2.12. Методы улавливания пыли и газов
Основные принципы задержания пыли. Пыли, содержащиеся в отходах промышленных производств, вследствие своей способности легко распространяются в атмосфере представляют особую опасность для окружающей среды. В то же время пыли в большинстве случаев содержат сырьевые компоненты, потеря которых приносит значительный ущерб для производства того или иного вида продукции.
Пыли представляют собой диспергированные вещества. Эта дисперсия может быть молекулярной и коллоидной до очень крупных размеров. Размеры пылевых частиц колеблются в пределах от 1 до 500 мкм. Борьба с загрязнением воздуха пылью может осуществляться посредством предупреждения образования воздушно-пылевых смесей либо путем очистки воздуха в специальных аппаратах- пылеуловителях.
При оценке эффективности работы пылеуловителей принимают во внимание:
общую эффективность обеспыливания, или количество пыли, задержанной в пылеуловителе, по отношению к количеству пыли, содержащейся в обеспыливаемом газе;
фракционную эффективность, определяющую полноту улавливания частиц определенных размеров; ее выражают процентом отделенных в пылеуловителе частиц пыли определенных размеров;
остаточное содержание пыли в газе при выходе его из пылеуловителя;
распределение остатка пыли в газе по размеру частиц или скорости витания.
Кроме того, существенным фактором для оценки эффективности пылеуловителей является расход потребляемой энергии, а при подборе того или иного типа пылеуловителя — частота распределения дисперсности фракций.
Пылеотделители подразделяют следующим образом:
механические обеспыливающие устройства, в которых пыль отделяется под действием сил тяжести или центробежной силы;
мокрые или гидравлические обеспыливатели, в которых твердые частицы в газообразной среде улавливаются жидкостью;
обеспыливающие устройства с пористым фильтрующим слоем, в котором задерживаются частицы пыли; электрические обеспыливающие устройства, в которых частицы охлаждаются за счет ионизации.
Рис. 51. Пылеосадочная камера
Гравитационные обеспыливающие устройства выполняют в виде осадительных камер (рис. 51), в которых скорость пылевого потока резко падает, вследствие чего находящиеся во взвешенном состоянии частицы выпадают под действием силы тяжести. Эффективность выпадения частиц Е < 1 может быть выражена так:
где Еg - выраженная в долях эффективность выпадения пылевых частиц gj массе в осадительной камере, скорость витания которых равна Ut, м/с; ah - площадь в горизонтальной проекции камеры, м2; Q -- количество запыленного, проходящего через камеры газа, мл/с.
В инерционных пылеуловителях пылевой поток подвергается резкому изменению направления, вследствие чего частицы соприкасаются с поверхностями осаждения, теряя скорость, выпадают из газового потока и через разгрузочные коллекторы удаляются из пылеуловителя.
Наиболее простой из пылеуловителей этого типа, так называемый пылевой мешок, показан на рис. 52.
Аппараты с отражательными перегородками часто используются для очистки газов различных нагревательных установок и вращающихся печей, а также при удалении кислотных конденсатов и т.д.
Центробежные обеспыливающие аппараты. Наиболее распространенными аппаратами с доминированием центробежной силы являются циклоны. Принцип действия пылеулавливающего циклона практически не отличается от работы гидроциклона.
Использование батарейных циклонов (мультициклонов) позволяет повысить эффективность пылеулавливания в циклонных установках. Батарейные циклоны (рис. 53) состоят
Рис. 52. Инерционные пылеуловители
Рис. 53. Группа из шести циклонов НИИОГАЗ
из группы параллельно включенных циклонов. Газ подводится через общий коллектор, с помощью которого газовый поток распределяется по многочисленным циклонам малого диаметра. Очищенный газ удаляется через общий газоотвод, а уловленная пыль выпадает в общий бункер, откуда транспортируется разгрузочными устройствами различных типов.
В обеспыливающих устройствах мокрого, комбинированного и конденсационного типов используют в качестве смачивающей жидкости чистую воду или воду со смачивающими добавлениями. Уловленную пыль удаляют в виде шлама. Принципы действия этих пылеуловителей чрезвычайно разнообразны и часто в одном аппарате одновременно используют несколько особенностей, что затрудняет их классификацию. Обычно их подразделяют на пылеуловители со смоченными поверхностями; скрубберы, скоростные, комбинированные и конденсационные пылеуловители.
На рис. 54 показан общий вид циклона типа ЦС-ВТИ. Запыленный газ из тангенциального патрубка 1 поступает в корпус аппарата 2 и орошается водой, разбрызгиваемой из сопел 3 коллектора 4. Жидкость, захватившая частицы пыли, отбрасывается к стенкам корпуса, стекает вниз и отводится через шламовый затвор 5.
Рис. 54. Общий вид мокрого циклона типа ЦС-ВТИ 1 - тангенциальный патрубок; 2 - корпус; 3 сопла; 4 - кольцевой коллектор; S - шламовый затвор
Промывные башни известных конструкций могут заполняться кольцами Рашига, Лессинга, стекловолокном или другими насадочными материалами. Более современный и усовершенствованный тип подобного пылеулавливающего устройства представляет собой установка с плавающей насадкой, в которой орошаемый слой, пересекаемый газовым потоком снизу вверх, состоит из нескольких рядов пластмассовых шариков. Эта насадка находится в постоянном движении под действием стекающих потоков воды и поднимающегося газа, что способствует увеличению контакта пылинок с водяной пленкой, а также выносу смоченной пыли в бункер, из которого она удаляется в виде шлама (рис. 55).
В ряде пылеуловителей других конструкций распыление воды является единственным средством захвата частиц или их укрупнения с целью эффективного улавливания в последующей ступени, в качестве которой может быть использован циклон или осадительная камера. Вода распыляется механическим путем с помощью сжатого воздуха или оросителей различных конструкций. В обеспыливающих установках типа Вентури запыленный газ очищается распыленной водой, нагнетаемой в узкую часть трубы Вентури. Высокие скорости газа в этой части трубы способствуют тонкому измельчению воды, мелкие капельки которой движутся со скоростями, очень близкими к скорости пылевых частичек. Это обеспечивает высокий эффект захвата и смачивания частичек пыли. В барботажных и пенных пылеуловителях происходит интенсивная отдача тепла от газов к жидкости. Обычно достаточно слоя жидкости высотой около 10 см, чтобы газы охладились почти до ее температуры. Поэтому барботеры и пенные аппараты используют не только для улавливания пыли, но и для охлаждения газов.
В комбинированных пылеулавливающих установках одновременно улавливается пыль с помощью орошения поверхности, распыления воды, инерции, центрифугирования и т.д.
В конденсационных пылеулавливающих установках при быстром снижении давления газа, насыщенного водой и содержащего тонкие частицы витающей пыли, часть водяного пара конденсируется на них, так как они являются ядрами конденсации. Эти частицы могут быть легко отделены от газа одним из простейших устройств, например, циклоном.
Пылеуловители с пористым слоем и тканевые фильтры. В пылеуловителях этого типа газовый поток проходит через пористый слой различной плотности и толщины, в котором задерживается основная часть пыли. Пористый слой или насадка фильтров может состоять из ряда последовательно расположенных элементов специального профиля, быть выполненной из материалов минерального происхождения(кокса, песка, гравия) или же из колец Рашига и других всевозможных элементов, изготовленных из металла или пластмасс. Пористый слой может иметь также и волокнистое строение и изготавливаться из бумаги, натурального и синтетического войлока или тканей различной плотности. В промышленных пылеуловителях. наиболее часто применяются тканевые или рукавные фильтры. Установки обычно имеют форму обтянутого тканью барабана, матерчатых мешков или карманов, работающих параллельно. Эти пылеуловители имеют высокую эффективность, особенно если пористый слой достаточно плотный и толстый.
Рис. 55. Скруббер с плавающей насадкой
1 - пластмассовые шарики; 2 - перегородка; 3 - штуцер для подачи воды;
4 — брьгзгоотражатель; 5 - выход очищенного газа; 6 - вход запыленного газа;
7 - отвод шлама
Обычными методами регенерации ткани рукавных фильтров является механическое встряхивание с одновременной обратной продувкой.
Скорости фильтрации при улавливании возгонов для тканей из шерсти и синтетических волокон составляют 0,24-0,35 м3/(м2×мин) для мешочных фильтров с рукавами большого размера и 0,7—1 в отдельных рукавах фильтров.
Электрофильтры. В электрофильтрах частицы пыли осаждаются под действием электрического заряда, который они приобретают, проходя между катодом ионизатором и электродом осадителем.
Если напряженность электрического поля между электродами превышает критическую величину, которая при давлении 760 мм HgO и температуре 15°С равна 30 кВ/см, то молекулы воздуха ионизируются и приобретают положительные и отрицательные заряды. При этом отрицательные ионы воздуха, которые образуются у отрицательного коронирующего электрода, движутся к положительному электроду и проходят больший путь, чем положительные ионы, которые формируются в средней части между противоположно заряженными электродами и движутся к отрицательному электроду. Вследствие этого отрицательные ионы при движении встречают гораздо большее количество пылинок, которые передают свой заряд, чем положительные ионы.
Получившие тот или иной заряд пылинки движутся к противоположно заряженному электроду (в основном к положительному) и оседают. Входя в контакт с электродом, частицы теряют заряд и могут быть легко удалены с его поверхности при помощи удара, вибрации, обмывки и т.п. и направлены в бункер. Эффективность работы электрофильтров определяется формулой
где е — основание натурального логарифма, равное 2,718; F — градиент электрического поля между осадительными и коронирующими электродами в единицах системы СИ; W - скорость движения заряженной частицы к осадительному электроду, м/с; R — расстояние между осадительными и коронирующими электродами, м; V — скорость газового потока в электрофильтре, м/с; L — длина осадительных электродов, м.
Принципиальная схема электрофильтра показана на рис. 56. В табл. 2.4 показаны области применения различных типов пылеуловителей в зависимости от размеров частиц пыли.
Основные принципы химической очистки газов. Многие промышленные газы содержат компоненты, которые необходимо улавливать, поскольку они губительно действуют на здоровье людей, окружающую природу, вызывают коррозию аппаратуры и т.д. Выброс токсичных газов строго регламентируется санитарными органами.
Рис. 56. Схема электрофильтра
1 - предохранители; 2 - рубильник; 3 - биметаллический выключатель; 4 - трансформатор высокого напряжения; 5 - выпрямитель; 6 - электрофильтр; 7 - грозовой разрядник; 8 - шунт; 9 - измеритель; 10 - регулятор; 11 - усилитель; 12 - регулирующий трансформатор: 13 - выпрямитель оперативного тока; 14 - трансдуктор; 15 ~ трансформатор; 16 - измеритель первичного тока; 17 - измеритель напряжения; 18 - регулятор импульсов; 19 - вход запыленного газа; 20 - коронирующие электроды; 21 - осадительные электроды; 22 - выход чистого газа; 23 - шлюзовый затвор
В большинстве случаев газообразные химические примеси, так же как и пыль промышленных производств, после их улавливания и концентрирования представляют большую ценность для народного хозяйства, а иногда являются основным сырьем для производства тех или иных химических продуктов (соляной, плавиковой, азотной кислот, сероуглерода и т.д.).
Газы можно очищать от газообразных химических примесей тремя методами:
поглощением при промывке газов жидкостями — абсорбцией;
поглощением твердыми телами -- -адсорбцией;
превращением газообразных химических примесей при помощи газообразных добавок в твердое или жидкое состояние с последующим выделением полученных продуктов.
Последний метод сложен из-за трудности улавливания твердых или жидких мелких частиц, поэтому его применяют редко, но в некоторых производствах такой процесс происходит самопроизвольно. Так, в производстве серной кислоты при поглощении ею водяных паров из газов в газовую фазу может перейти небольшое количество серного ангидрида (SO3), который образует с водяными парами туман серной кислоты.
При очистке газов от газообразных химических примесей промывкой жидкостями следует, с одной стороны, создать хороший контакт между газом и жидкостью, а с другой, подобрать такую жидкость, которая хорошо поглощает нужный компонент, но не реагирует с другими компонентами, содержащимися в газе.
Газы, растворимость которых при 0°С и парциальном давлении 101325 Н/м2 (760 мм рт. ст.) составляет сотни граммов на 1 кг воды, называют хорошо растворимыми. К ним относятся аммиак, хлористый и фтористый водород и некоторые другие.
Газы, растворимость которых при указанных условиях составляет десятые или сотые доли грамма на 1 кг воды, называют плохо растворимыми (кислород, азот, СО).
Ниже рассматриваются распространенные методы очистки газов от химических загрязнений.
Известковый способ. Газы, содержащие SO2, промываются в скруббере известковым молоком (гидратом оксида кальция), которое реагирует с SO2 по уравнению
