5.4. Мокрые пылеуловители

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки от пыли считается достаточно простым и в то же время эффективным способом обеспыливания.

При современном уровне развития техники пылеулавливания наметилась тенденция применения сухих пылеуловителей, однако в ряде случаев мокрые пылеуловители конкурируют с такими высокоэффективными аппаратами, как рукавные фильтры и электрофильтры.

Преимущества мокрых пылеуловителей перед аппаратами других типов:

— сравнительно небольшая стоимость (без учета шламового хозяйства) и более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

— возможность применения для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;

— возможность охлаждения и увлажнения (кондиционирования) газов;

— возможность применения для очистки высокотемпературных газовых потоков;

— возможность одновременной очистки от пыли и от газообразных вредных веществ, т. е. их можно использовать в качестве абсорберов.

К недостаткам пылеуловителей относятся:

— улавливаемый мокрыми пылеуловителями продукт выделяется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод;

— потери жидкости вследствие брызгоуноса;

— необходимость антикоррозионной защиты оборудования при фильтрации агрессивных газов и смесей.

В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще всего применяется вода. При решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обуславливается процессом абсорбции.

Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей, в настоящее время, не существует. Обычно они классифицируются на группы в зависимости от поверхности контакта или по способу действия:

— полые газопромыватели;

— насадочные скрубберы;

— тарельчатые газопромыватели;

— газопромыватели с подвижной насадкой;

— мокрые аппараты ударно–инерционного действия;

— мокрые аппараты центробежного действия;

— механические газопромыватели;

— скоростные газопромыватели.

Помимо перечисленных групп, к мокрым пылеуловителям, в какой–то степени, могут быть отнесены мокрые электрофильтры, орошаемые волокнистые фильтры и аппараты конденсационного действия.

Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту группу входят полые скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты и др. К средненапорным мокрым пылеуловителям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся некоторые динамические скрубберы, газопромыватели ударно-инерционного действия. Группа высоконапорных газопромывателей с гидравлическим сопротивлением больше 3000 Па включает в основном скрубберы Вентури.

Подвод орошающей жидкости в мокрые газоочистные аппараты. Надежная и эффективная работа мокрых пылеуловителей в немалой степени зависит от правильного выбора устройств подвода жидкости. Способ подачи жидкости, в значительной мере влияет на распределение энергии, затрачиваемой на проведение процесса. В аппаратах, где главная роль в энергетических затратах принадлежит орошающей жидкости (полые), применяются энергоемкие средства подвода орошения — форсунки, работающие под высоким давлением. В аппаратах, где затраты энергии, подводимой к жидкости, играют второстепенную роль (скрубберы Вентури), используются низконапорные форсунки. В тех же аппаратах, где практически вся энергия подводится к газовому потоку (насадочные, тарельчатые) и требуется равномерное орошение всего сечения аппарата, применяют оросители различных конструкций.

Форсунки. Форсунки подразделяются на три основные группы: механического, пневматического и электрического действия.

Механические форсунки, наиболее распространенные в газоочистных аппаратах, бывают прямого действия, центробежные и ультразвуковые. На рис. 5.59 показаны типы механических форсунок: струйные, струйно-ударные, с внешним соударением струй, центробежные, центробежно-струйные.

В центробежных форсунках жидкость приобретает вращательное движение за счет тангенциального подвода (рис. 5.59, в) или проходя через завихрительную спираль (рис. 5.59, а, б). Далее струя покидает форсунку в виде полого вращающегося конуса (рис. 5.60, а), который под действием центробежных сил распадается на отдельные капли. Достоинства центробежных форсунок — простота конструкции, воз­можность широкой регулировки расхода жидкости и угла распыла, высокая эксплуатационная надежность.

Рис. 5.59. Механические форсунки:

а–в — цетробежные форсунки (а — Григорьева–Поляка; б — Кертинга; в — эвольвентная форсунка); г–е — центробежно–струйные форсунки (г — ВТИ; д — с цилиндрическим вкладышем и горизонтальными каналами; е — с цилиндрическим плоским вкладышем и с периферийными винтовыми каналами); ж — плоскофакельная струйная форсунка

Рис. 5.61. Пневмофорсунка:

1 — патрубок для подвода воды; 2 — элемент плоскофакельной форсунки; 3 — горловина

В центробежно-струйных форсунках, помимо вращающейся струи создается и осевая струя. При этом образуется сплошной конус распыла (рис. 5.60, б) для равномерного получения которого, необходимо соблюдать правильное соотношение между количеством вращающейся жидкости и жидкостью, подаваемой в центральную струю.

Рис. 5.60. Формы факела форсунок:

а — полый факел; б — заполненный факел; плоский факел

Производительность форсунок определяется, в основном, их конструкцией и не зависит от физических свойств распыляемой жидкости.

Объемный расход жидкости определяется по формуле:

, (5.53)

где d_c — диаметр сопла форсунки, м; К_ж — коэффициент расхода жидкости; р_ж — давление жидкости перед форсункой, Па.

Наибольшие значения коэффициента расхода характерны для струйных форсунок (0,75–0,98), наименьшие — у центробежных (0,2–0,3).

В пневматических форсунках поток жидкости дробится, соприкасаясь с высокоскоростным потоком газа или пара (рис. 5.61). Жидкость подается в пневматические форсунки под небольшим давлением, либо засасывается инжектирующим действием газового потока. Форма факела зависит от конфигурации выходного отверстия и от расхода газа.

Энергозатраты пневматических форсунок выше, чем механических, поэтому они не получили широкого распространения в мокрых пылеуловителях. Однако они позволяют получить более тонкий распыл, вследствие чего их можно использовать при увлажнении газов.

Оросители. По режиму истечения жидкости оросительные устройства делятся на струйные разбрызгивающие и на струйные неразбрызгивающие.

а) б)

Рис. 5.62. Основные типы оросителей:

а — точечное орошение; б — зональное орошение; в — сплошное орошение; 1 — распределительная плита; 2 — желоб с боковыми прорезями; 3 — желоб с длинными патрубками; 4 — многотрубчатый ороситель; 5 — перфорированный стакан; 6 — щелевая брызгалка; 7 — розетка; 8 — многоконусный ороситель; 9 — разбрызгивающая звездочка

Орошение сечения аппарата может быть точечным, зональным и сплошным (рис. 5.62). Точечное орошение целесообразно при ограниченном расходе жидкости и при недопустимости брызгоуноса. Обеспечивается струйными неразбрызгивающими оросителями. Примером таких оросителей является желобчатые оросители (рис. 5.62, а).

Зональное и сплошное орошение обеспечивается различными видами брызгалок. Эти оросители работают при постоянном напоре 40–60 кПа. При зональном и сплошном орошении обеспечивается лучшая смачиваемость, однако этот способ связан с большим расходом орошающей жидкости. Кроме того, за счет перекрытия смежных зон орошения наблюдается значительная неравномерность плотности орошения по сечению аппарата.

Каплеулавливающие устройства. Во всех мокрых пылеуловителях, в той или иной степени, происходит брызгоунос, интенсивность которого определяется скоростью газового потока в свободном сечении аппарата и способом подвода орошающей жидкости.

Максимально возможный размер уносимых капель может быть рассчитан по скорости витания капель (номограмма), которая принимается равной скорости газов в свободном сечении аппарата.

Для сепарации капель из газов используются следующие механизмы осаждения: гравитационный, инерционный, центробежный, диффузионный и электростатический. Последние два используются в основном для улавливания туманов. Наибольшее применение нашли инерционные и центробежные, принцип работы которых ясен из названия.

Каплеулавливающие устройства могут монтироваться в одном корпусе с мокрым пылеуловителем, а могут в виде отдельного аппарата устанавливаться за ним.

Инерционные каплеуловители. В качестве инерционных каплеуловителей используют различные насадки, гальку, кольца Рашига, вязанную сетку и т. д. (рис. 5.63). Эффективность инерционных каплеуловителей увеличивается с ростом скорости газов, однако этот рост не может быть беспредельным, поскольку при достижении определенной скорости газа возникает вторичный унос, наступает захлебывание каплеуловителя. Обычно оптимальная скорость газа лежит в диапазоне 3–5 м/с, максимальная — 5–6 м/с. Критическая скорость определяется конструкцией, направлением набегающего газового потока и др.

Рис. 5.63. Элементы инерционных каплеуловителей:

а, б — горизонтальные жалюзийные; в — прямоточный сепаратор Карбейта; г — гофрированные вязанные сетки; д — уголковые; е — вертикальные жалюзийные; ж — швеллерковые

Рис. 5.64. Малогабаритный циклон каплеуловитель КЦТ

Кроме представленных на рис. 5.63 инерционных каплеуловителей, на практике широко применяются сеточные брызгоуловители, представляющие собой пакет вязанных сеток (металлическая проволока, фторопластовое и полипропиленовое волокно).

Для некоторых каплеуловителей при расчетах оптимальной скорости можно использовать формулу:

, (5.54)

где k_c — коэффициент, изменяющийся от 0,09 до 0,305.

Основным недостатком инерционных каплеуловителей является возможность образования отложений.

Центробежные каплеуловители. Центробежные пылеуловители получили наибольшее распространение в газоочистной технике.

В качестве каплеуловителей могут быть использованы обычные циклоны, например циклоны НИИОгаза. Однако более эффективными являются специально разработанные устройства, например, циклон–каплеуловитель (рис. 5.64), устанавливаемый обычно за трубами Вентури. Скорость газа в плане аппарата составляет 4,5–5,5 м/с. Разработан типоразмерный ряд каплеуловителей КЦТ на производительности по газам 3100–84000 м³/ч.

Кроме того, в качестве каплеуловителей могут применяться устройства коленного типа (рис. 5.65). Эффективность подобного каплеуловителя после трубы Вентури составляет 90%.

Более перспективными считаются встроенные каплеуловители, один из которых представлен на рис. 5.66. Оптимальная скорость равна 5 м/с. Отвод жидкости осуществляется через сливные патрубки, расположенные в нижней части.

Рис. 5.66. Цилиндрический каплеуловитель:

1 — диск; 2 — кольцо; 3 — лопатки; 4 — карман; 5 — канал

Диффузионные каплеуловители. Применяются при улавливании капель размером меньше 3 мкм. Представляют собой волокнистые фильтры с диаметром волокон 5–20 мкм и толщиной слоя 50 мм. Гидравлическое сопротивление колеблется от 1 до 5 кПа. Капли, диаметром 3 мкм улавливаются на 100%.

Рис. 5.65. Каплеуловитель коленного типа:

1 — корпус; 2 — лопатка; 3 — сливные карманы; труба для сбора уловленной жидкости; 5 — устройство для вывода жидкости

Рис. 5.67. Конструкции полых скрубберов:

а — с тарельчатыми форсунками; б — конденсационная башня; в–д — колонны улавливания фтористых газов и аммиака; е — скруббер типа СП; 1 — ярусы орошения; 2 — система гидросмыва каплеуловителя; 3 — каплеуловитель; 4 — завихритель; 5 — форсунки газохода

Полые газопромыватели. В полых газопромывателях газопылевой поток пропускают через завесу распыляемой жидкости. При этом частицы пыли захватываются каплями промывной жидкости и осаждаются в промывателе, а очищенные газы удаляются из аппарата. Наиболее распространенные аппараты этого класса представлены на рис. 5.67. Они широко используется как для очистки газов от достаточно крупных частиц пыли, так и для охлаждения газов, выполняя в различных системах пылеулавливания роль аппарата, обеспечивающего подготовку (кондиционирование) газов.

По направлению движения газов и жидкости, полые скрубберы делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости.

Гидравлическое сопротивление полого скруббера весьма незначительно: при отсутствии каплеуловителя и газораспределителя оно обычно не превышает 250 Па. Полые форсуночные скрубберы обеспечивают высокую степень очистки только при улавливании частиц размером больше 5 мкм.

Максимальная эффективность при инерционном осаждении улавливаемых частиц на каплях, падающих под действием силы тяжести в неподвижном воздухе (независимо от размера частиц), достигается при d_к = 0,6–1,0 мм. Поэтому, в полых газопромывателях обычно устанавливают центробежные форсунки грубого распыла (работающие под давлением от 310⁵ до 410⁵ Па), которые и создают капли требуемого размера. Такие форсунки позволяют работать на оборотной воде, содержащей взвеси, просты в изготовлении и мало подвержены износу. Для расчета полого газопромывателя необходимо знать расход пылегазового потока Q, плотность газов p_г, плотность частиц пыли p_ч и ее дисперсный состав. Расчет выполняют в следующем порядке.

1. Определяют площадь сечения скруббера S, м²:

S = Q / v_г, (5.55)

2. По найденному значению S рассчитывают диаметр скруббера D и его высоту H по формулам:

D = , (5.56)

H 2,5 D. (5.57)

3. Удельный расход жидкости m принимают от 0,5 до 10 л/м и определяют общий расход жидкости на орошение аппарата Q_ж:

Q_ж = m Q_г. (5.58)

4. Коэффициент очистки в полом противоточном скруббере находят по формулам:

, (5.59)

где _з — эффективность захвата каплями частиц определенного диаметра; v_к — скорость осаждения капли, м/с; d_к — диаметр капли, м.

Значения _з приведены в таблице 5.26. Скорость осаждения капель v_к определяют по номограмме, представленной на рис. 5.68.

Таблица 5.26

Эффективность захвата частиц пыли распыленной водой (для частиц с _ч = 2000 кг/м³)

dч, мкм	з при (к + г)/dл
	600 с–1	1200 с–1	2300 с–1	3500 с–1	4000 с–1
1,4	0	0	0	0,03	0,06
2,0	0	0	0,07	0,17	0,21
4,0	0,07	0,24	0,41	0,54	0,58
10,0	0,54	0,70	0,85	0,89	0,90

Насадочные газопромыватели. Насадочные газопромыватели представляют собой колонны, заполненные телами различной формы (рис. 5.69). Эти аппараты (рис. 5.70) рекомендуется применять только при улавливании хорошо смачиваемой пыли, особенно в тех случаях, когда процессы улавливания пыли сопровождаются охлаждением газов и абсорбцией. При улавливании плохо смачиваемой пыли (но не склонной к образованию твердых отложений) могут использоваться аппараты с регулярной и разряженной насадкой.

Основными параметрами насадки являются: удельная поверхность, свободный объем и эквивалентный диаметр (табл. 5.27). Удельная поверхность а представляет собой геометрическую поверхность насадочных тел и выражается в м²/м³. Свободный объем  характеризует объем пустот насадки и выражается в м³/м³.

Рис. 5.69. Типы насадок:

1 — кольца Рашига; 2 — кольца с перегородкой; 3 — кольца с крестообразной перегородкой; 4 — кольца Палля; 5 — седла Берля; 6 — седла Инталокс

Рис. 5.70. Противоточный насадочный скруббер:

1 — опорная решетка; 2 — насадка; 3 — оросительное устройство

Эффективность улавливания пыли в скруббере возрастает при применении более мелкой насадки, равномерности орошения и увеличения слоя насадки. При улавливании пыли расход орошающей жидкости в противоточных аппаратах обычно составляет 1,3–2,6 л/м³. Эффективность очистки рассчитывается по формулам (5.7), (5.8). Необходимое значение гидравлического сопротивления определяется по следующей последовательности.

Предварительно определяют сопротивление сухой насадки, Па

Рис. 5.68. Номограмма для определения диаметра частиц по скорости их витания

(5.60)

где h_н — высота насадки, м; ₀ — коэффициент сопротивления сухого аппарата.

Коэффициент ₀ зависит от режима движения газа и является функцией критерия Рейнольдса Re. Значения ₀ определяются в зависимости от типа насадок:

— для беспорядочных насадок, в которых пустоты распределены равномерно по всем направлениям (шары, седлообразные насадки),

₀ = (133/Re_г) + 2,34; (5.61)

— для беспорядочных кольцевых насадок при Re_г < 40

₀ = 140/Re_г; (5.62)

— при (Re_г>40)

₀ = 16/Re^0,2; (5.63)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки всегда больше сухой и его определяют из отношения

Р_ор = М ·Р_сух, (5.64)