VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

На Новом этапе развития Казахстана по стратегии “Казахстан-2030” главным приоритетом всесторонней модернизации Республики Президентом определены 30 важнейших направлений внутренней и внешней политики, среди которых государственная политика, направленная на управление ростом и устойчивостью экономики страны через диверсификацию, инфраструктурное развитие и создание основ высокотехнологичной дальнейшей индустриализации [1]. Следует заметить, что рост производства может привести к загрязнению окружающей среды.

Загрязнение воздуха оказывает вредное воздействие на живые организмы следующими путями: 1) доставляя аэрозольные частицы и ядовитые газы в дыхательную систему человека и животных, в листья растений; 2) повышая кислотность атмосферных осадков, которая, в свою очередь, влияет на изменение химического состава почв и воды; 3) стимулируя такие химические реакции в атмосфере, которые приводят к увеличению продолжительности облучения живых организмов вредоносными солнечными лучами; 4) изменяя в глобальном масштабе состав и температуру атмосферы, создавая таким образом условия, неблагоприятные для выживания организмов.

Существующие на сегодняшний день очистные устройства не в полной мере обеспечивают очистку вредных веществ выбрасываемых в атмосферу из-за физического износа, морального старения и малоэффективного оборудования, что требует применения современных способов снижения выбросов загрязняющих веществ.

В настоящее время для очистки газов от пыли более приемлемыми являются мокрые пылеуловители. Среди мокрых пылеуловителей эффективными считаются пылеуловители с инерционно-турбулентной подвижной насадкой (ИТПН), пенные аппараты со стабилизаторами слоя (ПАСС), скрубберы Вентуры и т.п. Наиболее эффективными и малоэнергоемкими являются пылеуловители с двумя зонами контакта фаз. Однако, пылеуловители с ИТПН отличаются непрактичностью при эксплуатации из-за частой поломки струн, ПАСС подвержены забиванию и поломки стабилизаторов слоя, а скрубберы Вентуры энергоемки.

Актуальность проблемы. Развитие индустриализации страны, физический износ и моральное старение существующих аппаратов газо-пылеочистки может привести к интенсивному загрязнению окружающей среды, что оказывает негативное влияние как на здоровье человека, так и на флору и фауну. На этой основе разработка эффективных конструкции очистных устройств становится актуальной проблемой.

Цель исследования. Разработка высокоэффективного и малоэнергоемкого массообменного и пылеулавливающего аппарата для очистки пыли продуктов горения котлов по выработке тепловой энергии и внедрения в производство.

Материал и методы исследования

В настоящее время известно несколько сотен различных конструкций аппаратов для очистки газов от пыли и газоочистки [2-7]. Среди них, наиболее перспективными являются аппараты с дополнительными зонами контакта фаз [3, 8-14]. Перспективность данного способа заключается в простоте конструкции и малой энергоемкости из-за низкого гидравлического сопротивления, высокой степени очистки и возможности эксплуатации аппаратов в широких диапазонах нагрузок, как по жидкости, так и по газу. Недостатками данного оборудования являются высокая энергоемкость, по сравнению с разработанной конструкции массообменного и пылеулавливающего аппарата [15]. Исследование эффективности пылеулавливания массообменного и пылеулавливающего аппарата с конусно-щелевой тарелкой проводили на установке, представленной на рисунке 1.

Колонна из органического стекла 2, состоит из трех секций с диаметрами 0,3 м и высотой 0,3 м и тремя контактными устройствами. Контактные устройства изготовлены в виде конусно-щелевой тарелки, состоящих из нескольких перевернутых усеченных конусов, установленных вдоль образующей конусной поверхности и соединенных между собой стержнями с фиксированными зазорами; кольца для крепления тарелки, сливной трубы и распределительного диска.

 

1 – Емкость; 2 – Колонны из оргстекла; 3 – Конусно-щелевая тарелка; 4 – Рас-пылительный диск; 5 – Сливной патрубок; 6 – Отражательный диск; 7 – Конфузор; 8 – Выхлопная труба; 9 – Напорный бак; 10 – Прибор учета жидкости; 11 – Диафрагма; 12 – Пылеподатчик; 13 – Насос; 14 – U-образный монометр; 15 – Шибер; 16 – Байпас; 17 – Вентилятор.

 

Рисунок 1. Экспериментальная установка по исследованию процесса пылеулавливания в массообменном и пылеулавливающем аппарате с конусно-щелевой тарелкой.

В процессе проведения эксперимента подача жидкости из емкости 1 в колонну 2 осуществляется с помощью насоса 13. Жидкость с насосом 13 подается к напорному баку 9 и оттуда направляется к отражательному диску 6. Из отражателя жидкости 6, жидкость растекается к внутренней поверхности стенки колонны 2, обеспечивая при этом устойчивое растекание жидкости по всему периметру. Далее жидкость поступает к верхней части внутренней стороны конусно-щелевой тарелки 3 и стекая по ней в виде пленки жидкости поступает к сливному патрубку 5. Оттуда жидкость направляется к распределителю 4 и по ней растекает в горизонтальном направлении по всему периметру к стенке колонны 2. Попадая к стенке колонны 2 жидкость разбрызгивается по сторонам и под действием силы тяжести направляется обратно к емкости 1.

Подача воздуха обеспечивалась вентилятором марки ВВД-9 17 и регулировалась шибером 15 и U-образным монометром 14. Запыление воздушного потока осуществлялась с помощью пылеподатчика 12, представленного на рисунке 11, перед входом воздушного потока в колонну 2. Запыленный воздушный поток, входя в нижнюю часть колонны 2 и поднимаясь вверх, соударяется с кольцевой жидкостной пленкой, вытекающей из щели между сливным патрубком 5 и распределительным диском 4 нижележащей ступени, при этом происходит инерционное осаждение частиц пыли. Далее пылевоздушный поток, проходя через брызги и капли у стенки колонны 2, направляется к конусно-щелевой тарелке 3 и, проходя через щель между перевернутыми усеченными конусами, взаимодействует с пленкой жидкости, стекающей по внутренней поверхности тарелки 3, при этом также осуществляется осаждение частиц пыли. Далее запыленный воздушный поток направляется поочередно к вышестоящим контактным устройствам в виде конусно-щелевой тарелки 3, где взаимодействие жидкости и пылевоздушного потока и их осаждения повторяются также как в предыдущей конусно-щелевой тарелке 3. Подвергший к очистке пылевоздушный поток из верхней конусно-щелевой тарелки 3 через конфузор 7 направляется к выходному патрубку и через выхлопную трубу 8 выбрасывается в атмосферу.

Взаимодействие фаз в двух зонах контакта обеспечивает высокую эффективность пылеулавливающих процессов.

Регулирование подачи жидкости и их контроль осуществляли с помощью диафрагмы 11 и U-образного монометра 14. Кроме того, дополнительно вели контроль с помощью мембранного дифференциального манометра и вторичного показывающего прибора типа ДСР 10.

Регулирование подачи воздуха и их контроль производили через шибер 15, диафрагмы 11 и U-образного монометра 14. При подаче в колонну 2 малого количества воздуха излишнее количество воздуха выбрасывали в атмосферу с помощью байпаса 16.

Во всех экспериментах концентрацию пыли на входе в аппарат поддерживали в дозе около 2 г/м.

Результаты исследования и их обсуждение

Запыленность потока (г/м ³) определяли по уравнению [2]:

C_к = , (1)

где, q – привес в аллонже, г;

V₀ –объемная скорость газа при отборе, приведенная к нормальным условиям, нм³/с;

τ_оп– продолжительность отбора (опыта), с.

Начальную концентрацию пыли определяли также по уравнению:

С_н = , (2)

где, m– масса пыли, распыленная пылеподатчиком за опыт, г;

V_r–объемный расход газа через аппарат, нм³/ с.

Общая эффективность очистки:

η_общ= , (3)

где, С_к – конечная концентрация пыли, г/м³ .

Из рисунка 2 видно, что максимальный показатель степени очистки достигается при скорости газа 3,0 м/с. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к уносу жидкости, которое способствует к снижению степени очистки.

Увеличения степени очистки также наблюдаются при увеличении расхода жидкости (рисунок 3).

Рисунок 2. Зависимость степени очистки от скорости газа.

Рисунок 3. Зависимость степени очистки от расхода жидкости.

Результаты исследования аппарата показали увеличение эффективности очистки пыли с увеличением скорости газа до скорости равной до 3,0÷3,5 м/с. При достижении скорости газа 4 м/с наблюдался снижение эффективности очистки, которое объясняется уносом жидкости, вследствие чего уменьшается количество контактирующих фаз. Выявлен оптимальный гидродинамический режим, составляющий Wг= 3,0÷3,5 м/с и Q_ж= 0,0018 м³/с, который обеспечивает высокую эффективность очистки пыли.

На основании результатов лабораторного исследования проведены промышленные испытания массообменного и пылеулавливающего аппарата с конусно-щелевой тарелкой на линии выброса выхлопных газов и пыли выбрасываемых из дымовой трубы отопительных котлов школы-интернат №5 Казыгуртского района ЮКО РК.

Испытания проводились при изменении режимных параметров в следующих диапазонах:

• Скорость газа W = 2-4м/с;

• Удельное орошение m = 0,6-1,2л/м³;

• Температура газа t = 180-200° с.

По итогам проведенных испытаний выбран и предложен оптимальный режим работы мокрого пылеуловителя:

• Скорость газа W = 3,1-3,5м/с;

• Удельное орошение m =0,8 л/м³;

• Температура газа t = 180°-190°С.

В результате реконструкции линии выбросов загрязняющих веществ количество пыли золы, выбрасываемый в атмосферу снизилась с m₁=21,2–22,1 т/год, до 0,61–0,69 т/год, что соответствует η = 96,9-97,1 % эффективности работы пылеулавливания массообменного и пылеулавливающего аппарата с конусно-щелевой тарелкой.

Результаты промышленных испытаний аппарата также показали:

• Устойчивость работы в диапазоне скоростей газа Wr = 3,2–3,5 м/с;

• Низкое гидравлическое сопротивление пылеуловителя не превышающее ∆ Р = 210÷225 Па;

• Надежность работы в процессе эксплуатации.

Эколого-экономический эффект о внедрении массообменного и пылеулавливающего аппарата с КЩТ на линии выброса загрязняющих веществ школы составил 1 064 283,54 тенге (7000 долларов США).

По результатам промышленных испытаний массообменный и пылеулавливающий аппарат с конусно-щелевой тарелкой внедрен в производство и рекомендован для широкого внедрения в других отраслях промышленности для очистки пыли и газов, выбрасываемых в атмосферу.

ВЫВОДЫ

1. На основе литературных и патентных исследований выявлены перспективные конструкции пылеуловителей, на основе которого разработан массообменный и пылеулавливающий аппарат, защищенный инновационным патентом РК.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали эффективность исследуемого массообменного и пылеуловающего аппарата с конусно-щелевой тарелкой.

3. Промышленное испытание массообменного и пылеулавливающего аппарата подтвердили высокую эффективность по очистке пыли золы.

4. По результатам промышленных испытания разработанный массообменный и пылеулавливающий аппарат внедрен в производство и рекомендован к широкому внедрению.

5. В результате реконструкции линии выброса загрязняющих веществ в школе загрязнения пыли атмосферы сокращены от 21,56 т/г до 0,647 т/г.

6. Эколого-экономический эффект о внедрении массообменного и пылеулавливающего аппарата с КЩТ на линии выброса загрязняющих веществ школы составил 1064283,54 тенге.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стратегии развития Казахстана до 2030 г.

2. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов: учеб. для вузов. - М.:

Металлургия, 1968. - 499 с.

1. Мейрбеков А.Т. Техника защиты атмосферного воздуха: Туркестан, учеб. для вузов. –

Туркестан: Туран, 2006. - 106 с.

1. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю.Мягков Б.И., Решедов И.Г. Очистка промышленных газов от пыли: учеб. для вузов. - М.: Металлургия, 1981. - 392 с.

2. Шарафиев А.Ш. Гидродинамика и массообмен на крупнодырчатых провальных тарелках со стабилизатором слоя активного типа: дис.... канд. техн. наук, - Шымкент. 2000. - 150 с.

7. Ковалев О.С., Мухленов И.П., Туболкин А.Ф., Балабеков О.С. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений: - М.: Химия, 1987. - 206 с.

8. Алтаев М.А., Балабеков О.С., Серманизов С.С., Мейрбеков А.Т.,Алтаев О.М. Переливное

устройство // Пред. патент на изобретение РК № 14428. 2004. БИ № 6.

9. Алтаев М.А., Балабеков О.С., Мейрбеков А.Т., Серманизов С.С., Дарибаев Ж.Е. Контактное устройство для тепломассообменных процессов // Пред. патент на изобретение РК № 13648. 2003. БИ № 11.

10. Алтаев М.А., Балабеков О.С., Мейрбеков А.Т., Серманизов С.С., Колдасов Т.С. Контактное устройство // Пред. патент на изобретение РК № 13532. 2003. БИ № 10.

1. Алтаев М.А., Балабеков О.С., Серманизов С.С., Мейрбеков А.Т.,Алтаев О.М. Переливное устройство // Пред. патент на изобретение РК №14429. 2004. БИ № 6.

2. Алтаев М.А., Балабеков О.С., Серманизов С.С., Мейрбеков А.Т., Алтаев О.М., Колдасов Т.С. Контактное устройство для тепломассообменных процессов // Пред. патент на изобретение РК №14427. 2004. БИ № 6.

3. Мейрбеков А.Т., Балабеков О.С., Мейрбектеги С.А., Раимбердиев Т.П. Массообменный и пылеулавливающий аппарат // Инновационный патент на изобретение РК № 24355. 2011. БИ № 8.

Код для цитирования: Скопировать