Лабораторная работа №2 Технологический расчет групповых и батарейных циклонов

Цель работы: изучить устройство и методику расчета.

Теоретические сведения

Высокая степень очистки циклонами обеспечивается, если циклоны объединяются в группы, однако число циклонов в группе ограничивается из-за конструктивных соображений, что, в конечном итоге, ограничивает и производительность группы [2].

По этой причине возникла необходимость в такой конструкции, при которой циклоны небольшого диаметра (что позволяет улавливать мелкие фракции пыли) объединяются не в группы, а в общей оболочке, формирующей батарею циклонов. Если в обычном циклоне вращающийся поток создается за счет входа газа по касательной к цилиндрическому корпусу циклона, то в батарейном циклоне циклонные элементы имеют направляющую потока в виде винта или розетки (рис. 2.1, а, б). Это значительно уменьшает габариты установки без снижения ее производительности и эффективности. Оболочка батарейного циклона может формировать круглую (рис. 2,1, в) или прямоугольную секцию.

а б в

Рис. 2.1. Батарейный циклон: а – элемент с завихрителем «винт»; б – элемент с завихрителем «розетка»; в – общий вид компоновки циклонных элементов;

1 – завихривающее устройство; 2 – входной патрубок; 3 – распределительная камера;

4 –выходной патрубок; 5 – выходная камера; 6 – выхлопные трубы; 7 – циклонные элементы [1]

Направляющие элементы представлены на рис. (2.1, а) в виде винта, а на рис. (2.1, б) в виде розетки. В обоих случаях общими элементами являются корпус 7 и выходная труба 6.

Технические характеристики некоторых типов батарейных циклонов с возвратно-поточными элементами приведены в таблице 2.1, а с прямоточными - в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Технические характеристики батарейных циклонов с возвратно-поточными

элементами

Тип циклона	Число элементов, шт	Оптимальная скорость газов, м3/с		Пропускная способность, м3/с	Коэффициент сопротивления	Тип направляющего аппарата элемента	Область применения
ЦБ-254Р	25;30; 40;50; 60;80	4,5		5,5…16	90	розетка	очистка высокотемпературных газов (до t = 1400С от золы и пыли
БЦ-2	20;25; 30;36; 42; 46	4,5		4,2; 5,25; 6,3; 7,55; 9,2;11,7	65	розетка	очистка невоспламеняющихся и пожаро-взрывоопасных аэрозолей с температурой до 150С
ПБЦ	24;36; 48;92; 116;140		3,5	3,3;7;9,7; 13,9;20,8; 27,8	120	полуулиточный

Расчеты циклонов, работающих параллельно в групповой установке, выполняют так же, как и индивидуальных. Ухудшение степени очистки из-за неравномерности распределения потоков и перетоков пыли из одного циклона в другой через общий бункер во внимание непринимается.

Таблица 2.2

Технические характеристики батарейных циклонов с прямоточными элементами

Тип циклона	Количество секций	Количество элементов в одной секции		Пропускная способность м3/с	Область применения
		По длине	По ширине
БЦ1х8х8…БЦ1х11х16	1	8…11	8…16	8,5…27,3	Очистка от крупной золы продуктов сгорания парогенераторов производительностью 25…320 т/ч
БЦ2х5х6…БЦ2х11х16	2	5…18	6…16	8…54,7
БЦ 3х8х9	3	8	9	33,5
БЦ4х8х9…БЦ4х11х18	4	8…11	9…18	38,7…121
БЦУ-М	1…2	10…14	7…24	13…240

Расчеты батарейных циклонов выполняют в следующем порядке.

1. Задаются оптимальной скоростью потока w_опт в пределах 3,5...5 м/с. Нижний предел лимитируется опасностью забивания направляющего аппарата, верхний – интенсификацией абразивного износа элементов и уноса пыли.

2. Рассчитывают расход газа через один элемент V₁

V₁= 0,785 ∙ _опт∙ D², м³/с. (2.1)

Диаметр циклонного элемента D обычно принимают в пределах 250 мм. Дальнейшее уменьшение диаметра не приводит к увеличению степени очистки.

3. Определяют количество элементов

N = V /V₁. (2.2)

4. Принимают типовую конструкцию батарейного циклона с близкой пропускной способностью и числом элементов таким образом, чтобы скорость в отдельном элементе не выходила за пределы оптимальных значений.

5. По уточненной скорости потока в элементе определяют аэродинамическое сопротивление циклона ΔP

ΔP =ζ ∙ (ρ_г ∙ ₂) / 2 , Па, (2.3)

где ρ_г = ρ₀ ∙ 273/(273 +Т).

Коэффициент гидравлического сопротивления ζ принимают по опытным данным.

6. Коэффициент очистки газа в элементе циклона η₁ определяют по методике расчета индивидуального циклона, используя опытные значения d₅₀и lgσ принятого типа элемента. Коэффициент очистки газа в батарейном циклоне при большом количестве элементов может быть ниже на 20...25%, чем в одиночном элементе, что обязательно следует учитывать при выборе средств очистки.

Пример

Рассчитать степень очистки в циклонном сепараторе продуктов сгорания угля. Характеристика золы: d_m= 20 мкм; σ =3,0; ρ_ч = 2240 кг/м³; плотность дымовых газов в нормальных условиях ρ₀ = 1,31 кг/м³, динамическая вязкость в рабочих условиях для газовой смеси μ = 6,55∙10^-6Па∙с. Расход газоносителя 10000 м³/ч (2,78 м³/с), зольность 42 г/м³, температура 140°С.

Расчеты характеристик осаждения золы в индивидуальном циклоне выполняем в следующем порядке.

1. Задаемся типом циклона. Принимаем к расчету возвратно-поточный циклон типа ЦН-11. По таблице 2.1 принимаем величину оптимальной скорости потока в циклоне _опт = 3,5 м/с.

Подсчитываем скорость потока в циклоне с диаметром 1000 мм (формула 1.2)

=2,78 / (0,785∙12 1) = 3,54 м/с.

2. Подбираем значения ζ₀, k₁, k₂, k₃ для циклона ЦН-11, работающего на выхлоп в атмосферу, по таблицам 1.2, 1.3, 1.4 и 2.3 и определяем коэффициент гидравлического сопротивления циклона (формула 1.4)

ζ = 1∙0,92∙250 + 0 = 230.

Примечание. Значения ζ отнесены к средней скорости газового потока в аппарате и определены для циклонов ЦН, СДК-ЦН, СК-ЦН при D = 500 мм, = 3 м/с.

Таблица 2.3

Поправочный коэффициент k₃ на способ компоновки группы (для циклонов ЦН)

Характеристика компоновки	k3
Круговая компоновка, нижний подвод очищаемых газов к каждому циклону	60
Прямоугольная компоновка, подвод газов в общую камеру	60
Прямоугольная компоновка, отвод очищенных газов из общей камеры	35
Прямоугольная компоновка, улиточный отвод от каждого циклона	28

3. Вычисляем диаметр циклона по формуле

, (2.4)

где N – число циклонов;

F – площадь сечения циклона, м², рассчитывается по формуле

F=Q/w_опт , (2.5)

где Q – расход газовоздушной смеси, подлежащего очистке при рабочих условиях, м³/с;

w_опт – оптимальная скорость газовоздушной смеси в циклоне, м/с.

Отсюда м.

Принимаем стандартный диаметр циклона D = 1000 мм.

4. Вычисляем плотность дымовых газов в рабочих условиях ρ_г

ρ_г= 1,31 ∙ 273/(273 +140) = 0,87 кг/м³.

Определяем потери давления в циклоне (формула 2.3)

∆Р=230∙(0,87∙3,542)/2=1254 Па

Величина потерь давления достаточно высока, однако может быть обеспечена дымососами обычных марок, устанавливаемых в котельных.

5. Из таблицы 1.5 находим значение d_Т50 = 3,65 мкм для циклона ЦН-11 диаметром Dт = 600 мм при табличной плотности частиц 1930 кг/м³ и вязкости газа-носителя 22,2 ∙ 10^-6Па∙с, а также величину lgση = 0,352.

Пересчитаем значение d₅₀ при рабочих условиях пo формуле (1.7)

мкм.

Определяем параметр осаждения

.

6. Находим по таблице 1.5 значение интеграла вероятности Ф(х) = 0,941 и приравниваем к нему величину коэффициента очистки η = 94,1 %.

Такой результат позволяет использовать циклон только для предварительной очистки дымовых газов заданного состава, поскольку в этом случае достигается низкое качество очистки, что подтверждается расчетом валового выброса загрязнителя в атмосферу после циклона. При заданных условиях (содержание золы 42 г/м³, количество дымовых газов 10000 м³/ч) суточный выброс золы после циклона составит

M = 0,042 ∙ 10000 ∙(1− 0,941) ∙ 24 = 595 кг.

7. Попытаемся увеличить коэффициент очистки, выбрав циклон с более высоким сопротивлением. Чтобы суточный выброс золы от одного парогенератора не превосходил 100 кг, коэффициент очистки должен быть не ниже 99%. Вычислим требуемую для этого величину коэффициента сопротивления

R= 230((100-94,1)/(100-99))²(3,54/3,5)(1000/1000) = 8000.

Отечественной промышленностью такие циклоны серийно не выпускаются. Их сопротивление на порядок превысило бы возможности тягодутьевых установок типовых котельных. Следовательно, для заданных условий циклон неприемлем как индивидуальное средство очистки и может служить лишь в качестве первой ступени перед аппаратами тонкой очистки.

Ход выполнения работы

1. Выбираем циклонные элементы диаметром 200 мм с направляющими потока в виде розетки с углом наклона лопасти 250. По табл. 2.4 допустимая запыленность газов 35 г/м³.

Таблица 2.4

Максимально допустимый диаметр циклонных элементов

Тип направляющей потока	Диаметр элемента, мм	Допустимая запыленность газов, г/см3
Винт	100 150 200	25 50 100
Розетка	100 150 250	15 35 75

Примечания. 1. Различают пыли неслипающиеся (глиноземная, шлаковая), слабослипающиеся (коксовая, доменная), среднеслипающиеся (окислы металлов), сильнослипающиеся (цементная, асбестовая). 2. Для неслипающихся пылей допускаемая запыленность может быть в 2-3 раза выше указанных в табл. 5.6 величин, а среднеслипающихся – в 2 раза.

2. Определяем удельный вес газов при рабочих условиях, кг/м³

кг/м³.

Коэффициент гидравлического сопротивления розеточной направляющей для углов наклона лопастей α= 25 или 30 соответственно составляет ζ= 90 и ζ= 65. В нашем примере при α= 25, ζ= 90.

3. Находим расход газа при рабочих условиях

м³/с.

4. Рассчитываем производительность по газу одного циклонного элемента

м³/с,

где = 4,5 – оптимальная скорость газа в циклонном элементе, м/с.

5. Определяем количество циклонных элементов в батарее и выбираем их компоновку

шт.

Принимаем батарею из 36 элементов (4 ряда по 9 элементов в ряду).

6. Производим проверку по гидравлическому сопротивлению. Для батарейных циклонов отношение гидравлического сопротивления к удельному весу газов при рабочих условиях должно находиться в пределах ∆H/ρ_t=550-750. По условиям задачи ∆Н = 400 Па, следовательно

, что укладывается в необходимые пределы.

Расчет степени улавливания пыли

1. Определяем общую степень улавливания пылевых фракций с помощью графика, представленного на рис. 2.2

η_общ =

Так как указанный график составлен для циклонного элемента диаметром 250 мм с направляющей типа «винт» с углом 250, необходимо пересчитать ηобщ на заданный по условиям задачи циклонный элемент с помощью кривых на рис. 2.3, получим η_общ = 93,1 %.

Рис. 2.2. Кривая зависимости фракционных к.п.д. батарейного циклона типа БЦ с элементами диаметром 250 мм и направляющим аппаратом типа винт (угол 25 ^о) от размера частиц

Рис. 2.3. График для пересчета степени улавливания пыли η_общ от одного типа и размера элемента к другому

2. Пересчитываем с помощью графика (рис.2.4) η_общ для заданной по условию задачи плотности пыли (ρ_n = 2,45 г/см³), т.е. кривая фракционного КПД (рис.2.2) соответствует плотности пыли ρ_n= 2,2 г/см³. По графику получим η_общ≈ 94 %.

Рис. 2.4. График зависимости степени улавливания пыли ηобщ от удельного

веса пыли γ_п

Если воспользоваться графиком на рис. 2.5, то по рассчитанному отношению ∆Н/ρ_t = 706,7 окончательно получим степень улавливания пыли η_общ= 92,4 %, что выше необходимой по условиям задачи величины (92 %).

Рис. 2.5. График зависимости степени улавливания пыли η_общ от отношения ∆Н/ρ_t

Задания

Задание. Выполнить технологический расчет батарейного циклона.

Исходные данные:

1) гранулометрическая характеристика – по данным табл. 2.5;

2) величины ρ, f, Р_ст, ρ_n – по условию примера; остальные величины – по данным табл. 2.5.

Таблица 2.5

Исходные данные для расчета батарейного циклона

Показатели	Значения показателей для вариантов
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество отчищаемых газов (Qгобщ), м3/ч	8000	8000	9000	9000	10000	10000	11000	11000	12000	12000
Температура отходящего воздуха (Т), С	250	260	270	250	260	270	250	270	290	320
Барометрическое давление (В), кПа	98,7	98,7	98,7	101,4	101,4	101,4	96	96	96	97,4

Контрольные вопросы

1. По какой причине вместо группы циклонов применяют батарейные циклоны?

2. В чем заключается главная конструктивная особенность батарейного циклона?

3. Почему в батареях применяют циклоны небольшого диаметра?

4. Какие виды направляющих газового потока применяют в батарейных циклонах?

5. Назовите основные узлы батарейного циклона.

6. Что представляет собой направляющая в виде винта?

7. Что представляет собой направляющая в виде розетки?

8. Как классифицируются пыли по слипаемости? Приведите примеры.

9. Как влияет слипаемость пыли на допустимую запыленность исходного газа?

10.Как влияет диаметр элемента батарейного циклона на допустимую запыленность исходного газа?

11.Как влияет тип направляющей потока на допустимую запыленность исходного газа?