экспериментальных данных. Им получены уравнения математической зависимости эффективности очистки от фактора стационарности и времени пребывания запыленного потока в щелевом фильтрующем слое. Автором разработана математическая модель фильтрования, методика и программа ЭВМ для расчета щелевого фильтра, выполнено моделирование и конструктивный расчет для опытно-промышленного варианта щелевого фильтра. Участвовал в разработке конструкции щелевого фильтра для очистки газа от пыли и дозирующего устройства, на которые получены патенты на полезную модель.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 1 монография, 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, из них 2 статьи в изданиях, входящих в систему цитирования Web of Science, и 5 статей, входящих в международную реферативную базу Scopus, получено 2 патента РФ на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, основные выводы, заключение, библиографический список из 189 наименований отечественных и зарубежных авторов и приложения. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 14 таблиц и 9 приложений.

Классификация процессов фильтрования и пути совершенствования фильтрующей аппаратуры

Под процессом фильтрования следует понимать разделение неоднородных систем с выделением твердой или жидкой фазы с помощью пористой перегородки. К неоднородным системам, которые можно разделять фильтрованием относятся:

– суспензии (смесь сплошной жидкой фазы с мелко раздробленной, дисперсной твердой средой);

– пыли и дымы (смесь сплошной газовой фазы с дисперсной твердой средой);

– туманы (смесь сплошной газовой фазы с дисперсной жидкой средой).

Ранее не различалась классификация процессов фильтрования жидких и газовых сред [21, 35, 66, 77, 96, 101, 187]. Отсутствие точной классификации затрудняет научный поиск, целостность восприятия задачи и, в конечном итоге, эффективное развитие этой области знаний и техники. В настоящее время для процессов фильтрования аэрозолей (пыли, дымов и туманов) рекомендуется [138] процессы фильтрования запыленных газов классифицировать по следующим признакам (рисунок 1.2):

– по движущей силе, за счет которой газ проходит через фильтрующую перегородку – фильтрование под действием избыточного давления; под действием вакуума; под совместным действием давления и вакуума;

– по виду (механизму формирования осадка) – фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки; с закупориванием пор перегородки твердой фазой, которые могут быть стационарными и нестационарными;

– по целенаправленности процесса – с целью выделения осадка из потока; с целью грубой (предварительной) очистки газа от пыли; с целью тонкой (высокоэффективной) очистки газа от пыли;

– по объекту очистки – фильтрование промышленных запыленных газов в различных технологических процессах; фильтрование топочных и дымовых газов, содержащих тонкодисперсные продукты горения; очистка аспирационного (вентиляционного воздуха);

– по режиму в зависимости от изменения параметров процесса – при постоянной скорости фильтрования и постоянной разности давлений (фильтрование через «чистую» фильтрующую перегородку); при постоянной скорости фильтрования, но переменной разности давлений; при переменной скорости фильтрования и переменной разности давлений; при переменной скорости фильтрования, но постоянной разности давлений;

– по способу организации процесса – непрерывное и периодическое фильтрование;

– по направлению очищаемого потока – фильтрование при нисходящем (совпадающем с действием силы тяжести) запыленном потоке газа, при восходящем запыленном потоке газа.

В большинстве случаев при описании результатов исследований процессов очистки запыленных газов, авторы не уточняют особенности протекающих процессов фильтрования по режиму (скорости и давлению), по виду механизма образования осадка, механизмам осаждения частиц в фильтрующем слое, по стационарности процесса.

Так режим фильтрования может определять механизм образования осадка, что соответственно влияет на эффективность очистки и гидравлическое сопротивление. Характер образования осадка зависит от многих факторов, определяемых свойствами фильтрующей перегородки, пыли и параметрами процесса.

Фильтрование с образованием осадка протекает тогда, когда твердые частицы почти не проникают внутрь перегородки и создаются благоприятные условия для образования сводиков из осажденных частиц над входами в поры фильтровальной перегородки [99, 179]. Фильтрование с образованием осадка впервые подробно исследовал Льюис в 1912 г. [9]. Он предположил, что движение потока жидкости в порах осадка и фильтровальной перегородки является ламинарным. Впоследствии Рутс, Белкин, Жужиков, Минц и др. [4, 11, 13, 33, 66, 86, 103, 106] значительно развили теорию фильтрования.

При исследовании фильтрации обычно исходят из представлений об «идеальном» фильтре с равномерно распределенными цилиндрическими порами одинакового диаметра, причем длина пор равна толщине фильтра, а при переходе к реальным случаям вводят поправки с помощью опытных коэффициентов.

При вхождении потока в фильтрующий слой жидкость сужается на входе в каналы, образуя «застойные» зоны на участках между порами. В этих зонах создаются благоприятные условия для осаждения твердых частиц на поверхности фильтровальной перегородки. После накопления в «застойных» зонах в достаточном количестве твердые частицы начинают перемещаться под влиянием проходящих поблизости струй по направлению к входам в поры. В результате возникают условия для образования сводиков над входами в поры. Чем больше скорость осаждения твердых частиц по сравнению со скоростью фильтрования и чем выше концентрация потока, тем благоприятнее условия образования сводиков и в конечном итоге образования осадка на фильтровальной поверхности. Уменьшение скорости осаждения и концентрации благоприятствует условиям фильтрования с постепенным закупориванием пор.

Фильтрование с закупориванием пор осуществимо, когда твердые частицы проникают внутрь пористой перегородки. Считается [66], что проникновение частиц в поры перегородки нежелательно, так как приводит к резкому увеличению ее сопротивления и усложняет условия регенерации по сравнению с осадком на поверхности перегородки.

Исследуя фильтрование в зернистом слое при постоянной скорости, установлено [143, 155, 158, 160], что в этом случае происходит постоянное снижение эффективности очистки во времени. Это снижение вызвано перемещением фронта пыли в зернистом слое, которое сопровождается усилением вторичного уноса пыли. Рассматривая фильтрование с закупориванием пор, с точки зрения вероятности задержки частиц пыли в зернистым слоем, в работе [156] показано, что скорость перемещения фронта пыли V/ в зернистом слое при постоянной задержке определяется изменением глубины проникновения фронта пыли h в слое по продолжительности г и выражается уравнением

Однако в этой работе решение задачи по фильтрованию с закупориванием пор представлено только в общем виде и требует определения ряда констант для конкретных случаев фильтрования.

В работе [66] рассматриваются основные закономерности фильтрования с образованием осадка и с закупориванием пор, но только применительно к разделению суспензий. Но даже для суспензий эти процессы в чистом виде практически не происходят. Более того методов прогнозирования вида фильтрования не существует. Предлагаемый показатель вида фильтрования, основанный на соотношении скорости потока и скорости осаждения частиц, условен и не отражает истинной физической сущности процесса. Применительно к фильтрованию газов этот показатель не работает. Влияние вида формирования осадка в пористых фильтрующих средах на эффективность очистки газа от пыли и гидравлическое сопротивление практически не изучено. Есть попытки проанализировать этот вопрос применительно к зернистым фильтрам [136, 139, 140], но приемлемых решений пока нет. Поэтому в большинстве методов расчета фильтров влияние вида фильтрования на эффективность очистки, гидравлическое сопротивление и конструктивные особенности фильтрующих аппаратов не учитывается.

Влияние структурных характеристик щелевой фильтрующей перегородки на гидравлическое сопротивление

Процесс фильтрования связан с задержанием твердых частиц в каналах пористой перегородки. Размеры и структура каналов фильтрующей перегородки существенно влияют на эффективность очистки газов от пыли. Это влияние наиболее изучено для тканевых и зернистых фильтров.

Структура щелевой фильтрующей перегородки существенно отличается от структуры тканевых и зернистых перегородок. Это отличие состоит в том, что каналы перегородки имеют форму щелей, а не каналов трубчатого типа или пор, как в зернистых или тканевых фильтрах. При этом щелевые каналы имеют правильное переменное сечение по толщине слоя. На входе в слой проволоки они сужаются, а на выходе расширяются. Если, в зернистых фильтрах толщина фильтрующего слоя не зависит от диаметра зерен, то в щелевом фильтре она жестко связана с диаметром проволоки. Поэтому первоочередной задачей при исследовании процесса фильтрования являлось определение основных структурных характеристик щелевой перегородки и разработки методов их расчета.

Из существующих способов намотки проволоки для фильтрования интерес представляют перегородки со щелевыми каналами коридорного и шахматного типа. В перегородках коридорного типа витки проволоки расположены друг под другом, а в перегородках шахматного типа витки проволоки в слоях смещены на половину диаметра проволоки относительно друг друга (рисунок 3.1).

Предложено [154] толщину коридорной щелевой фильтрующей перегородки рассчитывать по формуле

Для шахматной структуры толщина фильтрующей перегородки меньше по сравнению с коридорным расположением витков. Опытным путем установлено, что в шахматной структуре слои имеют более плотную упаковку по сравнению с коридорной на величину 0,1316 от диаметра проволоки на каждый последующий слой. Поэтому толщину перегородки шахматного типа рекомендовано [48] рассчитывать по формуле

Экспериментальные исследования фильтрования воздуха через щелевые перегородки с различной структурой выявили, что существенное влияние на эффективность очистки и гидравлическое сопротивление оказывают доля живого сечения фильтрующей поверхности и доля свободного объема слоя перегородки [47, 48, 72, 73 75]. Их значения, в свою очередь, зависят от размеров щелей между витками и между слоями. При одном и том же размере фильтрующей поверхности «живое» сечение зависит от диаметра проволоки и плотности упаковки витков проволоки, что сказывается на скорости потока в каналах щелевой перегородки. Долю живого сечения можно определить как отношение площади щелей к поверхности фильтрации

Ширина щели между слоями и витками определяется состоянием поверхности проволоки и плотностью намотки. Для ровной гладкой проволоки без прокладок минимальные величины hc и кщ составляют приблизительно 40-60 мкм.

Ширину щели между витками проволоки можно определить только опытным путем как разность высоты фильтрующей перегородки, которая принимается исходя из необходимой поверхности фильтрования, и расчетной высоты навивки слоя, поделенной на число щелей между витками

Экспериментально установлено, что ширина щели между витками и слоями проволоки не является постоянной величиной, а зависит от ряда факторов, к которым относятся шероховатость, равномерность толщины и изгибы проволоки, плотность навивки и другие причины. Проволока, покрытая изоляционным слоем, имеет больший и менее равномерный размер щелей от 100 до 300 мкм. При навивке фильтрующих слоев из стальной, например, сварочной проволоки, образуются щели размером от 20 до 80 мкм, в зависимости от плотности упаковки. Слои из мягкой медной или алюминиевой проволоки дают более широкие щели размером до 200 мкм и более, особенно при наличии изгибов на проволоке. Установлено, что диаметр проволоки практически не влияет на размер щелей. При нескольких слоях в фильтрующей перегородке размеры щелей между витками в каждом слое часто отличаются друг от друга, поэтому следует использовать для расчета усредненный размер щелей.

Доля свободного объема фильтрующего слоя определяется отношением объема пустот в этом слое к общему объему фильтрующей перегородки

Пробные испытания в щелевой перегородке с шахматным расположением витков при усредненном размере щелей равных 150 мкм показали, что гидравлическое сопротивление с увеличением диаметра проволоки увеличивается (рисунок 3.2). При скорости фильтрования в пределах 0,051-0,067 м/с для 4-х слоев проволоки максимальное сопротивление составило 600 Па, а для 7-ми слоев 800 Па.

Экспериментально установлено [48, 75], что гидравлическое сопротивление чистой щелевой перегородки коридорного типа меньше, чем при шахматном расположении витков (рисунок 3.3). На этом рисунке представлены результаты фильтрования воздуха через щелевую перегородку из 4-х слоев стальной сварочной проволоки диаметром 0,8 мм и размером щелей между витками 170 мкм. Эта закономерность подтверждается данными структурных характеристик для коридорного и шахматного расположения слоев, рассчитанных по уравнениям (3.1), (3.2), (3.3) и (3.8) и представленные в таблице 3.1

Из таблицы 3.1 видно, что при шахматном расположении витков доля свободного объема и доля живого сечения фильтрующей перегородки меньше, по сравнению с коридорным, а коэффициент извилистости каналов больше. Несмотря на то, что толщина перегородки в шахматной структуре меньше, отличие в доле свободного объема более существенно, чем в коридорной структуре. Это говорит о том, что при шахматном расположении витков скорость потока в каналах слоя, а, следовательно, и гидравлическое сопротивление будет однозначно больше, чем при коридорном типе перегородки.

Несмотря на меньшее сопротивление в коридорных слоях, для очистки запыленных газов больший интерес представляет шахматная компоновка фильтрующей перегородки, так как в ней выше эффективность очистки, что подтверждается данными таблицы 3.2.

Установлено, что величина гидравлического сопротивления, также как и структурные характеристики фильтрующей перегородки, существенно зависит от размера межвитковых щелей и щелей между слоями проволоки. Это подтверждается опытными данными, представленными на рисунке 3.4. Кривые построены по результатам исследований гидравлического сопротивления фильтрующих слоев из проволоки диаметром 0,8 мм с различными размерами щелей между витками кщ и между слоями hc.

Для обработки полученных экспериментальных данных использовались ряд известных зависимостей для расчета гидравлического сопротивления пористых перегородок, которые считаются теоретически обоснованными и во многих случаях дают достаточно достоверные результаты. В качестве таких зависимостей использовались уравнения Козени-Кармана (1.6), Эргана (1.7), Аэрова и Тодеса (1.8).

Основные положения и функциональная схема алгоритма расчета

На основе проведенных исследований, выявленных закономерностей улавливания пыли слоями проволоки и предложенной математической модели разработана методика расчета технологических параметров и поверхности для щелевой перегородки намотанной коридорным или шахматным способом [50, 51]. Методика расчета позволяет определить структурные характеристики фильтрующей перегородки и эффективность захвата пылевых частиц, получить оптимальные соотношения скорости и продолжительности цикла фильтрования для заданных условий очистки запыленного газа и выбрать оптимальный размер поверхности фильтрования, рассчитать гидравлическое сопротивление перегородки.

Исходными данными для расчета являются: объемная производительность по очищаемому газу Q, м3/с; требуемая эффективность очистки щ плотность очищаемого газа/ г, кг/м3; динамическая вязкость газа//, Пас; медианный размер частиц улавливаемой пыли д50, м; плотность пыли рп, кг/м3; пористость пылевого слоя т, м3/м3; угол естественного откоса пыли а0; допустимое гидравлическое сопротивление чистой фильтрующей перегородки АРдч, Па; высота / (м) и внутренний диаметр фильтрующей перегородки Иф (м). Значения высоты и внутреннего диаметра при расчете условно принимаются равными 1 м. Окончательные их значения уточняются на основе рассчитанной поверхности фильтрования на стадии конструирования аппарата.

Отдельно следует выделить исходные данные, которые в процессе расчета можно корректировать с целью поиска оптимального решения. Такими данными являются: длительность цикла фильтрования или межрегенерационного цикла г, с; размер щели между витками Нщ и слоями hc проволоки, м; диаметр проволоки dnP (м) и число слоев п (шт).

Длительность цикла фильтрования рекомендуется принимать в пределах 60-300 секунд. При этом продолжительность регенерации должна быть не больше цикла фильтрования. За это время устройство регенерации должно успеть пройти через всю фильтрующую перегородку и продуть ее от уловленной пыли.

Для обеспечения низких значений гидравлического сопротивления размер щелей между витками (шаг намотки) и слоями проволоки в фильтрующей перегородке должен быть больше 60 мкм. Размеры щелей между витками и слоями проволоки могут быть не равны между собой. Экспериментально проверено, что оптимальный диаметр наматываемой проволоки должен находиться в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм. Более тонкая проволока будет недостаточно стойкой к механическому воздействию и высоким температурам, ее сложнее наматывать на каркас, соблюдая необходимые размеры щелей. Использовать для намотки проволоку толщиной более 1,5 мм так же не рекомендуется в связи со значительным уменьшением доли живого сечения и свободного объема, что приводит к росту гидравлического сопротивления, снижению эффективности очистки и в конечном итоге к увеличению поверхности фильтрования. Количество слоев проволоки необходимое для обеспечения высокоэффективной очистки должно быть не менее 3, но не более 7–9 из-за возрастания гидравлического сопротивления, ухудшения условий регенерации и увеличения материальных затрат на проволоку. Использование одного слоя проволоки нецелесообразно.

На рисунке 4.1 представлена функциональная схема алгоритма расчета в соответствии с разработанным в Главе 3 математическим описанием процесса фильтрования запыленных газов в щелевой фильтрующей перегородке.

Перед началом расчета необходимо выбрать способ намотки проволоки фильтрующей перегородки: коридорная (рядовая) или шахматная. Коридорная намотка проволоки, по сравнению с шахматной, при прочих равных характеристиках фильтрующей перегородки, обладает меньшим гидравлическим сопротивлением. Однако, в фильтрующей перегородке, намотанной этим способом, наблюдается большее количество застойных зон, из которых сложнее выдуть пыль при регенерации. Шахматная компоновка фильтрующей перегородки, может обеспечить более высокую эффективность, но при этом необходимо учитывать, что гидравлическое сопротивление будет более высоким.

По найденной поверхности фильтра уточняются рабочие значения высоты l и внутреннего диаметра Dф фильтрующей перегородки.

Гидравлическое сопротивление чистой фильтрующей перегородки АPЧ находится по зависимости, полученной на основе уравнения М.Э. Аэрова (1.8) с учетом доли живого сечения и изменения числа слоев проволоки [48]. При числе слоев проволоки от 2-х до 4-х сопротивление изменяется по степенной зависимости и для расчета гидравлического сопротивления используется зависимость (3.14)

При значении расчетного гидравлического сопротивления больше допустимого, производится корректировка принимаемых для расчета величин. Для корректировки можно изменять размер щелей между слоями и витками проволоки или диаметр проволоки, после чего необходимо заново провести расчет. Этими параметрами можно не только добиваться выполнения условия проверки, но и получать более выгодные решения с конструктивной и экономической точки зрения.

Математическое моделирование процесса фильтрования для опытно промышленного щелевого фильтра

Используя разработанную методику расчета, выполнено математическое моделирование процесса фильтрования с целью определения размеров и основных параметров работы опытно-промышленного варианта щелевого фильтра для очистки воздуха от цементной пыли при различных структурных характеристиках щелевой перегородки и различных по длительности циклах фильтрования.

Расчеты проводились для производительности 1000 м3/ч очищаемого воздуха, при заданной эффективности очистки не менее 98 % и допускаемом гидравлическом сопротивлении чистой фильтрующей перегородки 1000 Па. Основные свойства цементной пыли и очищаемого воздуха представлены в таблице 5.2.

Моделировались 4 цикла фильтрования различной продолжительности для коридорного и шахматного типа намотки проволоки. В каждом из циклов менялось число слоев, диаметр и размер щелей между витками и слоями проволоки, которые принимались одинаковыми. Значения этих данных указаны в таблице 5.3.

Определение основных параметров работы и поверхности щелевой фильтрующей перегородки проводилось с помощью «Программы расчета щелевого фильтра» [162], с последующей обработкой в Microsoft Excel. В результате моделирования получен большой массив расчетных данных (приложение 5, таблицы 1 и 2), характеризующих скорость и величину поверхности фильтрования, толщину фильтрующей перегородки и гидравлическое сопротивление, обеспечивающих заданную эффективность очистки в 98 % и гидравлическое сопротивление менее 1000 Па. При этом скорость изменялась от 0,00001 до 1 м/с, а поверхность от 0,3 до 26690,3 м2 на 1000 м3/ч очищаемого воздуха. Многие из этих данных не представляют практического интереса.

Поэтому была проведена выборка данных при ограничении скорости фильтрования в пределах от 0,01 до 0,2 м/с, в соответствии с граничными условиями и рекомендациями, предложенными в методике расчета (глава 4), и по поверхности фильтрования до 25 м2 на 1000 м3/ч воздуха. Результаты выборки представлены в таблице 1 и таблице 2 приложения 6. На основе этих данных проведен анализ зависимости поверхности фильтрования от скорости (рисунок 5.5), числа слоев (рисунок 5.6) и диаметра проволоки (рисунок 5.7).

Важнейшим фактором при анализе результатов моделирования является поверхность фильтрования, которая определяется только скоростью процесса. Из рисунка 5.5 видно, что с увеличением скорости поверхность уменьшается. Вид этой зависимости имеет экспоненциальный характер. Численные значения величины поверхности от скорости в этой зависимости справедливы для любой эффективности очистки при фильтровании 1000 м3/ч газа, очищаемого щелевой фильтрующей перегородкой.

При скорости фильтрования более 0,1 м/с снижение поверхности происходит более медленно, чем до нее, и при дальнейшем увеличении скорости поверхность асимптотически стремится к нулю. То есть увеличение скорости фильтрования свыше 0,1 м/с мало сказывается на снижении размера фильтра. Таким образом, скорость равную 0,1 м/с можно считать близкой к оптимальной, с точки зрения определения поверхности щелевой перегородки.

Однако высокая скорость фильтрования приводит к уменьшению времени пребывания запыленного потока в фильтрующей перегородке, что уменьшает длительность стационарного периода и надежность обеспечения требуемой эффективности очистки. Уменьшение скорости фильтрования будет обеспечивать более длительный период стационарного процесса. Разумное снижение скорости можно ограничить величиной, которая соответствует приблизительно средней области перегиба экспоненциальной кривой на рисунке 5.5. Ее можно оценить скоростью равной 0,04–0,06 м/с и поверхностью порядка 5 м2. Следовательно, выборку данных результатов моделирования необходимо ограничить по скорости в пределах 0,05–0,1 м/с и по поверхности фильтрования не более 5 м2 на 1000 м3/ч очищаемого воздуха.

Анализ влияния диаметра и числа слоев проволоки на поверхность фильтрования (рисунок 5.6 и рисунок 5.7) показал, что уменьшение диаметра проволоки и увеличение числа ее слоев приводят к существенному снижению размеров фильтрующей перегородки.

В таблице 5.4 представлены результаты такой выборки показателей процесса фильтрования по рекомендованным ограничениям. Любой из представленных вариантов этой таблицы обеспечивает требуемые условия очистки. Дальнейший анализ этих результатов и окончательный выбор конструкции следует строить на сопоставлении гидравлического сопротивления, времени пребывания, скорости фильтрования и диаметра проволоки.

На основе анализа таблицы 5.4 сделаны выводы, что лучшими показателями при коридорной намотке проволоки обладает фильтр под номером 7, а при шахматной намотке фильтр под номером 15. Они имеют близкие характеристики перегородки, параметры фильтрования и размеры. Из этих двух вариантов для опытно-промышленного щелевого фильтра производительностью 2500 м3/ч выбран фильтр шахматного типа, у которого меньшее число слоев и меньше гидравлическое сопротивление. Он будет лучше продуваться при регенерации фильтрующей перегородки, а условия намотки проволоки проще. Его рабочая поверхность фильтрования составит 7,5 м2.

Далее для выбранного фильтра необходимо выполнить расчет системы регенерации щелевого фильтра и определить его конструктивные размеры [108, 132], что не предусмотрено программой ЭВМ для расчета технологических параметров и поверхности щелевой перегородки. Пример расчета системы регенерации представлен в приложении 7.

Опытно-промышленный щелевой фильтр (рисунок 5.8) это вертикальный цилиндрический пылеулавливающий аппарат [45]. Он состоит из корпуса 1, внутри которого расположен фильтрующий элемент 2. Сверху корпус 1 закрыт крышкой 3. Фильтрующий элемент состоит из двух частей, в виде расположенных друг над другом цилиндрических проволочных катушек, намотанных на жесткий сетчатый каркас 11. Снизу фильтрующий элемент герметично закрыт днищем 8. Внутри фильтрующего элемента по оси проходит регенерирующее устройство, которое состоит из продувочной трубы 4 и двух газораспределительных камер 5, на каждой из которых диаметрально расположены по 2 сопла. Одно сопло 6 является продувочным и его отверстие направлено перпендикулярно фильтрующему слою. Оно предназначено для регенерации фильтрующей перегородки путем отдувки отложившейся пыли струей сжатого воздуха. Второе сопло 7 является реактивным и предназначено для вращения сопел за счет реактивной струи сжатого воздуха. Конец этого сопла загнут под прямым углом в плоскости вращения сопел. Реактивное сопло обеспечивает заданную скорость вращения сопел.

Газораспределительная камера 5 служит для приема сжатого воздуха из продувочной трубы 4. Продувочная труба выполнена с возможностью возвратно-поступательно перемещения вместе с соплами вдоль фильтрующей поверхности. Вращающиеся сопла перемещаются по всей высоте фильтрующей перегородки (секции). Время перемещения равно расчетному времени межрегенерационно-го цикла фильтрования. Перемещение продувочного сопла осуществляется с помощью мотора-редуктора 10 расположенного на крышке фильтрующего элемента 9.

Внутренний диаметр корпуса фильтра составляет 1,5 м, внутренний диаметр фильтрующего элемента 1,2 м, высота рабочей части – 2 м.