Анализ пространственной картины движения дымовых газов в аппарате резкого охлаждения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Хайбулин Р.Г. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КАРТИНЫ ДВИЖЕНИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В АППАРАТЕ РЕЗКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

В статье приведены результаты численного расчета процесса охлаждения дымовых газов при термическом обезвреживании отходов. Численное моделирование процесса позволяет сделать рекомендации по совершенствованию аппарата резкого охлаждения.

Обезвреживание отходов, образующихся при утилизации отравляющих веществ, осуществляется термическим методом, который заключается в разложении отходов, окислении органических составляющих до продуктов полного сгорания при высокой температуре (800 - 1200 °С), создаваемой за счет горения топлива (природного газа) и горючих отходов в объеме печи. Высокотоксичные твердые отходы производства обезвреживаются в печи с выдвижным подом при температуре 800 - 1000С (первая ступень сжигания). Отходящие из печи дымовые газы дожигаются в камере дожигания (вторая ступень сжигания) при температуре 1200С. Сжигание жидких отходов предусматривается в камере дожигания (вторая ступень). В целях предотвращения повторного образования сложных органических соединений (диоксинов, полициклических ароматических углеводородов и т.п.), выходящие из топочной камеры дымовые газы подвергаются резкому прямому охлаждению до температуры 85С.

Аппарат резкого охлаждения установлен под камерой дожигания и состыкован с топочной камерой фланцевым соединением. В аппарат резкого охлаждения также поступают капельки солей, стекающие вниз в виде тонкой пленки с поверхности футерованной топочной камеры. В аппарате резкого охлаждения дымовые газы охлаждаются, насыщаются водяными парами и через сепаратор поступают на установку очистки дымовых газов для отделения из состава дымовых газов аэрозолей и тонкодисперсной пыли, а также абсорбции кислых компонентов. Камера дожигания, аппарат резкого охлаждения и сепаратор образуют вертикаль, обеспечивая поступление дымовых газов сверху вниз.

В аппарате резкого охлаждения горячие дымовые газы проходят по вертикальному конусу. Внутренняя поверхность конуса через сливной лоток постоянно обмывается водяным слоем. В нижней части конуса вследствие большой скорости потока дымового газа происходит интенсивное перемешивание газа с водой с соответствующими процессами перехода веществ и теплоты. В результате процесса выпаривания воды дымовые газы подвергаются охлаждению и насыщению водяным паром. Большая часть перемещаемых с потоком солей отделяется еще в аппарате резкого охлаждения. Солевой слой, стекающий по стене топочной камеры, в конусе разрывается в тонкодисперсные капельки, растворяется или образует суспензию в воде. Выведенная вода и потери на испарение заменяется на основе конденсата из последующих ступеней промывки отделения очистки дымовых газов, а образующаяся на этой основе промывочная вода снова подается на сливной лоток конуса резкого охлаждения. Цель процесса резкого охлаждения - это стремление к охлаждению дымовых газов из камеры дожига от 12000С до температуры предела охлаждения 850С.

При расчете газодинамических параметров в аппарате быстрого охлаждения необходимо учитывать взаимодействие газового потока с охлаждающей жидкостью, движущейся по стенкам. При взаимодействии высо-коэнтальпийного потока газа с жидкостью происходит ее испарение и срыв капель с поверхности. Эти процессы происходят в сужающейся части аппарата (рис.1). В начале расширяющейся части конуса жидкая пленка срывается со стенок и дробится на капли. Капли жидкости интенсивно испаряются в высокотемпературном потоке и понижают его температуру. Для количественной оценки процесса охлаждения дымовых газов требуется решать гидродинамические уравнения с учетом тепло и массообмена со стенками. Система уравнений, описывающая осесимметричное стационарное течение вязкого теплопроводного газа в области с криволинейной границей, рассматривается в криволинейной системе координат, как в работе [1]. Для численного решения применяется криволинейная ортогональная сетка (рис.1) и метод контрольного объема Патанкара [2].Совместно с уравнениями движения и энергии решаются уравнения для турбулентной вязкости (( К — 8 ) модель).

Для расчета массовой скорости испарения О капель жидкой фазы в потоке газа применялась формула

X 1

[3] О =—1п

СП

1 + с<т-Ш . Hf .

где X, с - теплопроводность и теплоемкость пара; Ту ,Н у - температура ки-

4 з

пения и теплота парообразования жидкости; п - радиус капель; ш3 =-^жр1т5 .

Процесс уноса капель с поверхности пленки рассчитывается с применением эмпирических зависимостей из работы [4]. Трение между ядром и пленкой непосредственно связано с режимами течения волновой поверхности пленки, определяемыми скоростями фаз и ее толщиной. Существуют три типа режимов поверхности пленки: волновой с крупномасштабными волнами, волновой с рябью и режим гладкой пленки. В дис-

персно-кольцевом режиме течения газожидкостной смеси в каналах часть жидкости, как правило, срывается с гребней крупномасштабных волн и уносится в ядро потока. Этот процесс называется динамическим

(волновым) уносом или срывом, а его интенсивность обозначим 332 . Процесс динамического уноса капель

характеризуется взаимодействием турбулентных пульсаций, сил поверхностного натяжения, вязкости и сил инерции.

Условия дробления пленки или динамического срыва капель с пленки газом определяются механизмом, приводящим к неустойчивости Кельвина — Гельмгольца. Этот механизм характеризуется числом Вебера Ие^, равным отношению динамического воздействия к капиллярным силам. Мерой динамического воздействия газожидкостного потока на волновую поверхность пленки является касательное напряжение (при турбулентно

ном течении

Г13 р1 (у1—уз) ) , где р1 - плотность газовой фазы; V, "^з - скорости газовой и жидкой фаз. Условие начала динамического уноса записывается в виде

Шеи = ^3°> Ше13, .

Г

Влияние сил вязкости в фазах, как и при дроблении капель, характеризуется числами Лапласа: т Ро<г0 г р'0а^ х 0

Ьр = т—, Ьр = т— , где о, Г, р1 - толщина пленки, коэффициент поверхностного натяжения и плот-

М М

ность жидкости; № - коэффициенты динамической вязкости газа и жидкости.

Увеличение вязкости (уменьшение чисел Лапласа) повышает устойчивость пленок, т. е. повышает значение Жв13, . Кроме того, при турбулентном течении пленки стабилизирующим фактором, затрудняющим унос жидкости, может стать турбулентная вязкость.

Экспериментальные данные по началу уноса описываются следующей зависимостью:

8.5^, Яе3 < 290

4

0.0044^Яе|, 290 < Яе3 < 3000,< 0 2 ,

0.2^Яе|, 290 < Яе3 < 3000,> 0

___3

0.00055^)*, > 3000,gгv¡г < 0

ч 0.25

^еп* =

М =

где первая аппроксимация соответствует ламинарным пленкам, вторая и четвертая - спутным турбулентным пленкам в вертикальных восходящих потоках, третья - спутным турбулентным пленкам в вертикальных нисходящих потоках. Для горизонтальных турбулентных потоков критическое значение числа Вебера принимает промежуточные значения между второй и третьей аппроксимациями. Четвертая аппроксимация дает асимптотические значения РРв13* для пленок с сильно развитой турбулентностью и получена экстраполяцией экспериментальных данных по интенсивности срыва капель.

Интенсивность динамического уноса (срыва)

3^2 удобно представить через безразмерную

величи-

ну, равную отношению </32 к плотности орошения стенки канала

-а л В

332 = —----- .

а

жВ

[4

т

Экспериментальных данные для пароводяных и воздушно-водяных потоков обобщаются следующей формулой :(Жв13 - ^3, )0 85

РІ

м-

Яе,

для Р = 10 - 500;ц = 0.0005 - 0.00Э;Яе3 = 700 -33000; Швп - Швп, = 0 -3 . р*

Радиус срывающихся с пленки капель г$ можно оценивать по формуле [4]:

кЪ1 = 100 - 300, ЬрЪ2 =

На границе контакта жидкость - газ записывается условие теплообмена, определяющее массовый поток испаряющейся жидкости:

Скорость уноса жидких капель с поверхности определяется выражением

—а

3 ЪШз

р, (лУ)

где У - диаметр конуса.

Состав продуктов горения на входе в аппарат охлаждения,

об.: N2

64,8; ^2

7,9; H2O - 23; O2

- 4,3. На выходе: N2 - 35,5; ^2 - 4,3; H2O - 57,8; O2 - 2,4. Расход жидкости в аппарате т3 = 1.8^ / 5 расход газа 2 кд/в

Рис.1. Расчетная область и разностная сетка

Рассчитанная численным методом картина течения представлена на рис.2.

Для сужающейся части аппарата охлаждения характерно устойчивое и однородное течение. Унос жидкости со стенок происходит вследствие испарения и уноса брызг. Температура смеси газа и пара около стенки составляет около 50С (рис.3).

На рис.3 показаны линии равных температур - изотермы. В начале расширяющейся части конуса происходит срыв пленки жидкости высокоскоростным потоком. В расширяющемся конусе на стенке происходит отрыв пограничного слоя и образование вихревого течения, что еще более интенсифицирует тепло и массообменные процессы в аппарате. Температура парогазовой среды начинает резко снижаться по всему по-

т

3

^е32^

Г =

перечному сечению аппарата. Тем не менее, расчеты показывают, что в осевой области течения существует протяженная зона с достаточно высокой температурой. Изменение температуры смеси по длине аппарата резкого охлаждения показано на рис.4.

Рис.2. Поле течения в аппарате охлаждения дымовых газов

Рис.3. Температурное поле в аппарате резкого охлаждения

На рис.4 представлено изменение температур вдоль координатных линий. Координатная линия 1 соответствует оси, а 40 - пристенной области. Из рис.4 следует, что основная доля дымовых газов действительно достаточно быстро охлаждаются. Однако, часть газов (около 10%) довольно продолжительное время

находятся в зоне температур, выше 150С, сохраняя благоприятные условия для образования диоксинов.

Термодинамический и одномерный расчет теплового баланса в аппарате резкого охлаждения не позволяет выявить этот эффект, так как средняя по сечению температура парогазовой смеси действительно составляет 80 - 90С. Реальный выход диоксинов, образующихся в процессе охлаждения продуктов сгорания твердых и жидких отходов, может оказаться выше, чем это следует из термодинамических расчетов процесса охлаждения.

Для устранения этой возможности можно рассмотреть конструктивные изменения в аппарате резкого охлаждения. Одним из вариантов является введение в аппарат центрального тела, как на рис.5.

Охлаждающая жидкость дополнительно подается через центральное тело в аппарат охлаждения. Гидродинамическая картина при этом изменяется, как это видно на рис.6.

Вихревое течение в расширяющемся конусе становится еще более интенсивным. Унос жидкости в поток

приводит к более резкому охлаждению парогазовой смеси (рис.7). т,с

0 0 0 2 0.4 0 6 0 8 1.0 1 2 1 4 1 6 ^

Рис.4. Изменение температуры парогазовой смеси по длине аппарата

Рис.5. Расчетная область с центральным телом

Рис.6. Поле течения в аппарате охлаждения с центральным телом

Рис.7. Рассчитанные изотермы в аппарате резкого охлаждения с центральным телом

Численный расчет процесса течения в аппарате с центральным телом показывает, что резкое охлажде-

ние основной части дымовых газов происходит в самом начале расширяющегося конуса. Условия для образования диоксинов в таком аппарате практически отсутствуют.

Проведенное численное моделирование процесса охлаждения высокотемпературных дымовых показало необходимость проведения многомерных расчетов для выбора более эффективных конструктивных решений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бендерский Б.Я., Тененев В.А.Экспериментально-численное исследование течений в осесимметричных каналах сложной формы с вдувом Изв.РАН МЖГ, №2, 2 0 01.с.24-28.

2. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.-

М.:Энергоиздат,1984.150с.

3. Сполдинг Д.Б. Горение и массобмен. - М.: Машиностроение, 1985. - 237 с.

4. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч.2.- М.: Наука, 1987. 360с.

5. Термическое уничтожение отходов. Пояснительная записка, СОЮЗПРОМНИИПРОЕКТ, Москва, 2002. 57с.