Проведен анализ существующих массообменных и пылеулавливающих аппаратов, с целью удовлетворения современных экологических требований, предъявляемых к устройствам очистки разработан массообменный и пылеулавливающий аппарат с конусно-щелевой тарелкой. Основными преимуществами данного аппарата являются простота конструкции, легкость монтажа и демонтажа, высокая эффективность и низкая энергоемкость. Данный аппарат прошел промышленное испытание и внедрен в производство на линии выброса выхлопных газов и пыли, выбрасываемых из дымовой трубы отопительных котлов школы-интерната, рекомендован для внедрения и в других отраслях производства для очистки пыли и газов, выбрасываемых в атмосферу.
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.
Материалы 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 рис. 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.
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.
Рис. 1. Экспериментальная установка по исследованию процесса пылеулавливания в массообменном и пылеулавливающем аппарате с конусно-щелевой тарелкой. 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
Рис. 2. Зависимость степени очистки от скорости газа
Рис. 3. Зависимость степени очистки от расхода жидкости
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]:
, (1)
где, q – привес в аллонже, г;
V0 – объемная скорость газа при отборе, приведенная к нормальным условиям, нм3/с;
τоп – продолжительность отбора (опыта), с.
Начальную концентрацию пыли определяли также по уравнению:
, (2)
где, m – масса пыли, распыленная пылеподатчиком за опыт, г;
Vr – объемный расход газа через аппарат, нм3/ с.
Общая эффективность очистки:
, (3)
где, Ск – конечная концентрация пыли, г/м3 .
Из рис. 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 (рис. 3).
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 Qж = 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 = 2–4 м/с;
● Удельное орошение m = 0,6–1,2 л/м³;
● Температура газа t = 180–200 °С.
По итогам проведенных испытаний выбран и предложен оптимальный режим работы мокрого пылеуловителя:
● Скорость газа W = 3,1–3,5 м/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 1 064 283,54 тенге.
Библиографическая ссылка
Мейрбеков А.Т., Ибрагимова Э.К., Мейрбек С.А. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО И НИЗКОЭНЕРГОЕМКОГО МАССООБМЕННОГО И ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО АППАРАТА // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 3-3. – С. 323-326;URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=7135 (дата обращения: 19.04.2024).