CC BY
36
Хайбулин Р.Г.
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА АППАРАТА БЫСТРОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В УСТАНОВКЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
НА УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДИОКСИНОВ
В статье проведен численный анализ температурных режимов охлаждения продуктов сгорания в аппарате быстрого охлаждения. Показано, что применение конструкции проточного тракта с охлаждаемым центральным телом снижает время пребывания газа в температурном диапазоне, благоприятном для образования диоксинов.
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. Для этого, горячие дымовые газы проводятся 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. Наблюдаемая при прохождении аппарата резкого охлаждения потеря давления служит мерой для степени перемешивания жидкости с газом и, тем самым, - мерой производительности промывки. Большая часть перемещаемых с потоком солей отделяется еще в аппарате резкого охлаждения. Там отделяется также и НС1. Устанавливается оптимальное для отделения вредных примесей значение рН (его следует определить в ходе пуско-наладочных работ), а образующаяся при этом кислая вода в максимальной степени нейтрализируется в результате прибавки раствора едкого натра. Резко охлажденный дымовой газ направляется в боковую сторону и, таким образом, до поступления в первую ступень промывки ( т.е. в радиально-поточный скруббер) освобождается от большой части унесенных водяных капель. С учетом того, что в циркулирующей воде аппарата резкого охлаждения накапливаются все примеси отходов и дымовых газов, часть воды, используемой для резкого охлаждения дымового газа фильтруется и непрерывно отводится на выпарную установку. 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 дожигания от 12000С до температуры предела охлаждения 850С.
Количество образующихся диоксинов зависит от времени нахождения продуктов сгорания в температурном диапазоне, Чем больше время пребывания, тем больше вероятность повторного образования ди-
оксинов.
а)
Рис.1. а) - поле течения; б) - температурное поле
Балансовый метод расчета процесса охлаждения не позволяет определить время пребывания продуктов дожигания отходов в опасном температурном интервале. При расчете термогазодинамических параметров в аппарате быстрого охлаждения необходимо учитывать взаимодействие газового потока с охлаждающей жидкостью, движущейся по стенкам. Для количественной оценки процесса охлаждения дымовых газов требуется решать гидродинамические уравнения с учетом тепло и мас-сообмена со стенками. Система уравнений, описывающая осесимметричное стационарное турбулентное 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] .
При взаимодействии высокоэнтальпийного 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-
Рис.2. Изменение температуры парогазовой смеси по длине аппарата
На рис.1 приведены расчетные поля скоростей течения и температуры продуктов смешения. 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 поперечному сечению аппарата. Температура смеси газа и пара около стенки составляет около 50С. Расчеты показывают, что в осевой области течения существует протяженная зона с достаточно высокой температурой (рис.1б). Значения температур в этой зоне находятся в опасном интервале образования диоксинов. Распределение температуры смеси по длине аппарата резкого охлаждения показано на рис.2.
Рис.3. а) - поле течения в аппарате с центральным телом; б) - температурное поле
На рис.2 представлено изменение температур вдоль продольных координатных линий разностной сетки. Координатная линия сетки 1 соответствует оси, а 40 - пристенной области. Из рис.2 следует, что основная доля дымовых газов достаточно быстро охлаждаются. Однако, часть газов довольно продолжительное время находятся в зоне температур, выше 150С, сохраняя благоприятные условия для образования диоксинов. Для снижения температуры в осевой зоне течения целесообразно рассмотреть вариант с подачей воды через центральное тело.
Вода подается через верхний конус центрального тела, образуя на нем жидкую пленку (рис.За). При переходе на нижний конус пленка срывается в виде капель. Испарение капель воды снижает температуру за центральным телом.
Рис.4. Изменение температуры парогазовой смеси по длине аппарата с центральным телом Зона потока с повышенной температурой более 150С становится значительно короче и приобретает кольцевую форму (рис.Зб). Скорость снижения температуры по длине аппарата становится более высокой (рис.4).
Следующим вариантом конструкции проточного тракта аппарата быстрого охлаждения является сдвиг центрального тела в расширяющийся конус Вентури (рис.5а).
Смещение центрального тела вниз по потоку приводит к возникновению отрывного режима течения в осевой области аппарата (рис.5а). Отрывной характер течения усиливает процессы перемешивания и охлаждения газа (рис.5б). Область повышенной температуры становится еще менее протяженной.
Проведем количественную оценку времени пребывания продуктов сгорания в температурном интервале образования диоксинов ЛТ^ .
Движение газа осуществляется по линиям тока, определяемых уравнениями йх йу
— = и, — = V ,
йґ йґ
где и,V - составляющие вектора скорости в направлениях х,у . Линии тока являются линиями постоянных значений функции тока, удовлетворяющих уравнениям
йу
йу
= PУu,
йу
йх
= ~РУ
где Р
плотность газа.
а)
б)
Рис.5. а) - поле течения в аппарате со смещенным центральным телом; б) - температурное поле
Рис.6. Время пребывания газа с в температурном диапазоне АТа
Расход газа по сечению канала, ограниченному линиями тока будет равен У]+1 _ У1+1
АО] = | ф = | руы^у .
У] — У]
Время Т пребывания газа с расходом АОу в температурном диапазоне АТа для линий тока, начинающихся из точки ^X = 0;Уу^ , приведено на рис.6 для трех конструкций проточной части аппарата быстрого охлаждения.
Зависимость 1 соответствует исходной конструкции аппарата (рис.1), 2 - конструкция с центральным
телом (рис.3), 3 - конструкция со смещенным центральным телом (рис.5). Суммарные по всем сечениям
времена пребывания ^Т- равны, соответственно 0.293, 0.190 и 0.138. Время нахождения продуктов сго-
]
рания в опасном интервале температур значительно снижается при использовании центрального тела.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бендерский Б.Я., Тененев В.А. Экспериментально-численное исследование течений в осесимметричных каналах сложной формы с вдувом. /Изв.РАН МЖГ, №2, 2 001.с.24-28.
2. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.:Энергоатомиздат. 1984.152с.
