Состояние исследований в области конструирования циклонных пылеуловителей, цели и задачи исследования (стр. 3 )

Вихревые пылеуловители ВЗП-Б (рис.5, в) разработаны для очистки дымовых газов от золы и для улавливания мелкодисперсной пыли в

энергетических установках.

Вихревые пылеуловители конструкции МИХМ (рис.5, г) предназначены для улавливания пыли в системах пневмотранспорта и в аспирационных установках в химической и смежных отраслях промышленности.

Вихревые пылеуловители «Вихрь» (рис.5,д) –аппараты общепромышленного назначения.

К основным преимуществам ВПУ перед циклонами следует отнести:

1) более интенсивную сепарацию частиц по высоте аппарата;

2) более эффективное улавливание тонкодисперсной пыли (менее 5 мкм);

3) широкий диапазон нагрузок по газу и дисперсной фазе;

4) меньшую энергоемкость.

Применение ВПУ, использующих для создания внешней спирали чистый воздух, перспективно для очистки высокотемпературных газов, так как изолирует стенки аппарата от воздействия запыленных горячих газов.

а  б  в  г  д

Рис. 5 - Вихревые пылеуловители [14]:

а – ВЗП; б – ВЗП-М; в – ВЗП-Б; г – ВПУ конструкции МИХМ; д – «Вихрь»:

1 – корпус; 2 – патрубок для подачи газа; 3 – патрубок для отвода газа

Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами, предназначенными для очистки выбрасываемого в атмосферу воздуха от производственной пыли. Они просты, экономичны и во многих случаях обеспечивают достаточно высокую эффективность.

К их недостаткам следует отнести сравнительно узкую область применения, ограниченную для каждого типа циклона определенными свойствами пыли, с учетом которых он разрабатывался. Поскольку производственная пыль и мелкие отходы обладают многообразными свойствами, для их осаждения потребовалось разработать значительное число типов циклонов. Например, широко применяющийся циклон ЦН–11 предназначен для осаждения сухих неабразивных зернистых пылей и золы. Его не рекомендуется применять для осаждения абразивных, волокнистых, слипающихся, сваливающихся в клубки пылей, а также при наличии в пыли крупных частиц с высокой удельной парусностью (древесная и бумажная стружка и пыль, отходы текстильной, кожевенной, пищевой, меховой, хлопкоперерабатывающей промышленности и др.).

Многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские институты разрабатывали свои конструкции циклонов: СИОТ, ЛИОТ, МИОТ, Гипродревпром, НИИОгаз и другие. Многообразие конструкций и ограниченность области применения, а также отсутствие научно обоснованных методик технико-экономического сравнения затрудняют проведение унификации циклонов и организацию их серийного изготовления.

В ряду конструкций циклонов выделялся надежностью и универсальностью по отношению к свойствам пылей так называемый циклон с обратным конусом (циклон ОК) [1] (обратного конуса в этом циклоне нет, есть отбойный конус, но такое название в технической литературе закрепилось). Этот циклон (рис.6) широко применялся для обеспыливания воздуха в различных отраслях промышленности. Выполненные рядом организаций лабораторные и производственные испытания и многолетний опыт эксплуатации выявили существенные преимущества этого циклона перед циклонами с суживающимися книзу корпусами (коническими). Следует заметить, что в зарубежной литературе, в том числе в США, подобная конструкция циклона не встречается (см., например, В. Страус. Промышленная очистка газов. – М., Химия, 1971. 616 стр.).

Автором выполнены обширные теоретические и экспериментальные исследования, позволившие выявить не только достоинства, но и недостатки конструкции циклона ОК и определить пути их устранения. В результате исследований разработана математическая модель процесса сепарации пыли и создана конструкция универсального циклона (УЦ). На основании общей математической модели разработаны методика расчета эффективности осаждения пыли в пылеотделителях, методика их технико-экономического сравнения и методика определения оптимальных режимных параметров. Совместно с институтом Роспромпроект разработаны типовые рабочие чертежи универсального циклона (серия 5904‑72.93), утвержденные Госстроем РФ. В альбом рабочих чертежей включены перечисленные методики, конкретизированные применительно к универсальному циклону.

1.1.4. Конструкция и характеристика универсального циклона

К достоинствам циклона с обратным конусом относятся: сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление [2], [3]; высокая степень очистки (выше, чем у циклонов ЦН‑15 и СИОТ) 3; низкая изнашиваемость при осаждении абразивных пылей [4], [5]; слабое влияние на степень очистки подсосов воздуха через неплотности в бункере 3, [6]; отсутствие зависания слипающихся и сваливающихся пылей, а также различных мягких и гибких отходов малой насыпной плотности (например, бумажные стружка и пыль в полиграфии) при проходе их через пылевыпускной канал в бункер [7], [8], [9]; непрерывное возрастание степени очистки при увеличении скорости воздуха в циклоне до значений, превышающих таковые у конических циклонов 9.

Рис. 6. Циклон с обратным конусом.

Рассмотрим подробнее преимущества этого циклона в сравнении с циклонами других типов. В процессе эксплуатации конических циклонов происходит интенсивная истираемость стенок входного узла и участка вблизи пылевыпускного отверстия. Например, циклоны ЦН‑15 диаметром 700‑800 мм из углеродистой стали со стенками толщиной 5 мм при очистке воздуха от пыли, образующейся при зачистке деталей на абразивных станках, истираются насквозь через 3‑4 месяца, а через 5‑6 месяцев требуется их полная замена 5. При улавливании пыли от зачистных станков М‑7400 циклоны ЛИОТ и СИОТ выходили из строя через 1,5‑2 месяца и их эффективность была в пределах 70%‑85% 4.В отличие от конических циклонов стенки циклона ОК слабо истираются даже при осаждении высокоабразивных пылей, так как скорости воздушного потока во входном патрубке и в нижней части корпуса циклона невелики и отсутствуют участки с малыми радиусами закругления. Например, при замене циклонов ЛИОТ и СИОТ циклоном ОК эффективность очистки повысилась до 93%‑97% при сопротивлении 75‑80 даПа. После года эксплуатации заметного истирания стенок этого циклона не обнаружено 5.Наличие не плотностей в бункере циклона ОК не вызывает возникновения больших подсосов вследствие того, что скорость воздушного потока по мере его продвижения вниз уменьшается и давление возрастает (в соответствии с законом Бернулли). Например, при сравнительных испытаниях циклонов ЦН‑15 и ОК, установленных на нагнетательном участке сети, обнаружено, что в центре дна бункера циклона ЦН‑15 разрежение составляло 196,2 даПа (сопоставимо с сопротивлением циклона), а в той же точке дна и на стенках бункера в циклоне ОК давление было положительным, равным 166,8 даПа 3. Если подсосы появляются, то их количество до 15% от расхода очищаемого воздуха в циклоне ОК практически не снижает его эффективности 3, 6. Объясняется это тем, что поток воздуха, проникающего через неплотности в бункере, проходит в циклон через центральное отверстие в отбойном конусе, не препятствуя движению пыли в бункер (рис. 7,а).

В конических циклонах в области пылевыпускного отверстия происходит взаимодействие восходящего потока подсасываемого воздуха и нисходящего слоя осажденной пыли, в результате чего значительная часть этой пыли вновь подхватывается центральным вихрем и выносится из циклона (рис. 7,б). Это явление усугубляется тем, что при внезапном расширении пылевоздушного потока, выходящего из конического корпуса в бункер, возникают отрывные циркуляционные зоны, турбулизирующие воздушную среду в бункере, вследствие чего значительная доля поступившей в бункер пыли вновь переходит во взвешенное состояние и выносится в выхлопную трубу.

Рис.7-Движение пылевоздушных потоков (их направление показано стрелками) в бункере циклона с обратным конусом (а) и конического (б).

С целью устранения влияния подсосов воздуха в некоторых конструкциях циклонов осуществляют дополнительный подвод воздуха либо через бункер (СИОТ), либо через закручивающий аппарат в нижней части цилиндрического корпуса (ВЗП). Это не только усложняет конструкцию, но и снижает надежность работы циклона вследствие увеличения вероятности закупорки зауженных пылевыпускных отверстий.

В циклонах с коническими корпусами часто возникает закупорка пылевыпускного отверстия при осаждении слипающихся пылей и пылей с частицами малой плотности и большой парусности (древесная и бумажная стружка и пыль, волокнистая пыль хлопкозаводов и текстильных предприятий, пыль от полировальных станков и т. п.). Это объясняется тем, что внутренний воздушный вихревой поток, опираясь на стенки циклона вблизи пылевыпускного отверстия, о6разует стационарное вихревое кольцо, препятствующее продвижению пылевого слоя в бункер. На рис. 8,а видно, что равнодействующая центробежной силы и силы реакции стенки корпуса циклона в зоне расположения вихревого кольца направлена вверх и при определенных условиях она может превышать силу тяжести слоя частиц.

Рис. 8. Параллелограмм сил, действующих на частицу пыли при ее скольжении по стенке конического циклона (а) и циклона с обратным конусом (б).

Поэтому легкие частицы с большой парусностью (парусность ‑ отношение миделева сечения частицы к её массе) приобретают скорость, близкую к радиальной скорости воздушного потока и вращаются в этом кольце до тех пор, пока не произойдет их накапливание и закупорка ими пылевыпускного отверстия или пока значительная часть пыли не будет увлечена центральным вихрем в выхлопную трубу. По этой причине конические циклоны имеют низкую степень очистки воздуха от волокнистых, хлопьеобразных и подобных им пылей и отходов.

Чтобы избежать этого явления, расширяют пылевыпускное отверстие, как, например, у циклонов УЦ и УЦВ, применяющихся на хлопкозаводах для очистки воздуха от хлопковой пыли, и снижают скорость воздушного потока, что приводит к уменьшению общей