Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber
Improvement of the efficiency of the cleaning of flue gases of coal-fired boilers from ash particles is an important environmental problem. Among apparatus for wet cleaning, Venturi scrubbers are the most efficient, but their characteristics do not meet the present-day requirements, although the pos...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/523 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |
|
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871103976467857408 |
|---|---|
| author | Fedinchyk I.V. |
| author_facet | Fedinchyk I.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Fedinchyk I.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Fedinchyk I.V. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | Improvement of the efficiency of the cleaning of flue gases of coal-fired boilers from ash particles is an important environmental problem. Among apparatus for wet cleaning, Venturi scrubbers are the most efficient, but their characteristics do not meet the present-day requirements, although the possibilities of improvement of their work are far from being exhausted. The most rational way of solution of this problem is connected with mathematical modeling. Such a model has been built, and the program was developed on this basis. With its help, we have performed numerical investigations of the influence of three-phase polydisperse flow parameters as applied to the process of gas cleaning in a Venturi scrubber.On the example of the most characteristic variant of calculations, we have analyzed the laws of change in the velocity of phases and specific flow rate of particles along the flow length. We have studied the dependence of the efficiency of ash catching on water consumption, the initial velocities of drops and gas, and the section of liquid entrance to the scrubber. It has been shown that particle catching becomes better with increase in the scrubber watering, gas velocity, distance between the section of liquid entrance and the scrubber throat as well as with decrease in the drop velocity. We have also explained the dependences obtained. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
59ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
Типова ТЕС потужністю 1000 МВт спалює за
рік більше ніж 3 млн т вугілля і викидає в атмо-
сферу, крім низки інших речовин, близько
30 тис. т золи. Летка зола українських вугільних
ТЕС містить різноманітні токсичні елементи,
важкі метали, радіоактивні ізотопи та ін., що
призводить до довготривалого забруднення
оточуючого середовища. Як правило, існуюче
обладнання не дозволяє ефективно очищати
димові гази, тому пошук можливостей його
удосконалення та оптимізації є важливою зада-
чею енергетичної науки України. Значне поши-
рення в енергетиці знайшли апарати для мок-
рої очистки димових газів, серед яких найбільш
ефективними вважаються скрубери Вентурі [1,
2]. Проте показники роботи таких апаратів
часто не відповідають сучасним вимогам, у той
час як можливості їх покращення ще далеко не
вичерпані.
Очевидно, що раціональним шляхом удос-
коналення та оптимізації таких апаратів є побу-
дова коректної математичної моделі. На жаль, у
нечисленних роботах, присвячених цьому
питанню (див., наприклад, [3, 4]), використо-
вується надто спрощений підхід (його можна
назвати інтегральним), де не враховується
зміна всіх параметрів трифазового середовища,
крім концентрації твердих частинок, уздовж
потоку, тверді частинки (ТЧ) і краплі вва-
жаються монодисперсними (на практиці вони
завжди полідисперсні), надто наближено
обчислюються швидкості частинок, врахо-
вуються далеко не всі види їх взаємодії та ін.
Набагато більш точним та інформативним є
диференціальний підхід [5], де враховується
зміна всіх параметрів трифазового середовища
уздовж потоку, і процес моделюється системою
диференціальних рівнянь для цих параметрів.
Таку модель для порожнистого скрубера було
побудовано в [6] і узагальнено в [7] на випадок
скрубера Вентурі. Повна система рівнянь тут
включає рівняння для маси (розміру), питомої
масової витрати (gi, Gj), швидкості (ui, Uj) і тем-
ператури (ti, Tj) крапель і ТЧ відповідно, масо-
вого вмісту «чужої» фази в частинках (bi, Bj),
швидкості (ug) і температури (tg) газу, а також
густини водяної пари в газі (тут малі літери від-
носяться до крапель, великі – до ТЧ; i, j –
номер відповідної фракції).
Модель враховує фазові переходи (випаро-
вування рідини), взаємодію крапель i з крапля-
ми інших фракцій, коагуляцію крапель i з ТЧ
усіх фракцій, налипання рідини на ТЧ, що не
коагулюють при зіткненнях із краплями i, взає-
УДК 532.529
ЧИСЛОВЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ МОКРОЇ ОЧИСТКИ ГАЗІВ У СКРУБЕРІ ВЕНТУРІ
За допомогою створеної раніше програми проведено числове дослідження аеродина-
міки та теплообміну у полідисперсному трифазовому потоці стосовно до процесу мок-
рої очистки димових газів пиловугільних котлів від золи у скрубері Вентурі. Вивчено
залежність ефективності очистки від витрати крапель, початкових швидкостей фаз, а
також від перетину, в якому вводять краплі.
К л ю ч о в і с л о в а: трифазовий потік, краплі, тверді частинки, скрубер Вентурі, очист-
ка газів від золи, ефективність.
© І.В. ФЕДІНЧИК , 2014
І.В. ФЕДІНЧИК
Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ
60 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
модію твердих частинок, аеродинамічний опір,
народження осколків при всіх типах взаємодії,
де краплі беруть участь, подрібнення великих
крапель аеродинамічними силами, захоплення
ТЧ та крапель турбулентними пульсаціями та
вплив турбулентності газового потоку на часто-
ту зіткнень.
Метою цієї роботи є вивчення впливу пара-
метрів трифазового полідисперсного потоку на
ефективність очистки продуктів згорання від
золи. Для базового варіанта розрахунку (далі –
варіант 1) було вибрано такі вихідні дані:
– радіус вхідного і вихідного перерізів труби
Вентурі R0 = Rf = 0,75 м;
– радіус її горловини Rt= 0,375 м;
– довжини конфузора, горловини і дифузо-
ра – 0,8, 0,25 та 3,95 м відповідно;
– кількість фракцій крапель – 7;
– кількість фракцій ТЧ – 5;
– початкова температура крапель – tі0 =
= 20°С, газу і ТЧ – tg0 = Tj0 =120°С;
– початкова швидкість крапель – ui0 =
= 20 м/с, швидкість газу на вході в горловину
ugt = 60 м/с; швидкості газу і ТЧ в перерізі R0
однакові;
– краплі вводяться в переріз xs = 0,4 м.
Розміри частинок і їх початкові питомі
масові витрати наводяться в табл. 1. Необхідно
відзначити, що початкова швидкість газу дещо
менша за ugt через зниження температури газу в
конфузорі, і тому розрахунок проводиться
методом спроб і помилок. У даному варіанті
три фракції крапель подрібнюються аеродина-
мічними силами у різних перетинах потоку, їх
речовина перерозподіляється між іншими
фракціями, і вводяться відповідні поправки до
значень ui, ti, bi.
На рис. 1 показано зміну швидкості газу та
трьох фракцій по довжині потоку. Внаслідок
істотної зміни швидкості газу та різної інерцій-
ності частинок різних фракцій криві їх швид-
костей перетинаються, і у таких областях від-
носні швидкості (осередненого руху) незначні.
Тут на перший план виходять турбулентні
явища – зіткнення за рахунок пульсаційних
швидкостей.
На рис. 2 наведено дані по зміні питомої
витрати ТЧ. Тут необхідно мати на увазі, що
величина Gj змінюється не тільки за рахунок
уловлювання ТЧ, а і через зміну площі попе-
речного перерізу апарата (це пояснює зростан-
ня витрат ТЧ у конфузорі). Видно, що концент-
рація найдрібніших частинок зменшилась
лише приблизно у 4 рази, у той час як фракції
2–4 уловлюються практично повністю. Це
пояснюється малими значеннями коефіцієнта
осадження мікронних частинок.
Цікаво, що п’ята фракція ТЧ уловлюється
значно гірше дрібніших частинок – тут основ-
ним чинником є параметр коагуляції Ψji, який
помітно знижується із зростанням Δj (див. [8]).
Ефективність уловлювання становить
η = 96,94%, що слід вважати не досить хоро-
шим результатом.
У другій серії розрахунків змінювались
витрати фракцій крапель (кг/(м2 · с), див.
табл. 2). Видно, що зі збільшенням витрати
води ефективність очистки помітно зростає. На
рис. 3 наведено дані розрахунку варіанта 3,
який показав найкращі результати із цієї серії.
Характер ефективності уловлювання по фрак-
ціях аналогічний базовому варіанту, але кіль-
кість викидів ТЧ в атмосферу тут менше у
2,2 раза. Проте збільшення витрати води не
економічно, і тому було проведено додаткові
І.В. ФЕДІНЧИК
Таблиця 1 – Вихідні дані для варіанта 1
61ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
Числове дослідження особливостей мокрої очистки газів у скрубері Вентурі
Рис. 2. Зміна витрати фракцій ТЧ для базового варіанта: 1 – j = 1; 2 – j = 3; 3 – j = 5
Рис. 1. Розподіл швидкостей по довжині потоку: 1 – швидкість газу; 2 – п’ятої фракції ТЧ;
3 – першої фракції капель; 4 – четвертої фракції крапель
62 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
І.В. ФЕДІНЧИК
Таблиця 2 – Вихідні дані, сумарна витрата твердих частинок на виході та ККД апарата
для другої серії розрахунків
розрахунки при тому самому значенні Σgi0, що і
в базовому варіанті.
Третю серію було присвячено дослідженню
впливу зміни швидкості газу ugt на закономір-
ності переносу в потоці. Тут отримано такі
результати:
ugt, м/с 30 40 60 80
η, % 87,10 90,73 96,94 98,58.
Зі збільшенням швидкості газу ефектив-
ність уловлення покращується, що пов’яза-
но як зі зростанням осереднених швидко-
стей ковзання, так і зі збільшенням ступеня
турбулентності потоку. На рис. 4 показано,
як змінюється витрата окремих фракцій ТЧ
уздовж потоку для найбільш ефективного
варіанта цієї серії досліджень.
Концентрація найдрібніших частинок тут
зменшується у 13 разів, а фракцій 2, 3 і 4 –
на кілька порядків. Загалом у порівнянні із
базовим варіантом кількість викидів ТЧ
зменшується у 2,2 раза.
У четвертій серії було досліджено вплив
початкової швидкості крапель, що привело до
таких результатів:
uі0, м/с 5 10 20 30
η, % 98,19 97,86 96,94 95,90.
Як видно, ефективність очистки погіршу-
ється зі зростанням початкової швидкості кра-
пель. Якщо швидкість крапель зменшується у
4 рази, то кількість викидів в атмосферу зни-
жується у 1,7 раза.
У п’ятій серії досліджень змінювався переріз
введення крапель у скрубер:
xs, м 0,2 0,3 0,4 0,7
η, % 97,22 97,11 96,94 94,96.
Рис. 3. Зміна витрати фракцій ТЧ для варіанта 3: 1 – j = 1; 2 – j = 3; 3 – j = 5
63ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
Числове дослідження особливостей мокрої очистки газів у скрубері Вентурі
При введенні крапель у скрубер ближче до
горловини ефективність очистки погіршується.
При збільшенні відстані між перерізом введен-
ня крапель та горловиною вдвічі у порівнянні з
базовим варіантом кількість викидів зменшу-
ється приблизно на 10%.
ВИСНОВКИ
За допомогою створеної раніше програми
було проведено числові дослідження зміни
стану трифазового середовища стосовно до
процесу очистки димових газів у скрубері
Вентурі. Виконано чотири серії досліджень та
проаналізовано вплив зміни витрати води,
початкових швидкостей крапель та газу, а
також перетину введення крапель у скрубер на
ефективність уловлювання частинок золи.
З’ясовано, що ефективність уловлювання най-
більш помітно покращується зі збільшенням
кількості води або швидкості газу. Зменшення
початкової швидкості крапель та зміна перерізу
їх подачі незначно впливають на ступінь очи-
стки. В результаті найбільш ефективним спосо-
бом покращення очистки є підвищення швид-
кості газу.
1. Кропп Л.И., Акбрут А.И.
Золоуловители с трубами Вентури на тепло-
вых электростанциях. – М.: Энергия, 1977.
– 160 с.
2. Палатник И.Б. Золоуловители с труба-
ми-коагуляторами Вентури. – Алма-Ата:
Наука, 1981. – 208 с.
3. Lim K.S., Lee S.H., Park H.S. Prediction
for particle removal efficiency of a reverse jet
scrubber// Journal of Aerosol Science. – 2006.
– Vol. 37. – P. 1826–1839.
4. Raj Mohan B., Jain R.K., Meikap B.C.
Comprehensive analysis for prediction in spray
scrubber// Separation and Purification
Technology. – 2008. – Vol. 63. – P. 269–277.
5. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А.
Многофазные течения газа с частицами. –
М.: Машиностроение, 1994. – 320 с.
6. Шрайбер О.А., Федінчик І.В.
Моделювання процесу мокрої очистки
димових газів від леткої золи // Пром. теп-
лотехника. – 2012. – Т. 34, № 3. – С. 86–92.
7. Шрайбер О.А. Моделювання очистки
газів від твердих частинок у скрубері Вентурі
// Пром. теплотехника. – 2013. – Т. 35, № 3.
– С. 87–93.
Рис. 4. Зміна витрати фракцій ТЧ при ugt = 80 м/с: 1 – j = 1; 2 – j = 3; 3 – j = 5
64 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 2 (37)
І.В. ФЕДІНЧИК
8. Підвисоцький О.М., Дубровський В.В.,
Шрайбер О.А. Узагальнення дослідних
даних щодо ефективності уловлювання
частинок золи краплями стосовно процесу
мокрої очистки димових газів // Проблеми
загальної енергетики. – 2012. – Вип. 2 (29).
– С. 35–40.
Надійшла до редколегії 24.04.2014
Рецензент
Зав. відділу оптимізації розвитку
паливних баз ІЗЕ НАН України,
канд. техн. наук
О.В. Стогній
|
| id | systemreorg-article-523 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:16:45Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/02/a31adfaf3bd6ee71541ba52c0b335a02.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5232026-07-18T12:57:41Z Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber Числове дослідження особливостей мокрої очистки газів у скрубері Вентурі Fedinchyk I.V. three-phase flow, drops, particles, Venturi scrubber, gas cleaning from ash, efficiency. трифазовий потік, краплі, тверді частинки, скрубер Вентурі, очистка газів від золи, ефективність. Improvement of the efficiency of the cleaning of flue gases of coal-fired boilers from ash particles is an important environmental problem. Among apparatus for wet cleaning, Venturi scrubbers are the most efficient, but their characteristics do not meet the present-day requirements, although the possibilities of improvement of their work are far from being exhausted. The most rational way of solution of this problem is connected with mathematical modeling. Such a model has been built, and the program was developed on this basis. With its help, we have performed numerical investigations of the influence of three-phase polydisperse flow parameters as applied to the process of gas cleaning in a Venturi scrubber.On the example of the most characteristic variant of calculations, we have analyzed the laws of change in the velocity of phases and specific flow rate of particles along the flow length. We have studied the dependence of the efficiency of ash catching on water consumption, the initial velocities of drops and gas, and the section of liquid entrance to the scrubber. It has been shown that particle catching becomes better with increase in the scrubber watering, gas velocity, distance between the section of liquid entrance and the scrubber throat as well as with decrease in the drop velocity. We have also explained the dependences obtained. Поліпшення ефективності очистки димових газів пиловугільних котлів від леткої золи є важливою екологічною задачею. Серед апаратів для мокрої очистки найбільш ефективними вважаються скрубери Вентурі, проте їх ККД не відповідає сучасним вимогам, хоча можливості покращення їх роботи ще далеко не вичерпані. Найбільш раціональний шлях розв’язання цієї задачі пов’язаний із математичним моделюванням. Таку модель було свого часу побудовано, і на цій основі розроблено програму. З її допомогою проведено числові дослідження впливу параметрів трифазового полідисперсного потоку на ефективність очистки газів у скрубері Вентурі.На прикладі найбільш типового варіанта розрахунків проаналізовано закономірності зміни швидкості фаз та питомої витрати твердих частинок по довжині потоку. Досліджено залежність ефективності уловлювання частинок золи від витрати води, початкових швидкостей крапель і газу, а також перетину введення крапель у скрубер. Показано, що уловлювання покращується зі збільшенням кількості води, швидкості газу, відстані між перерізом введення крапель та горловиною, а також зі зменшенням швидкості крапель. Наведено пояснення отриманих залежностей. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2014-04-29 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/523 System Research in Energy; No. 2 (37) (2014): The Problems of General Energy; 59-64 Системні дослідження в енергетиці; № 2 (37) (2014): Проблеми загальної енергетики; 59-64 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/523/459 Copyright (c) 2014 Fedinchyk I.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | three-phase flow drops particles Venturi scrubber gas cleaning from ash efficiency. Fedinchyk I.V. Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title | Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title_alt | Числове дослідження особливостей мокрої очистки газів у скрубері Вентурі |
| title_full | Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title_fullStr | Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title_full_unstemmed | Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title_short | Numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in Venturi scrubber |
| title_sort | numerical investigation of the features of the wet cleaningof gas in venturi scrubber |
| topic | three-phase flow drops particles Venturi scrubber gas cleaning from ash efficiency. |
| topic_facet | three-phase flow drops particles Venturi scrubber gas cleaning from ash efficiency. трифазовий потік краплі тверді частинки скрубер Вентурі очистка газів від золи ефективність. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/523 |
| work_keys_str_mv | AT fedinchykiv numericalinvestigationofthefeaturesofthewetcleaningofgasinventuriscrubber AT fedinchykiv čislovedoslídžennâosoblivostejmokroíočistkigazívuskruberíventurí |