МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» СЕМЕНЮК Микола Віталійович УДК 621.928.93 ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ПОТОКІВ У ВІДЦЕНТРОВИХ ФІЛЬТРАХ 05.17.08 – Процеси та обладнання хімічної технології Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Львів – 2018
24
Embed
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ...ena.lp.edu.ua:8080/bitstream/ntb/39914/1/avt_Semeniuk.pdf · 2018. 4. 13. · робота виконувалась
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
СЕМЕНЮК Микола Віталійович
УДК 621.928.93
ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ПОТОКІВ У ВІДЦЕНТРОВИХ ФІЛЬТРАХ
05.17.08 – Процеси та обладнання хімічної технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів – 2018
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів
Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»
Міністерства освіти і науки України та у відділі теплофізичних процесів у котлах
Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Бойко Тетяна Владиславівна,
Національний технічний університет України,
«Київський політехнічний інститут ім. І. Сікорського»,
виконувач обов'язків завідувача кафедри кібернетики
хіміко-технологічних процесів, м. Київ
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Цейтлін Мусій Абрамович,
Національний технічний університет “Харківський
політехнічний інститут”,
професор кафедри хімічної техніки та промислової екології,
м. Харків;
кандидат технічних наук, доцент
Гаврилів Роман Іванович,
Національний університет «Львівська політехніка»,
доцент кафедри хімічної інженерії, м. Львів
Захист дисертації відбудеться «23» квітня 2018 року о 1100
годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 у Національному університеті «Львівська
політехніка» за адресою: 79013, м. Львів, пл. Св. Юра 9, корпус IХ, ауд. 214.
З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Національного
університету «Львівська політехніка» за адресою: 79013, м. Львів, вул.
Професорська, 1.
Автореферат розісланий «21» березня 2018 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 35.052.09,
доктор технічних наук, професор Я. М. Гумницький
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Серед проблем захисту довкілля найбільш актуальною є охорона повітряного
басейну, так як забруднене повітря погіршує екологічні умови, призводить до
передчасного зносу основних фондів промисловості, об'єктів житлово-комунального
господарства і т. д. Локальні забруднення повітря золою і пилом – одна з найбільш
тривожних сучасних проблем.
Вирішенню проблем очистки технологічних газових викидів присвячені праці
таких вчених: П.О. Коузова, А.Ю. Вальдберга, В.Т. Стефаненко, А.А. Халатова,
Д.О. Серебрянського, Є.В. Асламової, В.М. Галича та інших вчених.
У багатьох галузях промисловості в якості першого ступеня очищення
технологічних газів від твердих частинок застосовують відцентрові пиловловлювачі,
засновані на відцентровій силі. Різке зниження ефективності очищення газових
потоків від твердих частинок в даних апаратах не дозволяє їх застосовувати в якості
єдиної ступені очищення в системах з високою початковою запиленістю. Високої
ефективності очищення газового потоку від твердих частинок можна домогтися
шляхом поєднання двох принципів очищення в одному апараті: відцентрової
сепарації і багаторазової фільтрації через саморегенеруючий динамічний пиловий
шар.
У 2000 роках був отриманий патент на винахід –“відцентровий фільтр”
заснований на системі каналів із замкненими контурами, який дозволяє у 2…5 разів
скоротити викиди у повітря твердих часток у порівнянні з типовими відцентровими
пиловловлювачами. Конструкція даного апарату захищена міжнародними патентами
та патентами України, а результати роботи та досліджень системи каналів із
замкненими контурами відображені в одній докторській дисертації (Буров О.І.) та
двох кандидатських дисертаціях (Буров О.О., Серебрянський О.О.).
Проте, проведені дослідження не в повній мірі відображають процеси, що
протікають у апаратах з системою каналів із замкненими контурами при очистці
газових потоків від твердих часток. Про це свідчать результати розрахунків по
створеним математичним моделям коефіцієнта вловлювання та аеродинамічного
опору апаратів даного типу.
Актуальність теми полягає в удосконаленні, дослідженні та розробці
методики розрахунку відцентрового фільтра з відводом вловлених часток з кожної
пари каналів в герметично ізольовані один від одного бункери для підвищення
ефективності вловлювання.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна
робота виконувалась в рамках: договору про співпрацю між НТУУ «КПІ ім.
І Сікорського», та ІТТФ НАН України, наукових досліджень кафедри кібернетики
хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» - «Пріоритетні напрями
розвитку науки в Україні» у відповідності до Державних програм України, що
стосуються збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток,
новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та
агропромисловому комплексі у рамках закону України № 2623/III від 11.07.2001 р.
«Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки».
2
Дисертаційна робота виконувалася згідно до завдань держбюджетної теми №
2719п «Розроблення, вдосконалення, керування і оцінювання екологічної сталості та
безпеки промислових і територіальних утворень як систем із замкненими циклами»
Результати наукових досліджень, що представлені в дисертації, отримані в
Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України за підтримки
Інституту промислової екології в рамках виконання держбюджетної
науково-дослідницької роботи «Розроблення та апробація установки для очищення
димових газів від діоксиду сірки та золи, що утворюються під час спалювання
твердого органічного палива» № ДЗ/451-2013.
Мета і завдання дослідження. Основною метою роботи є проведення
комплексу досліджень процесу розділення в полі відцентрових сил пилогазових
потоків, створення методики розрахунку процесу очищення та удосконалення
пиловловлюючих апаратів.
У рамках дисертаційної роботи поставлено такі основні завдання:
провести експериментальні дослідження для встановлення
закономірностей масового та дисперсного розподілу часток різного
матеріалу в елементах системи спіральних каналів з замкненими
контурами;
розробити фізичну модель процесу очистки газового потоку від твердих
часток у системі каналів відцентрового фільтра;
розробити математичну модель визначення аеродинамічного опору та
ефективності вловлювання твердих часток у відцентровому фільтрі;
провести комп’ютерне моделювання відцентрового фільтра за
допомогою сучасних програмних комплексів;
дослідити аеродинамічні властивості запиленого газового потоку у
центральній області каналів відцентрового фільтра;
оцінити адекватність розроблених моделей;
розробити нову конструкцію відцентрового фільтра з відводом вловлених
часток з кожної пари каналів в герметично ізольовані один від одного
бункери.
Об’єктом дослідження є процес відцентрової сепарації у фільтрах, для
очищення газових викидів.
Предметом дослідження є відцентрові фільтри з системою спіральних каналів
із замкненими контурами, для очищення газових потоків.
Методи дослідження. Фізичне моделювання на лабораторному устаткуванні,
комп’ютерне моделювання структури потоків в системі спіральних каналів
відцентрового фільтра, математичне моделювання процесу розділення в полі
відцентрових сил пилогазових потоків, теорія подібності для отримання
критеріальної залежності ефективності процесу, математична статистика для
встановлення залежностей між ефективністю на характеристиками пилогазовго
потоку розробленої конструкції апарата.
Наукова новизна. Вперше комплексно досліджено закономірності
аеродинаміки і пиловловлювання у відцентровому фільтрі з системою спіральних
3
каналів, виконаних таким чином, щоб пил з частиною газу з наступного по ходу витка
спіралі могли інжектуватися в попередній виток при цьому, зокрема:
вперше отримано експериментальні дані щодо аеродинамічного опору та
розподілу швидкостей газу по витках спіральних елементів та області виходу газу у
центрі сепараційної камери відцентрового фільтра;
вперше отримані експериментальні дані щодо ступеню вловлювання пилу
як в цілому по апарату, так і по окремих витках спіральних каналів в залежності від
густини, дисперсного складу пилу, швидкості повітря та кривизни витка;
вперше експериментально досліджено фракційний розподіл пилу, що
вловлюється у кожному витку спіральних каналів в залежності від його радіусу,
швидкості повітря, фізичних властивостей та дисперсного складу вихідного пилу;
вперше на основі обчислювального експерименту з використанням
розробленої математичної моделі руху газу у фільтрі, що досліджувався, отримано
тривимірні графіки структури потоків газу у центральній частині сепараційної
камери;
вперше у результаті обчислювального експерименту отримано профілі
швидкостей часток пилу в перерізі відцентрового фільтра та сепараційної камери в
залежності від витрати газу.
Практичне значення отриманих результатів.
Розроблено та виготовлено принципово новий апарат з системою спіральних
каналів із замкненими контурами для вловлювання полідисперсних порошків, який
захищено патентом України. Розроблені в роботі методики дозволяють знаходити
оптимальні умови експлуатації і компонування відцентрових фільтрів при
мінімальних енерговитратах, забезпечуючи необхідний ступінь очищення газів.
Розроблений апарат може бути використаний на підприємствах металургійної,
цементної, коксохімічної та інших галузях промисловості.
Впровадження результатів роботи:
- виготовлено та впроваджено на ПАТ “Авдіївський коксохімічний завод”, м.
Авдіївка два відцентрових фільтри;
- виготовлено та впроваджено на АТ “Євроцемент-Україна”, м. Балаклія 3
відцентрових фільтри;
- виготовлено одну секцію установки для очищення димових газів від
діоксину сірки та золи, що поставлена на підприємство ДП “Макіїввугілля”, шахта
Бутівська.
- результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі
кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного
університету України “Київський політехнічний інститут”.
Особистий внесок здобувача полягає у проведенні теоретичних та
експериментальних досліджень, аналізі та обробці одержаних результатів,
впровадженні результатів досліджень і відображений у наукових працях:
‒ розглянуто закономірності руху твердих частинок, газу і конструктивні
способи інтенсифікації процесу сепарації в апаратах з системою спіральних каналів із
замкненими контурами. Розглянуто фізичну модель очистки неоднорідних газових
систем у відцентровому пиловловлювачі ;
4
‒ проведено комп’ютерне CFD моделювання аеродинаміки та ефективності
вловлювання полідисперсного пилу у відцентровому фільтрі;
‒ розроблено математичну модель розрахунку аеродинамічного опору в апараті
з системою каналів із замкненими контурами;
‒ проведено стендові випробування відцентрового фільтру і виконано обробку
одержаних результатів;
‒ виготовлено пиловловлюючий апарат та проведено експериментальні та
промислові дослідження процесу вловлювання пилу в відцентровому фільтрі, який
призначений для комплексної очистки газів;
‒ проведений патентний огляд та прийнята участь в розробці нового апарату –
відцентровий фільтр.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і
обговорювались на: VII Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів,
аспірантів і молодих вчених “Обладнання хімічних виробництв і підприємств
будівельних матеріалів”, (м. Київ, 2013); VIII Всеукраїнській науково-практичній
конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Обладнання хімічних
виробництв і підприємств будівельних матеріалів”, (м. Київ, 2013); IX Всеукраїнській
науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Обладнання
хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів”, (м. Київ, 2014); XIII
Міжнародній науково-практичній конференції “Хімічна інженерія, екологія та
ресурсозбереження” (м. Київ, 2015), IV-VI Міжнародних науково-практичних
конференціях молодих вчених і спеціалістів в області проектування підприємств
гірничо-металургійного комплексу, енерго- і ресурсозбереження, захисту
навколишнього природнього середовища (м. Харків, 2015-2017), V Міжнародній
науково-практичній конференції “ Комп’ютерне моделювання в хімії і технологіях та
системах сталого розвитку ” (м. Київ, 2016), Міжнародній науково-практичній
конференції “ Chemical Technology and Engineering ” (м. Львів, 2017).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 14 наукових праць [1-14].
З них 3 патенти на винахід та корисну модель [1,2,3], 1 стаття в науковому
періодичному виданні іншої держави [4], 2 статті у науковому періодичному виданні
України, що входить до міжнародних наукометричних баз [5,6], 3 статті у фахових
виданнях з переліку ВАК України [7, 8, 9], 5 статей у збірниках тез наукових
конференцій [10,11,12,13,14].
Структура й обсяг роботи. Дисертація викладена на 158 сторінках
друкованого тексту основної частини, яка складається із вступу, п’яти розділів та
висновків. Повний обсяг дисертації становить 215 сторінок і включає 103 рисунки, 46
таблиць, список використаних джерел із 86 найменувань та 7 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі
дисертаційної роботи, методи дослідження, наукову новизну та практичну цінність
отриманих результатів, наведено інформацію про апробацію роботи, публікації,
приведені основні результати і положення, що виносяться на захист.
У першому розділі дисертаційної роботи «Сучасний стан техніки та
технологій очистки димових та технологічних газів» проведено аналітичний огляд
5
стану науки та техніки відцентрової сепарації твердих частинок та особливості
конструкцій відцентрових фільтрів.
Виконаний аналіз основних напрямків розвитку і вдосконалення технології
відцентрової очистки полідисперсних потоків від твердих часток показав, що
ефективність вловлювання в цих апаратах не забезпечує сучасних екологічних норм,
а модернізація призводить до підвищення металоємності та аеродинамічного опору
конструкції, що ускладнює експлуатацію. Високих показників ефективності
вловлювання можна досягти в апаратах, заснованих на системі каналів із замкненими
контурами (відцентрових фільтрах), що дозволяють від 2 до 5 разів зменшити викиди
твердих часток у повітря у порівнянні з типовими відцентровими пиловловлювачами.
Проведений аналіз досліджень відцентрових фільтрів із системою криволінійних
каналів показав, що процеси, які протікають в даних апаратах не достатньо вивчені і
не дають можливості поширювати їх на виробництва.
В основі роботи відцентрового фільтра лежить система послідовно
розташованих криволінійних каналів з однаковими кутами повороту і рівними
площами поперечних перерізів. Канали утворюються двома плоскими стінками і
циліндричними напівобичайками різної кривизни. Замкнутий контур виникає в двох
сусідніх каналах за наявності ексцентриситету між осями обертання непарних і
парних напівобичайок. У результаті організації внутрішніх циркулюючих потоків у
системі каналів утворюється динамічний газопиловий шар, який і є фільтром для
частинок, що знову надходять на очищення газу.
Нова конструкція відцентрового фільтра, розроблена на основі аналізу
недоліків аналогів, містить камеру сепарації з криволінійними каналами, де кожна
пара щілин сполучена з окремим конічним бункером. Використання винаходу