Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles
Based on the previously created mathematical model of the three-phase polydisperse flow, a method of comparing options for the distribution of irrigation density over the horizontal cross-sectional area of the hollow scrubber and determining its effect on the efficiency of gas purification from so...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/50 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103099751366656 |
|---|---|
| author | Shraiber O.A. Antonets I.V. |
| author_facet | Shraiber O.A. Antonets I.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shraiber O.A.",
"institution": null
},
{
"author": "Antonets I.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shraiber O.A. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:30Z |
| description | Based on the previously created mathematical model of the three-phase polydisperse flow, a method of comparing options for the distribution of irrigation density over the horizontal cross-sectional area of the hollow scrubber and determining its effect on the efficiency of gas purification from solid particles is proposed. The conducted numerical studies show, however, that reducing the unevenness of the distribution of irrigation density under certain conditions makes it possible to reduce the emissions of particles into the atmosphere by almost three times. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2015.01.029 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:00:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
Зола українського енергетичного вугілля
містить такі шкідливі речовини, як важкі мета-
ли (барій, мідь, нікель, марганець), різноманіт-
ні токсичні елементи (миш’як, ванадій, ртуть,
хлор) і радіонукліди (уран 235U і 238U, торій
232Th, калій 40К та ін.). При спалюванні вугілля
за рахунок вигоряння його органічної маси
концентрація вказаних елементів у золі і шла-
ках значно підвищується у порівнянні з вихід-
ним паливом. Тому покращення показників
операції очистки відпрацьованих димових газів
пиловугільних котлів від частинок леткої золи є
важливою екологічною задачею. Її актуальність
буде тільки зростати з переходом на європей-
ські екологічні стандарти.
Значне поширення в енергетиці знайшли
апарати для мокрої очистки димових газів, але
вони, як правило, не відповідають сучасним
вимогам – ступінь уловлювання частинок золи
η не перевищує 95–97 %, що значно нижче
існуючих норм (99 % і більше). Разом з тим
можливості покращення їх роботи ще далеко
не вичерпані. Для розв’язання цієї задачі,
мабуть, найбільш раціональний шлях пов’яза-
ний із побудовою адекватної математичної
моделі робочого процесу в цих апаратах. Така
модель для порожнистого скрубера була побу-
дована в [1] в межах одновимірної постановки
задачі. Цей вибір обґрунтовувався такими мір-
куваннями:
– повна система основних рівнянь трифазо-
вого полідисперсного потоку газ–краплі–твер-
ді частинки (ТЧ) містить рівняння зміни маси
частинок, збереження твердої речовини і ріди-
ни, імпульсу та енергії для кожної з фракцій, а
також параметрів газової фази (її складу, швид-
кості і температури);
– при виведенні цих рівнянь навіть на базі
найпростішого, неперервного підходу
Ленгмюра необхідно враховувати аеродинаміч-
ну і теплову взаємодію газ–частинки, фазові
переходи та взаємодію усіх фракцій обох полі-
дисперсних ансамблів, що приводить у загаль-
ному випадку до коагуляції і подрібнення з
народженням полідисперсних осколків (тобто і
в одновимірній постановці задача досить
складна і громіздка);
– перехід до двовимірної постановки задачі
буде вимагати формулювання значної кількості
додаткових граничних умов, які можна обчис-
лити лише дуже приблизно, і тому, ймовірно,
цей перехід не приведе до підвищення точності
розрахунку.
Для реалізації моделі [1] було розроблено
ітераційний алгоритм інтегрування вказаних
рівнянь і відповідну програму GLS5 [2].
Розрахунок складається з кількох ітерацій,
кожна з яких включає два етапи: 1) інтегруван-
ня рівнянь для крапель (вниз); 2) інтегрування
рівнянь для газу і ТЧ (знизу вгору). На етапі 1
кожної ітерації (крім першої) використовують-
ся результати етапу 2 попередньої, а на етапі 2 –
29ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 1 (40)
© О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ, 2015
УДК 532.529 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, професор, І.В. АНТОНЕЦЬ
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03680, Україна
ВПЛИВ НЕРІВНОМІРНОСТІ РОЗПОДІЛУ ЩІЛЬНОСТІ ЗРОШУВАННЯ У ПОРОЖНИСТОМУ
СКРУБЕРІ НА ЕФЕКТИВНІСТЬ ОЧИСТКИ ДИМОВИХ ГАЗІВ ВІД ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК
На основі створеної раніше математичної моделі трифазового полідисперсного потоку
запропоновано метод порівняння варіантів розподілу щільності зрошування по площі
горизонтального перетину порожнистого скрубера та визначення його впливу на ефек-
тивність очистки газу від твердих частинок. Проведені числові дослідження свідчать про
те, що зменшення нерівномірності розподілу щільності зрошування при певних умовах
дозволяє майже втричі знизити викиди частинок в атмосферу.
К л ю ч о в і с л о в а: щільність зрошування, скрубер, трифазовий потік, краплі, тверді
частинки, очистка газів від золи, ефективність.
параметри крапель, обчислені на етапі 1 «своєї»
ітерації.
Необхідно підкреслити, що одновимірна
постановка задачі не дозволяє враховувати
одну істотну особливість розпилювання рідини
промисловими (найчастіше відцентровими)
форсунками – нерівномірність розподілу щіль-
ності зрошування по поперечному (горизон-
тальному) перетину апарата (вважається, що
розподіл рівномірний). Тому розробка методу
врахування цієї особливості становить значний
практичний інтерес. Для двофазового полідис-
персного потоку газ–краплі такий метод було
розроблено стосовно до робочого процесу у
краплинних градирнях [3]. Мета цієї роботи
полягає в узагальненні даного методу на випа-
док розрахунку мокрої очистки газів від ТЧ.
Метод [3] базується на результатах широких
експериментальних досліджень розподілу
води, що розбризкується одиничними відцент-
ровими форсунками або їх блоками (парами
форсунок із факелами розпилу, спрямованими
назустріч один одному), по горизонтальній
площині, проведених свого часу в Інституті
загальної енергетики НАН України [4]. Було
встановлено, що на всіх режимах безпосеред-
ньо під форсунками утворюються мертві зони,
практично вільні від крапель, а зона зрошуван-
ня має форму кільця.
Для подальшого орієнтуємось на ту саму
типову серію експериментів [4] по розподілу
щільності зрошування, що використовується в
[3]. Тут вся зона зрошування розділяється на
три кільцеві області однакової ширини (позна-
чаємо їх b, c, d, а мертву зону – а) так, що їх зов-
нішні радіуси становлять Ra = 0,75 м; Rb = 1,833 м;
Rс = 2,917 м; Rd = 4,0 м. Площі цих областей
дорівнюють Fb ≈ 2,8π; Fc ≈ 5,15π; Fd ≈ 7,5π м2, а
їх частки від площі усієї зони зрошування ста-
новлять ωb = 0,181; ωc = 0,333; ωd = 0,486. У
дослідах [4] було встановлено такий χb = 0,133;
χc = 0,611; χd = 0,256. Тоді умовні щільності
зрошування (без урахування множника π)
дорівнюють ϕk = χk/Fk (k = b, c, d); ϕb = 0,0475;
ϕc = 0,119; ϕd = 0,0342 м–2. Середнє по площі
всієї зони зрошування значення цього парамет-
ра становить ϕm = 1/(Fb + Fc + Fd) =
= 0,0649 м–2, і, нарешті, нормовані щільності
зрошування – ψb = ϕb/ϕm = 0,733; ψc = 1,838;
ψd = 0,528. Слід зазначити, що знайдені
величини задовольняють умови ωkψk = χk (k = b,
c, d), що є свідченням коректності цих розра-
хунків. Видно, що області b і d бідні на воду, а
область с – багата [3].
На першому етапі числових досліджень було
розглянуто два варіанти розподілу крапель: іде-
ально рівномірний розподіл (варіант А) та
істотно нерівномірний, де зона зрошування від
одиничної форсунки чи блока, описана вище,
ототожнюється з усією площею горизонталь-
ного перетину скрубера (варіант Б).
Для варіанта А було вибрано такі вихідні
дані: початкова температура крапель – tі0 =
= 20 °С, газу і ТЧ – tgf = Tjf =120 °С; початкова
швидкість крапель – ui0 = 5 м/с, газу і ТЧ –
ugf = Ujf= –0,7 м/с (координата х направлена
вниз; величини з індексом g відносяться до
газу, а 0 і f – до верхнього і нижнього перетинів
апарата). Розміри частинок і їх початкові пито-
мі масові витрати наведено в табл. 1.
Цей варіант дає ефективність очистки ηA =
= 98,76 %.
Для розрахунку варіанта Б слід розробити
алгоритм коректування «рівномірних» значень
gi0 (наведених у табл. 1) та швидкості газу ugf
для кожної області k. У загальному випадку тут
треба врахувати чотири умови: 1) збереження
загальної витрати крапель; 2) те саме для ТЧ;
3) те саме для газу; 4) однаковість перепадів
тиску по областях Δрk. У задачі [3] витрата кра-
30 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 1 (40)
О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ
Таблиця 1 – Вихідні дані для варіанта А
пель задається через масові концентрації
фракцій μі, і розраховується теплообмін між
краплями та газом. Тому в [3] реалізується
досить складний алгоритм коректування, що
задовольняє умови 3 і 4 (вплив витрати крапель
тут порівняно незначний). У той самий час у
нашій задачі газовий потік не відіграє важливу
роль, залежність ступеня очистки від витрати
твердих частинок дуже слабка, і замість μі вико-
ристовуються питомі витрати gi. Тому було
запропоновано такий алгоритм, що орієнту-
ється на умови 1 та 4. Згідно з першою gi0 для
області k необхідно помножити на ψk. Далі,
найбільш природно вважати, що перепад тиску
приблизно пропорційний ρku2
rk, де ρ – розподі-
лена густина крапель; ur – швидкість ковзання
газ–краплі. Як показали проведені розрахунки
[1, 2], ur слабо залежить від швидкості газу, а
швидкість крапель зростає зі зменшенням ug.
Тоді Δрk ~ (gk/uk) u2
rk ~ gk/uk ~ gkugk, і ugf
помножується на ψk
–1. Можливий і більш
простий підхід: Δрk ~ gku2
gk, і тоді за умовою 4
ugf слід помножити на ψk
–1/2. Розрахунки пока-
зали, що обидва підходи приводять до близьких
результатів, і далі використовується другий.
Для трьох областей у варіанті Б отримано
такі результати: ηb = 96,43 %; ηc = 99,94 %; ηd =
= 90,94 %. Вважаємо, що концентрації ТЧ у
зонах b – d однакові. Тоді, оскільки витрата ТЧ
для кожної області пропорційна її площі та
швидкості газу, то ступінь очистки для всього
апарата буде
Необхідно відзначити, що цей результат
дещо завищений, оскільки наявність мертвих
зон як поблизу осі форсунки, так і між площа-
ми зрошування сусідніх форсунок не врахову-
ється (врахувати цей фактор дуже складно). Як
випливає із (1), нерівномірний розподіл щіль-
ності зрошування збільшує кількість частинок,
що скидаються в атмосферу, у п’ять разів.
Далі розглянемо можливості організації
більш рівномірного розподілу щільності зро-
шування. Подібно до [3] розраховуємо схему
коридорного розташування однакових форсу-
нок, при цьому відстань між осями сусідніх
форсунок тут дорівнює D = Rd (варіант В), і зов-
нішня межа зони зрошування кожної прохо-
дить через осі чотирьох сусідніх (див. рисунок,
де зображено зовнішні межі мертвої зони а та
областей b – d). Для верхньої половини квадра-
та 2Rd x Rd на рисунку виділяємо 75 площадок
(нехтуючи малими), які відповідно до формули
зрошування розділяються на 7 регіонів (див.
табл. 2, де наведено значення частки площі
кожного регіону ωk і нормованої щільності ψk;
більш детально їх обчислення викладено в [3]).
У правому стовпчику табл. 2 наведено значення
локального ступеня очистки ηk. Ефективність
31ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 1 (40)
Вплив нерівномірності розподілу щільності зрошування у порожнистому скрубері на ефективність очистки
димових газів від твердих частинок
(1)
До розрахунку площ регіонів 1–7 (варіант В)
32 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 1 (40)
О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ
Таблиця 2 – Вихідні дані для варіанта В та ступінь очистки
Таблиця 3 – Вихідні дані для варіанта Г та ступінь очистки
схеми в цілому обчислюється подібно до (1): ηВ =
= 93,8%.
На перший погляд, цей результат здається
парадоксальним – більш рівномірний розподіл
щільності зрошування, ніж у варіанті Б, при-
зводить до дещо гіршої очистки. Але це можна
пояснити істотно нелінійним характером
залежності ступеня очистки від витрати
крапель (тобто ψk): при малих ψk ця залежність
дуже сильна, в той час як при великих ψk вона
майже вироджується (див. табл. 2). Тому у варі-
анті В області 1 та 7 із дуже низькими витрата-
ми води сильно зменшують значення загально-
го ступеня очистки.
Нарешті, в останньому варіанті (Г) форсун-
ки розташовані дещо ближче одна до одної –
D = 0,75Rd. Тут побудова формул зрошування і
відповідних 13 регіонів, а також обчислення ωk
та ψk здійснюються таким же чином, як і у варі-
анті В (див. табл. 3).
Як і раніше, в останньому стовпчику наведе-
но локальні ступені очистки. Обчислення
загальної ефективності очистки дає ηГ =
= 98,01%. Отже, цей варіант дозволяє знизити
втричі кількість леткої золи, яка викидається в
атмосферу, що має важливе екологічне значен-
ня. Розроблений метод порівняння варіантів
розподілу щільності зрошування у скрубері
можна розглядати як інструмент для пошуку
шляхів удосконалення та оптимізації процесу
очистки димових газів від леткої золи.
ВИСНОВКИ
На основі створеної раніше математичної
моделі трифазового полідисперсного потоку
газ–краплі–тверді частинки розроблено метод
порівняння варіантів розподілу щільності зро-
шування по площі горизонтального перетину
скрубера та визначення його впливу на ступінь
очистки газу від твердих частинок.
Проаналізовано чотири варіанти розподілу:
ідеально рівномірний, істотно нерівномірний
та два розподіли із накладанням зон зрошуван-
ня сусідніх форсунок одна на одну. Кращий із
цих розподілів дозволяє знизити втричі кіль-
кість твердих частинок, які викидаються в
атмосферу. Розроблений метод відкриває мож-
ливості пошуку шляхів удосконалення та опти-
мізації процесу очистки димових газів від
частинок золи.
1. Шрайбер О.А. Моделювання процесу
мокрої очистки димових газів від леткої золи
/ О.А. Шрайбер, І.В. Федінчик //
Промышленная теплотехника. – 2012. –
Т. 34, № 3. – С. 86 – 92.
2. Федінчик І.В. Вплив режимних пара-
метрів на ефективність мокрої очистки
димових газів від частинок золи /
І.В. Федінчик // Проблеми загальної енерге-
тики. – 2013. – Вип. 1 (32). – С. 50 – 54.
3. Вплив нерівномірності розподілу щіль-
ності зрошування на охолодження циркуля-
ційної води у краплинній градирні /
О.А. Шрайбер, В.В. Дубровський,
О.М. Підвисоцький, В.Б. Редькін //
Проблеми загальної енергетики. – 2012. –
Вип. 1 (28). – С. 42 – 47.
4. Розвиток теорії тепломасообміну в гете-
рогенних середовищах та розробка методів
оптимізації енергетичних технологій із дво-
фазовим робочим тілом / О.А. Шрайбер,
В.В. Дубровський, О.М. Підвисоцький та ін.
// Звіт ІЗЕ НАН України. – Київ, 2006. –
141 с. – № держ. реєстр. 0104U003263.
Надійшла до редколегії: 13.03.2015
33ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 1 (40)
Вплив нерівномірності розподілу щільності зрошування у порожнистому скрубері на ефективність
очистки димових газів від твердих частинок
|
| id | systemreorg-article-50 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:02:49Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/f3/03e019e3a762f23bfe541bcaed4329f3.pdf |
| spelling | systemreorg-article-502026-07-18T12:57:30Z Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles Вплив нерівномірності розподілу щільності зрошування у порожнистому скрубері на ефективність очистки димових газів від твердих частинок Shraiber O.A. Antonets I.V. irrigation density, scrubber, three-phase flow, drops, solid particles, gas cleaning from ash, efficiency. щільність зрошування, скрубер, трифазовий потік, краплі, тверді частинки, очистка газів від золи, ефективність. Based on the previously created mathematical model of the three-phase polydisperse flow, a method of comparing options for the distribution of irrigation density over the horizontal cross-sectional area of the hollow scrubber and determining its effect on the efficiency of gas purification from solid particles is proposed. The conducted numerical studies show, however, that reducing the unevenness of the distribution of irrigation density under certain conditions makes it possible to reduce the emissions of particles into the atmosphere by almost three times. На основі створеної раніше математичної моделі трифазового полідисперсного потоку запропоновано метод порівняння варіантів розподілу щільності зрошування по площі горизонтального перетину порожнистого скрубера та визначення його впливу на ефективність очистки газу від твердих частинок. Проведені числові дослідження свідчать про те, що зменшення нерівномірності розподілу щільності зрошування при певних умовах дозволяє майже втричі знизити викиди частинок в атмосферу. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2015-05-19 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/50 10.15407/pge2015.01.029 System Research in Energy; No. 1 (40) (2015): The problems of general energy; 29-33 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (40) (2015): Проблеми загальної енергетики; 29-33 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/50/41 Copyright (c) 2015 Shraiber O.A., Antonets I.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | irrigation density scrubber three-phase flow drops solid particles gas cleaning from ash efficiency. Shraiber O.A. Antonets I.V. Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title | Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title_alt | Вплив нерівномірності розподілу щільності зрошування у порожнистому скрубері на ефективність очистки димових газів від твердих частинок |
| title_full | Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title_fullStr | Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title_full_unstemmed | Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title_short | Influence of the Nonuniformity Distribution of Irrigation Density in a Hollow Scrubber on the Efficiency of Cleaning Flue Gases From Solid Particles |
| title_sort | influence of the nonuniformity distribution of irrigation density in a hollow scrubber on the efficiency of cleaning flue gases from solid particles |
| topic | irrigation density scrubber three-phase flow drops solid particles gas cleaning from ash efficiency. |
| topic_facet | irrigation density scrubber three-phase flow drops solid particles gas cleaning from ash efficiency. щільність зрошування скрубер трифазовий потік краплі тверді частинки очистка газів від золи ефективність. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/50 |
| work_keys_str_mv | AT shraiberoa influenceofthenonuniformitydistributionofirrigationdensityinahollowscrubberontheefficiencyofcleaningfluegasesfromsolidparticles AT antonetsiv influenceofthenonuniformitydistributionofirrigationdensityinahollowscrubberontheefficiencyofcleaningfluegasesfromsolidparticles AT shraiberoa vplivnerívnomírnostírozpodíluŝílʹnostízrošuvannâuporožnistomuskruberínaefektivnístʹočistkidimovihgazívvídtverdihčastinok AT antonetsiv vplivnerívnomírnostírozpodíluŝílʹnostízrošuvannâuporožnistomuskruberínaefektivnístʹočistkidimovihgazívvídtverdihčastinok |