Способ очистки запыленных газовых потоков Советский патент 1992 года по МПК B01D51/08 

1

(21)4807349/26 (22) 26.03.90 (46)15.10.92. Бюл. №38

(71)Криворожский горнорудный институт

(72)А. И. Бажал и А В. Безвершенко (56) Авторское свидетельство СССР № 741917, кл В 01 D 51/08, 1980.

Авторское свидетельство СССР Me 957941, кл. В 01 D 51/08, В 03 С 3/00, 1982.

(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ЗАПЫЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

(57) Использование: металлургическая, горнодобывающая, строительная, химическая и другие отрасли промышленности Сущность изобретения: через очищаемый объем газа по всему сечению объема пропускают ударные волны сжатия или растяжения, или те и другие одновременно, но с суммарным вектором скорости частиц в волне, направленным через очищаемый объем в сторону поверхности осаждения, на которой вся энергия волн полностью поглощается. 2 з.п ф-лы, 6 ил

Изобретение относится к технике очистки газов от пыли и может быть использовано в металлургической, горнодобывающей, строительной, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ, который реализуется устройством для ультразвуковой обработки потока запыленного газа, где волновое воздействие на запыленный поток осуществляют путем передачи ультразвуковых волн от вибрирующей трубы на коаксиальные конические трубы и далее на запыленный газовой поток, протекающий по внутренней трубе.

Недостатком способа является передача волн от вибрирующей трубы через две промежуточные трубы в радиальном направлении в сторону газового потока, что приводит к неоправданно большим потерям энергии волн. К тому же осевые колебания трубы передать в радиальном направлении практически невозможно. Кроме того, речь идет о гармонических ультразвуковых волнах, которые могут способствовать коагуляции пыли, но не направленному осаждению твердых взвесей в газовой среде, что очень

важно при утилизации осажденных газовых взвесей.

Известен способ очистки газов от пыли в котором к газу подводят осевые акустические колебания, а с целью повышения эффективности очистки газа а поле электростатического фильтра эти колебания по разные сторсны осадительной ппчерхно- сти сдвигают по фазе на 120° -140° Причем частоту акустических колебаний устанавливают равной одной из резонансных частот колебаний осадительной поверхности Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа является применение гармонических колебаний, при которых во взаимопротивоположных направлениях происходит симметричное смещение осажденных частиц относительно начального положения, а не направленное ее перемещение в сторону поверхности осаждения, что является необходимым условием для осахдения взвесей

Кроме того, волны, упавшие на поверхность осажденич, будут отражаться с вектором волнового движения, направли:ным в сторону от поверхности, т. е. они будут поднимать от поверхности частицы, уже осажсл

С

VI о

00

ю

4 00

денные на ней с помощью электрического поля.

В известном решении скорость волнового движения направлена вдоль оси трубопровода, а осаждение предполагается осуществлять в радиальном направлении, что очень сложно.

Наложение смещенных по фазе акустических волн на постоянное электрическое поле не изменяет присущие способу принципиальные недостатки, т. к. вектор скорости частиц волнового движения осевой направленности не изменяет симметричные смещения твердых частиц относительно начального положения. Час- тота же оговоренная формулой изобретения обосновывается только заданным временем осаждения при заданной скорости потока. Сама по себе она природу процесса осаждения не изменяет.

Цель изобретения - повышение эффективности очистки газа осаждением взвесей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе осаждения взвесей в газах закрытых и открытых объемов, при наличии и от- сутствии движения газа, включающий наложение на газовый объем со взвесями колебательных движений в очищаемом объеме газа создают сплошные волновые поля с вектором скорости волнового движения направленным от излучателя к поверхности осаждения с частотой

Vn

f

VB Т sin a

где Vn - скорость газового потока со взвесями, м/с;

VB - скорость частиц в волне, м/с;

Т - период следования волн, с; а - угол воздействия ударных волн на запыленный газовый поток, градус, направленный под углом 45° а 110° к направлению вектора скорости движения потока,

Дальнейшее повышение эффективности процесса осаждения достигается тем, что сплошные волновые поля создают путем пропускания через очищаемый объем газа по всему объему, ударных волн сжатия или растяжения или те и другие одновременно, причем сплошные волновые поля замкнутой по периметру структуры (в частности кольцевой) создают путем ускорения газовых струй с направлением вектора скорости движения под углом к оси потока газа со взвесями до скорости, превышающую ско- рость звука, затем осуществляют торможение сверхзвукового потока прямым скачком уплотнения, представляющим собой ударную волну с вектором скорости частиц, сов5

0 5 0

5 0

5

0

5 0 5

падающим по направлению с направлением вектора скорости газовых струй, генерирующих ударные волны, направленными в сторону поверхности или емкости осаждения взвесей, причем сверхзвуковое истечение газовых струй обеспечивают из сплошного по периметру воздуховода сопла или набора большого количества сопел, равномерно расположенных между собой по периметру на расстоянии

, D b 2 а где D - внутренний диаметр воздуховода, м;

а - скорость продольной волны в газовой среде со взвесями, м/с;

b - скорость поперечной волны в газовой среде со взвесями, м/с.

Сплошные волновые поля обеспечивают излучатели генератора волн, расположенные напротив поверхности осаждения, причем излучатели закрепляют друг от друга на расстоянии, определяемом по формуле

I-L a

где L - расстояние от излучателя волн до поверхности осаждения, м.

Процесс осаждения твердых взвесей в газах по заявленному способу осуществляют следующим образом. К закрытому или открытому объему газов со взвесями, который находится в неподвижном состоянии или движется с заданной скоростью, от генераторов волн, расположенных по контуру очищаемого неподвижного объема газа или по периметру поперечного сечения газа, движущегося в трубопроводе, подводят волны сжатия или растяжения или те и другие одновременно, но с соблюдением следующих условий:

-суммарный вектор скорости частиц в волне направлен от генераторов волн к поверхности осаждения твердых взвесей;

-на поверхности осаждения твердых взвесей создают условия полного поглощения энергии волны, т. е выполняют ее акустически мягкой ;

-по отношению к вектору скорости очищаемого потока газа, вектор скорости частиц волнового движения направляют под углом 45° а 110°. Причем, если скорость потока небольшая и меньше по величине скорости волнового движения, то вектор скорости волнового движения направляют под углом 45° а. 90° по отношению к вектору скорости очищаемого потока. Если скорость потока превышает по величине скорость волнового движения, то вектор

скорости волнового движения направляют под углом 90° « 110°;

-источники волн располагают по контуру поперечного сечения очищаемого объема таким образом, чтобы суммарное волновое поле охватывало за одно прохождение все поперечное сечение упомянутого объема;

-частоту следования волн выбирают из условия, чтобы за время прохождения очищаемым потоком расчетного участка длины осаждения, частицы взвесей, находящиеся

на максимальном расстоянии от поверхности осаждения могли успеть, двигаясь поперек потока, достигнуть поверхности осаждения.

Источником волн, создающим в запыленном потоке волновое поле, удовлетворяющее всем условиям, оговоренным в заявляемом способе, может быть, например, источник ударных волн, создаваемых переходом сверхзвукового течения небольших объемов газа в дозвуковое. Для получения поля таких волн используют истечение газа через сужающее отверстие, а затем расширяющиеся сопла (сопла Лаваля). При диаметре критического (наименьшего) сечения 2-3 мм сверхзвуковое истечение газа достигает в таких соплах при перепаде давления 0,2 МПа.

За соплом сверхзвуковой поток в дозву- ковой переводят прямым скачком уплотнения. Такой скачок уплотнения и является ударной волной с вектором скорости частиц волнового движения, направленным в сторону начальной скорости потока, генериру- ющего ударную волну.

Таким образом воздушный пото гене- рирующий ударную волну для осаждения взвесей, должен иметь вектор скорости, направленный от излучателя в сторону повер- хности осаждения под углом к вектору скорости очищаемого потока.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее способ, которое содержит трубопровод 1, по которому со скоростью Vn перемещаются запыленные газовые потоки. Генератор волн 2 генерирует ударные волны со скоростью частиц в волне VB, которые с помощью сопле излучателей 3, направляются под углом а на запыленный поток, в результате чего возникает суммарный вектор скорости частиц, направленный в сторону приемника осаждения взвесей 4, который снабжен отсасывающим патрубком 5.

При этом поверхность осаждения приемника 4 армирована материалом, полностью поглощающим энергию волны, и

расположена на горизонтальной оси симметрии трубопровода.

На фиг. 2 представлено устройство реализующее способ при расположении излучателей генератора волн напротив поверхности осаждения взвесей, которое содержит трубопровод 1, по которому со скоростью Vn перемещается запыленный газовый поток, генератор волн 2 генерирующий волны сжатия или растяжения, или те и другие, но с суммарным вектором скорости частиц Vp, направленным в сторону поверхности осаждения; с помощью излучателей 3, воздействуют под углом 110° на запыленный поток, в результате чего возникает суммарный вектор скорости Vp, направленный в сторону приемника осаждения взвесей 4, поверхность которого армирована материалом 5, полностью поглощающим энергию волны.

Осажденные взвеси отсасываются патрубком 6 с последующей утилизацией.

На фиг, 3 представлено устройство генератора волну реализующее способ, который содержит патрубок 1 для подвода сжатого воздуха, обратный клапан 2 с пружиной 3, корпус генератора 4, соде ржащий сужающую камеру 5, с минимальным сечением отверстия 6, специально спрофилированное расширяющееся сопло - излучатель 7.

Генератор волн работает следующим образом. Сжатый воздух, используемый для созданием волн, под расчетным давлением поступает через патрубок 1 и обратный клапан 2 в корпус генератора 4, где он е начале ускоряется сужающимся участком камеры 5, до скорости истечения равной скорости звука в сечении 6. Далее, в специально спрофи- лированном расширяющемся сопле излучателя 7 (сопло Лаваля), воздух ускоряется до скорости, превышающей скорость звука,и на выходе из сопла излучателя скорость истечения достигается 2-х, 3 х звуковых скоростей. За соплом-излучателем 7 происходит переход сверхзвукового течения воздуха в новое дозвуковое течение.

Этот переход осуществляется скачком давления порождающим ударную волну 8 с вектором скорости волнового движенца совпадающим с направлением вею ера скорости истечения газа из сопла-излучателя.

Давление в такой ударной волне достигает МПа. Волновое давление от одной и той же волны на запыленный газ будет избирательным, т. е. будет различным относительно твердых взвесей и самого газа, что объясняется различной акустический жесткостью компонентов запыленный газов.

Р р а V,

где Р - волновое давление, Па;

р - плотность частичек твердых взвесей в запыленном газе, кг/м ;

а - скорость волны в частичке взвеси, м/с;

V - скорость волнового движения, м/с.

Например, для воздуха/э-а кг/(мс2): для частичек воды р-а 0,15 кг/(мс)2, для частичек твердых взвесей 4,1 кг/(мс) ,

т. е. при одинаковых размерах различных взвесей в запыленном потоке, силы действующие на частички из различных материалов в одной и той же волне, отличаются на несколько порядков, благодаря этому и будет происходить движение запыленных частиц относительно газа (воздуха) к поверхности осаждения. За одно происхождение волны частички смещаются на вели- чину от десятых долей миллиметра до 4 - 10 миллиметров (в зависимости от давления в волне) в направлении поверхности осаждения.

Чтобы обеспечить осаждение частиц из запыленного газового потока, на заданном участке, необходимо волновые импульсы подавать с расчетной частотой, определенной из зависимости, приведенной в формуле изобретения.

Выбор основных параметров для реализации предложенного решения.

1, Пределы изменения угла а воздействия ударных волн на запыленный поток.

Вектор волновой скорости VB должен быть направлен в сторону вектора скорости запыленного потока Vn под таким углом а, чтобы суммарный результирующий вектор Vp перемещал осаждаемые частицы в сторону поверхности осаждения (ПО) по кратчай- шему пути.

При равенстве векторов VB Vn определим изменение Vp в сторону поверхности осаждения (ПО) в зависимости от угла а фиг. 4.

Как видно из фиг. 4 кратчайший путь осаждаемых частиц в сторону поверхности осаждения (ПО) (характеризуется вектором Vp) будет при углах 45° « 110°.

При увеличении угла аболыие 110°уве- личивается путь осаждаемых частиц в зону осаждения, что снижает вероятность ее отсоса.

При о 25; а. 20 и т. д. результирующий вектор как бы поворачивается навстре- чу Vn, что будет способствовать завихрению и выбросу частиц из зоны отсоса.

Поэтому оптимальным является зона 45° а 110°.

ПО данным ЦЛАМ завода Криворож- сталь скорость запыленных потоков в трубопроводах достигает порядка 10-20 м/с.

Скорость волнового движения VB находится в пределах 10 - 100 м/с. Период следования ударных волн Т порядка 10-2 с.

Используя зависимость

f Уд

VB -Т sin a

определим частоту волновых импульсов в зависимости от соотношений Vn и VB (таблица).

Графические построения соотношений векторов Vn, VB под различными углами а приведены на фиг. 5.

Максимальной крутизны результирующий вектор Vp достигает при соотношениях

1 1 Vn/VB порядка однако необходимо

помните об энергетической стороне. При этом, если угол а 45°, который вошел в

Vn

зону оптимальности углов, уже при -гг- -

1

VB 21

наблюдается разворот результирующего вектора навстречу Vn, что вызывает выброс частиц из зоны отсоса, Исходя из этого можно принять оптимальным соотношением Vn Л 1ч

г/- ( Y т I a следовательно, диапазон

J в

частот генератора волн f (25 - 200) Гц.

Для эффективной очистки запыленного газового потока необходимо создание непрерывного волнового поля по периметру воздуховода перекрывающего все проход- .ное его сечение. Это осуществляется путем расположения излучателей генераторов силовых волн по периметру на расстоянии I, которое можно определить, зная скорость распространения поперечной волн0| о длительность единичной ударной волны t, т, е.

l b t.

Графически это можно представить следующим образом (фиг. 6). Из точки А источника излучения ударной волны, лежащей на окружности трубопровода проводим прямую К до пересечения с осью трубопровода под углом а (-45° - 110°) в зависимости от соотношения скоростей Vn и VB (смотри выше). В точке пересечения 0 строим вектор скорости распространения поперечной волны Ь, перпендикулярной прямой АО

С конца вектора b проводим прямую К1, параллельную К, до пересечения с окружностью -точка В. Получаем место расположения излучения второго источника ударной волны. Соединяем точку В, лежащую на окружности трубопровода с точкой О. Из точки

О проводим вектор D2 перпендикулярный прямой 0В, С конца вектора Ь2 проводим прямую К2, параллельную К1, до пересечения с окружностью трубопровода (точка С). Таким образом находим точку излучателя третьего источника силовых волн и т. д. 1

Зная, что b 77- а, а длительность силовой волны t 0,001 с, можно найти расстояние, на котором необходимо разместить источники волн, чтобы создать непрерывное по сечению трубопровода волновое поле.

1 150-Ю 3 0,15м.

Источники нужно расположить равно- мерно по окружности на расстоянии 15 см друг от друга.

Формула изобретения 1, Способ очистки запыленных газовых потоков, включающий осаждение взвесей путем наложения на газовый объем со взвесями колебательных движений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности очистки газа осаждением взвесей, в очищаемом объеме газа создают сплошные волновые поля с,вектором скорости волнового движения, направленным от излучателя к поверхности осаждения с частотой

f fn/VBTsina,

где Vn - скорость газового потока со взвесями, м/с;

VB - скорость частиц в волне, м/с;

Т - период следования волны, с; а- угол воздействия ударных волн на запыленный поток, направленный под углом 45° а. 110° к направлению вектора скорости движения потока.

l (D/2)(b/a),

где D - внутренний диаметр воздуховода, м;

а - скорость продольной волны в газовой среде со взвесями, м/с;

b - скорость поперечной волны в газовой среде со взвесями, м/с.

3,Способ поп. 1,отличающийся тем, что сплошные волновые поля обеспечивают излучатели генератора волн, расположенные напротив поверхности осаждения, причем излучатели закрепляют друг от друга на расстоянии, определяемом по формуле

I L b/а, где L - расстояние от излучателя волн до поверхности осажден ля, м.

N

I

-м

t

$ N5

4

%

I

PL

§

-j

O)

oo

Ю

i. oo

6

Редактор В. Фельдман

Составитель А. Безвершенко

Техред М.МоргенталКорректор Н. Кешеля

go

Фиг. 6