Расчет параметров гравитационного пылеуловителя. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Инженерная экология»

4

Очистка газовых выбросов от пыли гравитационным методом является довольно распространенной в металлургическом производстве. При таком ме-

тоде частицы пыли осаждаются из газового потока (улавливаются) под дей-

ствием силы тяжести. К основным преимуществам гравитационного метода пылеочистки следует отнести:

минимальные затраты энергии на осаждение частиц (минимальное аэродинамическое сопротивление тракта пылеочистки);

высокую допускаемую начальную концентрацию пыли в газовом потоке;

возможность очистки относительно больших объемов, как холод-

ных, так и горячих газов;

простоту конструкции пылеосадительной системы.

Однако существенным недостатком гравитационного метода является низкая эффективность улавливания частиц пыли крупностью менее 50 мкм при разумных конструкционных и режимных параметрах пылеулавливающих устройств. В этой связи во многих случаях гравитационные пылеосадители ис-

пользуют как первую, предварительную ступень системы пылеочистки, обеспе-

чивающую удаление крупных фракций и уменьшения большой начальной кон-

центрации пыли перед последующей ступенью пылеочистки.

Задачами учебных расчетов параметров гравитационных пылеосадителей являются:

-определение конструкционных параметров пылеосадительной камеры по заданным исходным данным;

-расчет фракционной эффективности осаждения (улавливания) частиц пыли заданного гранулометрического состава;

-расчет суммарных параметров пылеулавливания;

-выводы с собственной оценкой эффективности пылеосадительных ка-

мер.

5

1. Принцип действия гравитационных пылеуловителей

Осаждение пыли из газовых потоков гравитационным методом основано на преимущественном воздействии силы тяжести на частицы пыли. В общем случае в движущемся или неподвижном объеме газа на частицы пыли воздей-

ствуют сила тяжести FТ, сила аэродинамического давления газа Fдин и сила аэродинамического сопротивления (трения) FТР. При изменении скорости дви-

жения частицы и направления ее движения возможно проявление сил инерции.

Величину силы тяжести выясняют, учитывая сферическую форму части-

цы, силу Архимеда FA и плотность материала частицы:

ственно, кг/м3; Если частица имеет пористую структуру, то в уравнении (1)

стью wГ на неподвижную частицу (wЧ=0), определяется величиной динамиче-

ского давления, Па:

где fч – площадь фронтальной поверхности частицы, м2.

Сила аэродинамического сопротивления движению частицы (сила тре-

ния) обусловлена различием скоростей газа и частицы. Поэтому уравнения

6

(2, 3) справедливы для случая, когда неподвижная частица обтекается потоком газа (рис.1, а). В случае движения частицы со скоростью wЧ в неподвижном объеме на ее фронтальной поверхности проявляется сила вязкостного трения,

которую принято выражать в виде доли от силы аэродинамического воздей-

ствия:

где CД - коэффициент пропорциональности (коэффициент аэродинамиче-

ского сопротивления, безразмерный параметр), зависящий от режима движения газа относительно частицы.

В движущемся горизонтально газовом потоке на частицу пыли воздей-

ствует сила тяжести и сила аэродинамического давления (рис.1, в). Если эти си-

лы равны, то частица движется со скоростью газа. При этом сила трения не проявляется. В гипотетическом случае, когда поток газа движется вертикально снизу вверх, частица пыли может висеть неподвижно при условии, что сила тя-

жести уравновешивается силой аэродинамического давления (рис.1, в).

Если же в неподвижный объем газа (жидкости) поместить частицу пыли определенной крупности, то эта частица будет опускаться (рис.1, б) под дей-

ствием силы тяжести, но ее движение будет тормозиться молекулами газа (си-

лой трения). В результате взаимодействия этих сил частица будет опускаться

(оседать) с определенной постоянной скоростью, называемой скоростью вита-

ния wв (скоростью оседания, скоростью седиментации). При установившемся режиме оседания скорость витания wв может быть определена из баланса дей-

ствующих сил:

7

Рис.1. Возможные случаи силового воздействия потока газа на частицу пыли:

а – горизонтально движущийся поток газа. Частица пыли движется со скоростью газа при условии wГ>wв (Fдин > FТ);

б – горизонтально движущийся поток газа. Частица пыли (выходит из га-

зового потока, сепарируется) при условии wГ<wв (Fдин< FТ);

в – движение газового потока по вертикали снизу вверх. Частица пыли висит неподвижно («витает») при условии wГ = wв (Fдин< FТ);

г – вертикальное движение (осаждение) частицы в неподвижном объёме газа, жидкости (wГ = 0) со скоростью седиментации wв при FТ = FТР

8

В результате преобразования уравнения (6) получают расчетное уравне-

ние для скорости витания:

В этом уравнении вместо диаметра сферической частицы d учтена так называемая фракционная крупность частицы , так как фактически частицы пыли имеют широкий спектр формы, обусловленной как процессом образова-

ния пыли, так и их последующей коагуляцией (укрупнением) в газовых выбро-

сах технологических агрегатов.

Обычно параметр δ принимают соответственно размеру ячеек аналитиче-

ских сит при определении гранулометрического состава пыли. Очевидно, ско-

рость витания wв является аэродинамической характеристикой крупности (мас-

сивности) частиц пыли. Величина коэффициента аэродинамического сопротив-

ления СД количественно отражает динамическое воздействие газа на частицы пыли при различающихся скоростях движения потока газа и частиц. Зависи-

мость коэффициента СД от влияющих параметров устанавливают теоретически или опытным путем (см. с. 12).

Очевидно в движущемся по горизонтали потоке газа, поступающем на пылеочистку, могут находиться только те частицы пыли, у которых скорость витания меньше скорости газа в подводящем газоходе. Для гравитационного осаждения этих частиц в пылеосадительном пространстве скорость движения газа необходимо существенно уменьшить. Этого добиваются увеличением про-

ходного сечения при выходе газа в пылеосадительное пространство (рис. 2).

Теперь из газового потока будут осаждаться те частицы, скорость витания wв

которых будет превышать скорость газа в пылеосадительном пространстве wГ.

Для полного удаления из газового потока частиц определенной крупности δ при заданной высоте пылеуловителя необходима длина осаждения Lакт, соответ-

ствующая требуемой длительности осаждения τос согласно условию:

где Н – высота первоначального (исходного) расположения частицы в пылеосадительном пространстве (рис. 2). При наличии в газовом потоке частиц разной крупности δ (полидисперсная пыль), с различающейся плотностью ρм и,

соответственно, с различной скоростью витания WВ, полное осаждение всех фракций пыли в пылеосадительном пространстве определенной (заданной)

протяженности Lакт нереально. Так, при большой высоте камеры H возможно,

что все частицы заданной крупности при недостаточной длине Lакт не успева-

ют выйти из газового потока даже при условии wв> wГ (рис. 3).

Рис. 2. Осаждение частицы пыли определенной крупности, первоначаль-

но находящейся на высоте Н. Все частицы этой и большей крупности осажда-

ются при длине камеры Lакт с эффективностью 100% при wв>wГ

Рис. 3. Осаждение частиц одинаковой крупности (с одинаковой скоро-

стью витания), первоначально находящихся на разной высоте: 1 – длина каме-

ры недостаточна для осаждения частиц пыли с высоты H; 2 – длина камеры до-

статочна для осаждения частиц пыли с высоты H1

10