image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 6 2017

Экология

01.06.2017 10:00 Повышение энергоэффективности циклонных устройств для очистки выбросов в промышленности посредством натурных и численных исследований
Целью работы является разработка циклонного фильтрующего аппарата, применяемого на действующих очистных сооружениях. Изготовлен и испытан опытный образец циклонного фильтрующего аппарата. В результате проведенных исследований на опытном образце циклонного фильтра выявлены степень осаждения частиц при разных физических параметрах. Получены также расчетные выражения для оценки эффективности осаждения частиц в вихревых потоках с использованием уравнений движения Навье – Стокса для потока и первого закона Ньютона для частиц. Определены степени осаждения частиц в циклоне в зависимости от числа Рейнольдса. Проведены расчеты зависимости критических чисел Рейнольдса Rer, соответствующих сепарации частиц из потока, вращающегося в кольцевом сечении модели циклона, при скорости потока на входе u0 = (1…7) м/с и радиусах кривизны 0,065; 0,085 и 0,1 м. Проведены численные исследования движения потока воздуха на основе опытного образца циклона. Определены степени осаждения частиц в циклоне в зависимости от числа Рейнольдса. Выявлены изменения тангенциальных составляющих скоростей и статического давления в нескольких поперечных сечениях циклона посредством методов вычислительной гидродинамики. Данная разработка позволит достичь увеличения пропускной способности очистных аппаратов в 4 раза при повышении качества очистки газа, которое выражается в уменьшении размера частиц, улавливаемых на 50 % (диаметра отсекания), со средних для циклонов значений 5–10 мкм до 0,4 мкм. Указанное улучшение качества очистки не требует дополнительных затрат энергии, что является одним из преимуществ аппарата перед аналогами.
Ключевые слова: циклон, фильтр, сепарация, степень очистки, метод моделирования.
Ссылка для цитирования: Замалиева А.Т., Беляева Г.И. Повышение энергоэффективности циклонных устройств для очистки выбросов в промышленности посредством натурных и численных исследований // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 106–110.
Открыть PDF


Узел очистки газа на компрессорных станциях является ключевым элементом системы защиты окружающей среды и служит для предотвращения попадания механических примесей и жидкостей в технологические трубопроводы, оборудование, средства контроля и автоматики станции и потребителей [1]. Для очистки газа должны применяться пылевлагоулавливающие устройства, обеспечивающие подготовку газа для стабильной работы оборудования и являющиеся неотъемлемой частью действующей автоматизированной системы мониторинга состояния окружающей среды [2]. Механические примеси приводят к износу труб, запорной и регулирующей арматуры. Это в целом снижает надежность системы газоснабжения.

Одним из предлагаемых нами технических решений является циклонный аппарат, совмещающий две ступени очистки для эффективного осаждения мелкодисперсных частиц классов PM10, PM2.5 с минимальными энергетическими и материальными затратами.

1_1_3.png

Технический результат достигается за счет конструктивных особенностей аппарата. Циклон-фильтр содержит цилиндрический корпус с коническим днищем, штуцер тангенциального ввода запыленного газового потока, выхлопную трубу, выполняющую функции штуцера для отвода очищенного газа, по диаметру которой устанавливается фильтровальный материал (например, лавсан). Кроме того, для регенерации фильтровального материала, например, путем периодической обратной продувки, снаружи цилиндрической части корпуса установлены продувочные штуцеры.

Нами были проведены серии опытов в четыре этапа:

  • с минимальной массой пыли при минимальной скорости;

  • с максимальной массой пыли при минимальной скорости;

  • с минимальной массой пыли при максимальной скорости;

  • с максимальной массой пыли при максимальной скорости.

Запыленные пробы фильтровального материала исследовались на микроскопе МИН-8 с 25-кратным увеличением, при котором отчетливо видны крупинки пылинок, осевших на тканевом фильтре (рис. 1).

Запыление оставляет на поверхности выходного фильтра спиральный след, что свидетельствует об интенсивной закрутке потока в выхлопной трубе, имеющей место при работе обычных циклонов без фильтрующих вставок, а также о наличии низкочастотных прецессий ядра закрученного потока, характерных для циклонов возвратно-поточного типа.

В результате проведенных экспериментов выявлено, что на входной фильтрующей вставке улавливается около 75 % пыли, на стенках оседает 20 % и около
5 % задерживается выходным фильтром из ткани Петрянова. Можно сделать вывод о целесообразности конструктивного дополнения в виде фильтрующей ткани, на которой происходило инерционное осаждение пыли.

При этом выходной фильтр не мешает нормальной работе возвратной выхлопной трубы.

Для дальнейшего усовершенствования предлагаемой конструкции задача повышения эффективности осаждения частиц в вихревых потоках была решена с применением метода численного моделирования в совокупности с численной математической моделью участка газотранспортной системы [3].

1_1.png

Технологии численного моделирования турбулентных потоков позволяют совершенствовать существующие конструкции циклонных аппаратов и создавать принципиально новые конструкции циклонов, которые будут иметь высокий коэффициент улавливания тонкодисперсных частиц при низком гидравлическом сопротивлении [4].

Технические, экономические или технологические разработки, направленные на повышение эффективности циклонов и снижение энергозатрат, невозможны без изучения гидромеханических особенностей процесса осаждения частиц и их движения во вращающемся потоке газа в каналах сложной геометрии. Создание математической модели движения аэрозольной частицы в закрученном потоке позволит оценить эффективность пылеулавливания и выявить влияющие на нее факторы [3].

1_1_1.png

Соответствие чисел Rer степеням осаждения в сепараторах циклонного типа было протестировано применительно к аппаратам с достоверно известными характеристиками степени очистки выбросов [5]. Так, для одного из наиболее распространенных типов циклонов ЦН-11, с табличными значениями всех конструктивных параметров, известны следующие характеристики степени осаждения частиц: D50 = 4,5*10-6 м, логарифм дисперсии размеров улавливаемых частиц lgση = 0,352. При плотности выбросов ρG = 1,293 кг/м3, дисперсии размеров взвешенных частиц σр = 2,2 (пыль обжига колчедана), для степени очистки 99 % параметр осаждения x = 2,4. Размер D99 частиц, улавливаемых на 99 %, полученный на основе соотношения для определения параметра осаждения, составляет 70*10-6 м.

Значения числа Рейнольдса Rer для частиц с размером, соответствующим 50%-й (D50, м) и 99%-й (D99, м) очистке в циклонах ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24, приведены на графике (рис. 2).

Результаты вычислений критических чисел Рейнольдса Rer, соответствующих сепарации частиц из потока, вращающегося в кольцевом сечении модели циклона, при скорости потока на входе u0 = (1…7) м/с и радиусах кривизны dм = 0,065 м (диаметр горловины циклона), dб = 0,1 м (диаметр корпуса циклона), dср = 0,0825 м (средний диаметр циклона), приведены в табл. 1 [6].

Результаты расчетов чисел Рейнольдса Rer для размеров частиц, осаждающихся в циклоне на 50 и 99 % (D50*10-6 м и D99*10-6 м), представлены на рис. 3 и 4. Расчеты показали, что степеням осаждения частиц в циклоне соответствуют строго определенные значения чисел Rer. Так, степени осаждения 99 % коррелирует число Rer ~4*10-4, а степени осаждения 50 % ~ 7*10-9.
В целом 10%-му увеличению степени очистки в циклоне соответствует рост численного значения Rer на ~3,3.10-3.

Проведенные исследования показывают, что параметр Rer позволяет расчетным путем находить численные значения параметров очистки в сепараторах с вращательным движением многофазных потоков. С его помощью могут быть найдены фракционные коэффициенты очистки примеси, если известны параметры потока и конструктивные параметры аппарата, определяющие средний радиус кривизны потока.

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 неудобным при обработке результатов [7].

К тому же получаемый результат (решение в одной точке) не позволяет работать с визуализацией.

1_1_2.png

На основе многочисленных вычислений проведен анализ используемых методов на основе модели циклона-фильтра. Расчеты проводились с использованием пакета программного обеспечения Fluent (численного моделирования динамики газового потока CFD), использующего метод конечных объемов. Движение жидкости моделируется с использованием уравнений Навье – Стокса и осредненных значений числа Рейнольдса. Для обеспечения замкнутости системы в уравнениях переноса и потери (диссипации) кинетической энергии используется модель вязкости Спаларта – Аллмараса [8].

Посредством методов вычислительной гидродинамики выявлены изменения тангенциальных составляющих скоростей и статического давления в нескольких поперечных сечениях циклона (рис. 5).

1_1_4.png

Полученные результаты численного моделирования подтверждены эмпирическими результатами натурных испытаний, 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 [9–10].

Во всех сечениях в периферийной части потока наблюдается увеличение тангенциальной составляющей скорости по радиусу по мере удаления от стенок циклона. Давление падает по радиусу к центру циклона, достигая минимума на оси вращения. Можно с достаточной для практических целей точностью определить разрежение, которое устанавливается в пылесборном бункере циклона.

На периферии циклона профили тангенциальной скорости накладываются, а при приближении к выходному отверстию расходятся.

С увеличением крутки положение максимума тангенциальной скорости смещается на периферию, а его относительная величина снижается [11]. Это обстоятельство объясняется затруднением проникновения газа, который переносит момент количества движения, из периферии в центральную область. С увеличением крутки величина относительного разрежения (отношение разрежения в центре камеры к избыточному давлению газа на входе в камеру) снижается, а относительный радиус зоны разрежения увеличивается [12]. Отметим, что снижение максимума относительной тангенциальной скорости и относительного разрежения в центре с увеличением крутки сопровождается увеличением абсолютных значений этих характеристик при постоянном расходе [13].

Таким образом, техническим результатом является повышение степени улавливания частиц тонкой дисперсной фазы за счет специальной вставки – тканевого фильтра. Разработка позволит достичь увеличения пропускной способности очистных аппаратов в 4 раза при повышении качества очистки газа, которое выражается в уменьшении размера частиц, улавливаемых на 50 % (диаметра отсекания), со средних для циклонов значений 5–10 мкм до 0,4 мкм. Указанное улучшение качества очистки не требует дополнительных затрат энергии, что является одним из преимуществ по сравнению с аналогами: для уменьшения диаметра отсекания на
0,1 мкм после 1 мкм требуется увеличение затрат энергии не менее чем на 15 %.



← Назад к списку


im - научные статьи.