2.3.1. Очистка промислових газів від твердих включень (сепарація пилу)

Пил, у тому числі і нетоксичний, при потраплянні в атмосферне повітря може надавати нега­тивного впливу на навколишнє середовище.

Запобігання забруднення атмосфери твердими домішками може бути досягнуто або вдоско­наленням технології виробничих процесів, або очи­сткою промислових викидів.

Реалізація першого напрямку на сучасному етапі, в більшості випадків, пов'язана з техніч­ни-ми або економічними труднощами. Імовірнішим є другий напрямок вирішення проблеми забрудненості атмосфери тверди­ми домішками - очистка промислових викидів.

Сучасні апарати знепилення газів можна поділити на чотири групи: механічні знепилюючі пристрої, в яких пил відділяють під дією сил тяжіння, інерції та відцентрових сил; гідрав­лічні (мокрі) апарати, в яких тверді частки вловлюють рідинами; пористі фільтри, на яких осаджуються частки пилу; електрофільтри, в яких пил оса­джується за рахунок іонізації газу та заряд ження пилинок, які наявні в ньому.

На практиці газоочисні споруди, залежно від дисперсного складу та необхідного ступеня очистки викидів, можуть мати в своєму складі де­кілька типів пиловловлювачів в різних комбінаціях (ступінча­ста очистка газів).

2.3.1.1. Сепарація пилу в механічних знепилюючих пристроях

До механічних знепилюючих пристроїв відносяться гравітаційні при­строї (осаджувальні ка­мери), інерційні пиловловлювачі, відцентрові при­строї.

О саджувальні камери призначені для вловлювання грубодисперсних часток розмірами > 50 мкм. В цих апаратах осадження часток пилу з газо­вого потоку проходить під дією сил граві­тації. Швидкість руху газів зни­жують до рівня, коли пил осідає під впливом сил гравітації. Приклад будо­ви пилеосаджувальної камери наведений на рис. 3.1.

Рис. З.1. Пилеосаджувальна камера.

Ефективність очистки газів в пилеосаджувальній камері залежить від швидкості руху осаджу­вальних часток пилу, швидкості руху газів в ка­мері та її геометричних розмірів. Чим більша швидкість руху часток та час їх перебування в камері, тим вища ефективність очистки газів. Ефек­тивність роботи пилеосаджувальних камер до частинок різного розміру визначають за наведеною нижче формулою:

де: d - діаметр частинок пилу;

Н - висота камери;

g - гравітаційне прискорення;

ρ_Ч - густина час­тинок;

μ - кінематична в'язкість газу;

ν - швидкість руху газу;

L - довжина камери;

ρ_Г - густина час­тинок;

Пилеосаджувальні камери - це великі споруди, габаритні розміри яких визначають із співвід­ношення:

L·ω_часток = Н · ω_газу

де: L та Н - відповідно довжина та висота камери, м;

ω_часток, ω_газу - швидкість відповідно руху час­ток діаметром d та руху газів в камері, м/с. ІІІвидкість руху газів в пилеоса­джувальній камері коливається в ме­жах 0,2 - 0,8 м/с. За ра-хунок малих швидкостей переміщення газу в камерах, створюється незначний аеродина-мічний опір - 50-150 Па.

При зниженні висоти камери процес знепилення покращується, тому в деяких випадках порожнину камери розділяють полицями, які можуть проектуватись під кутом або з можливістю їх регулювання.

Пилеосаджувальні камери за рахунок великих габаритних розмірів, складності їх чистки та малої ефективності (ступінь очистки <50%) до дрібнодисперсних часток не знайшли широкого застосування. Вони придатні тільки для попереднього знепилення газів.

Інерційні пиловловлювачі. В пиловловлювачах цього типу сепарація часток із газового по­току забезпечується дією як гравітаційних сил, так і сил інерції часток пилу, які рухаються в аерозольному потоці. Ефект сил інерції пилових часток для їх осадження в апаратах даного типу реалізується при різких змінах напрямку руху (повороті) газового потоку. За рахунок сил інерції, тверді частки вдаряються в поверхню апарату та осаджуються в бункерах.

Найпростішими з пиловловлювачів інерційного типу є пилові мішки,

№нпЗ

Р ис. 3.2. Інерційний пиловловлювач.

Пиловловлювачі типу пилових мішків викори­стовуються в мета­лургії (очистка газів доменних печей) та при виробництві сульфатної кислоти (очистка газів печей для обпалювання колче­дану). При вста­новленні їх після доменних печей забезпечується ступінь вловлювання часток роз­міром понад 30 мкм до 60-85%. Швидкість пові­тряного пото­ку у вхідного патрубка пилових мі­шків =10 м/с. Гідравлічний опір пилових мішків складає 150-350 Па. Продуктивність цих устано­вок -45-580 м³/год.

До пиловловлювачів інерційного типу належать жалюзійні пило- та попеловловлювачі, а також пилонакопичувачі.

Принцип роботи жалюзійного пиловловлювача полягає в наступному: жалюзійна решітка розділяє газовий потік на дві частини - перша, значно знепилена і містить до 80-90% всієї га­зової фази, та друга, яка містить 10-20% сумарного газу з підвищеною запиленістю. Ефектив­ність роботи жа­люзійних пиловловлювачів залежить від ефективності самої решітки. Жалю­зійні пиловловлювачі придатні для очистки газів з температурою до 450°С, а швидкість газу на підході до решітки повинна бути від 15 до 25 м/с. Гідравлічний опір жалюзійних пиловло­влювачів знаходиться в ме­жах 100-400 Па.

Відцентрові знепилюючі пристрої. До цієї групи пристроїв належать циклони, вихрові та відцентрові ротаційні пиловловлювачі. Сепарація пилу з аерозольного потоку проходить під дією відцентрових сил на частки пилу, які вини­кають при поступово-обертальному русі газового потоку.

Н айпоширенішими апаратами цієї групи є циклони, принцип роботи яких показаний на рис. 3.3. Циклони складаються з двох частин: циліндричної труби та конуса, який звужується до низу. Тангенціально входячи в циклон, запилений газ рухається по спіралі всередині апарату. Під дією відцентрових сил завислі частки відкидаються до стінок циклону і, втрачаючи швидкість, опускаються по його конічній чистині. Чим вища швид­кість газу в циклоні, тим вища його ефективність, і тим менші його габарити. Але із збільшенням швидкості зростає гідравлічний опір. Циклони, які випускаються промислові­стю, розраховані на швидкість газового потоку на вході від 5 до 20 м/с (номінально 15 м/с).

Рис. 3.3. Циклон.

Ефективність відокремлення твердих часток в циклонах під дією відцентрових сил розра­хову-ють за формулою:

де: А - постійний безрозмірний коефіцієнт;

ρ_ч - густина час­ток;

d - діаметр часток;

ν - тангенціальна складова швидкості руху частинок;

r - радіус часток;

R - радіус циклону;

n - постійна, яка залежить від радіуса установки і робочої температури;

H - ви­сота циклона.

За рахунок простоти конструкції та експлуатації, відносно невеликої вартості та втрат напору, а також високої продуктивності цикло­ни широко використовуються в промисловості.

Основними перевагами циклонів перед іншими апаратами очистки газів від твердих часток є відсутність рухомих частин, надійна робота в широких межах температур, вловлювання пилу в сухому вигляді, можливість роботи при високих тисках, стабільність гідравлічного опору, простота виготовлення та можливість ремонту.

До недоліків циклонів можна віднести високий гідравлічний опір (1200- 1500 Па) та низьку ефективність при вловлюванні часток розмі­ром < 5 мкм. Циклони недоцільно використовувати в установках з непостійним режимом роботи, оскільки їх ефективність змінюється при коливаннях витрат газу та нерівномірних газових потоках. Цей недолік усувається в батарейних

циклонах - мультициклонах, в яких газовий потік розподіляється по підключеними паралельно циклонах, об'єднаних в одну споруду, які мають загальний ввід та відвід газів, а також збір ний бункер.

Батарейні циклони можуть бути складені з прямоточних (менш ефек­тивні) та зворотноточ­них циклонних елементів. Ефективність цикло­нів залежить від концентрації пилу та розмірів його часток, різко знижуєть­ся при зменшенні цих показників. Середня ефективність знепи­лення газів в циклонах складає 98% при розмірі часток пилу 30-40 мкм, 80% -при 10 мкм та 60% - при 4-5 мкм. Циклони широко використову­ються в цементній, вугільній, хімічній промис­ло-вості, металургії та інших галузях.

При проектуванні газоочисних споруд, які оснащені циклонами, пере­дусім необхідно ви­значити його тип, який вибирають на основі фі­зико-механічних властивостей пилу, необхідного коефіцієнту очистки та габа­ритних розмірів споруди. З довідкової літератури знаходять оптимальну швидкість руху повітря в циклонах вибраного типу. Очікувана ефек­тивність вловлювання пилу в циклоні розраховується за фор­мулою:

η = 0,5 · [1 + Ф_(х)],

де: Ф_(х) - таблична функція, яка визначається за даними спеціальної довідкової літератури.

Практично використовуються такі типи циклонних сепараторів:

■ горизонтальні пиловловлювачі, які працюють за принципом надання газам вихороподібпого кругового руху за допомогою вертушки зі системою невідхи люваних лопат;

■ вертикальні сепаратори, які працюють за принципом подання газу зверху через гори­зонтально встановлену кільцеву крильчатку, яка надає газові обер­тового руху; тверді частинки осідають на дні, а очишрний газ відводиться через центральну трубу;

■ вертикальні сепаратори з тангенціально розташованим вхідним патрубком (рис. 3.3). У цьому сепараторі очищувальний газ надходить збоку або знизу і набуває тангенціального руху, який виносить тверді частинки до стінок, а потім в пилезбирач;

■ ротаційні струменеві пиловловлювачі є різновидом відцентрового циклонного сепаратора, в якому вихороподібність руху газу підсилена тангенціальним повітряним потоком. В них пил на­копичується всередині повітряного сере­довища і під дією гравітаційних сил падає на дно пилезбирача.

2.3.1.2. Сепарація пилу в мокрих знепилюючих пристроях

В мокрих (гідравлічних) пиловловлювачах потік газу контактує з рідиною або зрошуваною нею поверхнею. В апаратах цього типу як зрошувана рідина найчастіше використовується вода. Осадження завислих часток в газовому потоці проходить на краплях, плівках або поверхнях рідини. Системи водозабезпечення можуть бути використані як прямоточні, так і рецир-

к уляційні (мож­ливі замкнуті цикли).

За аеродинамічними властивостями мокрі пиловловлювачі поділяють ні низьконапірні (до 1500 Па), середньонапірні (від 1500 до 4500 Па) та високонапірні (вище 4500 Па).

Найпоширеніші типи апаратів мокрої очистки газів: порожнисті газопромива-чі, тарілчасті газопромивачі (барботажні та пінні), газопромивачі з рухливою насадкою, мокрі апарати ударно-інерційної мокрі апарати відцентрової дії та швидкісні турбулентні газопромивачі.

Рис.3.4 Порожнисті форсуночні скрубери

Порожнисті газопромивачі. До апара­тів цього типу належать зрошувані канали, промивні камери та порожнисті форсуночні скру­бери. Принцип роботи апаратів полягає в тому, що очищувальні гази проходять через шар розпиленої рідини. Частки пилу захоплюються краплями рідини та осаджуються разом з ними, а очищений газ видаляється.

В зрошувальних газоходах за допомогою вмонтованих форсунок на шляху запиленого газо­во-го потоку створюються водяні заслони. Для з'меншення виносу крапель, швидкість газів в зро-шувальному газоході не повинна перевищувати 3 м/с. Питомі витрати води при цьому склада-ють 0,1– ,3 дм³ на 1 м³ газів. Після зон зрошування в газоходах встановлюють краплевловлювачі

Промивні камери становлять розширену частину газоходів, в якій в шаховому порядку роз­та-шовують форсунки, що розбризкують рідину. Швидкість руху газів в промивних камерах повинна бути в межах 1,5 - 2,5 м /с, а час перебування газів в камері - не менше 3 с. Втрати на­пору Н промивних камерах складають 300-500 Па. Порожнисті форсуночні скрубери рис.3.4), виконуються у вигляді колон. У колоні, на шляху руху газів; форсунками і і ворюється зрошувальна зона, що і забезпечує очистку газів.

За напрямком руху газів та рідини порожнисті скрубери поділяють на три групи: протито­чні, прямоточні та з перпендикулярним підводом ріди­ни до газового потоку, який рухається. Найбі­льшого поширення набули апарати першої групи.

Швидкість руху запиленого повітря в порожнис­тих скруберах повинна бути в межах 1,0-1,2 м/с, а при наявності краплевловлювачів - 5-8 м/с. Ефекти­вність очистки газів в порожнистих форсуночних скруберах зале­жить від дисперсного складу газового потоку. Такі апарати доцільно вико­ристовувати при розмірі часток пилу > 5-10 мкм. Втрати напору не пере­вищують 250 Па.

Недоліком порожнистих форсуночних скруберів є можливість відкла­дання шламів в нижній його час­тині, тому необхідне використання споруд (механічних або гідравлічних) для видалення шламу. Крім того, можливе захаращення отворів форсунок.

При виборі порожнистих форсуночних скруберів визначними парамет­рами є площа пере­різу S, м², та витрати рідини Q, кг/год, яка подається для зрошування:

S = L_P / Wr;

Q = m · L_P,

де: Wr - швидкість руху газів в апараті, м/с;

m - питомі витрати рідини для очистки газів; м 0,5-8,0 кг/м' залежно від концентрації пилу, кг/м³⁾.

Н асадкові газопромивачі. На відміну від порожнистих, насадкові газо­промивачі складають колони, які заповнені насадкою - галькою, кільцями ( і перегородками, Рашига або Палля), кульками з полімерних матеріалів, скла, гуми. Насадка постійно зрошується рідиною. Очи­щувальний газ проходить каналами між елементами насадки, при цьому багаторазово зміню­ється напрямок руху окремих газових потоків. Гази омивають насадкові елементи, які вкриті плівкою рідини. В результаті на поверхні насадки осаджуються тверді (та рідкі) включення га-зового потоку, які разом із зрошуваною рідиною потрапляють в бункер. Насадкові газопромивачі ефективні при очистці га-зів від тонкодисперсного пилу та вклю­чень рідини. Ефективність вловлювання часток, розмір яких більше 2 мкм, досягає 90%.

Рис.3.5 Газопромивач з рухливою насадкою

Недоліком конструкцій насадкових газопромивачів з нерухомою насадкою є можливість захаращення між-насадочних каналів внаслідок відкладення пилу. Цей недолік усувається в газопромивачах з рухливою на-садкою. При роботі апаратів цього типу утворюється псев­доріджений шар, який складається з матеріалу насадки, рідини та очищувальних газів. В так их апаратах при його роботі насадка пербуває в постійному русі, що забезпечує вивільнення її від відкладень пилу, але можливе зношення елементів насадки за рахунок тертя.

Насипну густину насадки в таких апаратах приймають в межах 100-300 кг/м³ площі, ви­трати зрошуваної рідини - 4-6 кг/м³ (1,3-2,6 кг/м³ -в апаратах з нерухомою насадкою), втрати напору в межах 300-1400 Па. Продуктивність апаратів даного типу - 3000-4000 м³/год. В апа­ратах з рухливою насадкою, для забезпечення ефективної роботи, необхідно підтримувати стабільну продуктивність з очищувального газу.

Апарати барботажного типу та ударно-інерційної дії. В барботажних апара­тах очищувальні гази у вигляді бульбашок проходять через шар рідини, та під дією сил інерції, гравітації та дифузії проходить сепарація твердих (та рідких) включень газового потоку. Для рівномірного розподілу по перерізу апарату, гази подаються по патрубку, що занурений в рідину на 50-150 мм, а на виході встановлюється решітка. Тому апарати цього типу називають тарілчастими.

П ри швидкості газоповітряного потоку до 1 м/с гази у вигляді бульбашок піднімаються че­рез шар ріди-ни. Якщо швидкість газового потоку збільшується до 2,0-2,5 м/с, над поверхнею рідини утворюється шар пі-ни. Такі апарати нази­ваються пінними скруберами. В них суттєво збільшується зона (площа) кон­такту очи-щувального газу з рідиною, при незначному збіль­шен-ні опору. Ефек­тивність очистки газів від пилу підвищується до 95-96% (в окремих випад­ках до 99%) при питомих витратах рідини 0,2-0,5 кг/м³, втрата опору = 300-500 Па (в окремих випадках до 2000 Па). Продуктивність апаратів (2-60)х10³ м³/год.

У газопромивачах ударно-інерційної дії гази очищаються від пилу (та включень рідини) в результаті уда-ру забрудненого газового потоку в по­верхню рідини. Схема апарату показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Пиловловлювач ударно-інерційної дії

рідини, що стікає вниз. Тверді включення газового потоку, які ні їм і даються під дією від­центрових сил до стінок апарату, захоплюються и нпкоіо рідини і стікають в шламозбірник.

І! апаратах цього типу можливе винесення вторинної рідини, тому до-

,ио на виході апарату встановлювати краплевлов­лювачі. Рекомендова-

нпдкість газового потоку на вході в апарат -14-20 м/с.

І фективність роботи апаратів цього типу забезпе­чується в тому випад -коли очищувальні гази здій­снюють не менше п'яти обертів в цилінд-■ і пий частині корпусу апарату. їх використовують для очищення димо-\Ш газів з великим вмістом діок­сиду сульфуру. Ступінь очистки газів в НІ ірії і ах цього типу досягає 99,5% при розмірі часток > ЗО мкм та 85% при ри імірі часток < 5 мкм.

Швидкісні турбулентні пиловловлювачі. Харак­терна ознака цих апаратів - наявність труби-розпи­лювача, в якій внаслідок взаємодії вприснутої під тиском рідини з повітряним потоком, який руха­ється з швидкістю 40-50 м/с, проходить інтенсивне розпилення рідини та перемішування утворюваного газорі­динного потоку. Це в значній мірі підвищує імовірність захоплення краплями рідини частинок пилу, тому швидкісні турбулентні газопромивачі є найефективнішими апаратами мокрої очистки газів.

Як розпилювач в апаратах цього типу використовується труба Вентурі, в зв’язку з цим швидкісні турбулентні газопромивачі одержали назву скруберів Вентурі.

Ефективність роботи скруберів Вентурі залежить від швидкості газів в горловині груби та пи­томого зрошення, тобто кількості рідини, яка подається на одиницю об'єму очищувальних газів

Оптимальне співвідношення швидкості потоку газу та питомого зрошування визначається вла-стивостями пилу, насамперед - змочуваністю (гідрофільністю). Якщо тверді включення погано змочуються (гідрофобні), то необхідне додавання поверхнено-активних речовин (ПАР). Слід зазначити, що додавання до води ПАР значно ускладнює та робить дорожчою технологію очистки газів.

Продуктиність скруберів Вентурі може дося­гати 250х10³ м³/год. Ефективність очистки газів з середнім розміром часток пилу 1-2 мк складає 96-98% і збільшується із зростанням розмірів часток. Необхідне питоме зрошування в межах 0,4-1,5 дм³/м³ при тиску рідини 100-1000 кПа.