книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники
.pdf6)в процессе охлаждения вырабатывается дополни тельное количество пара энергетических параметров;
7)понижаются затраты на устройство системы и ее эксплуатацию.
ГлаваVIII
ОЧИСТКА ГАЗОВ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Вначале 50-х гг. для интенсификации металлургиче ского производства стали применять кислород. Наряду
сположительными явлениями применения кислорода по явились и отрицательные последствия, в первую очередь загрязнение атмосферы продуктами окисления железа. Современные сталеплавильные печи, которые использу ют кислород, выбрасывают в атмосферу густые клубы красноватого дыма, насыщенного окисью железа. Дым доменных печей содержит частички кремнезема, окиси алюминия, извести, окиси железа.
Вчерной металлургии существует очень много источ
ников пылеобразования. Твердые и жидкие частицы вы брасываемой ими пыли, распределяясь в воздухе или газе, образуют физические системы, которые получили общее название — аэрозоли. Всего несколько десятков лет назад никто всерьез не задумывался над тем, к че му может привести воздействие аэрозолей на человека а сейчас нередки суждения такого типа: «Либо люди сделают так, что в воздухе станет меньше дыма, либо дым сделает так, что на Земле станет меньше людей».
Загрязненный воздух может вредно повлиять в пер вую очередь на состояние органов дыхания, сердце, глаз и кожи человека.
Наша партия и правительство неоднократно подчер кивали важность и неотложность борьбы с загрязнением воздуха. В СССР впервые в мире стали выпускать спе циалистов по физическим методам очистки газов; разра ботаны первые в мире стандарты чистоты атмосферного воздуха.
Для сокращения выбросов вредных веществ в атмос феру применяют различные способы очистки газов, вы бор которых основан на знании физических свойств аэ розолей.
Физические свойства аэрозолей в наибольшей степе ни определяются размером частиц и концентрацией дис персной фазы.
Учитывая характер изменения законов, выражающих свойства аэрозолей с изменением размера частиц или дисперсности, выделяют группы высокодисперсных аэро золей с частицами диаметром 0,1—0,2 мкм и грубодис персных аэрозолей с частицами диаметром больше 2 мкм.
Для высокодисперсных аэрозолей характерно преоб ладание броуновского движения частиц над оседанием под действием силы тяжести. Частицы характеризуются также тем, что сопротивление движению пропорцио нально их скорости и квадрату диаметра. Характерным примером высокодисперсных аэрозолей служит табач ный дым, состоящий из частиц размером менее 0,3 мкм.
Для частицы грубодисперсных аэрозолей сопротив ление движению пропорционально скорости, но квадра тичная зависимость от диаметра изменяется на линей ную; оседание значительно преобладает над броунов ским движением.
Промышленные аэрозоли в большинстве случаев со стоят из частиц разных размеров. Например, газы мар теновских печей содержат частицы возгонного происхож дения диаметром менее 1 мкм и одновременно частицы шихты, унесенные потоком газа. При этом размеры та ких пылинок различны. Аэрозоли, содержащие частицы разных размеров, называют полидисперсными.
Реже приходится встречаться с монодисперсными аэ розолями, у которых размеры пылинок почти одинаковы.
Процентное соотношение различных фракций пыли по массе или в счетном выражении представляет собой дисперсный состав пыли.
Распределение размеров частиц может быть пред ставлено табличным или графическим способами.
Концентрацию аэрозолей характеризуют либо чис лом частиц в 1 см3 воздуха (счетная концентрация), указывая при этом средний размер частиц, либо массой всех частиц, содержащихся в 1 см3 воздуха. Например, счетная концентрация частиц в табачном дыме или в вы хлопных газах автомобилей достигает 109—ІО8 частиц в 1 см3, средний размер частиц — 0,3 мкм.
Концентрация аэрозолей по массе в атмосферном воздухе городов достигает 0,3—1 мг/м3. В дымовых вы бросах металлургических заводов содержится до 10 000 мг/м3 дисперсной фазы.
2. Классификация пылеулавливающих аппаратов и оценки их работы
Чтобы выделить из газового потока частицы ныли, разработаны промышленные пылеулавливающие аппа раты, которые по принципу действия можно разделить на следующие основные группы:
1. Сухая механическая очистка газа, при которой осаждение частиц осуществляется под действием меха нической* силы, т. е. силы тяжести или центробежной си лы и при изменении направления движения газа.
2.Мокрая очистка газа, осуществляемая промывкой его при прохождении через слой жидкости или ороше нием его жидкостью.
3.Электрическая очистка газов осаждением взве шенных в газе частиц в электрическом поле высокого напряжения.
Работу пылеулавливающих аппаратов можно оце
нить двумя способами. При первом учитывают абсолют ное значение запыленности очищенного газа измеряемой в граммах или миллиграммах пыли, содержащейся в 1 м3 газа. Эта величина имеет большое значение, так как позволяет определить вынос пыли и дает представ ление о загрязненности атмосферы.
В зависимости от содержания пыли в очищенном га зе различают три вида газоочистки: грубую (более 1 г/м3), среднюю (0,1—0,2 г/м3) и тонкую (до 0,1 г/м3).
Другой способ оценки работы пылеулавливающих ап паратов относителен. Он показывает, какая доля пыли задержана в данном аппарате из того количества, кото рое вошло в него с газовым потоком за определенный период времени. Эту величину называют степенью улав ливания пыли, к. п.д. или эффективностью очистки и обозначают буквой ц.
Количество поступающей пыли определяют различ ными способами: весовым, счетным, по радиоактивно сти и т. д. При использовании весового метода эффек тивность очистки газов рассчитывают следующим об разом.
1. |
По |
содержанию |
пыли |
в |
газахпоступления в |
|||||
фильтр и на выходе из него: |
|
|
|
|
|
|||||
|
_ Gl |
G2 |
_ Н^І |
EgZ2 |
_ J __ |
|
(VIII,1) |
|||
|
|
Gi |
“ |
V& |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
г]— степень очистки |
газов, |
доли; |
(тумана), |
||||||
Gu G2— массовый |
расход |
частиц |
пыли |
|||||||
|
|
содержащихся в газах, соответственно по |
||||||||
|
|
ступающих и выходящих из фильтра, кг/с; |
||||||||
Vlt Ѵ2— объемный |
расход |
газов, |
соответственно |
|||||||
|
|
поступающих |
и |
выходящих из |
фильтра, |
|||||
Z\, |
|
м3/с; |
|
|
частиц в |
газах, |
соответст |
|||
Z2— концентрация |
||||||||||
|
|
венно поступающих и выходящих из филь |
||||||||
|
|
тра, |
кг/м3. |
|
|
|
|
|
|
|
Если объемный расход газов, проходящих через фильтр, изменяется за счет подсоса воздуха, то эффек тивность фильтра определяют в соответствии с объем ным расходом воздуха при подсосе, исходя из концен трации какого-либо газового компонента (не вступаю щего в фильтре в реакцию), обычно S02 или С 02:
|
г\=1 - К п - р ~ . |
(VIII,2) |
|
|
К„ — коэффициент |
^1 |
|
где |
подсоса, |
равный отношению |
|
|
концентраций |
анализируемого газового ком |
|
|
понента в газах после фильтра и до него, % |
||
2. |
(объемн.). |
|
|
По концентрации пыли в газах до поступления в |
|||
фильтр и количеству уловленной пыли в единицу вре |
|||
мени |
Л = Gs V Ä , |
(VIII,3) |
|
|
|||
где G3 — расход уловленной пыли |
(по массе), кг/с. |
||
3. |
По количеству уловленной фильтром пыли и кон |
||
центрации пыли в газах, выходящих из фильтра: |
|||
|
Л = |
G3 |
(VIII,4) |
|
G3 + V2 Z 2 |
||
Коэффициент очистки часто определяют по фракци онной эффективности — степени очистки газов от частиц определенного размера.
Фракционная эффективность очистки Цф (в долях) выражается формулой
Лі> = |
Фн — Фк ( 1 — 11) |
(VIII,5) |
|
Ф, |
|||
|
|
где Ф„, Фк — содержание данной фракции в газах со ответственно начальное на входе в фильтр и конечное на выходе из филь тра, %.
Зная фракционную степень очистки газов, можно оп
ределить общую |
степень очистки |
(в долях) |
по формуле |
||||
= |
ЧФі фі |
, 11Ф2ф^ |
, |
, |
1ІФпФ» |
(VIII 6) |
|
1 |
ЮО |
' |
юо |
■•" 1 |
юо |
' |
|
Кривые фракционных |
эффективностей |
определяют |
|||||
экспериментально, применяя |
монодисперсные аэрозоли |
||||||
пли по дисперсному составу аэрозоли до аппарата и по сле него.
Суммарную степень очистки газов г| (в долях едини цы) в нескольких фильтрах, установленных последова
тельно, рассчитывают по формуле: |
|
ті = 1 — (1 — ThHl — Ла)-(1 — ri»), |
(VIII,7) |
где г)і,гі2 ,т)л— степень очистки газов соответственно впер вой, втором, п-м фильтре.
3. Аппараты сухой механической очистки газов
Аппараты, в которых осаждение пыли происходит под действием силы тяжести, называют гравитационны ми. К ним относятся пылевые камеры, радиальные и другие пылеуловители. Эти аппараты просты по конст рукции и не требуют больших затрат на эксплуатацию. Но несмотря на простоту, их весьма редко применяют в черной металлургии. Это объясняется тем, что аппа раты этой группы могут работать удовлетворительно лишь за металлургическими агрегатами, из которых вы носится крупная пыль.
С целью повышения эффективности аппаратов меха нической очистки газов было предложено использовать силу инерции, возникающую при повороте или враще нии газового потока. Используя эту силу, во много раз превышающую силу тяжести, можно обеспечить более полное осаждение пыли. Наиболее распространенными пылеулавливающими аппаратами, в конструкции кото рых использован этот принцип, являются циклоны.
Существует значительное число различных конструк ций циклонов. Общие их элементы показаны на рис. 81.
Различие конструкций циклонных пылеуловителей определяется их относительными размерами и конфигу рацией основных элементов. В черной металлургии наи более употребительны циклоны НИИОгаз(ЦН).
В зависимости от угла наклона крышки и входного патрубка существуют циклоны трех типов:
1) ЦН-15 — с углом наклона крышки входного пат рубка 15°. Аппараты ЦН-15 имеют общепромышленное
Рис. 81. Схема движения газа в циклоне (на примере аппарата ЦН):
1 — винтообразная |
крышка; |
2 — входной патрубок; |
<3— вы |
хлопная труба; 4 — корпус (ци
линдрическая |
часть); |
5 — корпус |
(коническая |
часть); |
б —пыле |
улавливающие отверстия; 7—бун кер; б —улитка для вывода газа
назначение и оптимальное соотношение между эффек тивностью улавливания и гидравлическим сопротивле нием;
2)ЦН-24 — с углом наклона крышки входного пат рубка 24°; такие циклоны применяют для улавливания пыли, состоящей в основном из крупных частиц, а так же при больших концентрациях пыли. У аппаратов это го типа коэффициент гидравлического сопротивления значительно меньше, чем у аппаратов ЦН-15, но также значительно меньше и эффективность пылеулавливания;
3)ЦН-11 с углом наклона крышки входного патруб ка 11°. Газ делает больше оборотов в циклоне ЦН-11,
2.34
коэффициент гидравлического сопротивления больше и эффективность циклона лучше.
Схематично процесс движения газа и выделения пы ли в циклопе можно представить следующим образом. Газ, содержащий взвешенные частицы пыли, подводит ся по трубе, расположенной касательно к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, с некоторой оп ределенной скоростью w, равной обычно 20—25 м/с. В цилиндре газовый поток продолжает двигаться по спи рали вдоль внутренней поверхности аппарата, образуя внешний вращающийся вихрь. При этом развиваются центробежные силы, под действием которых частицы пыли, взвешенные во вращающемся газовом потоке, от брасываются к стенкам корпуса циклона как цилиндри ческой, так и конической его части. Приблизившись к конусу циклона, газовый поток начинает поворачиваться и двигаться вверх к выходной трубе, образуя внутрен ний вращающийся вихрь. Пыль, движущаяся с газом по стенке конуса, достигая пылеотводящего патрубка, про ходит у его стенок в пылевой бункер, где после затуха ния вихревого движения осаждается под действием си лы тяжести.
Сложность процесса улавливания пыли в циклонах не позволяет пока надежно рассчитывать эффективность пылеулавливания для данных конкретных условий и за проектировать научно обоснованную конструкцию аппа рата. Теоретический расчет эффективности в циклонах возможен лишь для упрощенных условий, в которых приходится пренебрегать рядом обстоятельств, характе ризующих действительный процесс.
Все же такой расчет степени очистки газа в цикло нах позволяет отчетливо выявить влияние факторов на процесс улавливания пыли в циклонах и дает представ ление о пределе, к которому может приблизиться сте пень обеспыливания газа для данных конкретных ус ловий.
Теоретический расчет процесса пылеотделения в цик лоне можно выполнить, исходя из предположения, что в состоянии динамического равновесия центробежная сила, действующая на частицу, равна сопротивлению-,, оказываемому ее движению транспортирующим газом..
Величина центробежной силы выражается следую
щей формулой: |
|
Рц = mw2 R, |
(VIII,8)> |
235;
где |
w — скорость |
газового потока в циклоне, |
принима |
|||
|
емая равной скорости газов во входном |
пат |
||||
|
рубке циклона и скорость частиц, находящих |
|||||
|
ся в газах, м/с; |
вращения газового |
пото |
|||
|
R — расстояние от центра |
|||||
|
ка (оси |
циклона) до |
частицы, |
м; |
|
|
|
гп— масса частицы, кг. |
|
|
|
|
|
|
Величина силы сопротивления определяется по фор |
|||||
муле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = 3ядарф , |
|
(VIII,9) |
||
где |
d — диаметр пылинки, м; |
частицы |
под |
действием |
||
|
w — скорость |
движения |
||||
|
центробежной силы в радиальном направлении |
|||||
|
к стенке циклона, м/с; |
|
|
|
||
|
,іі — вязкость |
газовой среды, Н-с/м2. |
|
|
||
|
Приравнивая выражения (VIII,8) и (VIII,9), полу |
|||||
чим соотношение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
= Зяшрф. |
|
(VIII, 10) |
||
|
|
R |
|
|
|
|
|
Подставляя сюда вместо массы ее значение: |
|
||||
|
|
m = — |
р |
|
(VIII,11) |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
и решая уравнение (VIII,10) относительно скорости дви жения частицы в радиальном направлении к стенке цик лона, найдем величину последней:
d2w2р
(VIII, 12)
18/?ц
Наиболее длинный путь в радиальном направлении будет у той пылинки, которая при входе в циклон нахо дилась около выходной трубы. Этот путь равен R2—Rь где Ri — радиус циклона, a R\ — радиус выходной тру бы. Время, которое требуется для того, чтобы такая пы линка успела пройти путь R2—Rь равно
t = R'2 |
. |
(VIII, 13) |
W p |
|
|
Величина R в выражении |
(VIII,12) является |
пере- |
° |
« ^2 |
^1 |
меннои и в среднем ее можно принять равной |
1. |
|
Подставив |
в равенство (VIII,13) значение |
из |
(VIII,12), |
найдем: |
|
|
|
(VIII,14) |
Решая уравнение (VIII,14) относительно d, найдем диаметр наименьших частиц пыли, полностью улавлива емых в циклоне:
(VIII,15)
Рассматривая это уравнение, видим, что диаметр d частицы, осаждаемой под действием центробежной силы, будет тем меньше, а степень очистки тем выше, чем:
а) больше скорость протекания газа (оптимальной является скорость 20—25 м/с, иначе возможно взмучи вание пыли);
б) больше плотность пыли; в) ниже температура газа (так как с понижением
температуры понижается его вязкость); г) меньше диаметр циклона.
Рекомендуется устанавливать циклоны диаметром не более 800—1000 мм. Применение циклонов малых раз меров вызывает необходимость установки большого чи сла отдельных циклонных элементов. В связи с этим воз
никает конструктивная задача |
о |
наилучшем способе |
|
равномерного распределения |
газа |
по отдельным |
эле |
ментам, отводе уловленной пыли |
и т. п. Решение |
этой |
|
задачи привело к некоторому изменению и упрощению конструкций циклонных элементов по сравнению с ап паратами больших размеров.
Существует много различных конструкций элементов мультициклонов. Они отличаются один от другого свои ми размерами, конфигурацией отдельных деталей, рас положением осей в пространстве и т. д. Наиболее суще ственное различие циклонных элементов заключается в способе осуществления в них вращательного движения газа. Существуют циклонные элементы, у которых вра щение газа достигается тангенциальным подводом его к цилиндрической части при помощи соответствующего патрубка так же, как это наблюдается во всех конст рукциях отдельных циклонов.
В других случаях вращение газа достигается при по мощи направляющего аппарата, размещенного в коль цевом пространстве между стенкой цилиндра и выхлоп ной трубой. Такой направляющий аппарат состоит из
а — с направляющим аппаратом типа «розетка»; б—с на правляющим аппаратом типа «винт»
розетки с лопатками, установленными под углом 25 — 30° к оси циклона, или из винтообразных лопастей (рис. 82).
Институтами «НИИОгаз» и «Гипрогазоочистка» со ставлены Руководящие указания по проектированию, монтажу и эксплуатации батарейных циклонов, рассчи-