ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Акініна Алла Геннадіївна

УДК 628.511

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПИЛООЧИЩЕННЯ

ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ ВИКИДІВ КОТЛОАГРЕГАТІВ ГОРИЗОНТАЛЬНИМИ ЕЛЕКТРОФІЛЬТРАМИ

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Макіївка-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури на кафедрі “Теплотехніка, теплогазопостачання і вентиляція” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Качан Володимир Миколайович,

Донбаська державна академія

будівництва і архітектури,

професор кафедри “Теплотехніка,

теплогазопостачання і вентиляція”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Соколов Володимир Ілліч,

Східноукраїнський національний університет

ім. В. Даля, професор кафедри "Гідрогазодинаміка".

кандидат технічних наук, доцент

Шушляков Олександр Васильович,

Харківський державний технічний

університет будівництва і архітектури,

доцент кафедри “Теплогазопостачання, вентиляція та використання теплових вторинних енергетичних ресурсів".

Провідна організація: Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут",

кафедра “Теплотехніка”.

Захист дисертації відбудеться “15” травня 2003 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший навчальний корпус, зала засідань)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший навчальний корпус).

Автореферат розісланий “09” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільший внесок у забруднення атмосфери України (1480,9 тис.т/рік, 36%) вносять підприємства паливно-енергетичного комплексу. У 1999 році викиди в атмосферу шкідливих речовин цією галуззю промисловості склали: - 761, 3 тис.т/рік (74%), - 193,4 тис.т/рік (58,1%), тверді речовини (пил) - 450,1 тис.т/рік (57,5%), - 69,1 тис.т/рік (5,6%), легкі органічні сполуки - 3,4 тис.т/рік (0,8%) від загальних викидів відповідних речовин в атмосферу держави. У порівнянні з 1998 роком збільшення викидів шкідливих речовин (на 74,5 тис.т/рік) відбулося тільки в паливно-енергетичному комплексі України.

В Україні більше половини пиловугільних районних котелень та ТЕС оснащені горизонтальними електрофільтрами для очищення вентиляційних викидів котлоагрегатів від твердих речовин. З метою забезпечення високих і стабільних техніко-економічних показників очищення газів у електрофільтрах необхідно оптимізувати їх конструктивні характеристики та технологічні параметри роботи. Оскільки електрофільтри мають велику собівартість і являють собою складні великогабаритні споруди, оптимізація режимів експлуатації діючих електрофільтрів є більш важливою задачею, ніж проектування апаратів з оптимальними конструктивними параметрами. В даний час відсутня методика розрахунку ефективності очищення газів у електрофільтрах, яка комплексно враховує все різноманіття фізичних, теплових і електричних явищ, що відбуваються як у міжелектродному просторі, так і в об’ємі всього апарата. Тому розробка методики розрахунку оптимальних режимів експлуатації горизонтальних електрофільтрів на ЕОМ для підвищення ефективності очищення газових викидів, що враховує найбільш значимі фізичні властивості пилу і газового потоку, а також конструктивні елементи пиловловлювачів, є своєчасною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до приоритетних науково-технічних напрямків науки і техніки України “Екологічно чиста енергетика та енергозберігаючі технології” і перспективної програми “Донбас-2020” у рамках держбюджетних науково-технічних тем К3-08-01 “Розробка й удосконалення екотехнологічних процесів утилізації теплоти і використання нетрадиційних джерел енергії” (рег. № 0102U002850) і К3-06-01 “Підвищення ефективності роботи систем міського господарства на прикладі м. Макіївки” (рег. № 0102U002840).

Метою роботи є підвищення ефективності пилоочищення вентвикидів котлоагрегатів у горизонтальних електрофільтрах за рахунок оптимізації параметрів пиловловлення і кондиціювання газів із використанням математичної моделі, що комплексно враховує закономірності електричного, інерційного, дифузійного і гравітаційного осадження пилу.

Задачі дослідження:

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження - процес очищення вентиляційних викидів котлоагрегатів у горизонтальних електрофільтрах.

Предмет дослідження - підвищення ефективності пилоочищення вентвикидів котлоагрегатів.

Методи дослідження - математичне моделювання з використанням ймовірнісного підходу; імітаційний експеримент на ЕОМ; натурні експериментальні дослідження; статистичні методи обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблена математична модель, що дозволяє з використанням ймовірнісного підходу теоретично визначити ефективність пилоочищення вентвикидів котлоагрегатів у горизонтальних електрофільтрах та комплексно враховує вплив інерційних, гравітаційних, дифузійних і електричних сил, а також індивідуальні властивості матеріалу пилу і конструкцію апаратів;

- аналітично врахований вплив кондиціювання газів на ефективність їх очищення в електрофільтрах, запропонована залежність ПЕО пилу від температури і вологості газового потоку;

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

-

-

-

Особистий внесок автора:

-

-

-

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладені та обговорені на Х і XI Всеукраїнських наукових конференціях аспірантів і студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (Донецьк, 2000, 2001), наукових семінарах кафедри ТТГВ (Макіївка, ДонДАБА, 1999, 2000), студентських науково-технічних конференціях (Макіївка, ДонДАБА, 1998-2001), II обласній студентській конференції “Екологія і соціальний прогрес” (Донецьк, 2002), третій Всеукраїнській конференції молодих вчених “Інформаційні технології в науці, освіті та техніці” (ІТОНТ-2002) (Черкаси, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 статей, п'ять тез доповідей на конференціях різних рівнів, навчальний посібник, методичні вказівки.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 141 найменування на 13 сторінках і додатків. Загальний обсяг роботи - 187 сторінок, з яких 141 сторінок основного тексту, 36 рисунків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їхнє практичне значення та галузь реалізації.

У першому розділі виконано літературний аналіз існуючих методів урахування впливу різних факторів на ефективність пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах (Алієв Г.М.А., Висоцький С.П., Качан В.М., Левітов В.І., Мірзабекян Г.З., Пашин М.М., Райст П., Решидов І.К., Ріхтер Л.А., Соколов В.І., Тарнавський І.Л., Труш В.І., Уайт Г., Шушляков О.В.).

Дослідження процесу зарядження часток у електрофільтрах (Верещагін І.П., Мірзабекян Г.З., Ужов В.М. і ін.) дозволило зробити висновок, що заряд, який одержує частка в міжелектродному просторі електрофільтра, залежить від фізичних і електричних властивостей пилу і газу. Проте, у літературі відсутні рішення з теоретичного розрахунку поточного заряду часток, що комплексно враховують вплив цих факторів на розглянуту величину.

При дослідженні швидкості дрейфу порошин у міжелектродному просторі електрофільтрів розглянуті теорії, що дозволяють визначати швидкість дрейфу часток при ряді допущень. У роботах Страуса В., Ткаченка В.М., Уайта Д. наведені формули для визначення швидкостей дрейфу часток в залежності від діелектричної проникності матеріалу порошин і напруженості поля.

Перше емпіричне рівняння для визначення ефективності роботи електрофільтрів було запропоновано ще в 1919 році Е. Андерсеном. Їм була встановлена експоненційна залежність кількості уловленого пилу від часу його перебування в активній зоні електрофильтра. Перший теоретичний розгляд цього питання належить М. Дейчу. Отримана їм залежність дотепер є основою розрахунків, що ведуться при конструюванні електрофільтрів. Проте, у теорії М. Дейча не враховуються мінливість швидкості дрейфу часток, а також властивості пилу й інші явища. Тому при порівнянні експериментальних і теоретичних залежностей ефективності електрофільтрів від різних параметрів спостерігаються значні розбіжності. Формула М. Дейча уточнювалася багатьма авторами (Алієв Г.М.А., Райст П., Уайт Г. та інші.). Проте, аналіз літературних даних свідчить про відсутність єдиної комплексної теорії розрахунку ефективності роботи електрофільтрів; не достатньо розроблені теоретичні положення для визначення поточного заряду часток і урахування накладення електричних полів, що формуються КЕ різного перетину; не достатньо вивчені теоретичні основи розрахунку періодичності регенерації електрофільтрів у залежності від ПЕО пилу і кондиціювання газів з метою підвищення ефективності очищення газів від пилу.

В другому розділі наведена загальна характеристика об'єкта (процесу пилоочищення вентвикидів котлоагрегатів), предмета (засобів підвищення ефективності пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах) і методів дослідження. Об'єкт дослідження знаходиться під впливом різних факторів, сукупність яких була розділена на групи в залежності від характеру і долі їх участі в процесі. Пиловловлення в електрофільтрах відноситься одночасно до детермінованих і стохастичних процесів, тому для дослідження об'єкта обрано змішаний підхід.

Процес пилоочищення вентвикидів котлоагрегатів досліджувався автором на Курахівській та Зуєвській ТЕС. Натурні експерименти проводилися разом із співробітниками спеціалізованої лабораторії з ліцензією Мінекології і природних ресурсів України. Роботи виконувалися відповідно до атестованих методик і діючих нормативних документів. Швидкість і витрата газів визначалися за Держстандартом 17.2.4.06-90 із дотриманням правила ізокинетичності добору (приймач повного і статичного тисків конструкції НДІОГАЗа з набором наконечників, аспіратор “Тайфун”, мікроманометр ММН-240). Концентрація шкідливих речовин у димових газах визначалася за допомогою багатокомпонентного газоаналізатора “Bacharach”, запиленість газів - із використанням пиловідбірної трубки методом внутрішньої фільтрації. Ефективність пиловловлення розраховувалася по кількості викидів забруднюючої речовини (РД 34.02.305-90) до і після електрофільтра. Вибраковування явно помилкових результатів вимірів здійснювалось за допомогою критерія Стьюдента. Результати досліджень оброблялися методами математичної статистики.

В другому розділі дисертації викладені особливості експериментальних досліджень процесу пилоочищення вентвикидів в електрофільтрах на Курахівській та Зуєвській ТЕС, наведені схеми газоочисток і характеристики засобів вимірів, запропоновані робочі програми і виконано метрологічний аналіз експериментальних досліджень.

У третьому розділі наведено результати дослідження фізичних процесів, що відбуваються в електрофільтрах і обгрунтовано застосування ймовірнісного підходу до моделювання процесу пиловловлення. Пилоочищення газів у горизонтальних електрофільтрах (рис. 1) здійснюється в два етапи. На першому етапі, на вході в електрофільтр, у розподільній жалюзійній решітці, крім рівномірного розподілу газу по перетину апарата, відбувається інерційне уловлення пилу. На другому, у міжелектродному просторі, що складається з рядів КЕ і розташованих між ними на деякій відстані осаджувальних електродів, одночасно здійснюється дифузійне (за рахунок впливу сил турбулентної і теплової дифузії), електричне та гравітаційне пиловловлення. Для конкретних умов при розгляді окремої частки як мінімум одна із сил, що діють у міжелектродному просторі, може осадити або не осадити частку пилу в залежності від її розмірів. Тому математичною моделлю для пилу в цілому враховується вплив усіх цих сил, а для кожної фракції пилу окремо враховується тільки одна визначальна (максимальна) сила з тих, що діють на частку в міжелектродному просторі електрофільтра.

Рис.1. Схема фрагмента плану горизонтального електрофільтра:

Дія перерахованих сил у горизонтальних електрофільтрах враховується математичною моделлю, розробленою на основі блок-схеми ймовірнісного опису процесу очищення, наведеною на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема ймовірнісного опису процесу пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах:

Відповідно до розробленої блок-схеми за законами ймовірностей (ймовірності послідовних подій перемножуються, а рівнобіжних - підсумовуються) складена математична модель процесу пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах. Основне рівняння для визначення ефективності очищення вентвикидів котлоагрегатів у горизонтальних електрофільтрах має вигляд:

. (1)

Для уточнення результатів розрахунку весь міжелектродний простір розділяється на одиничні об'єми, у яких передбачаються однакові умови для пиловловлення. Ці об'єми обмежені одиничними смужками між коронуючими та осаджувальними електродами, прошарками між КЕ в ряду і додатковими поперечними смугами між голками на КЕ (у випадку застосування голчастих елементів). Для порошин кожної фракції пилу, що знаходяться в момент входу в міжелектродний простір у межах певного одиничного об'єму розраховуються ефективності їх уловлювання під дією електричних, гравітаційних і дифузійних сил. Вважається, що частки певної фракції уловлюються за рахунок однієї з діючих у міжелектродному просторі сил. Сума таких пофракційних ефективностей є загальною ефективністю уловлення часток пилу в міжелектродному просторі:

, (2)

де - кількість фракцій пилу; і - кількість одиничних смужок і додаткових поперечних смуг міжелектродного простору, відповідно; і - масова доля та ефективність уловлення під дією гравітаційних, електростатичних і дифузійних сил часток -ої фракції пилу, що знаходяться в момент входу в міжелектродний простір у межах -ої смужки та -ої додаткової поперечної смуги міжелектродного простору.

Кожний ймовірнісний параметр моделі (1) повинен бути описаним аналітично з урахуванням електричних і фізичних властивостей пилу, параметрів газового потоку, а також конструктивних розмірів апаратів і обов'язково в полідисперсному вигляді. Це дозволить більш повно, ніж раніше, врахувати фракційний склад пилу, форму часток та інші фактори, що призведе в значній мірі до уточнення результату розрахунку.

Інерційна, гравітаційна і дифузійна (броунівська) складові процесу пиловловлення в електрофільтрах враховані за відомими формулами, адаптованими до конкретних умов із урахуванням полідисперсного складу пилу. Вплив сил турбулентної дифузії при нормальних умовах експлуатації електрофільтрів (частіше всього при ) незначний, тому ця складова в моделі повинна враховуватися тільки у випадку застосування спеціальних турбулізуючих пристроїв, тобто при значеннях критерія Рейнольдса .

Ефективність електричної складової процесу пилоочищення в горизонтальних електрофільтрах обчислюється за формулою:

, (3)

де - ширина міжелектродного простору (відстань між різноіменними електродами), м; - масова доля часток -ої фракції пилу, що знаходяться в момент входу в міжелектродний простір у межах -ої смужки та -ої поперечної смуги, для яких сума проекцій одиничних зсувів на вісь, перпендикулярну напрямку руху газу, не менше .

Відстань між КЕ в ряду розділено на одиничні прошарки. Для розрахунку ефективності пиловловлення необхідно обчислити, наскільки розглянута частка пилу наблизиться до осаджувального електрода, рухаючись у кожному прошарку міжелектродного простору, де напруженість електричного поля приймається сталою. Знаючи ширину такого прошарку і швидкість газового потоку в електрофільтрі, визначається час , протягом якого порошина знаходиться в одиничному прошарку.

Розглянуто формування неоднорідного електричного поля рядом гладких КЕ, де джерелами зарядів є поверхні електродів. Його напруженість різко знижується в напрямку від ряду КЕ до осаджувальних електродів, циклічно змінюється уздовж ряду КЕ і залишається сталою вздовж висоти розглянутих елементів. Визначення напруженості електричного поля, утвореного одним КЕ в конкретній точці міжелектродного простору, здійснюється за відомими формулами, що враховують лінійну густину заряду на електроді. Для урахування накладення електричних полів, формованих кількома КЕ в різних точках траекторії руху частки, використано принцип суперпозиції.

Для розрахунку поточного заряду часток пилу складено диференціальне рівняння:

, (4)

де - напруженість електричного поля в -ій смужці та -ому прошарку міжелектродного простору, В/м; - коефіцієнт, що залежить від відносної електричної проникності матеріалу порошин; - площа поверхні порошини -ої фракції, м2; - ПЕО матеріалу пилу,; - початковий заряд частки пилу, Кл; - час руху частки, с.

Рішення запропонованого рівняння дозволило одержати залежність поточного заряду порошини -ого розміру від усіх перерахованих параметрів:

, Кл, (5)

де - максимально можливий заряд частки пилу, Кл.

Швидкість дрейфу порошин визначається в залежності від їхнього поточного заряду і рухливості, а також від напруженості електричного поля. В розрахунок входить величина, на яку збільшується швидкість дрейфу часток під дією сил іонного вітру. За часом переміщення порошин у межах певного одиничного об'єму міжелектродного простору та швидкістю дрейфу визначаються проекції їх одиничних зсувів на вісь, перпендикулярну напрямку руху газу, необхідні для розрахунків за формулою (3).

Розглянуто особливості розрахунку електричних полів, формованих рядом голчастих КЕ. Використання останніх у порівнянні з гладкими КЕ дозволяє підвищити ефективність пиловловлення. Це відбувається за рахунок концентрації заряду на вістрі голок КЕ. Величина напруженості електричного поля, яке формується рядом голчастих КЕ, значно знижується в напрямку від ряду КЕ до осаджувальних електродів, а також циклічно змінюється уздовж ряду КЕ і по висоті розглянутих елементів за рахунок наявності голок. Напруженість електричного поля, створеного вістрям однієї голки одного КЕ визначається за формулою для обчислення напруженості поля, формованого точковим джерелом заряду. Для урахування накладення електричних полів, формованих декількома голками кількох КЕ в ряду, при визначенні напруженості електричного поля в конкретній точці міжелектродного простору, як і у випадку з гладкими КЕ, використано принцип суперпозиції.

Для визначення періодичності регенерації електрофільтрів в залежності від ПЕО пилу та інших параметрів запропоновано аналытичну формулу:

, с, (6)

де - гранична товщина прошарку пилу на осаджувальних електродах, м; - насипна густина пилу, кг/м3; - площа осадження, м2; - початкова запиленість газового потоку, кг/м3; - об’ємна витрата газу, м3/с; - дійсна ефективність очищення в досліджуваному апараті. Величина залежить від розрахункової та граничної напруг, ПЕО пилу та інших факторів. Точний розрахунок за запропонованою методикою можливий тільки з використанням ЕОМ.

У четвертому розділі розглянуто вплив кондиціювання газового потоку на підвищення ефективності роботи електрофільтрів, досліджено вплив температури і вологості газів на ПЕО пилу, а також на ступінь пиловловлення. Проаналізовано літературні експериментальні дані залежностей ПЕО пилу від температури газів, отримані для різних видів пилу при вологостях газу 1,3; 5; 10; 15%. З відповідних графіків, що мають положистий максимум по ПЕО, витікає, що ПЕО пилу можна зменшити як зниженням, так і підвищенням температури газів. При цьому зниження температури газів підвищує не тільки ефективність пиловловлення, але й економічність роботи технологічних установок, тому такий метод є більш раціональним.

Математична обробка (регресійний аналіз) відомих графічних експериментальних залежностей для різних видів пилу показала, що вони підкоряються закону логарифмічно нормального розподілу. Отримано залежність, що відображає вплив температури газу на величину ПЕО часток пилу:

, , (7)

де - максимально можливий ПЕО пилу при певній вологості газового потоку, ; - стандартне відхилення логарифмів температур газу від їх середнього значення, що змінюється в межах 1,1-1,6 у залежності від виду пилу; - температура газового потоку, ; - температура газу, при якій приймає максимальне значення,.

Величини і у першу чергу залежать від вологості газу. Встановлено ступеневий характер цих залежностей. Результати розрахунків, отримані за запропонованими формулами для різних видів пилу, статистично оброблені, чим і доведена їх адекватність.

Розрахунки показали, що для певних умов за рахунок зниження температури газу з 120-180 до 600С, приріст абсолютної ефективності очищення в залежності від вологості газів досягає 3,5-5,5%, а залишкова запиленість газу зменшується в 1,7-2 рази. Найбільший ефект отримується для дуже сухих газів (із відносною вологістю до 5%). Збільшення вологості газу з 1,3 до 25% також призводить до підвищення абсолютної ефективності очищення на 1,8-4,7%.

Аналіз отриманих результатів показав, що вологість газу в меншій мірі впливає на ефективність пиловловлення, ніж температура. Проте, на практиці ПЕО пилу легше знижувати зволоженням газу, тобто вприскуванням у газохід пари, води або інших речовин. При цьому буде знижуватися і температура газового потоку.

У запропонованій математичній моделі розрахунок параметрів кондиціювання газового потоку здійснюється тільки в тому випадку, якщо інші засоби оптимізації параметрів процесу пиловловлення не дозволяють досягти необхідного ступеня очищення.

У п'ятому розділі наведені розроблені алгоритм і програма “ELFILTR” для розрахунку та оптимізації (раціоналізації) параметрів роботи горизонтальних електрофільтрів. Застосування імітаційного моделювання на ЕОМ дає можливість достатньо повно враховувати основні діючі фактори та одержувати результати, які можна застосовувати для широкої області умов, що охоплює весь діапазон реальних режимів пиловловлення. Програмне забезпечення “ELFILTR” побудовано за модульним принципом і, окрім власних модулів, розроблених для даної задачі, включає модулі з пакету прикладних програм для наукових досліджень на мові BASIC (для розрахунку дисперсного складу пилу).

Математична модель процесу пилоочищення газів в електрофільтрах враховує вплив на ефективність пиловловлення 19 вхідних параметрів, що характеризують властивості матеріалу пилу, параметри газу і конструкцію електрофільтрів. Аналітичне дослідження математичної моделі з використанням наявних по цьому питанню експериментальних даних дозволило якісно оцінити ступінь впливу всіх цих параметрів на ефективність пилоочищення в електрофільтрах. Остання розраховувалася з використанням програми “ELFILTR” при змінюванні досліджуваного параметра від нижньої до верхньої межі з заданим кроком і при фіксованих значеннях всіх інших параметрів у найбільш характерних (середніх) точках. Встановлено, що ефективність процесу очищення газів у електрофільтрах в тій або іншій мірі визначається всіма дослідженими параметрами. Проте, найбільш значимими і керованими в конкретних умовах є лише чотири фактори, серед яких технологічні (їх можна змінювати в процесі очищення): напруга і швидкість газу , а також конструктивні (вони задаються на стадії проектування, модернізації і реконструкції електрофільтрів, а після виготовлення апарата залишаються незмінними): радіус і крок КЕ. Для голчастих КЕ до перерахованих додаються ще два конструктивні параметри: відстань між голками та висота голок на КЕ. Тому всі ці параметри прийняті як такі, за якими необхідно проводити оптимізацію для розрахунку показників роботи електрофільтрів на ЕОМ. Інші параметри виявилися або залежними від них, або менш значимими, або некерованими, або постійними в усіх випадках.

Мета оптимізації (раціоналізації) полягає не тільки в тому, щоб забезпечити необхідний ступінь очищення, але і вибрати такі значення параметрів, при яких економічні затрати на очищення були б мінімальними. При цьому повинні зберігатися усталеність процесу і практична реалізація обраного режиму.

Результатом розрахунку за програмою “ELFILTR” є паспорт, що складається з 42 конструктивних, технологічних (у разі потреби - оптимальних) та економічних показників роботи електрофільтрів.

Для конкретних умов експлуатації електрофільтрів (Курахівська ТЕС) при необхідному ступені очищення =97,6% (для прикладу) були обчислені діапазони зміни параметрів процесу пиловловлення, за якими проводиться оптимізація і при яких досягається необхідний ступінь очищення з мінімальними приведеними затратами. Аналіз впливу цих параметрів на ефективність і економічні показники процесу очищення газів показав, що з ростом напруги збільшуються як ефективність пиловловлення , так і приведені затрати . Отримані залежності представлені на рис. 3.

Рис. 3. Залежність приведених

затрат і ефективності очищення від напруги в електрофільтрі:

- ефективність очищення ;

- приведені затрати при

Зростання швидкості газів призводить до зниження і (рис. 4). При збільшенні радіусу КЕ і висоти голок зростають обидва досліджуваних параметри: і . Збільшення відстані між КЕ та між голками електродів призводить до зниження ефективності і затрат .

Аналіз досліджень для умов Курахівської ТЕС показав, що значення параметрів, за якими проводиться оптимізація і які забезпечують необхідний ступінь очищення газів при мінімальних приведених затратах знаходяться в межах: =28-47к; =1,2-1,7м/із; =1,5-2,1мм; =0,32-0,44м; =0,036-0,051м; =0,0115 -0,017м.

Через складність залежностей і від проаналізованих параметрів їх точні оптимальні значення для конкретного варіанту можна одержати тільки розрахунком на ЕОМ за програмою “ELFILTR”. Завдяки їй можна оптимізувати параметри роботи електрофільтрів для конкретних типів пилу і властивостей газів з урахуванням, що для всіх цих випадків будуть отримані різні оптимальні значення досліджених параметрів.

Рис. 4. Вплив швидкості газів на приведені затрати і ступінь очищення:

- ефективність пиловловлення ; - приведені затрати при

В шостому розділі наведені результати перевірки розроблених математичної моделі і програми “ELFILTR” на адекватність реальним умовам процесів пиловловлення в електрофільтрах на Курахівській та Зуєвській ТЕС, а також за результатами досліджень Всесоюзного теплотехнічного інституту (ВТІ).

При експериментальних дослідженнях електрофільтрів на Курахівській ТЕС порівнювалися дві різні системи електроживлення апаратів типу ЕГ3-3-265 із стрічково-голчастими КЕ. Початкова запиленність газового потоку складала 41,7 г/нм3. Відносне відхилення між результатами експериментів і розрахунків ефективності пиловловлення за допомогою математичної моделі склало 0,9-3,2%. При експериментальних дослідженнях електрофільтрів УГ3-4-177 до та після модернізації на Зуєвській ТЕС проводилося порівняння експериментальних і теоретичних ефективностей очищення при використанні електродів різного перетину. Відносне відхилення між експериментальними і розрахованими за програмою “ELFILTR” даними склало 1,1-2,5%.

Для додаткового підтвердження адекватності математичної моделі реальним умовам були використані результати експериментів, проведених співробітниками ВТІ на семи різних ТЕС України, Росії і Казахстану, де уловлювали попіл вугілля різних родовищ. Дані, наведені в таблиці, показують, що середнє відносне відхилення між розрахунковими і експериментальними даними для всих експериментів складає 0,55%, а по залишковій запиленості - 11,2%. Розраховане значення F-критерію Фішера склало 65,84 при його табличній величині 3,61. Таким чином, отримані дані свідчать про адекватність розробленої математичної моделі реальним умовам.

За даними досліджень ВТІ виконано аналіз економічної ефективності оптимізації конструктивних і технологічних параметрів роботи електрофільтрів. Розрахований економічний ефект для різних ТЕС склав 3,2-8,6 грн/млн.м3, що з

Таблиця. Перевірка математичної моделі на адекватність експериментальним даним ВТІ.

ТЕС/ марка вугілля | Тип електро-фільтра | Кіль-кість

полів | Тип коро-ную-чих елект-родів | Температура газу, |

Витратагазу,

м3/год | пи-лу,

мкм | Гус-тина

пилу, кг/м3 | ПЕО пилу, , Омм | Швид-кість газу, м/с | На-пруга, кВ | Радіус коронуючих

електродів, мм | Відстань між електро-дами, м | Висо-та голок, мм | Від-стань між голка-ми, мм | Ефектив-ність,% | Від-носневід-хи-лення

долі | Відн. від-хилен-

ня по за-лишку, %

Екс-пер. | Теор.

Троїць-ка/

СС |

ПГД-3-38-ПБЦ | До реконстр. | 3 | Шти-кові | 150 | 333790 | 17 | 2040 | 5 | 2,44 | 34,1 | 2 | 0,18 | - | - | 83,5 | 84,3 | 0,96 | 4,8

До реконстр | 3 | Шти-кові. | 150 | 335160 | 17 | 2040 | 4 | 2,45 | 34 | 2 | 0,18 | - | - | 86,0 | 86,1 | 0,41 | 2,5

Після реконстр. | 4 | Гол-часті | 163 | 337900 | 17 | 2040 | 2 | 2,47 | 36 | 2 | 0,18 | 10 | 80 | 97,0 | 96,9 | 0,12 | 3,3

Рефтинсь-ка/СС | Лургі | 3 | Стріч-ково-зубч.. | 135 | 948906 | 15 | 2090 | 10 | 1,19 | 31,8 | 2 | 0,18 | - | - | 96,5 | 96,0 | 0,52 | 14,3

Єрма-ківська/СС | HEG-1000/380-1 | 4 | Штик.голч. | 147 | 942480 | 13 | 2090 | 10 | 1,2 | 37,5 | 1,5 | 0,18 | - | - | 97,5 | 97,25 | 0,26 | 10,0

Наза-рівська/ Б | ПГД-3х50 | 3 | Шти-кові | 135 | 290000 | 17 | 2810 | 22 | 1,6 | 45 | 2 | 0,18 | - | - | 93,5 | 94,1 | 0,64 | 9,2

ПГДС-3х50 | 3 | Голч. | 125 | 260000 | 17 | 2810 | 22 | 1,5 | 50 | 2 | 0,18 | 12 | 50 | 98,5 | 98,1 | 0,41 | 26,6

Чере-пецька/

А | ДГПН-55-3 | До мо-дернизац | 3 | Шти-кові | 136 | 423720 | 20 | 2230 | 14 | 2,14 | 39,8 | 2 | 0,18 | - | - | 90,46 | 90,55 | 0,10 | 0,9

Після модерн.,

Секція А | 3 | Гол-часті | 150 | 514800 | 20 | 2230 | 4,3 | 2,6 | 40,8 | 2 | 0,18 | 12 | 40 | 92,1 | 92,3 | 0,22 | 2,5

Після модерн.,

секція Б | 3 | Гол-часті | 148 | 485100 | 20 | 2230 | 4,3 | 2,45 | 40,6 | 2 | 0,12 | 12 | 40 | 95,5 | 94,5 | 1,05 | 22,2

Трипольсь-ка/А | УГ2-4-53 | 4 | Глад-кі | 145 | 486540 | 17 | 2300 | 2 | 2,55 | 42 | 2 | 0,18 | - | - | 97,3 | 97,2 | 0,10 | 3,7

Лади-жинська/Г | ЕГ3-3-177 | 3 | Гол-часті | 144 | 900000 | 25 | 2310 | 27 | 1,42 | 33 | 2 | 0,18 | 9 | 40 | 99,0 | 98,7 | 0,30 | 30,0

урахуванням кількості викидних газів еквівалентно 15,8-35,4 тис. грн/рік.

Адекватність математичної моделі експериментальним даним дозволяє використовувати запропоновану програму як при проектуванні, реконструкції і модернізації електрофільтрів, оцінюванні режимів роботи апаратів без істотних витрат часу і праці, так і при прогнозуванні можливого ступеня очищення в електрофільтрах у випадку зміни яких-небудь умов пиловловлення.

Програма “ELFILTR” впроваджена в робочий процес шести організацій. За результатами досліджень сумісно з СО “Донбасенергоналадка” розроблена “Технологічна інструкція по підвищенню ефективності пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах”.

В И С Н О В К И

1. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що для підвищення ефективності пилоочищення вентиляційних викидів котлоагрегатів у горизонтальних електрофільтрах доцільно оптимізувати параметри пиловловлення та кондиціювання газів на основі математичної моделі, яка комплексно враховує закономірності електричного, інерційного, дифузійного і гравітаційного осадження часток.

2. Теоретично описана залежність фактичного питомого електричного опору матеріалу пилу від температури і вологості газів дозволяє визначити напрямок підвищення ефективності очищення вентиляційних викидів котлоагрегатів при їх кондиціюванні: на 3,5-5,5% за рахунок зниження температури газу з 120-180 до 600С і на 1,8-4,7% - при збільшення вологості газу з 1,3 до 25%.

3. Рішення запропонованого диференціального рівняння для визначення поточного заряду часток при їх переміщенні в міжелектродному просторі електрофільтра дозволило уточнити результати розрахунку ефективності пилоочищення газів на 0,6-4% для різних умов пиловловлення.

4. Розроблена програма “ELFILTR” дозволяє визначати на ЕОМ оптимальні технологічні параметри при експлуатації електрофільтрів і конструктивні рішення, які необхідно враховувати на стадії проектування, модернізації і реконструкції.

5. Програма “ELFILTR” впроваджена в робочі процеси “ДонпромбудНДІпроект”, ВАТ “Донбасенерго”, “УкрНТЕК” і “Промекономсервіс”, ДонДАБА та Запорізької державної інженерної академії.

6. Складено методичні вказівки “Вибір горизонтальних електрофільтрів та розрахунок на ЕОМ оптимальних режимів їх експлуатації” та розроблена “Технологічна інструкція по підвищенню ефективності пиловловлення в горизонтальних електрофільтрах” разом з СО “Донбасенергоналадка” ВАТ“Донбасенерго”.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Акініна А.Г., Качан В.М. Електрична складова в рівнянні ефективності пиловловлювання електрофільтрами // Вісник ДонДАБА. - Вип. 2000-3(23). - Макіївка, 2000. – С. 101-104.

2. Качан В.Н., Савенко С.М., Акинина А.Г. Влияние температуры и влажности газов на эффективность пылеулавливания в электрофильтрах // Вісник ДонДАБА. - Вип. 2001-2(27). - Макіївка, 2001. – С. 99-102

3. Качан В.М., Акініна А.Г. Врахування періодичності регенерації при розрахунку електрофільтрів на ЕОМ // “Коммунальное хозяйство городов”. - Вып. 25. – К.: Техніка, 2000. – С. 171-174.

4. Качан В.М., Акініна А.Г. Вибір і розрахунок електрофільтрів на ЕОМ // “Коммунальное хозяйство городов”. - Вып. 23. – К.: Техніка, 2000.– С. 120-124.

5. Качан В.Н., Акинина А.Г. Экономический эффект от оптимизации параметров работы электрофильтров // Вісник ДонДАБА. - Вип. 2001-6(31). - Макіївка: 2001. – С. 113-115.

6. Семченко Ю.В., Коренев С.Г., Белоус А.М., Качан В.Н., Акинина А.Г. Адекватность математической модели процесса пылеулавливания в электрофильтрах реальным условиям // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 4. – К.: КНУБА, 2002. – С. 28-33.

7.Акініна А.Г. Перевірка на адекватність математичної моделі пилоуловлювання в електрофільтрах // Вісник ДонДАБА. Вип. 2002-4(35), Макіївка: 2002. – С. 51-55.

Список робіт, додатково відображаючих результати досліджень:

8. Акініна А.Г., Качан В.М. Математична модель процесу пиловловлювання в електрофільтрах // Труды Х научно-технической конференции аспирантов и студентов “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. Т.1 - Донецк, 2000. – С. 20-21.

9. Акініна А.Г., Качан В.М. Імовірнісний підхід при визначенні ефективності електрофільтрів // Наукові праці ДонНТУ. - Вип. 33. – Донецьк, 2001. – С. 54-57.

10. Акинина А.Г., Качан В.Н. Компьютерное моделирование процесса пылеулавливания в горизонтальных электрофильтрах для очистки вентиляционных выбросов котлоагрегатов // Труды третьей Всеукр. конф. молодых ученых “Інформаційні технології в науці, освіті і техніці”. - Черкассы, 2002. – С. 8-11.

11. Акініна А.Г. Накладення електричних полів у горизонтальних електрофільтрах з коронуючими електродами круглого перетину. – Деп. в ГНТБ Украины 23.09.02, № 124 Ук.-2002. – 7с.

12. Качан В.М., Акініна А.Г. Аналітичний опис впливу температури і вологості газу на ефективність електрофільтрів // Труды ХI научно-технической конференции аспирантов и студентов “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. Т.1 – Донецьк, 2002. – С. 31-32.

13. Качан В.Н., Митяев С.А., Акинина А.Г. Влияние точности анализа дисперсного состава на оценку степени очистки промышленных выбросов от пыли. Деп. в ГНТБ Украины 03.07.2000, №150 Ук-2000. - 6с.

14. Акинина А.Г., Качан В.Н. Учет электрических свойств аэрозоля при расчете эффективности очистки электрофильтров на ЭВМ // Вісник ДонДАБА. Матеріали 26 студентської конференції.–Макеевка,2000.–Вып.2000-4(24).–С. 89-91.

15. Акинина А.Г., Качан В.Н. Математическая модель обеспыливания газов в электрофильтрах//Вестник ДонГАСА. Матеріали 26 студентської конференції –Макеевка, 1999. – Вып. 99-4(18).- С. 99-102.

16. Качан В.Н., Акинина А.Г. Методические указания “Выбор горизонтальных электрофильтров и расчет на ЭВМ оптимальных режимов их эксплуатации” // Макеевка, ДонГАСА, РИС ОМС. – 2003. – 36с.

17. Качан В.Н., Акинина А.Г. Учебное пособие “Теоретические основы очистки воздуха” // Макеевка, ДонГАСА, РИС ОМС. – 2001 – 130 с.

18. Качан В.М., Акініна А.Г. Вибір пилоуловлювачів та оптимізація режимів їх роботи на ЕОМ // Зб. “Современные проблемы строительства” Донецкий ПромстройНИИпроект. – Киів: Либідь, 2002. – С. 46-50.

Особиста участь здобувача в опублікованих роботах. Основна частина результатів дисертаційної роботи отримана автором самостійно. У публікаціях автором: розроблена ймовірнісна блок-схема і математична модель процесу пиловловлення в електрофільтрах [1,3,8,9,14,15]; оцінено вплив точності аналізу дисперсного складу пилу на розрахункову ефективність очищення газів у електрофільтрах [13]; отримані теоретичні залежності, що відображають вплив температури і вологості газового потоку на ПЕО пилу і на ефективність очищення газів [2,12]; враховане накладення електричних полів, формованих гладкими і голчастими КЕ [11]; розроблені алгоритм і програма “ELFILTR”, які дозволяють розраховувати та оптимізувати параметри роботи горизонтальних електрофільтрів [4,10,18]; доведена адекватність математичної моделі і програми реальним умовам процесу очищення [6,7]; розрахований економічний ефект від оптимізації параметрів роботи електрофільтрів [5]; зібраний, систематизований і оброблений матеріал для статті, навчального посібника і методичних вказівок, куди увійшли розробки по пиловловленню в електрофільтрах [16,17].

АНОТАЦІЯ

Акинина А.Г. Підвищення ефективності пилоочищення вентиляційних викидів котлоагрегатів горизонтальними електрофільтрами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2003.

Дисертація присвячена експериментально-теоретичному обґрунтуванню підвищення ефективності очищення вентиляційних викидів котлоагрегатів у горизонтальних электрофильтрах шляхом оптимізації параметрів роботи цих апаратів. Теоретично обґрунтовано кондиціювання газових викидів для цієї ж мети. Розроблена математична модель на засадах імовірнісного об’єднання двох послідовних подій і чотирьох паралельних подій.

Створені алгоритм і програма “ЕLFІLTR” для визначення ефективності пиловловлення в заданих умовах роботи електрофільтрів і для розрахунку оптимальних параметрів роботи цих апаратів з необхідною ефективністю та мінімальними витратами. Показано, що радіус і відстань між коронуючими електродами, висота голок і відстань між ними визначають конструктивну роботоспроможність апарату, а регулюючі параметри: напруга та швидкість газів в апараті – поточний режим роботи електрофильтрів.

Проведено промислові экспериментальні дослідження процесу пилоочищення вентиляційних