image
energas.ru

Газовая промышленность № 6 2017

Экология

01.06.2017 11:00 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗВРАТНО-ПОТОЧНОГО ЭЛЕМЕНТА МУЛЬТИЦИКЛОНА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
Локальные загрязнения атмосферы производственными объектами являются серьезным вызовом устойчивому развитию промышленных регионов, а их постоянный рост становится одной из наиболее тревожных современных проблем экологии. Основная масса загрязняющих веществ подобных выбросов приходится на токсичные газообразные вещества и пылевые материалы. Первые могут рассеиваться, перемещаясь на большие расстояния, а вторые чаще концентрируются в воздухе предприятия, а также в окружающей его атмосфере и даже достигают ближайших объектов селитебной зоны. Поэтому развитие многих отраслей производства в сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связанными с проблемой разделения пылесодержащих потоков. Из современных аппаратов обеспыливания воздуха наиболее распространены циклоны, достоинствами которых являются их компактность и простота конструкции, что способствует значительному снижению стоимости пылеулавливающих установок. Основным недостатком циклонных аппаратов является возрастающая зависимость степени пылеулавливания и затрат энергии на прокачку запыленного потока через пылеулавливающее устройство. Батарейные циклоны используются в основном для увеличения пропускной способности газоочистных систем. Однако они представляют интерес в современных условиях повышения требований к газоочистке и вследствие более высокой степени очистки, что обусловлено применением циклонных элементов небольшого диаметра. В статье рассматривается возможность установки фильтрующего элемента внутри циклонов, объединенных в батарейный циклон, что приведет к снижению эксплуатационных расходов при очистке запыленных потоков без ущерба собственно эффективности очистки.
Ключевые слова: ЦИКЛОН, ФИЛЬТР, УЗЕЛ ОЧИСТКИ ГАЗА, МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Открыть PDF


Газораспределительные станции (ГРС), компрессорные станции (КС) должны обеспечивать потребителям (предприятиям и населенным пунктам) подачу газа обусловленного количества с определенным давлением, степенью очистки и одоризации.

Для снабжения газом населенных пунктов и промышленных предприятий от магистральных газопроводов сооружаются отводы, по которым газ поступает на ГРС [1].

На ГРС осуществляются следующие основные технологические процессы:

  • очистка газа от твердых и жидких примесей;

  • снижение давления (редуцирование);

  • одоризация;

  • учет количества (расхода) газа перед подачей его потребителю.

Основное назначение ГРС – снижение давления газа и поддержание его на заданном уровне. Газ с давлением 0,3 и 0,6 МПа поступает на городские газораспределительные пункты, газорегулирующие пункты потребителя и с давлением 1,2 и 2,0 МПа – к специальным потребителям. На выходе ГРС должна обеспечиваться подача заданного количества газа с поддержанием рабочего давления в соответствии с договором между линейно-производственным управлением магистрального газа и потребителем с точностью до 10 %.

Основные узлы ГРС:

  • переключения;

  • очистки газа и сбора конденсата;

  • предотвращения гидратообразования;

  • подготовки газа для собственных нужд;

  • редуцирования;

  • подготовки теплоносителя;

  • отопления;

  • учета газа;

  • одоризации газа.

Узел очистки газа ГРС предназначен для предотвращения попадания механических (твердых и жидких) примесей в технологическое и газорегуляторное оборудование и средства контроля и автоматики. Для очистки газа на ГРС в большинстве случаев устанавливаются батарейные циклоны и электрофильтры.

Циклонами называют аппараты, которые применяются для очистки газа от пыли (именно поэтому процесс разделения газовзвесей назвали циклонным). Узел очистки газа является ключевым элементом системы защиты окружающей среды и неотъемлемой частью действующей автоматизированной системы мониторинга состояния [2]. В основе конструкции циклона лежит принцип использования центробежной силы. Циклоны можно разделить на противоточные и прямоточные. В последних газ выводится вдоль одной оси, и они являются менее эффективными по сравнению с противоточными циклонами.

Циклоны можно также классифицировать по форме их корпуса (цилиндроконические, конические и цилиндрические) и по конструкции скручивания (спиральные, тангенциальные и винтообразные), причем цилиндры делятся еще и по направлению закрутки на левые и правые.

Очистка газа посредством циклона представляет собой комплексный аэродинамический процесс, при котором чистый и загрязненный газ перемещаются в разных направлениях вихреобразно. Пыль собирается во внешних слоях газа и выводится с ними в пылесборник. Качество очистки газа в циклонах напрямую зависит от геометрических форм аппарата, склонности частиц пыли к слипанию, скорости и турбулентности газового потока.

Под воздействием центробежных сил в циклоне разделяются потоки газа и пыли. Центробежные силы возникают при закручивании потока при помощи различных механических устройств или тангенциального потока воздуха. Под воздействием центробежных сил пыль из газа отбрасывается на стенки корпуса, а также в бункер, предназначенный для улавливания пыли. Угол расположения входного патрубка указывают в названии конструкции аппарата.

Image_005.png

Циклоны обладают рядом отличительных свойств: они имеют простую и компактную конструкцию, в них отсутствуют движущиеся части, есть возможность работать с химически агрессивными средами. Степень очистки газа в циклонах более высокая, чем в аппаратах гравитационного осаждения. Циклоны не рекомендуется использовать для очистки газа, содержащего частицы размером менее 10 мкм или обладающие сильным абразивным действием.

Для очистки больших объемов газа, лучшего распределения неочищенного газа и для отвода пыли широко применяются батарейные циклоны (мультициклоны). Такие аппараты представляют собой циклонные элементы, которые включены параллельно и имеют общий корпус, сборный бункер, а также общий подвод и отвод газа.

Принцип работы батарейного циклона заключается в следующем: загрязненный газ подается через штуцер в газораспределительную камеру, ограниченную трубными решетками, на которых герметично крепятся циклонные элементы. Газ распределяется по циклонным элементам, заполняет кольцевое пространство между корпусом элемента и патрубком для вывода очищенного газа.
В кольцевом пространстве расположены лопастные устройства, заставляющие газовый поток вращаться. Частицы пыли отбрасываются к стенкам циклонного элемента, движутся вниз по спирали и поступают в бункер, общий для всех элементов. Очищенный газ из каждого элемента выводится по трубе в общую камеру, а оттуда – наружу через верхний штуцер. Отделенные частицы пыли накапливаются в коническом дне циклона.

Циклонные элементы такой конструкции имеют малый диаметр. Газ в них поступает сверху, а не по касательной. Вращательное движение потоку газа передается посредством специального винта или розеток, оснащенных наклонными лопатками. Качественная работа батарейной циклонной установки обеспечивается за счет идентичности его элементов и равных условий работы.

Как правило, одиночные циклоны имеют диаметр 40–1000 мм, а циклонные элементы – 40–250 мм. Батарейные циклоны представляют собой параллельно включенные циклоны малого диаметра. Такие устройства лучше улавливают пыль, так как при малом радиусе циклона значительно возрастает центробежная сила.

Степень очистки газовзвесей в циклонах достигает 96–99 % при содержании частиц размером 20 мкм, 70–95 % – при наличии частиц размером 10 мкм и 30–85 % – если размер частиц составляет 5 мкм. При очистке газа в батарейных циклонах эффективность не так сильно зависит от размеров частиц твердой фазы. Для газов, содержащих частицы диаметром 5, 10 и 20 мкм степень очистки составит 65–85, 85–90, 90–95 %, соответственно. Кроме того, чем выше гидравлическое сопротивление в циклоне, тем больше степень очистки.

Основным недостатком циклонных аппаратов является возрастающая зависимость степени пылеулавливания и затрат энергии на прокачку запыленного потока через пылеулавливающее устройство. Указанные значительные энергозатраты на обеспыливание ставят задачу поиска новых оригинальных конструкторских и технологических решений.

В связи с этим в статье рассмотрена возможность создания энергоэффективного устройства, совмещающего две ступени очистки: первичной и тонкой, что приведет к значительной экономии электроэнергии. Изготовлен и испытан опытный образец элемента мультициклонного фильтрующего аппарата [3]. Переоборудование серийного циклона предложенным способом позволяет увеличить скорость обработки потока с 3,5 до 20 м/с, и довести диаметр частиц, улавливаемых на 50 %, до 0,4 мкм. Дальнейшее совершенствование конструкции осуществляется на основе численного моделирования методами вычислительной гидродинамики (пакет FLUENT). Применение вычислительных технологий и пакетов программ дает возможность рассчитывать с приемлемой для практики точностью гидродинамические характеристики в турбулентных пространственных стационарных отрывных вихревых течениях на стадии разработки и проектирования промышленных устройств, в том числе пылеулавливающих, позволяя избежать проведения дорогостоящих натурных испытаний.

Известен батарейный циклон, включающий установленные параллельно противоточные циклонные элементы с общим пылевым бункером. Недостатком этого устройства является наличие перетоков газа между циклонными элементами и высокая турбулентность в пылевом бункере, препятствующая формированию слоя из частиц, что ведет к понижению эффективности работы батарейного циклона.

Для дальнейшего усовершенствования предлагаемой конструкции задача повышения эффективности осаждения частиц в вихревых потоках была рассмотрена методом численного моделирования в совокупности с рассмотренной ранее численной математической моделью участка газотранспортной системы [4].

Аналитическое решение уравнений Навье – Стокса в рамках поставленной технической задачи описания движения жидкости (газа) в циклоне при осредненных числах Рейнольдса и отсутствии какой-либо симметрии движения (вследствие спирального вращения потока) является сложным и не удобным при обработке результатов [5], при этом получаемый результат (решение в одной точке) не позволяет работать с визуализацией.

В соответствии с рекомендациями [6] принята модель осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса (Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation, RANS) при исходном ламинарном течении. Использование этих уравнений требует намного меньших вычислительных ресурсов по сравнению с другими моделями [7]. В рамках RANS моделируется вклад в среднее движение всех масштабов турбулентности. Для определения скорости и давления потока по сечениям циклона проведены расчеты при входной скорости потока 3,5–20 м/с. Снижение скорости происходит около стенок циклона.

Также наблюдается снижение давления в выходном сечении по сравнению с входным в среднем на 10–12 Па.

Данные численного моделирования подтверждены эмпирическими результатами натурных испытаний, а также сопоставимы с результатами, полученными сторонними исследователями, и не противоречат основным подходам аналитического решения уравнений Навье – Стокса и теплопроводности для граничных условий 1–3-го родов [8–9].

Дальнейшим направлением исследований является более точный учет турбулентности при движении газового потока, усовершенствование конструкции испытываемой модели циклона в целях уменьшения гидравлического сопротивления и определения наиболее эффективной компоновки циклонных элементов в батарейном циклоне. 




← Назад к списку