Особенности улавливания частиц дисперсной фазы при разделении дымовых газовых потоков перфорированными фильтровальными перегородками

Развитие химической промышленности связано с большими затратами энергии, что ставит задачи как рационального использования уже сгенерированной энергии, так и расширение способов ее получения, например через использование нетрадиционных видов топлива.

Современные энергетические установки, использующие в качестве источника энергию сгорания различного вида топлива, характеризуются наличием выбросов в атмосферу продуктов сгорания, представляющих собой сложную аэро-дисперсную систему (аэрозоль), включающую твердые частицы, отрицательно влияющие на экологическую обстановку в местах размещения установок.

В качестве оборудования очистки газов от твердой дисперсной фазы применяют аппараты инерционного действия (циклоны, вихревые аппараты), мокрого типа (скрубберы) очистки, а также фильтры различной конструкции (пористые и электрофильтры). Пористые фильтры считаются наиболее эффективными и менее зависящими от изменений параметров дымовых газов и условий эксплуатации [1–4]. Совершенствование фильтровального оборудования идет по пути разработки новых фильтровальных материалов, имеющих уникальные особенности эксплуатации.

Методы

Одним из перспективных фильтровальных материалов для очистки высокотемпературных дымовых газов от твердых частиц являются перфорированные фильтровальные перегородки (рисунок 1), имеющие ряд особенностей применения и действия.

(a)                                                     (b)

Рисунок 1. Различные формы отверстий перфорированных металлических фильтровальных решеток: (a) – круг, (b) – треугольник

Figure 1. Various shapes of holes of perforated metal filter gratings: (a) – circle, (b) – triangle

В механике аэрозолей степень очистки п рассматривают как функцию нескольких величин эффективности, отражающих действие различных физических эффектов, называемых механизмами улавливания частиц дисперсной фазы [1, 3, 5–8]. Осаждение твердых частиц дымовых газов при их улавливании с помощью фильтровального материала осуществляется под действием механизмов инерции, диффузии, зацепления, гравитационного осаждения, электрических сил и турбулентной миграции (диффузии) [6]:

П = nstk + Vd + Hr + П + Пе + Пум... (1) V ti+ где п* — эффективность инерционного действия; п — эффективность диффузионного механизма; п — эффективность механизма зацепления; n — эффективность механизма гравитационного осаждения; Пе — эффективность действия электростатических сил; п м -Vti+ эффективность действия турбулентной миграции.

Рассмотрим основные механизмы улавливания частиц дисперсной фазы при разделении дымовых газовых потоков перфорированными фильтровальными перегородками.

Силы инерции являются проявлением доминирующего механизма осаждения твердых частиц из потока дымовых газов на перфорированных перегородках [9]. На рисунке 2 показано сравнение действия этого физического эффекта для одиночного волокна тканевого фильтра и отверстий перфорированного фильтровального материала моделирующее характер течения во внешней и внутренней гидродинамических областях [10].

(a)

(b)

Рисунок 2. Особенности течения потока аэрозоля через тканевый фильтр (a) и через перфорированную перегородку (b)

Figure 2. Features of the aerosol flow flow through a fabric filter (a) and through a perforated partition (b)

Схема показывает различие между линиями тока газа и траектории движущейся твердой частицы. При обтекании волокна при приближении к нему линии тока расширяются, при течении же через отверстие линии тока стягиваются до диаметра отверстия. При этом происходит частичное торможение потока, частицы не могут строго следовать линии тока за счет инерции собственной массы, они смещаются и, если они находятся в границах, так называемой предельной траектории у 0 , осаждаются на поверхности волокна или перегородки.

Параметр у 0 показывает предельное расстояние между частицами и определяет траекторию, по которой происходит соприкосновение между поверхностью частицы и поверхностью осаждения.

Для оценки влияния отдельных механизмов улавливания на общую степень осаждения в теории механики аэрозолей используют ряд безразмерных коэффициентов, которые для перфорированных металлических фильтровальных перегородок были приведены к соответствующему виду.

Вероятность столкновения частиц дисперсной фазы с поверхностью осаждения определяется параметром инерционного осаждения, характеризующимся критерием Стокса

Stk = ( d²v_oP₄ )/( Ц г d o ) (2) где d ч – условный диаметр частиц дисперсной фазы, м; р ч - плотность частиц, кг/м²; d o - диаметр отверстия, м; v o – скорость газового потока при прохождении через отверстия, м/с; ц , - динамическая вязкость газа, Па - с.

Для отверстий с формой сечения отличной от круга вводится понятие гидравлического диаметра d г (рисунок 1б)

d_г = 4 S / П              (3)

где S – площадь сечения отверстия, П – смоченный периметр.

По мере накопления осадка на поверхности фильтра осаждаемые частицы удерживаются за счет сил аутогезии (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема напряженного состояния слоя осадка твердых частиц у поверхности фильтровального материала: 1 – поверхностный слой осажденных частиц; 2 – элемент фильтровального материала; 3 – свод из частиц

Figure 3. Diagram of the stress state of the solid particle sediment layer at the surface of the filter material: 1 – a surface layer of deposited particles; 2 – an element of the filter material; 3 – a vault of particles

Расчетное уравнение аутогезионной прочности осадка твердых частиц на поверхности фильтровального материала имеет вид [11]:

T = F ТР · F ( ε )· Y ·tg γ ч ,            (4)

где F ТР – сила трения; F ( ε ) – площадь контакта зацепления (зависит от вида упаковки частиц); Y – коэффициент текучести; γ – угол трения частицы.

При этом

F ТР = Δ P ·π d ч ² /4,             (5)

где ΔP – перепад давления на осадке; dч – диа- метр частицы, м.

Величины Y и γ ч определяются при построении линий предела текучести для конкретной пыли [12].

При этом вводится эффективный коэффициент Стокса

Stk eff = T·Stk .                 (6)

Коэффициент осаждения за счет инерци- онных сил при учете адгезионных сил может быть определен [13]

Stk e ³ f ^, f ^{55 η Stk}    Stk ^3,55 + 1,67 ^.

Перфорированная металлическая фольга обладает гладкой поверхностью и равномерной структурой, которые обеспечивают осаждение пыли на поверхности материала, в отличие от фетровых или тканевых фильтровальных материалов, для которых характерно осаждение пыли в толще материала (глубинная фильтрация)

с непрерывно меняющимися расположением и размером пор.

На рисунке 4 показана кинетика изменения остаточной концентрации твердых частиц в газе Zф после прохождения фильтровальной перегородки.

Рисунок 4. Кинетическая зависимости выходной концентрации твердых частиц при различной скорости фильтрования (диаметр отверстий перегородка d=80 мкм): 1 – 0,0075 м/с, 2 – 0,01 м/с, 3 – 0,0125 м/с, 4 – 0,015 м/с, 5 – 0,02 м/с

Figure 4. Kinetic dependence of the output concentration of solid particles at different filtration rates (diameter of the partition holes d = 80 microns): 1 – 0.0075 m/s, 2 – 0.01 m/s, 3 – 0.0125 m/s, 4 – 0.015 m/s, 5 – 0.02 m/s

Из графиков видно, что за короткий промежуток времени на поверхности фильтровальной перегородки из осажденных частиц образуется элементарный слой – слой автофильтра, представляющий из себя по сути вспомогательную фильтровальную перегородку. В этих условиях доминирующую роль приобретает ситовой эффект, являющийся частным случаем механизма зацепления.

Особенностью перфорированных металлических перегородок является возможность наложения электрического заряда на перегородку и совмещение фильтрования с электрической очисткой. При этом осаждение твердых частиц под действием электростатического заряда растет с увеличением размера частиц и уменьшением скорости их движения и состоит из трех этапов [14–20]:

─ электризация и зарядка частиц дымовых газов;

─ движение частиц дымовых газов под действием электростатического поля;

─ осаждение частиц дымовых газов под действием электростатического поля.

При электростатическом осаждении частицы приобретают в течение всего периода прохождения дымовых газов.

По механизму приобретения заряда выделяют следующие способы зарядки частиц [15]:

─ зарядка частиц путем поляризации в электрическом поле между разнополюсными электродами (индукционная зарядка);

─ зарядка частиц при осаждении на их поверхности заряженных ионов газов (ионная зарядка).

Ионная зарядка основана на совместном действии механизма ударной ионизации в поле коронного разряда и диффузии ионов на поверхности частиц [1–3, 12, 13], что наиболее действенно для частиц дымовых газов с радиусом r < 1 мкм. При этом основной источник заряда на частицах зависит от величины напряженности электрического поля и поляризации частицы [1,9].

Решение дифференциального уравнения относительного движения частиц позволяет определить момент времени t 0 , через которое частицы, находящиеся друг от друга на расстоянии ρ o соприкоснуться:

t 0 =

πµ г ρ 0 ⁵    5 ⋅ 10 ^{- 4} ρ 0 ⁵

10 E ² r ⁵     E ² r ⁵

где µ г – кинематическая вязкость дымовых газов; ρ o – расстояние между частицами, м; r – радиус частиц дымовых газов, м; Е – напряженность электрического поля, Н / Кл.

Таким образом, можно сделать вывод, что механизм движения частиц дымовых газов в электростатическом поле заключается в сближении частиц под действием диффузии на такое расстояние, на котором электрические силы достигают заметной величины, после чего движение частиц приобретает упорядоченный характер.

В корпусе аппарата размещена металлическая перфорированная перегородка, на поверхности которой при движении через неё дымового потока осаждаются твердые частицы. Осаждение состоит из двух стадий: подхода частиц к поверхности и после осаждения удержания их на поверхности перегородки.

Наиболее приемлемым из всех видов электростатического взаимодействия является эффект поляризации при наложении внешнего электростатического поля на перегородку (рисунок 5).

Рисунок 5. Кинетическая зависимости выходной концентрации твердых частиц при различном входном напряжении (диаметр отверстий перегородка d о =80 мкм): 1 – без напряжения 2 – U=25 кВ, 3 – U=30 кВ, 4 – U=35 кВ, 5 – U=50 кВ

Figure 5. Kinetic dependence of the output concentration of solid particles at different input voltage (diameter of the partition holes do = 80 microns): 1 – without voltage 2 – U=25 kV, 3 – U=30 kV, 4 – U=35 kV, 5 – U=50 kV

Графики, представленные на рисунке 5 показывают, что увеличение параметров электростатического поля способствуют увеличению эффекта осаждения в несколько раз.

При рассмотрении отдельной фракции, характеризующейся примерно одинаковым размером частиц дымовых газов, если концентрация частиц равномерна распределена по всему сечению аппарата, скорость газа и0 и скорость движения частиц, приобретаемая в результате воздействия электрического поля, (скорость дрейфа) v постоянны, и если вторичный унос осевших частиц отсутствует, то можно получить уравнение эффективности электростатического улавливания [1, 3]:

П эл = ¹ - exp

-

^V ] u 0 h J

где l – длина зоны осаждения, м; v и u 0 – скорость соответственно дрейфа частиц и потока очищаемого газа, м/с, соответственно; h – расстояние между частицами.

В реальных газовых гетерогенных системах происходит изменение концентраций частиц дисперсной фазы по профилю движения потока в сечении аппарата, определяющееся различием скоростей частиц и фактической скорости потока.

Далее проводится суммирование эффективностей от действия рассмотренных механизмов улавливания.

Выше описанные подход отражает расчет эффективности осаждения частиц одного размера или одной фракции. Для реальных дымовых и пылегазовых потоков, характеризующихся полидисперсностью приводится интегральное значение полной эффективности улавливания [5, 13], которую можно верифицировать замерами концентраций на входе и выходе из фильтра.

n = J n f ( r ) dr (10)

где Σ η i – суммарная эффективность действия механизмов улавливания определенной фракции частиц; f(r) – функция плотности распределения частиц по фракциям.

Заключение

• 1.    Доминирующим механизмом осаждения частиц дымовых газов является инерционный механизм. Конструктивные особенности перфорированных перегородок позволяют более полно использовать преимущества данного физического эффекта.

• 2.    Притяжение частиц дымовых газов в поле действия электростатического поля повышает эффективность осаждения и способствует более быстрому формированию автофильтра.

• 3.    Механизмы инерции и электростатического осаждения оказывают наибольшее влияние в начальный период процесса фильтрования, до формирования слоя автофильтра. В дальнейшем основным механизмом осаждения частиц дисперсной фазы является ситовой механизм.