Методика измерения сернокислотных выбросов в атмосферу
К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №6 - 2011
Автор: Давыдов Юрий Федорович
Для разработки подобных
методик был создан полупромышленный стенд.
На стенде изучены параметры
потока на различном расстоянии от завихрителя. В данной работе изучены
завихрители трех типов: а) с закруткой потока вдоль стенки трубопровода,
внутренний диаметр завихрителя 210 мм, наружный 232 мм, высота 3 мм, число лопаток 30; б) аксиальнолопаточный с полной закруткой потока переменным
углом атаки. Диаметр внутреннего тела 150 мм, высота лопаток 53 мм; в) аксиально-лопаточный завихритель с полной закруткой потока и переменным углом атаки.
Внутренний диаметр -76 мм, высота лопаток - 91 мм (рис. 1).
Рис. 1. Схема
экспериментальной модели сепаратора
Х – длина модели, Д – диаметр
модели
Рабочий участок модели
сепаратора - аккумулятора состоит из двух коаксиальных цилиндрических
трубопроводов. Внутренний перфорированный трубопровод выполнен диаметром 260 мм с отверстиями диаметром 4 мм (пористость 49%) и длиной 1200 мм, на его концевом участке установлена непроницаемая заглушка. Наружный трубопровод изготовлен из оргстекла
диаметром 300 мм и длиной 1500 мм как показано на рисунке 3. Для измерения
давления на стенках трубопровода использовались дренажные отверстия по четырем
мерным сечениям с диаметром 0,5 мм.
Измерения давления и
скоростей проводились в четырех мерных сечениях по радиусу модели.
Гидравлическое сопротивление моделей рассчитывалось по перепаду давления на
рабочем участке. Перепад давления измерялся дифференциальным микроманометром
ММН-240 и МКВ-250. Отбор давлений Р1 и Р0 проведен на начальном
и конечном участке исследуемой модели
, (1)
где m – тангенс угла наклона
трубки микроманометра, g- ускорение свободного падения, rсп -
плотность спирта, А - отсчет по шкале микроманометра.
Рис.
2. Сепаратор-аккумулятор
Коэффициент местного
сопротивления вычисляется по формуле:
, (2)
где xтр -
коэффициент сопротивления трения участка между измерительными сечениями.
Измерение давления и скорости
потока проводились цилиндрическим и шаровым зондом, и результаты сравнивались с
результатами, полученными с помощью термоанемометра. При измерении характеристик
потока цилиндрической трубкой с отверстием диаметром 0,8 мм применялся метод вращения трубки с помощью координатника на 180° вокруг своей оси и измерение
манометром значений давлений по потоку воздуха и в противоположном
направлении. При вычислении местных осредненных скоростей величина скоростного
напора для каждой точки принималась равной разности полного напора, измеренного
цилиндрической трубкой, и статического напора на наружной стенке в том же
сечении. Перемещение зондов по сечению модели (в радиальном направлении) осуществлялось
координатником конструкции ЛПИ обеспечивающем точность перемещения 0,5 мм.
В работе измерения проведены
вращением однониточного термоанемометра с использованием предварительных пространственных
тарировок. Использовался термоанемометр постоянной температуры ТАП-1 и основное
уравнение этого термоанемометра, имеющее вид:
, (3)
где Е - величина напряжения
на выходе термоанемометра, V - скорость потока.
Напряжение тока
термоанемометра измерялось вольтметром. Значение осредненной скорости
определено по формуле:
. (4)
Величина
погрешности измерений в зависимости от применяемого метода изменялась в
пределах от 0,8% до 4%. Для изучения сопротивления модели использовались зависимости
коэффициента сопротивления рабочего участка от чисел Рейнольдс. Опыт
показывает, что основной расход воздуха (около 85%) проходит через
перфорированную стенку на участке трубы между сечениями с Х/Д = 4,4 и Х/Д =
5,0. В кольцевом зазоре до Х/Д = 51,5 скорость движения потока незначительна,
где Х/Д – отношение расстояния до мерного сечения к линейному размеру
кольцевого зазора. Распределение скорости в данном сечении близко к
равномерному (D - размер кольцевого зазора).
Установлено, что по длине
модели на начальном участке изменение давления незначительно, а начиная от Х/Д
> 1 градиент давления, имеет отрицательное значение. Такое распределение
давления по длине модели создается за счет сильной закрутки потока и
неравномерности оттока его из внутреннего канала в кольцевой. Форма
распределения давления по радиусу внутреннего трубопровода характеризуется
положительным градиентом давления от перфорированной стенки до 0,1 r/R независимо
от числа Рейнольдса и расстояния от завихрителя. Зона устойчивого понижения
давления начинается от r/R = 0,20 до r/R = 0,35 в зависимости от числа
Рейнольдса и с увеличением последнего уменьшается. В кольцевом канале
максимальное значение давление достигает в сечениях вблизи от выхода из
сепаратора. Причем, максимальные значения давления наблюдаются у
перфорированной стенки, и стабилизация давления начинается на расстоянии r/D от 0,4 до 0,5.
В модели 2 использован
аксиально-лопаточный завихритель с диаметром внутреннего тела 150 мм, число лопаток 8 штук, высотой лопаток 53 мм и углом закрутки лопаток 55°. Геометрический параметр закрутки n* = 1,597.
Установлено, что наибольшие
скорости в потоке наблюдаются у перфорированной стенки, образуя во внутреннем
трубопроводе кольцевую область максимальных скоростей.
В результате экспериментов
предлагается комплекс системы контроля концентрации паров серной кислоты в
отходящих газах сернокислотного цеха, позволяющий осуществить оптимизацию ее
производства на цинковом предприятии. В информационно-измерительную систему
входят оптический пылемер и модифицированный сепаратор - аккумулятор двухфазных
потоков, размещенные в специализированном помещении на газоходе, на выходе из
сернокислотного цеха, входящим в санитарную трубу высотой 120 м. Система связывает многопараметровый динамический процесс производства серной кислоты и
улавливание токсичных вредных веществ в единый функциональный комплекс. При
этом контролируются параметры на выходе из источника: температура и статическое
давление в потоке, расход газа, концентрация вредных веществ (серного и сернистого
ангидрида, серной кислоты), температура промывной воды и кислоты на всех участках
ее производства, объем кислоты направленной на циркуляцию, токовая нагрузка
фильтра, параметры процесса сушки газа.
В качестве характеристики
потока излучения, проходящего через двухфазный поток, содержащий капельную фазу
серной кислоты, была использована зависимость оптической плотности среды Д,
равной логарифма отношения потока излучения F0 к ослабленному в результате поглощения и рассеяния
потоку F, прошедшему через поток (5)
Д = lg . (5)
Оптическая плотность зависит
от набора частот, выражаемых через длину волны, характеризующей исходный
поток. Измерения оптической плотности в потоке капельной серной кислоты
проводились в соответствии с ГОСТ 4204-77 «Серная кислота. Технические
условия». Оптический пылемер работал с длиной волны λ=530 нм. Чистота
оптики пылемера обеспечивается непрерывной подачей чистого сжатого воздуха в
его внутренний корпус, что предотвращает диффузионное распространение капельной
фазы серной кислоты во внутренней части оптического пылемера.
Результаты измерений
приведены на рис. 3. Использование комплексной измерительной системы «сепаратор
– оптический пылемер» позволяет получить линейную зависимость Д=f(С), в отличии
от явно нелинейной зависимости полидисперсного потока. Экспериментальные данные
хорошо согласуются с теоретическим законом Бугера-Ламберта-Бера, из которого
получается известная прямая пропорциональность оптической плотности от
концентрации. Из данных видно, что погрешность измерения оптической плотности
при полидисперсном и монодисперсном потоках составляет при значении
концентрации С=3 г/, соответственно,
51% и 7%. Получение достоверного сигнала концентрации паров серной кислоты в
газоходе при измерении полидисперсного потока производится с применением
измерительной пары, в которую входит сепаратор- оптический пылемер, позволяющей
производить измерения в стабилизированном монодисперсном потоке. Сепаратор
размещается непосредственно в газоходе и в период своей работы формирует в
рабочей части и непосредственно за собой струю монодисперсного потока в общем
потоке газов. Таким образом, в предложенной измерительной схеме сепаратор
выполняет функцию первичного преобразователя, который преобразует сигнал
«неудобный» для дальнейшей обработки, в частности, полидисперсный поток, в
«удобный» сигнал, т.е. в монодисперсный поток. Фокусировка оптической пары пылемера
устроена так, что измеряемый телесный угол располагается в центре стабилизированной
монодисперсной части потока, поэтому на период измерения обеспечивается
достоверная пропорциональная взаимосвязь выходного сигнала, в данном случае
оптической плотности, от массовой концентрации паров серной кислоты. Таким
образом, линейный вид статической характеристики оптического пылемера позволяет
значительно повысить точность измерения концентрации серной кислоты, а также
упростить измерительную схему, и следовательно, сделать систему контроля более
надежной и недорогой.
Значительные колебания
температуры, в течение времени прохождения технологического процесса
производства серной кислоты, приводят к существенным колебаниям концентрации
основных компонентов пылегазовых потоков. Причем, взаимная зависимость их
концентрации принимает неявный вид. На кривой дано возможное распределение
зависимости при непрерывном контроле процесса, в случае применения предлагаемой
измерительной системы и создания полидисперсного потока. Необходимость
внедрения таких систем показывает и характер зависимостей основных
сопровождающих компонентов газовых потоков в дымовой трубе: SO2, SO3,
H2SO4.
Рис. 3. Зависимость оптической плотности капельной
фазы серной кислоты от ее концентрации
1 – распределение без применения сепаратора; 2 –
распределение с применением сепаратора
В результате применения измерительного
комплекса сепаратор - оптический пылемер осуществляется непрерывный контроль за
выбросами в атмосферу по всем основным компонентам и появляется возможность
непосредственно влиять на содержание паров серной кислоты, SO2 и SO3 в отводящих потоках, путем изменения параметров процесса производства
серной кислоты, таких, как, температуры, качества воды при охлаждении, сушке и изменении
технологического режима. При этом происходит более полная нейтрализация токсичных
компонентов выбросов.
Колебание концентрации SO3,
H2SO4 в газовом потоке, проходящем через санитарную трубу
и, соответственно, рост или падение объемов выбросов показывает на изменение
рабочих режимов в технологическом процессе производства серной кислоты. Для обеспечения
стабильности производственных процессов и гарантии их прохождения в границах
допустимого рабочего режима, информация, идущая от измерительного комплекса
должна поступать на соответствующий технологический участок или узел. В
совокупности с информацией о других технологических параметрах (давлении,
температуры и т.д.) сигналы от измерительного устройства могут быть командными
принятие решения об изменении режима работы узла или участка, нарушающего режим
работы всего сернокислотного производства.
Основные результаты и выводы
В результате экспериментов
разработан оптический метод контроля концентрации монодисперсного потока
капельной фазы серной кислоты, позволяющий за счет линеаризации статической
характеристики оптического пылемера, уменьшить погрешность измерения с 51% до
7%, а также значительно упростить измерительную схему и, следовательно, сделать
систему контроля более надежной и недорогой.
Рис. 4. Зависимость концентрации серной кислоты на
входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне
Рис. 5. Измерительная схема оптической системы
контроля
1 – напряжение от сети; 2 –
трансформатор; 3 – блок стабилизатора по току; 4 – осветитель 24 ГК; 5 –
фотоприемник ФД 24 К; 6 – усилитель тока; 7 – преобразователь в аналоговую
форму сигнала; 8,9 – блок дистанционной передачи сигнала; 10 – самописец; 11 –
пульт ЭВМ
ЛИТЕРАТУРА
1.
Вишняков С.Н., Седелев В.А., Давыдов Ю.Ф. Стабилизация неочищенных пылегазовых
потоков при непрерывном контроле пылегазовых параметров пирометаллургических
процессов // Интеграция науки, образования и производства в современных
условиях (ВКТУ, 29-31 марта, 2000 г.): Материалы РНТК, ВК ТУ. -
г.Усть-Каменогорск, 2000. - с.84-85.
2. Давыдов
Ю.Ф., Седелев В.А., Вишняков С.Н. Применение сепараторов двухфазных потоков для
непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты // Вестник ВК ТУ. -
2000. - N 1. - с.85-89.
К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №6 - 2011
|