ИССЛЕДОВАНИЕ БАРБОТАЖОГО СПОСОБА ПЕНОБЕСПЫЛИВАНИЯ НА ОБЪЕКТАХ ТОПЛИВОПОДАЧИ ТЭС

​АННОТАЦИЯ

Проведен анализ метода пылеподавления на тракте топливоподачи ТЭС с использованием пеногенератора. Пенообеспыливание позволяет существенно повысить уровень промышленной безопасности угольных станции, а также улучшить экологическую обстановку вокруг ТЭС. Наиболее эффективному способу относится генерация пены в капиллярно-пористых структурах, реализуемых при фазовых превращениях, а также при конденсации водяного пара, обогащенного пылинками мелких фракций, на микропористых образованиях. Предложена конструкция барботажного пеногенератора, используемого для эффективного осаждения пылинок мелких фракций с капиллярно-пористой структурой. Установлены зависимости эффективности процесса обеспыливания воздуха рабочих зон ТЭС пенным способом от условий пенообразования, характера истечения пара (газа) через отверстия проницаемой перегородки пеногенератора. Установлено, что гидрадинамическая устойчивость барботажного слоя является показателем эффективности работы пеногенератора и зависит от характера истечения пара через проницаемую перегородку. В работе рассмотрены случай истечения пара через перегородку в виде отдельных пузырей и непрерывного парового потока. Для конструирования проницаемой перегородки пеногенератора определены размеры отверстий с учетом изменения рабочего давления, которые не должны превышать 1·10^-3 м для генерации мелкоячеистой паромеханической пены.

Ключевые слова: запыленность, поверхностно активное вещество, пеногенератор, пенообразующий раствор, проницаемая перегородка.

Введение.

Основной объём электроэнергии в Казахстане вырабатывают 39 тепловых электростанций, работающих на углях Экибастузского, Майкубенского, Тургайского и Карагандинского бассейнов. Актуальной проблемой безопасности на предприятиях ТЭС является проблема выделения угольной пыли, что влияет на экологическую, так и на промышленную безопасность. Ситуация усугубляется еще тем, что большинство ТЭС расположены в городской черте.

Современная нормативно-техническая база ведения работ на ТЭС предусматривает ряд мероприятий для уменьшения запыленности, но они не дают нужного эффекта [1].

В данной работе рассмотрено использование нового способа обеспыливания тракта топливоподачи, который основан на использовании пеногенераторов. Применение пенобеспыливания предусматривает использование автоматизированных систем контроля запыленности и борьбы с пылью на основе применения барботажных способов пенообеспыливания, которые могут быть реализованы путем использования энергии высокократной воздушно-механической пены, производимой пеногенераторами [2,3,4]. Для повышения стойкости воздушно-механической пены осуществляется диспергирование воздуха через капиллярно-пористые образования с последующим его барботированием через слой пенообразующего вещества.

Такой способ позволяет существенно повысить уровень промышленной безопасности угольных станции, а также улучшить экологическую обстановку вокруг ТЭС.

Материалы и методы исследования.

Применение пенообеспыливания относится к химическим методам подавления пыли.

Некоторые сорта угля является гидрофобными по своей природе, таким образом они слабо впитывают в себя воду. В этом случае простые водяные струи часто оказываются неэффективными в борьбе с пылью. Но здесь на помощь могут прийти различные давно известные поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые могут эффективно смачивать поверхность угля [5].

Поверхностно-активные вещества образуют микроскопические жидкую пленку в качестве средства повышения адгезии частиц угольной пыли на поверхности крупных угольных кусков. Эффективность подавления пыли методом смачивания поверхности угля сильно зависит от возможности удерживания влажной среды, таким образом, чтобы частицы угольной пыли прилепали к поверхности кусков угля для предотвращения распространения пыли.

На угольных складах тепловых электростанций США получили распространение ПАВ компании Benetech [6], являются оптимальным по свойствам смачивания и адгезии угольной пыли к поверхности кусков угля. Композиция ПАВ компании Benetech содержит синергетические комбинации смачивающих агентов, необходимых для обеспечения быстрого и эффективного подавления пыли для различных типов угля.

ПАВ Benetech наносятся в виде пены на поверхность вновь доставленного угля на угольный склад ТЭС. Состав ПАВ Benetech получил одобрение Агентства по охране окружающей среды США.

Ещё одним преимуществом использования ПАВ является то, что при их применении сокращается расход распыляемой на поверхность угля воды, как правило, не менее, чем на четверть.

Следует также сказать, что использование ПАВ для предотвращения распространения угольной пыли неэффективно для угля, который хранится более трёх недель. В таком случае практически всегда действие ПАВ прекращается, и угольная пыль вновь может уносится потоками воздуха.

Перспективным способом пылеподавления являются барботажные способы пенообеспыливания, которые могут быть реализованы путем использования энергии набегающего воздушного или парового потоков. Кратность пены, полученной в барботерах, вполне достаточна для эффективного осаждения пылинок мелких фракций, но может быть неприемлемой для тушения пожаров [7].

Для успешного использования метода пенобеспыливания на ТЭС необходимы глубокие исследования сущности эффективного смачивания пыли при сравнительно малых расходах воды или пара. Наиболее эффективными способами пылеподавления и пылеулавливания, на наш взгляд, являются способы генерации пены в капиллярно-пористых структурах, реализуемые при фазовых превращениях, а также при конденсации водяного пара, обогащенного пылинками мелких фракций, на микропористых образованиях.

Изучению барботажных процессов пара через жидкость посвящены работы [8, 9], а в работе [10] представлено формирование газожидкостных струй при истечении газа в жидкость и приведены общие закономерности газожидкостных струй, формирование газовой каверны и кипящего слоя при истечении струи газа в жидкость, рассмотрена турбулентная структура газожидкостных струи, процессы растекания струи у поверхности жидкости, даны сведения о начальном, переходном и основном участке компактной газожидкостной струи.

Конструкция барботажного пеногенератора показана на рисунке1. Питающая жидкость 4 через патрубок 1 подается в пеногенератор 3. За счет активного подогрева в испарителе образуется пар 5, который создает определенный толщины подушку 6 под проницаемой перегородкой 8. Через патрубок 9 поступает пенообразующий раствор 11, который барботируется паровыми пузырями 10, генерирующими паромеханическую пену 12. Пенный поток 12 направляется на очаг пыли или пожара.

Рисунок 1. Конструкция пеногенератора

1- патрубок; 2- испаритель; 3- корпус; 4- питающая жидкость; 5- пар; 6- паровая подушка; 7- отверстие; 8 - проницаемая перегородка; 9 – патрубок; 10- поток пара; 11- пенообразующая жидкость; 12 -пена

Результаты работы.

Эффективность работы барботажного пеногенератора зависит от характера истечения пара (газа) через отверстия проницаемой перегородки 8.

Гидрадинамическая устойчивость барботажного слоя, которая является показателем эффективности работы пеногенератора зависит от характера истечения пара через проницаемую перегородку. В связи с этим рассмотрены два варианта истечения пара через перегородку: в виде отдельных пузырей и непрерывного парового потока.

В первом варианте пар проходит через отверстие проницаемой перегородки в виде отдельных пузырей (рисунок 2 а).

Во втором варианте пар идет непрерывным потоком через проницаемую перегородку(рисунок 2 б).

1-проницаемая перегородка; 2- отверстие;3-пузырь; 4-пенобразующий раствор; 5- пена

а

б

1-газ (пар);2-питающая жидкость;3-боковая перегородка;4-проницаемая перегородка; 5-отверстие; 6-непрерывный поток пара; 7- пенобразующая жидкость; 8-пена

Рисунок 2. Виды истечения пара через проницаемую перегородку

В первом случае на проницаемую перегородку 1 подается пенообразующий раствор 4. Через отверстие 2 радиусом R, продувается воздушный поток с такой скоростью, чтобы формировался отдельный пузырь. Динамика развития пузыря может быть представлена как зарождение его, начиная с некоторого критического размера, возникающего спонтанным образом, рост, отрыв от перегородки и всплытие. Отрывной радиус пузыря  будет определяться теплофизическими свойствами раствора, давлением, градиентом температуры и другими факторами.

При определённых условиях пара истекает в виде непрерывного потока при барботаже через пенообразующий раствор. Боковая перегородка 3 способствует образованию паровой подушки некоторой толщины  под проницаемой перегородкой 4. Барботируемый пар 1 проходит через питающую жидкость 2 и истекает оплошным потоком через отверстие 5  и, барботируя через пенообразующий раствор 7, формируется в виде пенного потока 8 и направляется в очаг пыли или пожара. Описанный механизм процесса пузыреобразования и генерации пенного потока позволяет осуществить конструктивное оформление пеногенератора. Для оценки гидрадинамической устойчивости барботажного слоя, толщины подушки парового слоя и размера пузырегенерирующих пор были проведены исследования и расчеты.

Для описания процессов генерации пены и оценки гидродинамической устойчивости барбатожного слоя независимо от принятого варианта допускается, что в корпус пеногенератора подается пенообразующая жидкость, содержащая менее 0,5-1% по объему поверхностно-активных веществ. Поток пара просасывается через проницаемую перегородку (поверхность), представляющую пористый материал. Для моделирования гидродинамики пара принимаем ячейки пористого материала в виде отверстий радиусом  Поток пара выходит из пор мелкими пузырьками радиусом , который должен быть не менее .

При небольшой скорости течения паровой фазы пар протекает через отверстие проницаемой перегородки отдельными пузырями. В случае форсировки режима генерации пены истечение пара будет непрерывной струей. Расчет скорости истечения пара для обоих случаев производится следующим образом.

На каждый пузырь ПАВ снизу действует сила тяжести, поверхностного натяжения и выталкивающая сила.

При истечении пара отдельными пузырями уравнение баланса действующих сил имеет вид:

,                                     (1)

откуда можно установить соотношение между величинами  и , то есть:

,                                                       (2)

где:

 – ускорение свободного падения;

 - плотность жидкости и пара;

 – коэффициент поверхностного натяжения.

Для первого приближения величину  определим по формуле:

.                                               (3)

Численный расчет проведен для давления насыщения Р=1,2 бар при угле смачивания  принимая два значения коэффициента  для условия насыщения чистой воды и вдвое меньше, имеющее место при объемной концентрации пенообразующего вещества типа ПО -, равной 0,5+1%.

Для чистой воды:

 0,57· м

Для пенообразующего раствор  и  примем в первом приближении такими же, как и для чистой воды, так как наряду со снижением величины  возрастает угол , величина которого не поддается учету, то есть

Таким образом, при конструировании проницаемой перегородки размер отверстий (с учетом изменения рабочего давления) не должен превышать

 м для генерации мелкоячеистой паромеханической пены.

 Приведенная скорость пара в сечении пеногенератора рассчитывается при известных значениях расхода пара

.

Расход генерируемого пара принят  кг/с; диаметр пеногенератора – D =  м.

Выводы

1. Обосновано использование нового способа обеспыливания тракта топливоподачи с применением пеногенераторов.

2. Предложена конструкция барботажного пеногенератора с генерацией пены в капиллярно-пористых структурах проницаемой перегородки при фазовых превращениях водяного пара и взаимодействии пара с пенообразующим раствором при конденсации.

3. Предложенная методика расчета отверстия проницаемой перегородки позволяет в дальнейшем определить конструкцию пеногенератора, способного осаждать угольную пыльмелких фракций на микропористых образованиях.

Список литературы:

1. Юшин В. В, Лапин В. Л, Попов В. М. Техника и технология защиты воздушной среды. – М. : Высшая школа, 2005. – 391 с.
2. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л. Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1988. – 168 с.
3. Генбач А.А. Капиллярно-пористые системы в промышленности.- Деп.рук. ВИНИТИ.-1988.-№8(202). - С. 181; - (КазНИИНТИ.-1987.-№2105.- 295 с.)
4. Генбач А.А. Пористые теплообменники.- Деп.рук.ВИНИТИ.-1989.-№12(218).- С.178; -- (КазНИИНТИ.-1989.-№2818.- 194 с.)
5. Генбач А. А. Тепломассоперенос в пористых системах, работающих в поле маcсовых сил // М„ 1989. 272 с. Деп. в КазНИИНТИ 19.04.89, № 2649.
6. Методы борьбы с угольной пылью в воздухе на угольных складах ТЭС [Электронный ресурс]. Режим доступа https:// tesiaes.ru/=13998/ (дата обращения: 25.01.2024).
7. Гурова О. С. Исследование влияния свойств пены на эффективность обеспыливания воздуха рабочих зон предприятий строительной индустрии. - ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», г. Ростов-на-Дону: Научное обозрение.- 2015. №24 с.68-71
8. Теория турбулентных струй.- Под ред. Г.Н. Абрамовича.-М.: Наука, 1984.-717 с.
9. Кутаталадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем.- М.:Энергия,1976.-296 с.
10. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита.-М.: Энергия, 1976.-392 с.