Витратна частина балансу газу – це сумарна витрата його споживачами:

Q_P = q₁V₁ + q₂V₂ + ….+ q_nV_n,

де q₁, q₂, …., q_n – питомі норми витрати газу;

V₁, V₂ ,…., V_n – кількість продукції, що випускається за даний період часу.

Кількість природного газу, що треба отримати з магістральних газопроводів, визначається дефіцитом власних паливних ресурсів:

V_ПГ = (Q_P - Q_ПС)/Q_Н^Р ,

Де qp та qпс – загальна потреба у теплі споживачів та прибуток тепла з горючими газами власного виробництва.

Газовий баланс є узгодженим, якщо статті прибутку з урахуванням втрат дорівнюють статтям витрат.

Тема 8. Системи газопостачання підприємств.

Системи газопостачання промислових підприємств з внутрішніми джерелами газу. Системи газопостачання промислових підприємств без внутрішніх джерел газу. Мережі газопроводів усередині цеху. Системи газопроводів технологічних агрегатів.

Системи газопостачання промислових підприємств поділяються на два види: з внутрішніми джерелами газу та без них.

Вибір схеми газопостачання підприємства, що має внутрішні джерела газу, залежить від виду газу, технології виробництва продукції, способів подавання газу, взаємного розташування джерел газу та споживачів. Система газопостачання повинна мати мінімальну довжину газопроводів; відповідати вимогам до їх прокладання; мати можливість відключення окремих споживачів газу, а також переводу їх на резервне паливо; використовувати максимально однотипне обладнання та споруди; передбачати можливість розширення виробництва; бути надійною, безпечною у експлуатації, простою та зручною у обслуговуванні, економічно обґрунтованою.

Н а рис. 19 наведена схема газопостачання металургійного підприємства доменним та коксовим газом, а на рис. 20 – природним газом.

Після доменних печей газ через уловлювачі пилу та газоочисні споруди подається у основні магістралі системи газопостачання і через них – у коксові батареї. Після цехів уловлювання коксовий газ надходить на газо підвищувальну станцію (ГПС), де його тиск підвищується до заданого рівня. Доменний та коксовий газ подається також у повітродувні станції, у цех агломерату через газозмішувальну станцію (ГЗС), у мартенівський цех, на блюмінги, у прокатні цеха через ГПС, у ремонтно - механічний цех через змішувальну станцію.

Природний газ надходить з міської мережі з тиском 1,2 МПа і знижує свій тиск у ГРП першого ступеня до 0,3 МПа. Через ГРП другого ступеня природний газ надходить у прокатні та ремонтні цеха. По другому газопроводу від ГРП першого ступеня газ з тиском 0,9 МПа подається у мартенівський цех. На другому ГРП першого ступеня тиск газу знижується до 0,6 МПа, 0,8 МПа, 15 кПа і він надходить через ГРП другого ступеня на аглофабрику, у доменний цех і на ТЕЦ.

Схеми газопостачання промислових підприємств без внутрішніх джерел газу складаються з вводів газопроводів на територію; міжцехових газопроводів; газопроводів усередині цехів; регуляторних пунктів та установок; пунктів виміру витрати газу; обв’язувальних газопроводів агрегатів.

Для транспортування природного газу використовують одно-, двох- та трьохступеневі системи газопостачання. Одноступеневі передбачають постачання усіх споживачів газом однакового тиску (рис. 21). При цьому газопровід підприємства може підключатися або безпосередньо до міського газопроводу низького тиску, або через центральний ГРП до мережі низького або середнього тиску.

Двох ступеневі схеми дозволяють здійснювати постачання споживачів газом низького та середнього тиску (рис. 22). Підключення газопроводу підприємства до міської мережі середнього тиску здійснюється через газо регуляторні установки споживача з середнім або низьким тиском. Трьохступенева система являє собою підведення також газу високого тиску, якщо цього вимагає технологічний процес.

У одноступінчастій системі газопостачання газ з міської мережі низького тиску через головний відключаючий пристрій – засувку з компенсатором та відключаючий пристрій на вводі у цех надходить до пункту виміру витрати газу. Окрім того, облік витрати газу здійснюється кожним цеховим споживачем. Перед кожним споживачем встановлені свої відключні пристрої. Для продування цехового газопроводу передбачена газова свіча з відключним та пробовідбірним кранами. Якщо відключні пристрої (засувки) встановлені на висоті більш, ніж 2 м, то монтуються площадки для їх обслуговування.

За двох ступінчастою схемою газ з міського газопроводу середнього тиску надходить на центральний ГРП. Споживачі цеху №1 працюють на середньому тиску, а цеху №2 – на низькому тиску через цеховий ГРП. Загальна витрата газу вимірюється на центральному ГРП, а витрата газу у цех №2 – на цеховому ГРП.

Н айбільш жорсткі вимоги висуваються до газопроводів споживачів, тобто технологічних або енергетичних агрегатів (рис. 23). Головною з них є неприпустимість витоків газу у агрегат під час продувки газових ліній та при відключенні споживача.

При продувці відгалуження до пальників відкривають головний відключний пристрій, кран на продувному газопроводі і кран на газопроводі безпеки. Момент закінчення продувки визначають аналізом проби газу, що відібрана через кран на лінії запальника. Проникненню газу у агрегат перешкоджають два послідовно розташовані відключні пристрої. Якщо перший з них є негерметичним, то газ через відкритий кран на трубопроводі безпеки буде проходити у атмосферу. Запальник для розпалу пальників вноситься у агрегат до відкривання контрольного та робочого відключних пристроїв.

Тема 9. Очищення промислових газів від пилу.

Види аерозолів. Процеси і апарати сухого очищення. Принцип роботи та конструкції гравітаційних, інерційних, відцентрових апаратів. Мокре уловлювання пилу. Принцип роботи та конструкції порожнистого та насадкового скруберів, барботажних, пінних, ударно-інерційних апаратів, турбулентних газопромивачів. Фільтрація; види фільтрів. Принцип роботи електрофільтра. Порівняльна характеристика і галузі застосування апаратів.

Очищення промислових газів від твердих та рідких частинок, газоподібних домішок виконується для зменшення забруднення оточуючого повітря, уловлювання з газу цінних продуктів, видалення шкідливих домішок.

Промислові гази, що утримують завислі частинки, являють собою двофазні системи – аерозолі. Аерозолі, що утримують тверді частинки розміром більш, ніж 10 мкм, називають грубим пилом; з розміром 1 ¸ 10 мкм – дрібним пилом; менш, ніж 1 мкм – димом. Аерозолі з рідкими частинками розміром до 1 мкм називають туманом.

У залежності від розміру частинки розподіляються по фракціях. Фракція – це масова частка частинок, розміри яких знаходяться у визначених межах. Дисперсійний склад пилу ще називають гранулометричним складом.

У якості експериментальних методів дисперсійного аналізу пилу використовують ситовий, мікроскопування, седиментометрії. При ситовому методі наважку пилу просівають крізь сита з вічками, що поступово зменшуються, і визначають масу твердих частинок, які залишилися на них. У методі мікроскопування візуально визначають число, форму та розміри різних частинок і розраховують їх розподіл по фракціях. У методі седиментометрії використовують властивості різної швидкості осідання частинок різних розмірів.

Розглянемо процеси і апарати сухого очищення промислових газів від пилу. Сила опору середовища тілу, що рухається у ньому, описується формулою Ньютона:

Р = x ,

де F – площа проекції тілу на площину, що є перпендикулярною напрямку руху;

r - густина середовища (газу);

w - швидкість його руху;

x коефіцієнт опору середовища.

Для ламінарного (Re £ 2) , перехідного (2 < Re < 500) та турбулентного (Re ³ 500) режимів руху значення x визначають відповідно за виразами:

x = 24/Re; x = 18,5/Re^0,6; x = 0,44.

Тоді для ламінарного режиму руху сферичної частинки діаметром d отримуємо рівняння Стокса:

,

де m коефіцієнт динамічної в’язкості середовища.

При відсутності опору середовища рух частинки під дією сили тяжіння описується рівнянням:

w = gt,

де g – прискорення вільного падіння;

• - час осадження частинки.

Однак зі зростанням швидкості зростає опір середовища у підсумку частинка буде рухатися зі сталою швидкістю w_В, яку називають швидкістю вітання або седиментації. Її значення можна визначити з рівності сили опору середовища та сили тяжіння з урахуванням дії сили Архімеда:

; .

Якщо знехтувати густиною середовища у порівнянні з густиною частинок, то отримуємо спрощену формулу визначення швидкості седиментації:

.

Швидкість вітання (седиментації) можна розглядати як швидкість спрямованого уверх потоку газу, при якому дана частинка буде утримуватися у зайнятому нею положенні.

Н айбільш простим методом видалення з потоку газу твердих частинок є їх осадження під дією сили тяжіння, що здійснюється у гравітаційних апаратах (рис. 24).

У камері для осаджування пилу довжиною L, шириною В і висотою Н найбільший шлях для осадження повинна пройти частинка, що знаходиться зверху камери. Частинки рухаються уздовж камери зі швидкістю w і водночас униз зі швидкістю w_В. Для осадження частинка повинна досягнути днища раніш, ніж газовий потік винесе її з камери. Тобто, повинна дотримуватися нерівність:

Н/w_В £ L/ w.

Оскільки , де V – об’ємна витрата газу, то отримуємо:

.

Тоді мінімальний розмір частинок, які будуть повністю осаджені у камері, становить:

.

З цієї формули видно, що для більш повного осадження необхідно збільшувати площу днища камери осадження. Ця формула є справедливою для ламінарного руху газу, звичайно при w < 3 м/с.

Перевагою камер осаджування пилу є простота конструкції, малий аеродинамічний опір, надійність у експлуатації, можливість уловлювання абразивних частинок. Вони добре уловлюють частинки розміром 30 ¸ 40 мкм та більші. Недоліком їх є великі габарити. На рис. 25 наведені схеми різновидів камер осаджування пилу.

Принцип роботи інерційних уловлювачів пилу заснований на виділенні частинок пилу з газового потоку під дією сил інерції при різкій зміні напряму руху або швидкості газового потоку. В уловлювачі пилу типу “пиловий мішок” (рис. 26) запилений газ уводиться через спрямовану униз центральну трубу. Осадження пилу відбувається при різкому повороті газового потоку на виході газу з центральної труби у корпус уловлювача, а потім при під’ємі газу з малою швидкістю (0,5 ¸ 1 м/с) до вихідного штуцера. Цей уловлювач пилу осаджує у основному крупні частинки, розмір яких більше 100 мкм.

До інерційних уловлювачів пилу відноситься також відбивний, схема якого наведена на рис. 27. Цей уловлювач утримує вертикальні відбивачі, що встановлені у шаховому порядку. Запилений потік газу рухається горизонтально крізь ряди відбивачів і багатократно змінює напрям свого руху. Частинки пилу осаджуються на увігнутій поверхні відбивача при стиканні з нею.

Найбільш розповсюдженими з відцентрових апаратів є циклони. Циклон являє собою уловлювач пилу, у якому використовується відцентрова сила обертально – поступального руху газового потоку (рис. 28). Цією силою частинки пилу відкидаються до стінки циклону і разом з деякою кількістю газу відводяться до бункера.

Патрубок входу газу розташований по дотичної до окружності циліндричної частини циклону, а відведення очищеного газу здійснюється через трубу, що розташована по осі його.

Величина відцентрової сили, що діє на частинку масою М, становить:

Р_Ц = Мw²/R = ,

де w - тангенціальна швидкість частинки у циклоні, що дорівнює швидкості газу у вхідному патрубку;

R – радіус обертання частинки, тобто відстань від частинки до осі циклону. Під дією відцентрової сили частинка рухається у радіальному напрямі зі швидкістю w_Р і на неї діє сила опору середовища, що визначається рівнянням Стокса:

Р = 3pmw_Рd.

На вході в циклон значення Р = 0, оскільки радіальна швидкість w_Р = 0. Потім w_Р різко зростає, наступає рівновага сил, що діють на частинку (відцентрової та опору середовища), і рух частинки у радіальному напрямі стає рівномірним. Тоді, якщо прирівняти відцентрову силу та силу опору середовища, отримаємо:

Р_Ц = Р; = 3pmw_Рd; .

Середній радіус обертання частинки у циклоні:

R = (R₁ + R₂)/2,

де R₁; R₂ – радіуси вихідної труби та корпусу циклону.

Найбільш довгий шлях частинки у радіальному напрямі складає (R₂ – R₁), тому час руху частинки у зазорі до досягнення стінки циклону складає:

.

Зі зменшенням t ступінь очищення газу у циклоні зростає. З наведеного виразу бачимо, що для підвищення ефективності очищення необхідно збільшення швидкості газового потоку на вході у циклон w, зменшення величини зазору (R₂ – R₁) та значення (R₁ + R₂). Найбільш ефективною є швидкість w = 20 ¸ 25 м/с; перевищення цієї величини призводить до зриву частинок пилу, що осіли на стінку корпусу циклону, та виносу їх з газовим потоком. Надмірне зменшення величини зазору (R₂ – R₁) призводить до зростання аеродинамічного опору циклону. За сталої величини (R₂ – R₁) та зростанні абсолютних значень R₁та R₂ зростає сума (R₁ + R₂), час t та погіршується якість очищення. Звідси випливає, що доцільно використовувати циклони малого діаметру (до 1000 мм). Для очищення великої кількості газу використовують групи циклонів малого діаметру або батарейні циклони.

Батарейний циклон (рис. 29) складається з окремих елементів, що зібрані у одному корпусі з загальним підводом та відводом газу. Газ на очищення уводиться через вхідний патрубок у розподільчу камеру, де він розподіляється по окремих циклонних елементах діаметром 40 ¸ 250 мм. На відмінність від звичайних циклонів, де обертальний рух потоку створюється за рахунок тангенціального підводу газу, тут він досягається за рахунок установки у кожному елементі спрямовуючих пристроїв у вигляді гвинтів або розеток. Очищений газ через вихідні труби надходить до збірної камери, звідки відводиться через вихідний патрубок. Пил, що уловлений циклонними елементами, накопичується у пиловому бункері. Необхідна кількість елементів батарейного циклону знаходять виходячи з оптимальної швидкості потоку у елементах 3,5 ¸ 4,75 м/с.

До відцентрових апаратів відносять також вихрові та відцентрові ротаційні уловлювачі пилу. Вихрові апарати – це прямоточні апарати відцентрової дії; У відцентрових ротаційних уловлювачах пилу пило газова суміш приводиться у обертання робочим колесом. З огляду на складність конструкції та експлуатації ці апарати не отримали розповсюдження.

Розглянемо принцип дії та конструкції апаратів мокрого уловлювання пилу.

Цей метод заснований на контакті запиленого газового потоку з рідиною, що захоплює частинки та виносить їх із апарату у вигляді шламу. Водночас з очищенням від пилу може відбуватися уловлювання пари та газів, охолодження та зволоження газового потоку. Ефективність очищення такими апаратами значно вища, ніж у пристроях сухого очищення. Однак виникає необхідність очищення стічних вод, що утворюються. Найбільш розповсюдженими типами мокрих уловлювачів пилу є насадкові скрубери та скрубери без насадки, барботажні та пінні апарати, мокрі циклони, швидкісні промивачі газу.

У насадкових та порожнистих апаратах газ, що надходить на очищення, пропускають крізь потік рідини, яка розбризкується, розпилюється або стікає по насадці (рис. 30). У порожнистому скрубері промивання газу здійснюють розбризкуванням рідини назустріч потоку газу. Водночас з очищення відбувається охолодження та зволоження газу. У насадковому скрубері осадження пилу здійснюється на змоченій поверхні насадки зі шматків коксу, кераміки, кілець та інш. Недоліком цих апаратів є забивання насадки при обробці запилених газів.

У барботажному апараті запилений газ у вигляді бульбашок проходить крізь шар рідини. Дякуючи великий поверхні стикання газу з рідиною інтенсивно проходить процес очищення від завислих частинок. Газ на очищення подають у рідину через перфоровані трубки. Ефективність таких апаратів є доволі високою, однак з-за складності виготовлення та малої продуктивності вони мають обмежено використання.

У пінних апаратах газ, що очищується, рухається крізь шар піни, яка утворюється за рахунок високої швидкості руху газів, що є вищою за швидкість виринання бульбашок (рис. 31).

Пінний уловлювач пилу з провальними тарілками являє собою колону, по висоті якої встановлена одна або декілька тарілок (решіток). Підведення газу у зону контакту з рідиною та відведення рідини з цієї зони здійснюється крізь дірчасті або щілинні отвори. Площа перетину отворів складає 10 ¸ 40% від перетину апарату. Оптимальна швидкість газу у розрахунку на увесь перетин апарату становить 2 ¸ 2,5 м/с. При швидкості більше, ніж 3,5 м/с, частина рідини у вигляді бризок виноситься з решітки газами, що відходять. Висота шару піни над решіткою 100 ¸ 200 мм. Пінні апарати забезпечують високу ступінь очищення пилу розміром більше, ніж 2 мкм.

Для інтенсифікації масообміну використовують також апарати з рухомою кульовою насадкою з поліетилену, полістиролу та інших пластмас. У корпусі між нижньою опорно – розподільчою та верхньою обмежувальною решітками розташований шар порожнистих куль. У такому апараті швидкість газу до 8 ¸ 9 м/с і за рахунок псевдо зрідження кульової насадки вона не забивається, оскільки знаходиться у постійному русі і пил змивається рідиною.

Принцип роботи відцентрових апаратів мокрого очищення такий же, як і сухого очищення. Відцентровий скрубер (рис. 32) призначений для очищення газів від твердих частинок та агресивних домішок. Внутрішня поверхня корпусу та конічного днища його для запобігання корозії та абразивного зношування футерується кислототривкою керамічною плиткою. Уведення газу до корпусу виконується тангенційно. Внутрішня поверхня корпусу зрошується водою за допомогою сопел, що встановлені рівномірно по периметру. Вода у вигляді плівки з частинками пилу стікає по стінках донизу та відводиться через гідравлічний затвор. Питома витрата води становить (0,1 ¸ 0,2)10^-3 м³ на 1 м³ газу. Швидкість газів у вільному перерізі апарату 4 ¸ 5 м/с. Ступінь уловлювання пилу з розміром частинок 15 ¸ 20 мкм більше 95%, з розміром 2 ¸ 5 мкм – біля 90%.

В ударно – інерційних апаратах (рис. 33) контакт газу з рідиною здійснюється за рахунок удару газового потоку о поверхню рідини або різкої зміни напряму руху газу над поверхнею рідини.

В уловлювачі пилу ПВМ при включенні вентилятора газ, що очищується, прямує у щілину між перегородками і захоплює з собою рідину. Турбулизований шар рідини спочатку відхиляється верхньою перегородкою донизу, а потім нижньою перегородкою уверх. Утворюється суцільна водяна завіса, крізь яку проходить газ, що очищується. Пил уловлюється за рахунок інерційних сил, що діють на поворотах, та при проходженні газу крізь водяну завісу.

У динамічних промивачах газ, що очищується, контактує з рідиною, яку розбризкує обертовий елемент – вал з лопатями, перфоровані диски і т.д. (рис. 34). Це механічні скрубери, дезінтегратори, вентиляторні скрубери. При обертанні валу рідина, що захоплюється дисками, змочує їх поверхню та розбризкується. Пил осаджується частково цими краплями рідини, частково на змочені диски, з яких змивається при обертанні. Ці апарати використовують для очищення від пилу розміром більше 7 мкм. Вони потребують великих витрат енергії, є складними у експлуатації та ремонті і знайшли обмежене застосування.

Принцип роботи турбулентних промивачів газу заснований на дробінні рідини газовим потоком, захопленні краплями частинок пилу, їх коагуляції і осадженні у уловлювачі крапель інерційного типу. Вони використовуються для очищення від мікронного та субмікронного пилу. Найбільш розповсюдженими з них є швидкісні уловлювачі пилу або скрубери Вентурі (рис . 35).

У цих апаратах у потік запилених газів, що рухається зі швидкістю 30 і більше м/с, уводиться вода, яка дробиться на дрібні краплі. Частинки пилу поглинаються краплями рідини, котрі потім уловлюються у простіших уловлювачах крапель, наприклад, циклонах.

Розпилення рідини виконується у трубі Вентурі. Вона складається з частини, що звужується, - конфузора, вузький частини – горловини та частини, що розширюється – дифузора. Рідина подається у горловину або у конфузор. Газ проходить з високою швидкістю горловину і надходить у дифузор, де відбувається зниження його швидкості за рахунок розширення потоку. На прискорення та розпилення води витрачається енергія газового потоку. Тому гідравлічний опір труби Вентурі за рахунок подавання води у розпилювач зростає і чим він більший, тим вище ступінь очищення газу. Наприклад, для уловлювання великих частинок швидкість газу у горловині складає 50 ¸ 80 м/с, витрата води (0,2 ¸ 0,7)10^-3 м³/м³, гідравлічний опір 3 ¸ 5 кПа. Для тонкого очищення швидкість газу повинна бути 100 ¸ 150 м/с, питома витрата води (0,5 ¸ 1,2)10^-3 м³/м³, гідравлічний опір 10 ¸ 20 кПа.

На схемі рис. 35а рідина подається через горловину крізь периферійні отвори та відділюється від газу у циклоні. У схемі рис. 35б здійснюється центральне введення рідини через сопло, а сепараційним пристроєм є бак. Оптимальні співвідношення розмірів труб Вен турі: довжина горловини l₂ = 0,15d₂, де d₂ – її діаметр; кут звуження конфузору a₁ = 15 ¸ 28⁰; кут розширення дифузора a₂ = 6 ¸ 8⁰. Швидкості руху газу на вході та виході труби Вентурі становлять звичайно 18 ¸ 20 м/с.

Наведемо основні відомості щодо основ процесу фільтрації, а також розглянемо найбільш поширені види фільтрів.

Процес очищення газів від твердих або рідких частинок за допомогою пористих середовищ називають фільтрацією. Частинки, що є завислими у газовому потоці, осаджуються на поверхні або у об’ємі пористого середовища за рахунок сил дифузії, зачеплення, інерційних, електростатичних та гравітаційних сил. Апарати для очищення фільтрацією називають фільтрами. Вони можуть бути з рухомим та нерухомим, з сухим та змоченим шаром. За методом регенерації фільтруючих елементів вони діляться на апарати з промивними пристроями, зі струшуванням або вібраційним струсом, зворотною, пульсуючою або струминною продувкою, з відцентровою регенерацією.

Зернисті фільтри можуть працювати в умовах високих температур та агресивного середовища. Вони поділяються на два типи:

1.Власно зернисті насадкові або насипні, у яких уловлюючи елементи – пісок, гравій, шлак, керамічні кільця і т.д. не зв’язані жорстко один з одним. Це статичні (нерухомі) та динамічні (рухомі) шарові фільтри з гравітаційним переміщенням сипучого середовища; фільтри псевдозрідженого шару.

2.Жорсткі пористі фільтри, у яких зерна зв’язані шляхом спікання, пресування або склеювання. Це пориста кераміка, пористі метали, пластмаси. Вони володіють високою кислото – та термостійкістю (біля 400⁰С); ефективність уловлювання пилу у них – 99,99%. Але вони дуже дорого коштують і є малопродуктивними. Використовуються такі фільтри для виділення цінних пилоподібних продуктів або у ядерних установках.

У пористому волокнистому фільтрі гази пропускають крізь шар волокнистого матеріалу, на поверхні якого затримуються частинки пилу. Найбільш розповсюдженими є рукавні фільтри (рис. 36).

У корпусі такого фільтра розміщені мішки – рукави з тканини. Їх нижні відкриті кінці закріплені на патрубках загальної трубної решітки, а верхні мають кришки, що висять на загальній рамі. При проходженні запиленого газу зсередини рукавів зовні на внутрішній поверхні і в порах тканини осаджується пил, а очищений газ видаляється через вихлопну трубу. З накопиченням пилу усередині та на поверхні тканини зростає аеродинамічний опір фільтра і зменшується його пропускна здатність.

Для регенерації тканини, тобто видалення з неї пилу, виконують періодично струшування рукавів за допомогою кулачкового механізму. Інколи поряд зі струшуванням виконують зворотну продувку рукавів повітрям. Пил потрапляє у конічне днище та видаляється за допомогою шнека.

Рукавні фільтри збирають з декількох секцій, які почергово відключають на розвантаження пилу при забезпеченні неперервної роботи системи у цілому. Для виготовлення рукавів використовують до температури 65⁰С бавовняні тканини, до 80 ¸ 90⁰С шерстяні. Для попередження зволоження тканини та покриття її гряззю нижня межа температури газу, що надходить на очищення, повинна бути на 10⁰С вищою за точку роси. Використовують також синтетичні тканини та тканини зі скловолокна, які можуть працювати до температури 150 ¸ 250⁰С.

Перевагою рукавних фільтрів є висока ступінь очищення від тонко дисперсного пилу, а недоліками – швидке зношування або закупорювання тканини, непридатність для очищення гарячих та вологих газів. Використовують також фільтри з напівжорсткими пористими перегородками у вигляді комірок – касет, у яких між сітками затиснутий шар скловолокна, що змочений спеціальним мастилом, або металевої стружки. Для дуже тонкого очищення використовують фільтри з ультратонких волокон.

Для уловлювання крапель, що виносяться з апаратів мокрого очищення газу, використовуються уловлювачі крапель. Простішими з цих пристроїв камері осадження та інерційні уловлювачі крапель, принцип роботи яких є аналогічним до принципу роботи камери осадження пилу та інерційного уловлювача пилу. У якості уловлювачів крапель використовують також насадки з кілець Рашига, шлаку, стружки і т.д. Оптимальна швидкість руху газу у насадці 3 ¸ 5м/с. Найбільш розповсюдженими є відцентрові уловлювачі крапель, причому часто з цією метою використовують звичайні циклони.

Для очищення газів від туманів використовують волокнисті та сітчасті фільтри. Принцип роботи уловлювача туману заснований на захопленні рідких частинок волокнами при їх пропусканні крізь волокнистий шар з неперервним відводом з нього уловленої рідини (рис. 37).

Принцип дії електрофільтрів заснований на ударній іонізації газу, тобто на розщепленні його молекул на позитивно та негативно заряджені іони. У газі у звичайних умовах завжди присутня деяка кількість вільних електронів та іонів. У електричному полі вони рухаються до протилежно заряджених електродів і утворюють електричний струм. При достатньо великий напрузі швидкість цих заряджених частинок зростає настільки, що вони стають здатними іонізувати при стиканні нейтральні молекули. При деякій напрузі відбувається замикання електродів – іскровий пробій. Для запобігання цьому явищу у електрофільтрах створюють неоднорідне електричне поле з максимальною напругою навколо електрода, що коронує. З віддаленням від нього напруженість електричного поля знижується і швидкість руху носіїв заряду стає недостатньою для підтримання процесу утворення нових іонів.

Явище ударної іонізації поблизу електрода називається коронуванням або коронним розрядом. Неоднорідність електричного поля досягається шляхом устрою електродів у вигляді центрального проводу усередині труби (трубчастий електрофільтр) або у вигляді ряду проводів між пластинами (пластинчастий електрофільтр). Електрод, що коронує, приєднується до негативного полюсу джерела струму, оскільки при цьому досягається більш висока напруга без виникнення іскрового розряду.

Негативно заряджені іони та електрони під дією електричного поля виходять з області коронного розряду та переміщуються зовні корони до позитивно зарядженого електроду – електрода осадження. При зустрічі з частинками пилу або рідини у газі вони віддають ним свій заряд, що вимушує рухатися ці частинки до електрода осадження. На електроді осадження частинки розряджаються та скидаються з нього за рахунок сили тяжіння або при струшуванні. Живлення електрофільтра здійснюється постійним струмом високої напруги (40 ¸ 75 кВ).

Для пластинчастого електрофільтра (рис. 38) маса пилу, що утримується у об’ємі між електродного простору довжиною dx на відстані х від входу газу у електричне поле складає:

М_Х = Z_X в 2с dx,

де Z_X – запиленість газу;

в – висота електрода осадження;

с – відстань між електродами осадження та коронування.

Кількість пилу, що осаджена за час dt з виділеного об’єму 2всdx на поверхні електродів осадження df = 2вdx становить:

dМ_Х = - Z_X w_Д 2в dx dt,

де w_Д – швидкість руху частинок у напрямі електродів осадження, тобто швидкість дрейфу, що залежить від напруженості електричного поля. Знак мінус вказує на зменшення вмісту пилу у газі по мірі його руху між електродами. Після розділення наведених виразів один на одного отримуємо:

.

Позначимо запиленість газу на вході та виході електрофільтра Z₁ та Z₂, час проходження газу через увесь електрофільтр через t. Тоді отримуємо:

; ; .

Якщо позначити час руху газу у електрофільтрі через його довжину L та швидкість руху газу w_Г, то можна отримати вираз для визначення вмісту пилу після очищення:

t = L/w_Г; .

Ступінь уловлювання пилу:

.

Швидкість газу у фільтрі залежить від об’ємної витрати газу, що проходить очищення, V та числа каналів активного перерізу електрофільтра n:

; ,

де f = 2nLв/V – питома поверхня осадження, тобто поверхня осадження, що припадає на одиницю витрати газу. Таким чином, ступінь уловлювання пилу складає:

h = 1 – ехр( - w_Дf).

Величина f визначається розмірами електрофільтра. Наприклад, для збільшення коефіцієнту очищення з 60 до 97,5% розміри електрофільтра повинні бути збільшені більш, ніж у 4 рази. Коефіцієнт очищення також залежить від швидкості дрейфу w_Д, яка зростає зі зростанням напруженості електричного поля та заряду частинок.

Трубчастий електрофільтр являє собою вертикальну камеру, у який встановлені електроди осадження (рис. 39). Електроди осадження звичайно виконані у вигляді шестигранних труб, що зібрані у пакети. У плані вони мають форму бджолиних сот. У якості електродів, що коронують, слугують проводи, що натягнуті по осі електродів осадження за допомогою збірних решіток. Запилений газ, що входить у електрофільтр, рівномірно розподіляється по перерізу за допомогою газорозподільної решітки. Очищений газ видаляється по газоходу, а пил збирається у нижній частині електрофільтра та періодично видаляється через отвір у його днищі.

Очищення газу від вологої пилі та туману може проводитися у мокрих трубчастих або пластинчатих електрофільтрах. Для уловлювання сірчанокислого туману труби мокрого електрофільтра виготовляють зі свинцю, а електроди, що коронують, – з освинцьованої проволоки. Корпус такого електрофільтра зсередини футерується кислототривкою цеглою. Шлам з електрофільтра видаляється шляхом промивання гарячою водою.

Припустима швидкість руху газу у електрофільтрах 0,5 ¸ 0,6 м/с.

Основні параметри роботи апаратів очищення газу від пилу наведені у табл. 7.

Таблиця 7.

Порівняльна характеристика апаратів очищення газу від пилу.

Тип апарата	Максимальний вміст пилу у газі, кг/м3	Розміри частинок, що відділяються, мкм	Ступінь очищення, %	Аеродинамічний опір, Па
Камери осадження	-	> 100	30 ¸ 40	-
Жалюзійні уловлювачі	0,02	> 25	60	500
Циклони	0,4	> 10	70 ¸ 95	400 ¸ 700
Батарейні циклони	0,1	> 10	85 ¸ 90	500 ¸ 800
Рукавні фільтри	0,02	> 1	98 ¸ 99	500 ¸ 2500
Відцентрові скрубери	0,05	> 2	85 ¸ 95	400 ¸ 800
Пінні уловлювачі	0,3	> 0,5	95 ¸ 99	300 ¸ 900
Скрубери Вен турі	-	> 0,1	98 ¸ 99	3000 ¸ 20000
Електрофільтри	0,01 ¸ 0,05	> 0,5	» 99	100 ¸ 200

Інерційні уловлювачі пилу та циклони використовують для відділення порівняльно великих частинок пилу на першому ступіні очищення. Ці апарати є порівняльно недорогими та не потребують значних експлуатаційних витрат. Для тонкого очищення не липкого сухого пилу при низьких температурах та у неагресивному газовому середовищі використовують рукавні фільтри. Для повного очищення від дрібнодисперсного пилу використовують мокрі уловлювачі пилу та електрофільтри. Мокре очищення від пилу є припустимим у випадку, якщо можливо охолодження та зволоження газу, а пил, що відділяється, не є цінним продуктом.

Тема 10. Очищення газів від парогазових домішок.

Методи очищення; сутність фізичного, термічного методу, методів хемосорбції, абсорбції, адсорбції. Технології і установки очищення від сірчаних сполук, оксидів вуглецю та азоту; їх порівняльний аналіз.

Окрім твердих та рідких включень, природні горючі гази можуть утримувати водяну пару, СО₂, сірководень, а штучні гази також аміак, сірковуглець, ціаністі сполуки, нафталін і т. д. Ці домішки спричиняють токсичну дію на організм людини, викликають корозію обладнання та газопроводів, їх закупорювання, погіршення якості продукції, що випускається. Деякі виробничі та вентиляційні гази утримують ацетон, бензин, бензол, толуол, ефіри, хлорпохідні вуглеводнів. Їх уловлювання є необхідним не лише для поліпшення умов життя людини та охорони довкілля, а і для використання у якості сировини при подальшій переробці.

Очищення від паро газових включень виконують із застосуванням наступних методів:

1.Фізичний, що заснований на стиску або охолодженні газу;

2.Термічний, тобто спалювання горючих газових компонентів, звичайно у присутності каталізатора;

3.Хемосорбції, що являє собою перетворення газових домішок за допомогою додатків у тверді або рідкі продукти із подальшим їх виділенням;

4.Абсорбції, тобто промивкою газів розчинниками домішок;

5.Адсорбції, тобто поглинанням газів або пари поверхнею твердих речовин – адсорбентів.

Джерела утворення та вплив SO₂ на довкілля було розглянуто раніш. Для абсорбції SO₂ з газів можна використовувати водну промивку. Абсорбція водою протікає за реакцією:

SO₂ + Н₂О = Н⁺ + НSO₃^-.

Однак розчинність SO₂ у воді є дуже низькою, тому потрібна велика витрата води, а для видалення SO₂ з розчину, тобто для десорбції, треба нагрівати її до 100⁰С і це пов’язано зі значними енерговитратами. У деяких випадках для абсорбції використовують морську воду, яка має слабко лугову реакцію, що підвищує розчинність SO₂ (рис. 40). Подібні установки експлуатуються, наприклад, у Норвегії.

Очищений від пилу у електрофільтрі газ надходить у порожнистий скрубер, потім у абсорбер, де він промивається морською водою. Стічні води у реакторі обробляються повітрям для окислення сульфітних сполук до сульфатних та скидаються у море.

Однак найбільш часто для очищення газів від SO₂ використовують хемосорбційні методи аміачний, вапняковий, содовий, магнезитовий і т. д.

При вмісті SO₂ у газі у межах 0,05  0,2% звичайно застосовують вапняковий метод. У якості реагенту тут використовують вапнякове молоко або суспензію тонко здрібненого вапняку зі співвідношенням “тверда фаза – рідина” 1 : 10. У процесі протікають реакції:

Са(ОН)₂ + SO₂ = Са SO₃ + Н₂О;

СаСО₃ + SO₂ = Са SO₃ + СО₂.

У результаті утворюється сульфіт кальцію, який частково окислюється у сульфат. Шламова пульпа, що утворюється, скидається у відвали або використовується для виробництва будівельних матеріалів.

На рис. 41 наведений приклад реалізації цього методу.

Абсорбер зрошується суспензією з рН = 6  6,2. Шлам з абсорбера частково надходить у циркуляційний збірник, куди додають свіжий вапняк, а основна його кількість – у вакуум – фільтр. Ступінь очищення - до 85%; коефіцієнт використання вапняку – біля 50%.Недоліком вапнякових методів є заростання системи відкладеннями гіпсу, корозія обладнання, винос бризок з абсорбера. Вапняковий метод відноситься до нерекуперативних.

У рекуперативних методах хемосорбент регенерується і повторно використовується для очищення.

У магнезитовому методі SO₂ поглинається гідрооксидом магнію у абсорбері за реакціями:

МgO + Н₂О = Мg(OН)₂; МgSO₃ + Н₂O + SO₂ = Мg(НSO₃)₂;

Мg(НSO₃)₂ + Мg(OН)₂ = 2МgSO₃ + 2Н₂О.

Кристалогідрати сульфіту магнію МgSO₃ * 6H₂O та МgSO₃ * 3H₂O випадають у осадок, їх виводять через центрифугу у сушарку барабанного типу, де вони проходять сушіння. Після цього їх термічно розкладають у обертовій печі обпалу за реакцією:

МgSO₃ = МgO + SO₂.

Сірчаний газ переробляють у сірчану кислоту, а оксид магнію повертають на абсорбцію.

Аміачні методи очищення зводяться до реакції з водним розчином сульфіту амонію, у який утворюється бісульфіт амонію:

SO₂ + (NH₄)₂SO₃ + H₂O = 2NH₄HSO₃.

В установці аміачно – циклічного очищення газів (рис. 42) охолоджений та очищений від пилу газ спрямовується у скрубер – абсорбер, який зрошується розчином сульфіт – бісульфіту амонію. Тут здійснюється поглинання сірчаного ангідриду і розчин збагачується бісульфатом амонію. Отриманий розчин у десорбері нагрівається, унаслідок чого рівновага реакції зміщується у лівий бік, підсилюється виділення сульфіт – амонію та сірчаного ангідриду. Після охолодження розчин повертається у абсорбер.

У процесі абсорбції паралельно утворюється сульфат амонію ( біля 20% уловленого SO₂ йде на його утворення). Тому частину регенерованого розчину випаровують у випарному апараті та охолоджують у кристалізаторі. Кристали сульфату амонію, що утворилися, виділяються з розчину за допомогою центрифуги, а маточний розчин повертають на зрошення абсорбера.

Аміачно – циклічний метод дозволяє отримати 100% - вий сірчаний ангідрид та сульфат амонію.

У аміачно – автоклавному методі абсорбцію також проводять розчином сульфіт - бісульфіту амонію. Відпрацьований розчин розкладають у автоклаві при температурі 150  160⁰С та тиску 0,5 МПа за реакцією:

2NH₄HSO₃ + (NH₄)₂SO₃ = 2(NH₄)₂SO₄ + S + H₂O.