Анализ возможности использования длинноконического циклона типа СК-ЦН-34 для очистки выбросов котельных

Язык труда и переводы:
УДК:
621.928.93
Дата публикации:
03 сентября 2021, 15:19
Категория:
Б4. Промышленная и экологическая безопасность
Авторы
Шарай Елена Юрьевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена возможность использования циклона СК-ЦН-34 для очистки дымовых газов при сжигании древесных отходов в отопительном котле. Представлено описание численных методов расчета циклона, реализованных в ANSYS CFX. Показана математическая модель циклона. Получены линии тока в аппарате и распределение частиц в рабочей зоне циклона. Рассчитана эффективность очистки воздуха от золы и сажи численным методом и по методике НИИОГАЗа, проведено их сравнение и анализ. Сделаны выводы о возможности применения циклона для очистки дымовых газов при сжигании древесных отходов в отопительном котле котельных.
Ключевые слова:
циклон, эффективность очистки, дымовой газ, сажа, пылеуловитель
Основной текст труда

Введение

Большинство предприятий деревообработки создается на новых производственных площадях, прокладка коммуникационных тепловых сетей к которым требует значительных финансовых средств. Эти проблемы решаются использованием автономных источников тепла для организации отопления производственных площадей и технологического теплоснабжения. С учетом проблемы нехватки топлива и его подорожанием, использование котельных установок, которые могут работать на отходах деревообработки, является перспективным и относительно экологичным способом отопления.

Котельные, предназначенные для работы на твердом топливе (угле, торфе, сланцах, древесных отходах и т. д.), должны быть оборудованы установками для очистки дымовых газов от золы [1]. В процессе сгорания древесных отходов в атмосферу выделяется большое количество частиц сажи и взвешенных веществ (золы). Сама по себе сажа (частицы углерода) нетоксична, однако ее пористая поверхность способна адсорбировать канцерогены, индикатором присутствия которых в продуктах сгорания является 3,4-бензпирен. При этом канцерогены, адсорбированные сажей, значительно сильнее воздействуют на живые организмы [2].

Зола сухого удаления — это тонкодисперсный материал, образующийся из минеральной части твердого топлива [3].

Технический углерод (сажа) — высокодисперсный искусственный материал. Частицы саж имеют сферическую форму, их размер очень различен у разного вида саж [4].

Таким образом, после котла необходима установка пылеулавливающего оборудования, которое способно уловить мелкодисперсные частицы сажи и взвешенные вещества, а также выдержать высокие температуры (130 °С) газа. В качестве такого аппарата может применяться циклон. В современных конструкциях циклонов прослеживается тенденция развития конусной части. Наиболее эффективными циклонами НИИОГаза при очистке газов от мелкодисперсных пылей являются спирально-длинноконические циклоны СК-ЦН-34.

Таким образом, ля предприятия деревообработки с установленным отопительным котлом, использующим в качества топлива древесные отходы, будем в качестве золоуловителя рассматривать циклон СК-ЦН-34.

Цель настоящего исследования — провести оценку возможности использования циклона СК-ЦН-34 для очистки дымовых газов при сжигании древесных отходов в отопительном котле.

Постановка задачи

Для расчета эффективности улавливания частиц в циклоне СК-ЦН-34 и анализа структуры потоков в аппарате используется моделирование многофазной системы «газ — частицы пыли» в циклоне СК-ЦН-34. Метаматематическая модель многофазного течения составлена с использованием модели Лагранжа, которая представляет собой систему дифференциальных уравнений Навье — Стокса в частных производных с граничными условиями [5].

Течение газа в циклоне можно описать уравнением сохранения количества движения, уравнением сохранения массы и уравнением состояния идеального газа. Уравнение движения имеет вид:

{\frac {d(\rho U)}{dt}}+\nabla \cdot (\rho U\otimes U)=-\nabla p+\nabla \cdot \tau +F_{\mathrm {M} };

\tau =\mu \left(\nabla U+(\nabla U)^{T}-{\frac {2}{3}}\delta \cdot U\right). Здесь p — давление в среде; ρ — плотность среды; U — вектор скорости; Fм — вектор массовых сил; \tau — тензор напряжений; \mu — динамическая вязкость среды, Пас; T — индекс, обозначающий оператор транспонирования матрицы; \delta — дельта-функция Кронекера.

Уравнение состояния для идеального газа имеет вид:

pV_{\mathrm {M} }=RT,

где p — давление в среде;  Vм  — молярный объем; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура.

Преобразуя уравнение движения и проецируя его на координатные оси, получают уравнения движения в форме Навье — Стокса. Для несжимаемого газа с постоянной вязкостью система дифференциальных уравнений Навье — Стокса в частных производных имеет вид [6]:

\rho {\frac {du}{d\tau }}=X-{\frac {\partial p}{\partial x}}+\mu \left({\frac {\partial ^{2}u}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}u}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}}\right);

\rho {\frac {dv}{d\tau }}=Y-{\frac {\partial p}{\partial y}}+\mu \left({\frac {\partial ^{2}v}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}v}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}}\right);

\rho {\frac {dw}{d\tau }}=Z-{\frac {\partial p}{\partial z}}+\mu \left({\frac {\partial ^{2}w}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}w}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}w}{\partial z^{2}}}\right).

Здесь X, Y, Z — координаты на осях х, y, z, u, v, w — проекции вектора скорости на координатные оси.

Уравнение сохранения массы (уравнение неразрывности) имеет вид:

{\frac {\partial \rho }{\partial t}}+\operatorname {div} (\rho v)=0,

где \rho — плотность газа.

В общем случае для системы дифференциальных уравнений Навье — Стокса невозможно получить аналитического решения. Решение можно получить численным методом с использованием программного продукта ANSYS CFX. В пакетах численного моделирования ANSYS используется метод контрольных объемов.

Для моделирования потока твердых частиц был выбран метод моделирования потоков с наличием примеси Лагранжа — Эйлера моделирования потоков с наличием примеси, предполагающий расчет индивидуальных траекторий частиц при неизменном (на время расчета траекторий) состоянии основной газовой фазы [7]. Он справедлив при концентрации твердой фазы менее 10 % от газа по объему.

Расчетная модель циклона

Для моделирования течения дымового газа через циклон была построена его конечно-элементная модель, состоящая из 613 478 конечных элементов, содержащих 110 333 узлов. В области быстрого изменения скорости газового потока в круговом канале вокруг выхлопной трубы сетка конечных элементов была измельчена. На входном патрубке и выхлопной трубе использовались призматические слои, на всех остальных поверхностях сетка неструктурированная. Конечно-элементная модель циклона представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конечно-элементная модель циклона

Для моделирования принимаем модель идеального газа и рассматриваем дымовой газ как смесь воздуха и частиц разных размеров. Расход газа   v_{\text{д.г }} (массовый) в граничном условии «вход» (inlet):

v_{\text{д.г }}=1,006{\frac {{\text{м}}^{3}}{\mathrm {c} }}=0,89{\text{кг}}/\mathrm {c} .

Температура газа на входе 130 °С. Исходные данные для дисперсной системы на входе в аппарат (inlet) приведены в табл. 1.

Таблица 1

 Данные газа и частиц на входе в аппарат

Вещество

Массовый расход, кг/с

Плотность, кг/м3

Медианный диаметр, мкм

Газ при t = 130 °С

0,89

1,2

Сажа (C)

0,001268

1760

10 

Взвешенные частицы (зола)

0,000609

1500

40 

Необходимая скорость на входе в аппарат w_{\text{вх}} , м/с определялась как

w_{\text{вх}}={\dfrac {v_{\text{д.г}}}{\rho \cdot F}}= {\frac {0,89}{1,2\cdot 0,08}}=9{\frac {\text{м}}{\mathrm {c} }},

где \rho — плотность газа;  F — площадь входного сечения аппарата.

Необходимая степень очистки для обеспечения гигиенических нормативов для сажи и золы определялась сравнением максимальных приземных концентрации при рассеивании дымового газа из одиночного источника См, рассчитанных по методике [8], с ПДК (СПДК) по [9] и вычислением необходимой степени очистки от веществ, превышающих ПДК (табл. 2). Таким образом, для обеспечения гигиенических нормативов необходимая степень очистки для сажи ηн =  90 %, для золы ηн =  28 %.

Таблица 2

Сравнение концентраций при рассеивании с ПДК

Название вещества

Химическая формулаСм, мг/м3

СПДК, мг/м3

ηн, %

Углерод (сажа)

C

1,47

0,15

90

Взвешенные вещества (зола)

0,696

0,5

28

 

Результаты расчета циклона численным методом

В результате вычислительного эксперимента рассчитаны объемные доли сажи и золы на выходе из циклона (табл. 3).

Таблица 3

Результаты расчета циклона в ANSYS CFX

Параметр

Граница

 

Значение

Объемная доля сажи

На входе в циклон

 1,1·10–6

На выходе из циклона

 6,0·10–7

Объемная доля золы

На входе в циклон

 6,7·10–7

На выходе из циклона

 2,2·10–8

Эффективность очистки воздуха ηоч, %, определяется как

\eta _{{\text{о}}{\text{ч}}}=\left(1-{\frac {C_{\text{out }}}{C_{\text{in }}}}\right)\cdot 100\%,

где Cin и Сout  — усредненные объемные доли на входе и на выходе из аппарата.

Таким образом, эффективность очистки газа составит:

  • от частиц сажи диаметром 10 мкм

\eta _{\text{oч.c}}=\left(1-{\frac {C_{\text{out.c }}}{C_{\text{in.c }}}}\right)\cdot 100\%=\left(1-{\frac {6,0\cdot 10^{-7}}{1,1\cdot 10^{-6}}}\right)\cdot 100\%=45\%;

  • золы диаметром 40 мкм

\eta _{\text{oч.з}}=\left(1-{\frac {C_{\text{out.з }}}{C_{\text{in.з }}}}\right)\cdot 100\%=\left(1-{\frac {2,2\cdot 10^{-8}}{6,7\cdot 10^{-7}}}\right)\cdot 100\%=97\%.

Исходя из полученных значений, можно сделать вывод, что эффективность очистки от мелкодисперсных частиц недостаточна. Необходимо подбирать более эффективный аппарат очистки либо дорабатывать конструкцию циклона для повышения его эффективности.

Линии тока газовой и твердых фаз дисперсной системы в циклоне представлены на рис. 2–4.

Рис. 2. Линии тока в циклоне
Рис. 3. Траектории частиц сажи диаметром 10 мкм в циклоне
Рис. 4. Траектории частиц золы диаметром 40 мкм в циклоне

Результаты расчета циклона по методике НИИОГАЗа

Предлагаемый циклон был посчитан по методике, описанной в [10]. Результаты расчета представлены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты расчета циклона по методике НИИОГАЗа

Продукт сгорания

 

Параметр

Значение

Δp, Па

2270

Сажа

d50, мкм  

1,198

X

0,475

η, %  

67

Зола

d50, мкм  

1,313

X

0,733

η, %  

77

Расчет по методике НИИОГАЗа показал эффективность улавливания частиц сажи на 33 % выше, чем расчет в программе в ANSYS CFX. Эффективность улавливания частиц золы на 20 % выше, чем в ANSYS CFX. Можно сделать вывод о том, что существующая инженерная методика расчета НИИОГАЗа не применима для расчета циклонов типа СК-ЦН-34.

Заключение

Для очистки воздуха на предприятии деревообработки с установленным отопительным котлом, использующим в качества топлива древесные отходы, был предложен длинноконический циклон НИИОГАЗа СК-ЦН-34. Эффективность очистки в циклоне рассчитана численным методом с помощью программного обеспечения ANSYS CFX и по инженерной методике НИИОГАЗа. Оба результата показали, что эффективность очистки от мелкодисперсных частиц сажи недостаточна для удовлетворения нормативному значению. Необходимо доработать систему очистки для улучшения качества отводимого от котла воздуха. Для этого предлагается использовать следующие способы повышения эффективности очистки в циклонах:

  •  изменение структуры потоков за счет встречного закрученного потока, подаваемого в рабочую зону циклона;
  • модернизация конструкции корпуса циклона за счет направляющих потока на внутренней поверхности корпуса циклона;
  • установка фильтрующего элемента на выхлопную трубу циклона.
Литература
  1. СП 89.13330.2016. Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП. II-35–76*. (утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 16 декабря 2016 г. № 944/пр и введ. в действие с 17 июня 2016 г.). М.: Стандартинформ, 2017. 78 с.
  2. Лукачев С.В., Горбатко А.А., Матвеев С.Г. Образование и выгорание бенз(а)пирена при сжигании углеводородных топлив. М.: Машиностроение, 1999. 153 с.
  3. ГОСТ Р 57789–2017. Золы, шлаки и золошлаковые смеси ТЭС для производства искусственных пористых заполнителей. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2018. 12 с.
  4. Лисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений. М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 592 с.
  5. Александров Д.В., Зубарев А.Ю., Искакова Л.Ю. Прикладная гидродинамика. М.: Юрайт, 2019. 109 с.
  6. Кудинов В.А. Гидравлика. М.: Юрайт, 2018. 386 с.
  7. ANSYS Fluent Theory Guide. Release 13.0. Canonsburg: ANSYS, Inc., 2011. 794 p.
  8. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86. Л.: Гидрометиздат, 1987. 76 c.
  9. СанПиН 1.2.3685–21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания (утв. постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 28 января 2021 года № 2). URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_375839/ (дата обращения 21.06.2021).
  10. Русанов А.А. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.: Энергоатомиздат, 1983. 312 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.