Способ обеспыливания воздуха

Способ обеспыливания воздуха

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано в различных технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых, сопровождаемых значительным пылевыделением. Цель изобретения - повышение эффективности очистки воздуха от мелкодисперсной пыли зат счет использования стефановского потока. Запыленный воздух пропускают через зону пересыщения , величину которого определяют по формуле L k (1 + Р (3PoDNCf(Ri + R) ), где k - эмпирический коэффициент, зависящий от вещественного состава пыли (1); Р - атмосферное давление; t - время нахождения в зоне пересыщения (конденсационной коагуляции ); Ро - давление насыщенных паров воды в воздухе на выходе из зоны пересыщения; D - коэфициент диффузии водяных паров в воздухе; Nc - счетная концентрация пыли; RI - размер наименьших частиц пыли; R - средний размер частиц пыли. 2 табл. Сд о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧ Е СКИх

РЕСПУБЛИК (sl)s В 01 0 47/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

1 (21) 4488065/26 (22) 28.09.88 (46) 23,04.91. Бюл. hh 15 (71) Институт геотехнической механики

АН УССР (72) И.Г. Славин, А.А. Андреев и С.М. Яцюк (53) 62 1.928.97(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Я 1032197, кл, Е 21 F 5/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 969997, кл. Е 21 F 5/00, 1982.

Довголюк Ю.А. и Ивлев Л.С. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. — Л.:

Ленинградский университет, 1977, с. 140-144.

Белоусов В.В, Теоретическиеосновы процессов газоочистки. — M.; Металлургия, 1988, 256 с.

Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М,:

АН СССР, 1953, Клименко B.Ï., Королев В.И, и Шевцов

B.È. Непрерывный контроль концентрации пыли. — K.; Техника, 1980, 181 с.

Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара.—

M,: Химия, 1972. 53-62 с.

Андреев А,А. Осаждение частиц пыли на каплях в условиях массообмена с вязким потоком, — Днепропетровск, /AH УССР

ИГТМ, 1980, с. 9.

Клебанов Ф.С, Геометрическая константа запыленности воздуха. — В кн.: Борьба с силикозом, т. 12. — M. Наука, 1986, с.

49-50.

Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами, — Л.: Гидрометеоиздет, 1986, с. 154.

Яворский И.А. и др. Улавливание аэрозолей в оловяной промышленности. — Новосибирск, Наука, 1974, с. 58 (прототип).

„„5U„„1643056 А1 (54) СПОСОБ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ВОЗДУХА (57) Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано в различных технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых, сопровождаемых значительным пылевыделением, Цель изобретения— повышение эффективности очистки воздуха от мелкодисперсной пыли зат счет использования стефановского потока. Запыленный воздух. пропускают через зону пересыщения, величину которого определяют по формуле С = k (1 + P (ЗР,ОМ„(И1+ R) t ), где k— эмпирический коэффициент, зависящий от ( вещественного состава пыли (=1); P — атмосферное давление; t — время нахождения в зоне пересыщения (конденсационной коагуляции); P0 — давление насыщенных паров воды в воздухе на выходе из зоны пересыщения; 0 — коэфициент диффузии водяных ( паров в воздухе; Мс — счетная концентрация пыли; R> — размер наименьших частиц пыли;

R — средний размер частиц пыли. 2 табл. и о

1643056

35

50

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано в различных технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых, сопровождаемых значительным пылевыделением, Цель изобретения — повышение эффективности очистки воздуха от мелкодисперсной пыли за счет использования стефановского потока.

Известны способы, заключающиеся в пропускании запыленного воздуха через зону пересыщения для конденсационного роста частиц и последующем их осаждении.

При разработке схем конденсационного пылеподавления в основном внимание сосредотачивается на использовании в полной мере аффекта конденсационного укрупнения (утяжеления частиц). В этом случае происходит сближение частиц под воздействием стефановского потока, однако в большинстве случаев этот процесс не заканчивается ввиду недостаточности времени при используемых относительно низких степенях пересыщения. Объясняется это тем, что при высоких степенях пересыщения возрастает вероятность гомогенной конденсации, что приводит к непроизводительному расходу пара, В случае же, когда во главу угла поставлен эффект слияния ча- стиц под воздействием стефановского потока, гомогенная конденсация не снижает эффективность способа, поскольку конденсируемый пар не используется для утяжеления частиц. Более того, эффективность может даже возрасти, так как при гомогенной конденсации резко возрастает число ядер конденсации, что приводит к сокращению времени, необходимого для завершения процесса коагуляции. Таким образом, при конденсационном укрупнении увеличивается весовая концентрация аэрозоля (утяжеление пылинок), а счетная остается без изменений, тогда как при коагуляционном воздействии резко уменьшается счетная концентрация аэрозоля (слияние частиц) при неизменной весовой концентрации.

При коагуляционном воздействии осуществляется также и конденсационное укрупнение частиц, т.е. практически речь идет о существенном преобладании того или иного процесса. При выходе из зоны пересыщения при конденсационном укрупнении размер частиц вновь уменьшается вследствйе испарения, при коагуляционном укрупнении испарение не приводит к разрушению образовавшихся агрегатов частиц.

Сущность способа заключается в том, что запыленный воздух пропускают через зону пересыщения, поддерживая в ней onределенную величину пересыщения. При попадании пылевых частиц в,эту зону, на них, как ядрах конденсации, начинает конденсироваться пар.

Коагуляция — это процесс соединения частиц при их столкновении. В зависимости от механизма, приводящего к относительному движению частиц и обеспечивающего тем самым возможность их столкновения, выделяют различные виды коагуляции. Так в работах(3)-(5) выделяют такие виды, как броуновская, акустическая, электрическая гравитационная (кинематическая) и турбулентная коагуляция, В работах(3) и(5) выделяется также градиентная, а в (3 ) и гидродинамическая коагуляция. Очевидно, что необходимо исключить те виды коагуляции, которые не могут протекать самопроизвольно, а требуют специального и целенаправленного воздействия. В данном случае необходимо исключить следующие виды коагуляции: акустическую, градиентную и гидродинамическую, Поскольку область применения предложенного способа ограничивается технологическими процессами, при которых выделяется большое количество мелкодисперсной пыли, то эффекты гравитационной коагуляции также можно не учитывать, Если сопоставить данные расчета времени, за которое счетная концентрация аэрозоля уменьшится в 2 раза за счет только броуновской коагуляции (это время составляет 6,5 ч) и только за счет конденсационной коагуляции (это время составляет 5,6 с), то не имеет смысла учитывать влияние броуновской коагуляции при моделировании коагуляции конденсационной, поскольку быстротечность ее более чем в 4000 раз больше (в данных условиях). Что касается турбулентной коагуляции, то без специальных мер по повышению уровня турбулентности потока размеры областей; в которых движение можно рассматривать как ламинарное, значительно превосходят средние расстояния между частицами (а именно, это расстояние берется з ьоснову для моделирования конденсационной коагуляции). При гидрообеспыливании в факеле форсунки размер этих областей достигает 760 мкм, а при движении через камеру конденсационной коагуляции размеры их будут значительно больше (что объясняется более низким уровнем турбулизации потока в камере, чем в факеле форсун ки).

Таким образом, существенное значение могут иметь лишь процессы электрокоагуляции за счет естественной электрозаряженности пылинок. Этот случай подробно рассмотрен в работе (3 ), в которой показа1643056 допущение о неподвижности частиц размером Rt относительно среды будет справедливо..

50 н о, что при биполярной зарядке аэрозоля разноименно заряженные частицы коагулируют в 1,271 раз быстрее, чем незаряженные, а одноименно заряженные — в 0,700 раэ медленнее, при этом суммарное увеличение скорости коагуляции составляет 1,02, т.е, суммарный эффект зарядки весьма незначителен и вряд ли может быть обнаружен экспериментально.

Рассмотрим движение двух частиц в.подвижной декартовой системе координат с началом отсчета в центре первой частицы, При конденсации пара на частице R2 вокруг нее возникает поле стефановского потока, воздействующего на частицу R>. Приняв, согласно (5 )что Ччас = Череды, частицы R t и R2 будут сближаться со скоростью V1 = f (Z, R2).

В выбранной системе координат Ч iz == -fz(Z, R2), где Z — расстояние до ядра конденсации, т.е. расстояние между центрами частиц R> и п2.

Относительно принятого допущения

Ччас = Череды отметим следующее.

Согласно (5) при рассмотрении движений, продолжительность которых велика по сравнению с t (временем релаксации), можно считать, что частицы неподвижны по отношению к среде. Такое движение назовем квазистационарным. Таким образом, необходимо определить более конкретно размеры мелкодисперсных частиц, для которых выполняется приведенное условие, С этой целью определяем изменение стефановского течения (Vcy) за время релаксации (ц ) для частицы размером R . В случае несущественности изменения VcT за время

Следовательно, в каждом конкретном случае, в эавимости от требуемой точности, можно определить область применимости разработанной модели взаимодействия частиц в попе стефановского потока.

Для определения величины изменения

Чет за время х записывают уравнение изменения скорости стефановского потока(8 j

d Z Ро Роо R

Vcn = — =О

dt Р 2

Z где Я вЂ” радиус частицы, на которой конденсируются водяные пары, равный среднему радиусу частиц аэрозоля, Обозначим для удобства

P0 — Р сов

Р

1 2

Тогда 41 = — Z d Z

5

z1 +1 г 1 3 з — .(Z 4Z = — (Zi+1 — Е1 ), Az ЗА (2) откуда а

Zl+1 = Zl +ЗАт

Приравняв t = r, получают, что за время г поток переместится с координаты Zi до Zi+>, и соответственно, скорость его в этой точке составит

z)+> А А

2 3 2 3

Z)+t (Z) +3At)

Примем, что допустимым является изменение за время т скорости стефановско1

ro потока на величину — М (из тех же

1 соображений, по каким вводится понятие времени релаксации частицы, т.е. введем нечто подобное времени релаксации потока).

Тогда можно записать, что Чц — V -+1I а допустимое время релаксации т составит

P з т 0,259 — Zi . (4)

Соответственно размер частиц, для которых справедливо принято допущение, определяется как

3 108(Р . . )1 2=

0 Ро L — 1 /Зчас R

=1,08(-? . )1/2

Чст Ptac (5)

Выполним, в качестве примера, расчет для следующих условий: Т = 26; 30 и 40 С, соответственно 0 = 0,24 . 10; 0,25 10 4 и

0,27 10 м /c; и = 1,81 10; 1,87 10 . и 1,95 10 кг/с.м; P = 2337; 4247 и

7378 н/м; P =101,3 . 10 н/м; 1 =1 1; 1,5

2,0;4,0;R=5 10 м, рчас=2,65 . 10 кг/м (гранит); Z = R, так как в этом случае кдопустимое будет минимальным, т.е, рассматриваем малый неблагоприятный случай, Данные расчеты представлены в табл, 1 и 2, Поскольку скорость стефановского течения сильно зависит от расстояния (Z ) до центра конденсации, то с удалением от этого центра интервал размеров частиц, движущихся практически со скоростью стефановского потока, расширяется. Это приводит к уменьшению величины погрешности от принятого допущения. фля условий; Т = 30 С; рчао = 2,65. 10 кг/м (гранит);

R - 5 мкм; и = 10 г/м;. 1 = 4; 2о - 518 мкм

3, (результаты представлены в табл. 2).

1643056

Определим по формуле (2) время, за которое частицы с Z = 2о достигают Z = 10R (на этом расстоянии принятое допущение справедливо для всех представляющих интерес с точки зрения пылеочистки частиц. — диаметром до 5 мкм), Это время составит 2,944 с. Время же для перемещения с Z = 10R до

Z = R, при принятом допущении равенства скоростей частиц и среды, составит 0,003 с, а общее время 2,947 с, Приняв погрешность общего времени в 200 > (что допустимо для промышленных условий), получим, что общее время увеличится с 2,947 до 3,536 с, При этом допустимая погрешность определения времени движения на участке с 2 = 10R до

Z = R составит

100 = 19547

0,003

Таким образом, можно считать доказанным правомочность допущения о равенстве скорости стефановского течения и увлекаемыми им частицами применительно к условиям пылеподавления для всего диапазона мелкодисперсных частиц (d 5 мкм), При конденсации пара на частице й1 вокруг нее также возникает поле стефановского патока, воздействующего на частицу Rz, Под действием этого потока частицы R> и Rz будут сближаться со скоростью Vz = f(Z, Rq). B выбранной системе координат Vzz = -fz(Z, R>).

Согласно предложенной модели частица находится в поле действия конденсации на другой частице, т.е. под воздействием одной силы, Если ввести взаимодействие других частиц, то независимо от их числа получают частицу, находящуюся под воздействием различных по величине и направлению сил, Эти силы могут суммироваться и тогда процесс ускоряется, а требуемая степень пересыщения снижается. Кроме этого, силы могут частичноуравновешиваться, тогда процесс замедляется,. а требуемая степень пересыщения возрастает, Однако, если учесть реальные уровни запыленности в промышленных условиях и соответствующие им расстояния между частицами (до

1OOR), то вероятность нахождения вблизи двух частиц, воздействующих на третью, очень мала. Кроме того, эти частицы также будут притягиваться одна к другой и в скором времени, в результате коагуляции между собой, будут представлять одну частицу, т.е. задача сведется к рассмотренной выше, Это подкрепляется приведенным расчетами времени сближения частиц.

Таким образом, суммарная скорость сближения составит Ук = — (V

Тогда с учетом выражения (1) изменение

5 суммарной скорости сближения во времени опишется уравнением — О +О

2 P 2

Z Z

Po — Poo

= — О

1, (R +Rz)

Z откуда можно получить, что (7) р 2 б1 †; — -Р- + 2 б2 °

Очевидно, что в начальный момент t =

О,Z = Zo. Величина Zo определяется, согласно (9 ) по формуле

20 2 g R (Рчас )1/3

6 A

У где R — средний размер частиц пыли, рчас — плотность вещества пыли;

n — масовая концентрация пыли.

25 В конечный момент вРемени trodi соответствующий моменту соприкосновения двух частиц, Z = R> + Rz, Приняв Rz = R, получают

Р Z=R>+R г р р р„- „,+ 3 2 2

Проведя интегрирование, получают з з

Поскольку член (q + n) << Z 0, им

°,з 3 можно пренебречь, Преобразовав сомножитель (,Poo — Ро) к виду Po(L — 1) и Z o = з

Йсч (9 ), приходят к выражению

L=1+

В общем случае скорость конденсации зависит от вещества состава ядер кондеса45 ции, С учетом этого обстоятельства получают

L=k(1+ где k — эмпирический коэффициент, эавися50 щий от вещественного состава пыли (-"13. зоны Взоны

Учитывая, что t =

Сгаэа где

О ааа — объемный расход газа; зоны — длина зоны пересыщения;

Ваоаы — площадь поперечного сечения зоны пересыщения, необходимая степень пересыщения составит

1643056

L >k(1+

Огаза

3 Po D Ncw ЯТ + Lao1181 Ва<,„ы

Конденсация пара на более крупных частицах идет интенсивней, чем на мелких, и при конденсационном укрупнении является нежелательной потому, что приводит к непроизводительному расходу влаги. Прл коаrYëÿöèонном укруllèåнии более интенсивная конденсация на крупных частицах не приводит к снижению эффективности способа и способствует снижению концентрации мелкодисперсной пыли.

Таким образом, пройдя зону пересыщения, значительно уменьшится счетная концентрац1ля пыли и практически все частицы мелких фракций укрупнятся в результате процесса коагуляции, что позволяе достичь повышения эффективности очистки воздуха от мелкодисперсной пыли.

П р и м e p. Осуществляют обеспыливание грохота ГИЛ-52. Согласно (10 j концентрация пыли в аспирационном воздухе составляет 10-11 г м, объем аспиоируемо° з

ro воздуха 3500 и /ч (или 0,97 м /с), температура воздуха 20 C. Согласно прототипу скорость газа в сечении коагуляционной камеры составляет 1,18 м/с, продолжительность коа гуля ции 5,7 с.

Следовательно, дллна коагуляционной камеры L- =6,73 м, а площадь поперечного сечения Язоны = 0,82 м, г

При среднем размере пыли R = 5 мкм, R<

= 0,5 мкм и k-=-1, необходимая степень пересы щения

101,3 10 0,9Т

3 233Т 024 10 Т.2 10 (5+0.5) !О . 8.ТЗ 0,82 где «Р = 101,3 10 — атмосферное давление;

Огаза = 0,97 — расход газа;

Po=2337-давленле насыщенного пара при t = 200С;

О = 0,24 10 — коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при Т = 20 С; к1сг З = 7,2 10 Шт/М и . 9 з — c

-3 счетная концентрация пыли;

n = 10 гlм — массовая концентрация з пыли;

p1ac 2,65 10 г/м — плотность пыли

6 3 (ГPBHNT); (й2+ R) = (5+ 0,5) 10 б — сумма наименьшего и среднего размера пылинок; зоны- 6„73 и — длина коагуляционной камеры;

Взоны = 0,82 м — площадь поперечного г сечения коагуляционной камеры, 10

1Г

J0

Таким образом, - . 3 7, Для созд" íèÿ такого пересыщения необходимо подать 41,3 гlм пара. Причем разность парциальных давлений насыщенного и ненасыщенного пара Ро (L — 1) =

=6309,9 кг/м или 464,09 мм рт.с-., а избыточное влагосодержание

X = 0,622 — " г — — 41. г м .

B hnapa

С учетом объемного расхода запыленного воздуха расход пара Qnapa ==41,3 х 0,97 = 40 гlс. При этом минимальный размер частиц на выходе из коагуляционной камеры превышает средний размер частиц исходного аэрозоля.

При очист«е воздуха с постоянными расходом, запыленностью и температурой надобность в непоерывной фиксации степени пересыщения отсутствует. При значительных «олебаниях одного из у«азанных параметрсв необходимо установить в камере коагуляции приборы, фиксирующие зти параметры: расходомер воздуха. пылемер, термометр и психрометр для определения влажности. Причем зти приборы могут быть как дискретного, так и непрерывного действия. Принципы и псрядок выбора этих приборов npименительно к условиям эксплуатации подробно изложены в (6 ), Анализируя данные приборов (при помощи

3ВМ, микропроцессоров либо человека), можно оперативно контролировать с епень пересыщения (ка«существующую, так и требуемую). Оперативное изменение степени пересышения производится путем изменения температуры парогазовой смесй. Например, изменение температуры парогазовой смеси может происходить в результате адиабатичес«ого расширения, лучеиспускания, добавления к смеси более холодного инертного газа, а также соприЮ косновен1ия газовой смеси с более холодной поверхностью.

Повысить давление пара в воздухе можно либо в результате химической реакции с выделением пара, либо путем непосредственного введения пара в поток, При создании пересыщения путем ввода пара для регулирования степени пересыщения необходимо менять расход пара. При этом возможно создание автоматической системы, для чего необходимо в паропроаоде установить электровентиль, а цепь его управления соединить с выходным сигналом системы фиксации пересыщения, Для повышения однородности поля пересыщения можно разделить камеру коагуляции на несколько секций по длине, причем снабдить каждую системами определения требуемой степени

1643056

Таблица1

Таблица2

Составитель В. Лукьянов

Техред М, Моргентал Корректор М, Пожо

Редактор А. Мотыль

Заказ 1194 Тираж 447 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1 пересыщения (по расходу газа и времени нахождения его в камере, запыленности и температуре потока), созданной степени пересыщения (по исходной и конечной, например, влажности и температуре потока) и 5 системой регулирования подачи пара или хладагента.

Формула изобретения Способ обеспыливания воздуха, вклю- 10 чающий пропускание запыленного воздуха через зону пересыщенного пара и последующее улавливание пылевых частиц, от л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности очистки воздуха от мелко- 15 дисперсной пыли за счет использования стефановского потока, величина пересыщения пара L определяется из условия

1 k(1+ P(3PpONggR) + R) l) ), где k — эмпирический коэфициент, зависящий от вещественного состава пыли (в1);

Р— атмосферное давление, Па;

Р, — давление насыщенных паров воды в воздухе на выходе из зоны пересыщения, Па;

0 — коэффициент диффузии водяных паров в воздухе,м /c;

N« — счетная концентрация пыли, 1/м; э, R> — размер наименьших частиц пыли, м;

5 — средний размер частиц пыли, м; с — время нахождения в зоне пересыщения (конденсационной коагуляции), с.