На фоне ужесточения экологических требований к выбросам промышленных предприятий всё большее значение приобретает проектирование эффективных систем пылегазоочистки. Численное моделирование позволяет ещё на этапе проектирования с помощью цифровых моделей проверить конструкторские решения, повысить эффективность систем и обеспечить соответствие экологическим нормам.

Актуальность промышленной пылегазоочистки

Современная промышленность, несмотря на высокий уровень технологического развития, остается значимым источником антропогенного воздействия на окружающую среду. Выбросы в атмосферу производственной пыли, токсичных газов и аэрозолей — неотъемлемая часть деятельности предприятий металлургии, машиностроения, химической, пищевой промышленности, а также объектов по переработке отходов. В этих условиях эффективная система пылегазоочистки перестает быть просто элементом инфраструктуры и превращается в стратегический фактор устойчивого развития бизнеса.

Рисунок 1 – Система промышленной пылегазоочистки. Сгенерировано нейросетью

Законодательные нормы жестко регламентируют допустимые концентрации загрязняющих веществ. Эффективная очистка воздуха — это не только соблюдение требований законодательства, но и защита здоровья сотрудников, сохранение имиджа компании и повышение ее конкурентоспособности. Сегодня востребованы комплексные решения: от локальных систем пылеудаления до централизованных установок для очистки вентиляционных выбросов и утилизации ценных компонентов из промышленных газовых потоков. Достижение максимальной эффективности, надежности и экологичности таких систем возможно лишь с применением передовых инженерных методов — в первую очередь, компьютерного моделирования физических процессов.

За пределами типовых инженерных расчётов систем пылегазоочистки

Промышленные газовые выбросы представляют собой сложную многокомпонентную смесь, содержащую твердые частицы (пыль размером от долей микрона до сотен микрон и дым с частицами менее 1 мкм), капельные аэрозоли и вредные газообразные примеси. Каждая система пылегазоочистки — будь то циклон, рукавный фильтр, мокрый скруббер или топочно-горелочное устройство — должна быть адаптирована под уникальные характеристики конкретного производственного процесса.

Рисунок 2 – CFD-расчёт прямоточного циклона с обратным потоком

Традиционные инженерные расчеты, основанные на упрощенных аналитических зависимостях и эмпирических данных, зачастую не способны адекватно описать реальную картину происходящих явлений. Они не учитывают сложную геометрию оборудования, нестационарность и трехмерность потоков, взаимное влияние элементов системы или работу в переходных режимах. Это может привести к снижению эффективности очистки, росту аэродинамического сопротивления, преждевременному износу оборудования и, как следствие, к повышенным эксплуатационным расходам и рискам штрафных санкций.

Решением этой проблемы является компьютерное моделирование физических процессов (CFD). Этот подход позволяет создать точную цифровую модель реальной системы и провести виртуальные испытания с высокой детализацией. Методы вычислительной гидродинамики (CFD), теплопередачи и прочностного анализа дают возможность наглядно увидеть и проанализировать распределения скоростей и давлений, траектории движения пылевых фракций, кинетику горения, а также оценить напряженно-деформированное состояние конструкций под действием рабочих и внешних нагрузок. Это не просто замена типовых инженерных расчетов, а полноценный инструмент инновационного проектирования и оптимизации.

Практика применения цифрового инжиниринга в пылегазоочистке

Опыт компании АО «ЦИФРА» в области компьютерного инжиниринга демонстрирует практическую ценность численного моделирования при решении актуальных задач проектирования систем пылегазоочистки.

• Оптимизация топочных горелок для снижения экологической нагрузки. Задача модернизации горелочного устройства — это комплексный проект, затрагивающий весь газовоздушный тракт. В одном из проектов для ТЭЦ, где сроки и бюджет были крайне ограничены, проведение натурных испытаний было невозможно. Специалисты АО «ЦИФРА» разработали математическую модель двухканальной газомазутной вихревой горелки номинальной мощностью 40 МВт. Были смоделированы различные варианты конструкции (с прямыми и профилированными лопатками), оценена их работа на разных видах топлива и учтено взаимное влияние соседних горелок. В результате был выбран оптимальный вариант, обеспечивающий стабильное сжигание при минимальных выбросах NOx и CO, что полностью соответствовало требованиям заказчика.
• Повышение эффективности газоочистных установок. Для центробежного скруббера мокрого типа была создана численная модель, максимально приближенная к условиям реальной эксплуатации. Целью было не просто выполнить расчет, а добиться полного соответствия между модельными данными и фактическими параметрами работы установки. Высокая степень их корреляции позволила перейти к этапу целенаправленной оптимизации конструкции для дальнейшего повышения энергоэффективности.
• Анализ газоходов без дорогостоящих натурных испытаний. Обеспечение однородности потока в соответствии с ГОСТ Р ЕН 15259–2015 часто затруднено из-за сложной конфигурации трубопроводов и недостаточной длины прямых участков. CFD-моделирование позволило оценить равномерность распределения газа в различных сечениях газохода, выбрать оптимальную зону для размещения измерительных датчиков с минимальной высотой установки и обосновать его соответствие нормативным требованиям. Это позволило полностью отказаться от трудоемких и затратных натурных измерений.

Рисунок 3 – Поле скорости в вертикальном сечении дымовой трубы

• Обеспечение безопасности и устойчивости объектов энергетики. Компьютерное моделирование активно применяется для решения задач промышленной безопасности: расчеты сейсмостойкости фундаментов и опорных конструкций, оценка прочности корпусов фильтров и сосудов под давлением при воздействии ударной волны, моделирование систем паровой защиты печей НПЗ для исключения образования взрывоопасных концентраций. Особое внимание в настоящее время уделяется проектированию защитно-ограждающих конструкций (ЗОК) для объектов ТЭК с учетом современных угроз, таких как атаки беспилотных летательных аппаратов. Моделирование позволяет точно определить безопасное расстояние между ЗОК и резервуаром, гарантирующее сохранение несущей способности последнего даже при бесконтактном взрыве.

Обсуждение пылегазоочистки в профессиональном инженерном сообществе

30 сентября в Москве состоялась XVIII Международная конференция «ПЫЛЕГАЗООЧИСТКА-2025» – ключевая площадка для специалистов, работающих в области аспирации, вентиляции и газоочистки. Мероприятие собрало руководителей предприятий и экспертов из металлургии, энергетики, нефтегазовой, химической и цементной промышленности, обсудивших современные технологии и оборудование для очистки технологических и отходящих газов.

Рисунок 4 – Экспертное обсуждение вопросов промышленной пылегазоочистки

Генеральный директор АО «ЦИФРА», к.т.н. Дмитрий Михалюк, выступил с докладом о применении компьютерного моделирования физических процессов при проектировании и оптимизации элементов систем промышленной пылегазоочистки. В рамках мероприятия прошёл ряд рабочих встреч с руководителями крупных промышленных предприятий с обсуждением возможности применения средств цифрового инжиниринга и CFD-анализа для повышения эффективности существующих и проектируемых комплексов.

В современной промышленности эффективная пылегазоочистка невозможна без использования цифровых технологий. Компьютерное моделирование физических процессов — это не просто тренд, а необходимый инструмент для создания высокопроизводительных, надежных и экологически чистых систем. Оно позволяет решать задачи, выходящие за рамки возможностей традиционного проектирования: от минимизации металлоемкости и увеличения межсервисных интервалов до гарантированного соблюдения экологических норм и обеспечения промышленной безопасности.

Материалы по актуальным задачам промышленной газоочистки:

Запись вебинара Повышение эффективности процессов промышленной газоочистки с использованием численного моделирования

Статья Оценка прочности корпуса рукавного фильтра при воздействии взрыва

Статья Определение однородности расхода газа в соответствии с ГОСТ Р ЕН 15259-2015 методами CFD-моделирования

Статья Определение оптимальных режимов работы факельного оголовка с помощью численного моделирования

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью