Study of multicyclone element gas treatment

全文:

Циклоны относятся к аппаратам, наиболее часто применяемым для очистки выбросов от твердых взвешенных частиц (пылей) размером более 5 мкм. К достоинствам циклонов следует отнести отсутствие движущихся частей, легкость при необходимости защиты стенок аппарата от абразивных пылей или высокотемпературных газов, работа практически при постоянном гидравлическом сопротивлении, возможность работы как при повышенном давлении, так и при разряжении и т.д. Известно, что уменьшение диаметра циклона ведет к повышению эффективности очистки. Объединение большого числа малых циклонов в группу, т.е. создание батарейных циклонов, преследует именно эту цель. На практике используются батарейные циклоны (мультициклоны) с диаметром элементов от 0,1 до 0,25 м, работающие в диапазоне рабочих скоростей от 3,5 до 4,5 м/с. В Институте инженерной экологии и химического машиностроения Университета машиностроения на экспериментальном стенде по заданию ООО «НПК «ОйлГазМаш» проведены испытания элемента мультициклона с диаметром свободного сечения 0,05м, предназначенного для очистки от взвешенных частиц природного газа под давлением. Опытный образец элемента мультициклона (изображённый на рисунке 1) был установлен на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого представлена на рисунке 2. Особенностью элемента мультициклона является двойной тангенциальный ввод газового потока в аппарат. Исследования проводились на воздухе при температуре ≈ 20 ºС и барометрическом давлении, близком к нормальному. При проведении испытаний с пылью (на запыленном воздухе) ее предварительно подогревали в муфельной печи (до 180-200 ºС), а затем засыпали в обогреваемый бункер тарельчатого пылепитателя 3. Пыль с дозировочного стола пылепитателя попадала в эжектор, откуда транспортировалась воздухом в элемент мультициклона. Расход воздуха поддерживался равным 60 л/мин реометром 2. Рисунок 1. Элемент мультициклона В качестве модельной пыли использовался «Пирант» плотностью ρч = 1870 кг/м3. Уловленная пыль собиралась в герметичном бункере 10. Выгрузка пыли из бункера осуществлялась периодически при неработающем стенде. В процессе проведения исследований определили параметры пылегазового потока на входе и выходе элемента мультициклона в точках 4 и 6, а именно: объемный расход воздуха, температуру, абсолютное давление, запыленность, дисперсный состав пыли. Все замеры проводили на основании стандартных методик [1-3]. На рисунке 3 приведена зависимость гидравлического сопротивления аппарата ∆Р (Па) от скорости воздуха vг(м/с) в свободном сечении, а на рисунке 4- зависимость коэффициента гидравлического сопротивления элемента мультициклона ζ также от величины vг. Из рисунка 4 следует, что автомодельный режим элемента мультициклона, для которого характерно постоянство величины значения ζ [5], устанавливается при значении vг≥5 м/с. Начиная с этой скорости можно принимать величину ζ=95. Исследование запыленности газового потока проводились при трёх различных значениях скоростей (vг). Полученная зависимость эффективности пылеулавливания от скорости газа в свободном сечении аппарата приведена на рисунке 5. Как следует из графика, с увеличением скорости газа в свободном сечении аппарата несколько снижается эффективность пылеулавливания. Вероятно, это можно объяснить дроблением частиц пыли за счет высоких скоростей газового потока и вторичным уносом мелкодисперсной пыли. Рисунок 2. Схема экспериментального стенда: 1 - входной газоход; 2 - реометр; 3 - тарельчатый пылепитатель; 4 - точка замера запыленности на входе; 5 - элемент мультициклона; 6 - точка замера запыленности на выходе; 7 - прибор для измерения барометрического давления (анероид); 8 - прибор для измерения температуры воздуха (термометр); 9 - вентилятор; 10 - бункер циклона Рисунок 3. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа в свободном сечении аппарата Исследования дисперсного состава пыли проводились при vг = 5,6 м/с. Полученные интегральные распределения дисперсного состава пыли (по массе) на входе и выходе из циклона позволили определить медианный размер частиц на входе dm’ (мкм) и выходе аппарата dm” (мкм) и величины логарифма среднеквадратичного отклонения в функции массового распределения частиц по размерам lgσч’ и lgσч”. Получены значения dm’ = 9 мкм и lgσч’ = 0,41; dm”= 2,4 мкм и lgσч” = 0,36. Рисунок 4. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от скорости газа в свободном сечении аппарата Рисунок 5. Зависимость эффективности пылеулавливания от скорости воздуха в свободном сечении аппарата На основе данных о дисперсном составе пыли на входе и выходе из циклона была построена кривая фракционной эффективности элемента мультициклона, которая подтверждает характерное для инерционных пылеуловителей, в том числе циклонов, подчинение фракционной эффективности улавливания взвешенных частиц логарифмически-нормальному закону распределения. Полученные данные позволяют определить диаметр частиц, улавливаемых в циклоне с эффективностью, равной 50%, d50 (мкм), и величину логарифма среднеквадратичного отклонения в функции распределения значений фракционного коэффициента пылеулавливания . Эти величины составляют: d50 = 0,3 мкм и = 0,56. Согласно теории инерционного осаждения взвешенных частиц, подтвержденной целым рядом исследований, например [6], величина d50 для центробежного пылеуловителя, работающего в автомодельном режиме, т.е. при ζ=const, рассчитывается по формуле, действительной в интервале ζ от 8,5 до 4420. (1) где µ - динамическая вязкость воздуха при температуре в рабочих условиях, Па∙с. Учитывая, что полученные значения массового распределения взвешенных частиц по размерам на входе в аппарат и фракционной эффективности подчиняются логарифмически-нормальному закону распределения, расчет эффективности циклона может быть проведен с помощью интеграла вероятности [4, 6]: . (2) Согласно таблице значений интеграла вероятности [4], величина x соответствует значению эффективности , что демонстрирует хорошую сходимость с результатами эксперимента. Сравнивая результаты, полученные при испытании элемента мультициклона диаметром 0,05 мс данными, полученными ранее [7] на том же экспериментальном стенде для элемента мультициклонадиаметром 0,1 м с двойным подводом газового потока из цилиндрической камеры, можно отметить, что диметр частиц, улавливаемых на 50%, составил 0,3 мкм против 1,7 мкм, а средняя экспериментальная эффективность повысилась с 0,905 до 0,983. В то же время коэффициент гидравлического сопротивления, соответствующий началу автомодельного режима, вырос с ζ= 40 до ζ=95, что свидетельствует о повышении энергоемкости аппарата в целом. Выводы Подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы циклонов (элементов мультициклонов) до скоростей 7 м/с. Экспериментально подтверждена возможность применения для оценки эффективности элементов мультициклона в исследованном диапазоне изменения рабочих условий существующих расчетных зависимостей.

作者简介

N. Nikolaykina

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D., Prof.

M. Zavyalova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Y. Khutorov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

参考

补充文件