RU2104751C1 - Method of jet disperse-phase precipitation - Google Patents

Abstract

FIELD: environment protection in industrial power engineering, in particular, melting units (reverberatory, slag-melting, open-hearth, glassmaking furnishes, etc). SUBSTANCE: with the aim of intensification of precipitation of different phases, dust inclusive, the degree of turbulence of the phase-carrying flow in the working space of the thermal set is increased due to delivery at an angle to this flow of a gas curtain of jets out-velocities. The main parameters of the gas curtain, in particular: the angle of incidence of jets of the precipitation surface, number of nozzles, relative distance between the nozzles, curtain-main flow rates relation are determined. EFFECT: facilitated procedure. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области экологии в промышленной энергетике, в частности к способу осаждения пылевидных частиц в плавильных агрегатах черной и цветной металлургии. The invention relates to the field of ecology in industrial energy, in particular to a method for the deposition of dust particles in melting units of ferrous and non-ferrous metallurgy.

В промэнергетике в очень многих плавильных печах, типа отражательных, шлакоплавильных, мартеновских, стекловаренных и др.; жесткий, направленный на поверхность расплавленных материалов факел и струи кислорода, подаваемого при продувке, способствуют интенсивному образованию пыли (особенно, если материал загружают через отверстия в своде), которая затем уносится из рабочего пространства уходящими газами. Пыль представляет собой как твердые, так и размягченные и даже частицы (в дальнейшем - дисперсная фаза). In industrial power engineering in very many melting furnaces, such as reflective, slag melting, open-hearth, glass melting, etc .; a hard torch directed to the surface of molten materials and a stream of oxygen supplied during purging contribute to intense dust formation (especially if the material is loaded through openings in the roof), which is then carried away from the working space by flue gases. Dust is both solid and softened, and even particles (hereinafter - the dispersed phase).

Это не только осложняет задачу экологической защиты окружающей среды, но и заметно ухудшает работу многих агрегатов, расположенных за печью (котлов-утилизаторов, дымососов, насадок регенераторов и т.д.). Поэтому разработка эффективного и легко реализуемого на практике способа уменьшения пылевыноса является весьма актуальной задачей. This not only complicates the task of environmental protection of the environment, but also significantly worsens the operation of many units located behind the furnace (waste heat boilers, smoke exhausters, regenerator nozzles, etc.). Therefore, the development of an effective and easily implemented in practice method of reducing dust removal is a very urgent task.

Наиболее близким к предложенному является способ струйного осаждения, включающий пропускание загрязненного газового потока над поверхностью осаждения в канале, ограниченном верхней и боковой ограждающими поверхностями. Closest to the proposed is a method of jet deposition, including the transmission of a contaminated gas stream above the deposition surface in a channel bounded by the upper and lateral enclosing surfaces.

Однако этот способ имеет весьма существенные недостатки. За счет обычного увеличения скорости фазо-несущего потока обычно не удаляется увеличить степень турбулентности выше 0,15-0,20. Требуемую степень осаждения приходится обеспечивать за счет значительного увеличения длины сепаратора (площади осаждения), Установка турбулизирующих вставок приводит к значительному увеличению гидравлического сопротивления и требует в условиях высокотемпературных потоков применения специальных охладителей или использования высокоогнеупорных материалов. However, this method has very significant disadvantages. Due to the usual increase in the velocity of the phase-carrying flow, it is usually not removed to increase the degree of turbulence above 0.15-0.20. The required degree of deposition has to be ensured due to a significant increase in the length of the separator (deposition area). The installation of turbulent inserts leads to a significant increase in hydraulic resistance and requires the use of special coolers or the use of high refractory materials in high-temperature flows.

Верхний предел используемых в линейных сепараторах скоростей весьма ограничен из-за возможного потока срыва пленки с поверхности. The upper limit of the speeds used in linear separators is very limited due to the possible flow of film tearing from the surface.

Все указанное не обеспечивает достаточной степени осаждения и приводит к росту капитальных затрат, применению дорогостоящих материалов и увеличению эксплуатационных расходов на пылеосаждение. All of the above does not provide a sufficient degree of deposition and leads to an increase in capital costs, the use of expensive materials and an increase in operating costs for dust deposition.

Целью предлагаемого способа является увеличение степени дисперсно-фазного осаждения путем турбулизации несущего потока газовой завесой из струй. Поставленная цель основана на том факте, что при достижении некоторой степени турбулентности обеспечивается резкое увеличение степени пылеосаждения. The aim of the proposed method is to increase the degree of dispersion-phase deposition by turbulization of the carrier stream with a gas curtain of jets. The goal is based on the fact that when a certain degree of turbulence is achieved, a sharp increase in the degree of dust deposition is provided.

В предлагаемом способе дисперсного фазоосаждения достижения требуемой степени турбулентности выше величины 0,25-0,30 обеспечивается созданием турбулизирующей завесы газовых струй, истекающих по направлению фазонесущего газового потока при звуковых или сверхзвуковых скоростях (компрессорный воздух, кислород, пар, инертный газ и т.д.) под определенным оптимальным углом атака к плоскости фазоосаждения. In the proposed method of dispersed phase deposition, achieving the required degree of turbulence above 0.25-0.30 is ensured by creating a turbulizing curtain of gas jets flowing in the direction of the phase-carrying gas stream at sound or supersonic speeds (compressor air, oxygen, steam, inert gas, etc. .) at a certain optimal angle of attack to the plane of phase precipitation.

На фиг. 1, 2 приведена схема взаимодействия турбулизирующей струйной завесы с основным фазонесущим потоком; на фиг.3 - схема реализации способа в рабочем пространстве мартеновской печи. In FIG. 1, 2 shows a diagram of the interaction of a turbulizing jet curtain with a main phase-carrying flow; figure 3 is a diagram of the implementation of the method in the working space of an open-hearth furnace.

Способ включает основной фазонесущий поток 1 с массовым расходом G_п, жидкую фазоулавливающую поверхность 2, верхнее 3 и боковые 4 отражения струйной завесы 5, истекающей из слоя сопл 6 с массовым расходом G_т со звуковой или сверхзвуковой скоростью.The method includes a main phase-carrying flow 1 with a mass flow rate G _p , a liquid phase-collecting surface 2, an upper 3 and side 4 reflections of a jet curtain 5 flowing out of a layer of nozzles 6 with a mass flow rate G _t at a sound or supersonic speed.

На схеме использованы следующие обозначения:
H и B - соответственно, высота и ширина канала,
l - длина струи от сопла до точки встречи с осаждающей поверхностью,
β - угол раскрытия струи,
d - угол атака турбулизирующей струи осаждающей поверхности,
F - площадь следа раскрывающейся струи на поверхности фазоосаждения,
D - размер малой полости эллипса следа струи.The following notation is used in the diagram:
H and B - respectively, the height and width of the channel,
l is the length of the jet from the nozzle to the meeting point with the precipitating surface,
β is the angle of the jet,
d is the angle of attack of the turbulent jet of the besieging surface,
F is the area of the trace of the opening jet on the surface of the precipitation,
D is the size of the small cavity of the ellipse of the jet trace.

Основные параметры струйной турбулизирующей газовой завесы (угол атака α; расположение и количество сопл для подачи струй, соотношение расходов струй и основного потока G_т/G_п) выбираются из следующих соображений.The main parameters of the jet turbulizing gas curtain (angle of attack α; the location and number of nozzles for supplying jets, the ratio of the flow rates of the jets and the main stream G _t / G _p ) are selected from the following considerations.

Обобщенный критерий оптимальности фазоосаждения К_опт включает три основные составляющие:
К_опт=К_тур + К_F + К_пот,
где К_тур - критерий степени турбулентности;
К_F - критерий охвата поверхности осаждения раскрывающимися струями;
К_пот - критерий снижения потерь на гидравлические сопротивления движению потока.The generalized criterion of optimality of the phase deposition K _opt includes three main components:
K _opt = K _tour + K _F + K _sweat ,
where K _tour - the criterion of the degree of turbulence;
To _F - the criterion of coverage of the deposition surface by expanding jets;
To _sweat - a criterion for reducing losses in hydraulic resistance to flow movement.

Указанное условие оптимальности, таким образом, исходит из необходимости, во-первых, обеспечить требуемую степень турбулентности для интенсификации фазоосаждения на жидкую поверхность 2, что достигается подачей звуковых или сверхзвуковых струй в основной несущей поток с массовым расходом G_т. Во-вторых, при ударе струи о поверхность 2 происходит дополнительное разрушение ламинарного пограничного слоя и обеспечивается доставка коагулирующих частиц осаждаемой фазы непосредственно на поверхность осаждения. Для этого необходимо добиваться увеличения поверхности соприкосновения струй с фазоуловливающей поверхностью. И, в-третьих, необходимо, чтобы подача струй не приводила к увеличению сопротивления движения основного потока 1, что достигается направлением струй по ходу движения основного потока под некоторым углом атаки d к поверхности осаждения 2. При этом используются эжектирующие свойства струй и уменьшаются потери напора основного потока.The indicated optimality condition, therefore, proceeds from the need, firstly, to provide the required degree of turbulence to intensify the phase deposition on the liquid surface 2, which is achieved by supplying sound or supersonic jets into the main carrier stream with a mass flow rate G _t . Secondly, upon impact of the jet against surface 2, an additional destruction of the laminar boundary layer occurs and coagulating particles of the deposited phase are delivered directly to the deposition surface. For this, it is necessary to achieve an increase in the contact surface of the jets with a phase-catching surface. And thirdly, it is necessary that the supply of the jets does not lead to an increase in the resistance of the main stream 1, which is achieved by the direction of the jets along the main stream at a certain angle of attack d to the deposition surface 2. In this case, the ejection properties of the jets are used and pressure losses are reduced main stream.

С учетом указанных требований и критерия оптимальности направление турбулизирующих струй должно осуществляться под углами атаки в пределах 30-60^oC, а соотношение массовых расходов турбулизирующих струй (G_т) и основного потока (G_п) должно составлять G_т/G_п = 0,05-0,15. При наличии достаточного резерва тяги и напора дутьевых устройств стоит выбирать наибольшее значение угла атаки и наибольшее значение орошения G_т/G_п. В случае отсутствия запаса мощности тягодутьевых устройств выбирается наименьшее значение угла атаки и наименьшее значение отношения G_т/G_п.Taking into account these requirements and the optimality criterion, the direction of the turbulent jets should be carried out at angles of attack within 30-60 ^o C, and the ratio of the mass flow rates of the turbulent jets (G _t ) and the main flow (G _p ) should be G _t / G _p = 0, 05-0.15. If there is a sufficient reserve of thrust and pressure of the blowing devices, it is worth choosing the largest value of the angle of attack and the largest value of irrigation G _t / G _p If there is no power reserve of draft devices, the smallest value of the angle of attack and the smallest ratio G _t / G _p are selected.

Другие параметры струйной завесы рассчитываются из следующих геометрических соотношения:

В данном случае очевидно, что b = D. Количество сопл завесы n по ширине выбирается из соображения перекрытия следами струй в поперечном направлении на уровне поверхности 2 (фиг.1) всей ширины канала B

Расстояние между соплами b = AхH.Other parameters of the jet curtain are calculated from the following geometric relationships:

In this case, it is obvious that b = D. The number of nozzles of the curtain n in width is selected from the consideration of overlapping traces of jets in the transverse direction at the level of surface 2 (Fig. 1) of the entire width of the channel B

The distance between the nozzles b = AxH.

Относительное расстояние между соплами

:

Из приведенных формул легко видеть, что

Конкретные значения Z и A можно получить после подстановки в формулы значения угла раскрытия струи β (24^o) и угла атаки струи α = 30-60^o (sin 30^o = 0,5; sin 6^o = 0,8660).The relative distance between the nozzles

:

From the above formulas it is easy to see that

Specific values of Z and A can be obtained after substituting the values of the jet opening angle β (24 ^° ) and the angle of attack of the jet α = 30-60 ^° (sin 30 ^° = 0.5; sin 6 ^° = 0.8660) in the formulas.

Учитывая приближенный характер расчетов, принимаем: Z = 1-2, а A = 0,5-1,0.

Given the approximate nature of the calculations, we take: Z = 1-2, and A = 0.5-1.0.

Способ реализуется следующим образом (см. фиг. 1, 2). The method is implemented as follows (see Fig. 1, 2).

Через сопла 6, в количестве n = (1-2)B/H, расположенные на расстоянии b = (0,5-1,0)• H и относительном расстоянии друг от друга

= (0,5- 1,0)• H/B, в основной фазонесущей поток со звуковыми или сверхзвуковыми скоростями подают турбулизирующие струи, образующие завесу под углом атаки к фазоулавливающей поверхности α = 30-60^o. Соотношение расходов турбулизирующего и основного потоков G_т/G_п = 0,05-0,15 должно обеспечить высокую степень осаждения улавливаемой фазы. За счет значительной турбулизации основного потока в зоне подачи газовой завесы происходит резкое увеличение осаждения несомой фазы на жидкую поверхность 2.Through nozzles 6, in the amount of n = (1-2) B / H, located at a distance b = (0.5-1.0) • H and relative distance from each other

= (0.5-1.0) • H / B, turbulizing jets are fed into the main phase-carrying stream with sound or supersonic speeds, forming a curtain at an angle of attack to the phase-collecting surface α = 30-60 ^o . The ratio of the costs of the turbulizing and main flows G _t / G _p = 0.05-0.15 should provide a high degree of deposition of the captured phase. Due to the significant turbulization of the main stream in the zone of supply of the gas curtain, there is a sharp increase in the deposition of the carried phase on the liquid surface 2.

При ударе струи об эту поверхность происходит дополнительное разрушение ламинарного пограничного слоя и улучшение транспортных (эжектирующих) свойств струи, обеспечивающих интенсивную доставку коагулирующих частиц осаждаемой фазы на поверхность осаждения. При ускоренном фазном осаждении вследствие направления струй по ходу основного потока и их эжектирующих свойств практически не происходит увеличения сопротивления движения основного потока. When a jet strikes this surface, an additional destruction of the laminar boundary layer occurs and the transport (ejecting) properties of the jet are improved, which ensure the intensive delivery of coagulating particles of the deposited phase to the deposition surface. With accelerated phase deposition due to the direction of the jets along the main stream and their ejecting properties, there is practically no increase in the resistance to the main stream.

В случае реализации данного способа в агрегатах с переменным направлением движения основного потока (типа мартеновских или стекловаренных печей) необходимо обеспечить синхронное реверсирование газовой завесы и фазонесущего потока. Отметим, что побочным положительным эффектом турбулизирующей воздушной завесы является увеличение степени дожигания горючих составляющих продуктов сгорания топлива и технологических газов, выделяющихся из ванны. In the case of implementing this method in units with a variable direction of movement of the main stream (such as open-hearth furnaces or glass melting furnaces), it is necessary to provide simultaneous reversal of the gas curtain and phase-carrying flow. Note that a side positive effect of a turbulent air curtain is an increase in the degree of afterburning of the combustible components of the fuel combustion products and process gases released from the bath.

В случае сложной формы каналов размеры H и B следует принимать как средние, с учетом максимального и минимального размеров. In the case of a complex channel shape, the sizes H and B should be taken as average, taking into account the maximum and minimum sizes.

В случае охвата фазоулавливающей поверхности всего периметра канала, в котором движется фазонесущий поток, расчет параметров турбулизирующий струй проводится по тем же соотношениям, приняв при этом:
H = D_г; B = π•D_г,
где D_г = 4ω/P - гидравлический диаметр канала,
а ω и P - соответственно площадь поперечного сечения и периметр канала.In the case of covering the phase-catching surface of the entire perimeter of the channel in which the phase-carrying flow moves, the calculation of the parameters of the turbulent jets is carried out according to the same relations, taking at the same time:
H = D _g ; B = π • D _g ,
where D _g = 4ω / P is the hydraulic diameter of the channel,
and ω and P are the cross-sectional area and the perimeter of the channel, respectively.

В этом случае количество сопл:

Расстояние между соплами b = (0,5-1,0)•D_г и относительное расстояние между соплами:

=
Предлагаемый способ проверен на 130-тонной сталеплавильной печи (параметры: B = 3,7 м; H = 2,24 м; H/B = 0,6; b = D = 0,76 м; α = 45^o; z = 2,9; n = 5; b = 0,205).In this case, the number of nozzles:

The distance between the nozzles b = (0.5-1.0) • D _g and the relative distance between the nozzles:

=
The proposed method was tested on a 130-ton steel furnace (parameters: B = 3.7 m; H = 2.24 m; H / B = 0.6; b = D = 0.76 m; α = 45 ^o ; z = 2.9; n = 5; b = 0.205).

На фиг.3 представлена принципиальная схема технической реализации предлагаемого способа струйного фазоосаждения для улавливания пыли в рабочем пространстве данной мартеновской печи. Figure 3 presents a schematic diagram of the technical implementation of the proposed method of jet phase deposition for dust collection in the working space of this open-hearth furnace.

В своде печи 3 было установлено три фурмы 1, в которые по трубопроводам 2 подавалось (2,0-2,5)•10³ м³/ч компрессорного воздуха, что обеспечивало отношение G_т/G_п = 0,1. Воздушные струи в направлении под углом 45^o к направлению движения основного потока (угол атаки α = 45^o). Основная масса газов образуется при сжигании с помощью газомазутных горелок 5. Подогретый пентиляторный воздух через головку 4, и образовавшаяся топливовоздушная смесь сгорает в виде жесткого, стелющегося факела 6. Уловленная пыль осаждалась на поверхности ванны 7 (жидкий фазоулавливающей поверхности).Three lances 1 were installed in the roof of furnace 3, into which (2.0-2.5) • 10 ³ m ³ / h of compressor air was supplied through pipelines 2, which ensured the ratio G _t / G _p = 0.1. Air jets in a direction at an angle of 45 ^o to the direction of movement of the main stream (angle of attack α = 45 ^o ). The bulk of the gases formed during combustion with gas-oil burners 5. Heated pentilator air through the head 4, and the resulting air-fuel mixture burns in the form of a hard, creeping torch 6. The trapped dust was deposited on the surface of the bath 7 (liquid phase-trapping surface).

Чтобы обеспечить реверсирование газовых струй при изменении направления движения основного потока после перекидки клапанов, каждая из фурм разделена продольной перегородкой на две половины, в каждую на которых поочередно подают компрессорный воздух. В скошенные стенки основания фурмы вварены два сопла Лаваля под углом 45^o к оси фурмы.To ensure the reversal of gas jets when changing the direction of movement of the main stream after the valves are thrown, each of the tuyeres is divided by a longitudinal partition into two halves, each of which is supplied with compressor air in turn. Two Laval nozzles are welded into the beveled walls of the lance base at an angle of 45 ^o to the axis of the lance.

Влияние турбулизирующий струй газовой завесы на внутрипечное улавливание пыли определялось путем сравнения локальных значений концентрации пыли в пробах отходящих газов, отобранных во время подачи струй и без них. The influence of the turbulizing jets of the gas curtain on the furnace dust collection was determined by comparing the local values of the dust concentration in the samples of the exhaust gases taken during and without jets.

Измерения показали, что вынос пыли при подаче струй значительно уменьшается (на 23,5-41,5%). И хотя по данным о локальной концентрации пыли нельзя точно рассчитать общий вынос пыли, однако можно сделать достаточно объективный вывод о высокой эффективности струйного способа. Measurements showed that the dust removal during the supply of jets is significantly reduced (by 23.5-41.5%). And although according to the data on the local concentration of dust it is impossible to accurately calculate the total dust removal, however, a fairly objective conclusion can be made about the high efficiency of the inkjet method.

Одновременно измерения тепловых потоков на свод при помощи радиометров полусферического тепловосприятия показало, что подача турбулизирующий струй приводит к незначительному их увеличению в начале рабочего пространства (на 1-2%) и уменьшению в конце (на 2-4%). Подобное изменение величины тепловых потоков по длине свода должно в итоге привести к увеличению его стойкости, т.к. в мартеновских печах свод, как правило, перегревается со стороны убирающей головки. Подобное перераспределение теплоподвода по длине печи можно объяснить некоторым смещением потока дымовых газов от свода к ванне и улучшением дожигания несгоревших компонентов продуктов сгорания, что, в свою очередь, обеспечивается за счет увеличения концентрации кислорода у поверхности ванны при подаче завесы с 1,8 до 6,8%. Simultaneously, measurements of heat fluxes to the arch using hemispherical heat perception radiometers showed that the supply of turbulent jets leads to their insignificant increase at the beginning of the working space (by 1-2%) and decrease at the end (by 2-4%). Such a change in the magnitude of heat fluxes along the length of the arch should ultimately lead to an increase in its resistance, since in open-hearth furnaces, the arch, as a rule, overheats from the side of the cleaning head. Such a redistribution of heat supply along the length of the furnace can be explained by a certain shift in the flue gas flow from the roof to the bath and an improvement in the afterburning of unburned components of the combustion products, which, in turn, is achieved by increasing the oxygen concentration at the bath surface when the curtain is supplied from 1.8 to 6, eight%.

Необходимо отметить, что подача турбулизирующих струй приводила лишь к очень незначительному увеличению давления газов под сводом (на 4,9-6,8 Па), что свидетельствует о правильности выбора основных параметров турбулизирующей газовой завесы с точки зрения ее влияния на гидравлическое сопротивление основного потока. It should be noted that the supply of turbulent jets led only to a very insignificant increase in the gas pressure under the arch (by 4.9-6.8 Pa), which indicates the correct choice of the main parameters of the turbulent gas curtain from the point of view of its effect on the hydraulic resistance of the main flow.

Claims (2)

1. Способ струйного осаждения, включающий пропускание загрязненного газового потока над поверхностью осаждения в канале, ограниченном верхней и боковой ограждающими поверхностями, отличающийся тем, что в газовом потоке создают турбулизирующую газовую завесу из струй, истекающих из сопл со звуковой или сверхзвуковой скоростью, при этом сопла установлены на ограждающей поверхности с наклоном по ходу газового потока с углом атаки струи к поверхности осаждения 30 60^o, причем относительное расстояние между соплами по ширине канала составляет b/B A•Н/B, число сопл n Z•B/H, а соотношение массовых расходов завесы и газового потока G_т/G_п 0,03 0,15, где b расстояние между соплами, B ширина канала, H высота канала, G_т массовый расход компрессорного воздуха, создающего завесу, G_п массовый расход газового потока, A 0,5 3,0, Z 1 2.1. The method of jet deposition, including the transmission of a contaminated gas stream over the deposition surface in the channel bounded by the upper and lateral enclosing surfaces, characterized in that in the gas stream create a turbulent gas curtain from jets flowing out of the nozzles with sound or supersonic speeds, while the nozzle mounted on the enclosing surface with an inclination along the gas flow with an angle of attack of the jet to the deposition surface of 30 60 ^o , and the relative distance between the nozzles along the channel width is t b / BA • N / B, number of nozzles n Z • B / H, and the ratio of the mass flow rates of the curtain and gas flow G _t / G _p 0.03 0.15, where b is the distance between the nozzles, B channel width, H height channel, G _{t the} mass flow rate of the compressor air, creating a veil, G _{p the} mass flow rate of the gas stream, A 0.5 3.0, Z 1 2. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при периодическом изменении направления движения газового потока синхронно изменяют направление движения турбулизирующих струй газовой завесы. 2. The method according to p. 1, characterized in that with a periodic change in the direction of movement of the gas stream synchronously change the direction of movement of the turbulent jets of the gas curtain.

Images