Способ обеспыливания воздуха Советский патент 1991 года по МПК B01D47/00 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано в различных технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых, сопровождаемых значительным пылёвыделением.

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 эффекта 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 частиц 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 вследствие 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 определенную 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,

0 выделяют различные виды коагуляции. Так в работах выделяют такие виды, как броуновская, акустическая, электрическая гравитационная (кинематическая) и турбулентная коагуляция. В работах 3 и 5 вы5 деляется также градиентная, а гидродинамическая коагуляция. Очевидно, чтр необходимо исключить те виды коагуляции, которые не могут протекать самопроизвольно, а требуют специального и

0 целенаправленного воздействия. В данном случае необходимо исключить следующие виды коагуляции: акустическую, градиентную и гидродинамическую, Поскольку область применения предложенного способа

5 ограничивается технологическими процессами, при которых выделяется большое количество мелкодисперсной пыли, то эффекты гравитационной коагуляции также можно не учитывать. Если сопоставить дан0 ные 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 со5 ставляет 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

0 касается турбулентной коагуляции, то без специальных мер по повышению уровня турбулентности потока размеры областей, в которых движение можно рассматривать как ламинарное, значительно превосходят

5 средние расстояния между частицами (а именно, это расстояние берется з%основу для моделирования конденсационной коагуляции). При гидрообеспыливании в факеле форсунки размер этих областей достигает 760 мкм, а при движении через

0 камеру конденсационной коагуляции размеры их будут значительно больше (что объясняется более низким уровнем турбулизации потока в камере, чем в факеле форсунки).

5 Таким образом, существенное значение могут иметь лишь процессы электрокоагуляции за счет естественной электрозаряжен- ности пылинок. Этот случай подробно рассмотрен в работе 3}, в которой показано, что при биполярной зарядке аэрозоля разноименно заряженные частицы коагулируют в 1,271 раз быстрее, чем незаряженные, а одноименно заряженные - в 0,700 раз медленнее, при этом суммарное увели- чение скорости коагуляции составляет 1,02, т.е. суммарный эффект зарядки весьма незначителен и вряд ли может быть обнаружен экспериментально.

Рассмотрим движение двух частиц в по- движной декартовой системе координат с началом отсчета в центре первой частицы. При конденсации пара на частице R2 вокруг нез возникает поле стефановского потока, воздействующего на частицу RI. Приняв, со- гласно 5 что V4ac Усреды, частицы RI и R2 будут сближаться со скоростью Л f (Z, Ra). В выбранной системе координат Viz -fz(Z, R2), где Z - расстояние до ядра конденсации, т.е. расстояние между центрами частиц RI и R2.

Относительно принятого допущения V.ac VcpeAbi отметим следующее.

Согласно Б при рассмотрении движений, продолжительность которых велика по сравнению с т (временем релаксации), можно считать, что частицы неподвижны по отношению к среде. Такое движение назовем квазистацмонарным. Таким образом, необходимо определить более конкретно размеры мелкодисперсных частиц, для которых выполняется приведенное условие. С этой целью определяем изменение стефановского течения (VCT) за время релаксации ( Г) ) для частицы размером RI. В случае несущественности изменения VCT за время т допущение о неподвижности частиц размером Rt относительно среды будет справедливо Следовательно, в каждом конкретном случае, в завимости от требуемой точности, можно определить область применимости разработанной модели взаимодействия частиц в поле стефановского потока.

Для определения величины изменения VCT за время т записывают уравнение из- менения скорости стефановского потока {8}

,, d Z n Po-Poo R Vcn--Tr-Dp2A D.

R

где R - радиус частицы, на которой конденсируются водяные пары, равный среднему радиусу частиц аэрозоля.

Обозначим для удобства Ро-Роо 1 2

Тогда d t д Z d Z

rz, + i2

/ (Zi + i -Zi ),

А 2 - Z|J M

(2) откуда

Zi + i Vzf -f3At - Приравняв t г, получают, что за время поток переместится с координаты Zi до Zi+i, и соответственно, скорость его в этой точке составит .. Z + 1 АА

VCT 23273

Z i + 1 ( Zi + 3 A t )

и

Примем, что допустимым является изменение за время г скорости стефановского потока на величину -т- Vi (из тех же

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

Тогда можно записать, что VZ| у Vz t + 1 (

а допустимое время релаксации т составит

Рз

rZi т 0,259

(4)

D Ро ( L - 1 )ТГ Соответственно размер частиц, для которых справедливо принято допущение, определяется как

з

о Пи Р. fj . Zl л 1/2

R-1 °8( DP0(L-lT Р™ ЬГ)

2530 35 4045

50

gc

1,08(JL. « )

VCT /°час (5)

Выполним, в качестве примера, расчет для следующих условий: Т 26: 30 и 40°С, соответственно О 0,24 0,25 и 0,27 10 м2/с; г) 1,81 1,87 и 1,95 кг/с.м: Рп 2337; 4247 и 7378 к/м2;Р 101,3 103 н/м2; L 1 1; 1.5- 2,0;4,0;R 5j 2,65 103кг/м3 (гранит); Z R, так как в этом случае R допустимое будет минимальным, т.е. рассматриваем малый неблагоприятный случай, Данные расчеты представлены в табл. 1 и 2.

Поскольку скорость стефановского течения сильно зависит от расстояния (Z2) 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. Для условий: Т 30°С; /Х4ас 2,65- 103 кг/м (гранит); R 5 мкм; п 10 r/м3; L 4; Z0 518 мкм (результаты представлены в табл. 2).

Определим по формуле (2) время, за которое частицы с Z Z0 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 20% (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 Z 10R до Z R составит

(3,536-2,947)-0,003 0,003

100 19547 %

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 S 5 мкм),

При конденсации пара на частице Ri вокруг нее также возникает поле стефановского потока, воздействующего на частицу R2. Под действием этого потока частицы RI и R2 будут сближаться со скоростью /2 f(Z, Ri). В выбранной системе координат V2Z -fz(Z, Ri).

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 направ- лению сил. Эти силы могут суммироваться и тогда процесс ускоряется, а требуемая степень пересыщения снижается. Кроме этого, силы могутчастичноуравновешиваться, тогда процесс замедляется, а требуемая сте- пень пересыщения возрастает. Однако, если учесть реальные уровни запыленности в промышленных условиях и соответствую- расстояния между частицами (до 100R), 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 Vz - (Viz + V2z) (Z, Ri) + fz(Z, R2)J. (6)

Тогда с учетом выражения (1) изменение суммарной скорости сближения во времени опишется уравнением

dz го Ро р°° Ri , г, Ро-Роо - LU р

dt

VD

Rz

2 Z

-D

Po -Poo

1

( Ri + R2 )

(7)

5

0

откуда можно получить, что dt -P

2 Z dZ

5

0

5 0 5 0 5

D(P0 -Poo)(Ri +R2) Очевидно, что в начальный момент t 0,Z Zo Величина Z0 определяется, согласно 9 по формуле

7 о В (Лрчъс N1/3

(Ј-)

где R - средний размер частиц пыли;

/Эчас - плотность вещества пыли;

п - масовая концентрация пыли.

В конечный момент времени ион, соответствующий моменту соприкосновения двух частиц, Z Ri + R2. Приняв R2 R, получают

+R 2

t . W D . t ri JZ. Q Ј.

lo

D Po-PooHRi+fr Проведя интегрирование, получают

т

,Ъ 3

t PCZo -(Ri+R)3 1 3D(Poo-P0)(Ri +R)

Tvi3

Поскольку член (R + R)

« Z3o

им

можно пренебречь. Преобразовав сомножи,3 1 Меч

тель (,Роо - Ро) к виду P0(L-1) и Z 0 t 9 , приходят к выражению

L 1 + 3PoDNc4(Ri +K)t В общем случае скорость конденсации зависит от вещества состава ядер кондеса- ции, С учетом этого обстоятельства получают

L k(1 +-3poDNc4(Ri+rT)t где k - эмпирический коэффициент, зависящий от вещественного состава пыли («1).

1-зоны Взоны

Учитывая, что t

Q

газа

где

Огаза - объемный расход газа;

Ьзоны - длина зоны пересыщения;

Взоны - площадь поперечного сечения зоны пересыщения, необходимая степень пересыщения составит

I kC 1 HP Огаза

V3 Po D NC4 ( R1 + R ) l-зоны Взоны

Конденсация пара на более крупных частицах идет интенсивней, чем на мелких, и при конденсационном укрупнении являете. нежелательной потому, что приводит к непроизводительному расходу влаги. При коа- гуляционном укрупнении более интенсивная конденсация на крупных час- тицах не приводит к снижению эффективности способа и способствует снижению концентрации мелкодисперсной пыли.

Таким образом, пройдя зону пересыщения, значительно уменьшится счетная кон- центрзцш пыли и практически все частицы мелких фракций укрупнятся в результате процесса коагуляции, что позволяет достичь повышения эффективности очистки воздухе от мелкодисперсной пыли.

Пример. Осуществляют обеспыливание грохота ГИЛ-52. Согласно 10 концентрация пыли в аспирационном воздухе составляет 10-11 г/м , объем аспирируемо- го воздуха 3500 м3/ч (или 0,97 ), тем- пература воздуха 20°С. Согласно прототипу скорость газа в сзчении коагуляционной камеры составляет 1,18м/с, продолжительность коагуляции 5,7 с. Следовательно, длкжа коагуляциоч- ной камеры L 6,73 м, а площадь поперечного сечения Взоны 0,82 м2.

При среднем размере пыли R 5 мкм, RI 0,5 мкм Hk il, необходимая степень пересыщения

. . .. 101 3 103 097

3-2337 -О24 10 72109{5+05) 10 673 082

где Р 101,3-103-атмосферное давление,

Огаза 0,97 - расход газа;

Po 2337 - давление насыщенного пара при t 20°С;

D 0,24-10 - коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при Т 20°С;

- 7,2-109 шт/м3 ™сг лТ

4 fc.J TjJTK Рчас

счетная концентрация пыли;

п 10 г/м - массовая концентрация пыли;

/Ляс 2,65-106 г/м3 - плотность пыли (гранит);

(Ri + R) (5 + 0,5) -10 -сумма наимень- шего и среднего размера пылинок;

L зоньг 6,73 м - длина коагуляционной камеры;

Взоны 0,82 м - площадь поперечного сечения коагуляционной камеры,

Таким образом, L -е 3,7.

Для создания такого пересыщения необходимо подать 41,3 г/м3 пара. Причем разность парциальных давлений насыщенного и ненасыщенного пара Р0 (L-1) 5309,9 кг/м3 |--ли 46,09 мм рт.с-., а избыточное влагосодержание

hriapj Л1 ч г/мЗ

X 0,622

41,3

В - hnapa

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

При очистке воздуха с постоянными расходом, запыленностью и температурой надобность в непрерывной фиксации степени пересыщения отсутствует. При значительных колебаниях одного из указанных параметров необходимо установить в кэме- ре коагуляции приборы, фиксирующие эти параметры расходомер воздуха, пылемер, термометр и психрометр для определения влажности Причем эти приборы могут быть как дискретного, так и непрерывного действия. Принципы и порядок выбора этих приборов применительно к условиям эксплуатации подробно изложены в б . Анализируя данные приборов (при помощи ЭВМ, 1 икроггооцессоров либо человека), можно оперативно контролировать степень пересыщения (как существующую, так и требуемую) Оперативное изменение степени пересыщения производится путем изменения температуры парогазовой смеси Например, изменение температуры парогазовой смеси может происходить в результате адиабатического расширения, лучеиспускания, добавления к смеси более холодного инертного газа, а также соприкосновения газовой смеси с более холодной поверхностью.

Повысить давление пара в воздухе можно либо в результате химической реакции с выделением пара, либо путем непосредственного введения паоа 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 паропроводе 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

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 системой регулирования подачи пара или хладагента.

Формула изобретения Способ обеспыливания воздуха, включающий пропускание запыленного воздуха через зону пересыщенного пара и последующее улавливание пылевых частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности очистки воздуха от мелкодисперсной пыли за счет использования

5

стефановского потока, величина пересыщения пара L определяется из условия

L k(1+P(3P0DNcKRi + R)t) 1), где k - эмпирический коэфициент, зависящий от вещественного состава пыли (к;1);

Р - атмосферное давление, Па;

Ро - давление насыщенных паров воды в воздухе на выходе из зоны пересыщения, Па;

D - коэффициент диффузии водяных паров в воздухе, м/с;

Ncr-счетная концентрация пыли, 1/м3;

RI - размер наименьших частиц пыли, м;

R- средний размер частиц пыли, м;

t - время нахождения в зоне пересыщения (конденсационной коагуляции), с.

Таблица1

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

Таблица2