ПиА пылеочистки

Основным показателем, характеризующем работу аппаратов очистки воздуха от пыли в тех или иных конкретных случаях их применения, является коэффициент (степень) очистки (эффективность обеспыливания), %:

где Мвх, Мул и Мвых — масса частиц пыли, содержащихся в газах соответственно на входе в аппарат (т. е. до очистки), уловленных в аппарате и на выходе из аппарата после очистки.

При эксплуатации отдельных видов пылеулавливающих аппаратов (ПУА) возможен дисбаланс по газу. В этом случае расходы газа пересчитывают на стационарные условия (t = 20°, Р = 101 кПа или 760 мм рт. ст.), а коэффициент очистки определяется по формуле (%)

где Свх и Свых — средний концентрации частиц в газах соответственно на входе в аппарат и на выходе из него (соответственно мг/м3); Vвx и Vвых — объемный расход газов, поступающих в аппарат и выходящих. Общий коэффициент очистки зависит от условий эксплуатации ПУА и недостаточно полно отражает уровень его совершенства при работе на пылях разной дисперсности. Степень совершенства ПУА характеризует достигаемые с его помощью фракционный и парциальный коэффициенты очистки.

Если объемные расходы газа до и после аппарата равны, то выражение примет распространенный вид (%)

Если не происходит подсоса воздуха в аппарате, эффективность очистки определяют по формуле

При наличии подсоса воздуха (например, в рукавных фильтрах) эффективность определяют по формуле

Для полной характеристики аппарата нужно знать его фракционную эффективность. Она показывает долю уловленной пыли по каждой фракции. Это позволяет выбрать пылеулавливающее оборудование в соответствии с фракционным составом пыли. Фракционная эффективность очистки выражается отношением

21

где mф.у - количество уловленной пыли фракции; Мф.н — количество поступившей в аппарат пыли фракции.

Фракционный коэффициент равен отношению количества пыли данной фракции, уловленной в аппарате Мф.ул., к количеству входящей пыли той же фракции Мф.вх (%):

где ϕ - доля массы пыли данной фракции в общем количестве пыли в воздухе.

Общую эффективность аппарата ε определяют по фракционной эффективности следующим образом

где Мф1, Мф2 ..., Мфn - масса пыли соответствующих фракций, поступившей в аппарат; εф1, . εф2.., εфn - фракционная эффективность улавливания по данной фракции.

Отношение количества пыли данной фракции ко всей пыли, поступившей в аппарат М, выражается:

После преобразования получим значение общей эффективности очи-

стки

Парциальный коэффициент очистки используется реже и равен отношению количества частиц данного размера, уловленных в аппарате Мп.ул, к количеству частиц данного размера на входе в аппарат Мп.вх (%):

где ηп — доля частиц данного размера.

Обычно εф и εп для ПУА определяют экспериментально, путем проведения соответствующих испытаний аппаратов.

22

При последовательной установке нескольких аппаратов (каскадная, или многоступенчатая очистка), применяемой для более полного обеспыливания воздуха, суммарная эффективность очистки определяется по формуле

где ε1, ε2... εn — эффективность очистки каждого из аппаратов, входящих в каскад (в долях единицы).

Эффективность очистки - важнейшая характеристика аппарата. На нее ориентируются при выборе пылеулавливающего оборудования в соответствии с допустимым остаточным содержанием пыли в очищаемом воздухе.

Сравнивая два аппарата, сопоставляют проценты пропущенной пыли. Если эффективность одного аппарата 99 %, а другого 98 %, то они пропускают соответственно 1 % и 2 % пыли. Следовательно, эффективность первого аппарата в два раза выше, чем второго.

Производительность характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 час. Аппараты, в которых воздух очищается при прохождении через фильтрующий слой, характеризуются удельной воздушной нагрузкой, т. е. количеством воздуха, которое проходит через 1 м2 фильтрующей поверхности за 1 час.

Гидравлическое сопротивление имеет важное значение, так как от его величины зависит требуемое давление вентилятора, а следовательно, и расход электроэнергии. Гидравлическое сопротивление аппарата опреде-

ляют по формуле

Н = А.νn (3.16)

где v - скорость движения воздуха через аппарат, м/с; А, n — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем и зависящие от конструкции аппарата.

Расход энергии зависит в значительной мере от гидравлического сопротивления аппарата. В электрофильтрах электроэнергия расходуется в основном на создание электростатического поля. Расход электроэнергии при одноступенчатой очистке находится в пределах от 0,035 до 1,0 кВт-ч на 1000 м3 воздуха. Удельные затраты энергии на удаление дисперсных примесей возрастают пропорционально снижению концентрации взвешенных в потоке частиц, поскольку степень очистки в пылеулавливающих аппаратах практическинезависитотначальнойконцентрациизагрязнителя. Вдополнениекэтому затратырастутисуменьшениемразмеровчастиц.

В последние годы в качестве одного из показателей работы аппаратов очистки стали использовать энергетические затраты, расходуемые на конкретный процесс различными способами обеспыливания. В качестве показателя энергетического баланса по аналогии с коэффициентом полезного действия используют так называемый энергетический КПД:

23

ε E = En (3.17)

E

з

где Еп — полезно используемая энергия; Ез — вся энергия, затраченная в процессе обеспыливания.

Энергетический коэффициент не учитывает термодинамические потери, связанные, например, с неизобарностью реального теплового процесса, сопутствующего процессу обеспыливания. Поэтому оценку систем обеспыливания по энергетическому КПД нельзя считать всегда обоснованной. Такой подход справедлив для обратимых термодинамических процессов.

Стоимость очистки является важнейшим показателем, так как характеризует экономичность очистки. Она зависит от многих факторов: капитальных затрат на оборудование, эксплуатационных расходов и др.

Стоимость очистки воздуха в различных аппаратах значительно отличается. Как правило, более эффективная очистка обходится значительно дороже. Если стоимость очистки определенного количества воздуха в таком сравнительно простом аппарате, как циклон большой производительности, принять за 100 %, то стоимость очистки такого же количества воздуха в батарейном циклоне составит 120 %, в циклоне с водяной пленкой - 130 %, в скруббере ВТИ - 140 %, в электрофильтре - 220 %, в тканевых фильтрах (в зависимости от типа) от 260 до 280 %. Двухступенчатая очистка по схеме батарейный циклон - электрофильтр стоит 330 % .

4. Механическое пылеулавливание

Термин «механические осадители» обычно используют для обозначения устройств, в которых частицы осаждаются под действием либо сил тяжести или инерции, либо и тех и других. В гравитационных осадителях частицы осаждаются из потока газа под действием собственного веса. В инерционных осадителях поток частиц, взвешенных в газе, внезапно подвергается изменению направления движения. Возникающие инерционные силы стремятся выбросить частицы из потока. Циклоны-осадители, в которых используется инерция центробежной силы, являются важным частным случаем инерционных осадителей.

Скорость удаления частиц пропорциональна осаждающей силе. Из-за очень малого веса мелких частиц гравитационное осаждение оказывается слишком медленным и малоэффективным процессом для частиц размером менее 100 мкм. При использовании инерционного эффекта скорость улавливания резко повышается. Благодаря этому можно уменьшить размер оборудования и расширить диапазон эффективного улавливания до частиц

24

размером около 20 мкм. Для некоторых циклонов предельный размер улавливаемых частиц составляет 5…10 мкм.

Для осаждения под действием гравитации газ обычно просто медленно пропускают через большую камеру, причем частицы имеют возможность осесть в бункер на дне. Расстояние, требуемое для осаждения частиц, можно уменьшить путем разделения пространства камеры несколькими горизонтальными параллельными поддонами.

Гравитационные камеры можно снабжать отражательными перегородками для изменения направления движения газа и привлечения сил инерции для увеличения осадительного действия. В других конструкциях для создания инерционного эффекта используют заслонки, отбойники.

В циклонных осадителях газу сообщают вращательное или вихревое движение, чтобы подвергнуть частицы воздействию центробежной силы. Это достигается или тангенциальным вводом потока в круглую камеру, или пропусканием газа мимо лопастей, радиально ориентированных по отношению к оси потока.

Устройства всех этих типов характеризуются простотой конструкции и работы. Они относительно дешевы по сравнению с другими типами осадителей. В общем они не имеют движущихся частей, а для обеспечения рабочих условий можно использовать любой материал. Затраты энергии на работу также относительно малы, что обусловлено малым перепадом давления при течении газа через устройство.

Осадители рассматриваемого типа используются для первичного удаления грубых частиц газового потока. В большинстве случаев защиты воздуха от загрязнения требуется улавливание гораздо более мелких частиц (размером около 1 мкм), поэтому обычно необходимо применять осадители других типов. Однако механические осадители можно использовать как предварительные, располагая их последовательно с устройствами других типов, чтобы уменьшить нагрузку на последние. Это особенно необходимо при сильно запыленных газовых потоках. Механические осадители могут работать долгое время без обслуживания с малыми энергетическими затратами.

4.1. Пылеосадительные камеры

Простейшим сепаратором твердых взвешенных частиц является пылеосадительная камера, в которой запыленный газовый поток перемещается с малой скоростью, делающей возможным гравитационное осаждение (седиментацию) транспортируемойвзвеси.

Для достижения приемлемой эффективности очистки газов данными устройствами необходимо, чтобы частицы находились в пылеосадитель-

25

ных аппаратах возможно более продолжительное время, а скорость движения пылевого потока была незначительной. Поэтому данное оборудование относится к категории экстенсивного оборудования, рабочие объемы таких аппаратов весьма значительны, что требует больших производственных площадей. Однако пылеосадительные камеры и пылевые мешки обладают очень незначительным гидравлическим сопротивлением (50…300 Па).

В промышленности пылеосадительные камеры используются в качестве устройств предварительной обработки газов, например, для отделения крупных частиц и разгрузки аппаратов последующих ступеней. В связи с этим данное оборудование используют только на первых ступенях систем газоочистки для осаждения частиц крупных размеров (более 100 мкм). Обычно средняя расходная скорость движения газов в пылеосадительньк камерах составляет 0,2…1 м/с, а в пылевых мешках – 1…1,5 м/с.

На рис. 4.1 представлены наиболее распространенные конструкции пылеосадительных камер и пылевых «мешков».

Для равномерного газораспределения по сечению пылеосадительные камеры могут снабжаться диффузорами и газораспределительными решетками, а для снижения высоты осаждения частиц - горизонтальными или наклонными полками. Эффективность улавливания частиц с помощью гравитационного осаждения можно повысить, уменьшая требуемый путь их падения. Это можно осуществить, помещая в камеру горизонтальные пластины, что превращает ее в группу небольших параллельных камер. В некоторых конструкциях пылеосадительных камер для повышения их эффективности предусматривается устройство цепных или проволочных завес и отклоняющихся перегородок. Это позволяет дополнительно к гравитационному эффекту использовать эффект инерционного осаждения частиц при обтекании потоком газов различных препятствий.

Действие силы тяжести может быть увеличено инерционными силами, если к потолку камеры прикрепить вертикальный экран. При обтекании газовым потоком нижней кромки экрана частицы будут увлекаться вниз инерционной силой, возникающей при искривлении линий тока газа.

Целью расчета пылеосадительных камер является подбор их габаритных размеровиопределениекоэффициентаочистки. Вобщемслучаекоэффициенты очистки могут быть найдены опытным путем, так как процесс седиментации сопровождается турбулентной диффузией. Особенно заметно влияет турбулентность на ухудшение оседания частиц в камерах с рассекателями, а также в полыхосадительныхемкостяхбольшойвысоты.

26

Рис. 4.1. Пылеосадительные камеры и простейшие пылеосадители инерционного действия:

а – простейшая пылеосадительная камера; б – многополочная камера;

в– камера с перегородками; г – камера с цепными или проволочными завесами; д – пылевой «мешок» с центральным подводом газа; е - пылевой «мешок» с боковым подводом газа; ж – пылеосадитель с отра-

жательной перегородкой.

Конструирование осадительных камер основано на подсчете сил, действующих на частицу, и скорости вертикального движения вниз под действием результирующей силы. В соответствии с законом Ньютона чистое ускорение вертикального движения частиц определяется результирующим действием силы тяжести, плавучести и сопротивления среды. В случае газов эффектом плавучести можно пренебречь. Силу сопротивления выражают через коэффициент сопротивления ζ, зависящий от числа Рейнольдса Re для движения частицы:

27

rч – радиус частицы.

Функциональную зависимость между ζ и Re берут из стандартных графиков или уравнений, описывающих движение индивидуальной сферической частицы. При Re < 0,5 эта зависимость характеризуется законом Стокса ζ =24/Re. Для больших Re можно использовать эмпирическое уравнение Клячко:

ζ = 24/Re + 4/Re1/2,

которое применимо в диапазоне 0,5 < Re < 800. Для маленьких частиц в выражение для силы сопротивления следует вводить поправку Канингема на скольжение, но в этом случае гравитационное осаждение уже не играет роли.

Из уравнения (4.1) ясно, что вертикальное ускорение частицы продолжается до тех пор, пока сила веса не станет равной силе сопротивления; после этого частица движется с постоянной скоростью. Эта скорость называется стационарной скоростью осаждения частицы. Время, которое необходимо для достижения этой скорости, очень мало. Стационарная скорость может быть найдена приравниванием левой части уравнения (4.1) нулю, заменой m на (ρч - ρс)dч3/6 и представлением в безразмерной форме

4g.dч3 ρс (ρч − ρс ) / 3μ2 = ς. Re2 = 0 .

Это выражение определяет число Галилея

Ga = 4g.dч3 ρс (ρч − ρс ) / 3μ2 .

Это число пропорционально dч3 и независимо от woc. Условием достижения стационарной скорости является Ga = ζ.Re2.

Можно определить другое безразмерное число, которое пропорционально (wос)3 и независимо от dч:

Прямое соотношение между dч и woc можно дать через комбинацию (Re/ζ)1/3 в функции Ga1/3. Эта зависимость хорошо выражается эмпирическим соотношением

lg(Re/ζ)1/3 = -1,387 + 2,153.lgGa1/3 + 0,548.lg2Ga1/3 + 0,05665.lg2Ga1/3. (4.2)

Таким образом, чтобы рассчитать стационарную скорость осаждения для частиц любого размера dч сначала надо найти критерий Ga, как описано выше. Затем по уравнению (4.2) рассчитывают Re/ζ, а затем получают woc, используя данное выше определение Re/ζ.

В диапазоне применимости закона Стокса скорость находится просто:

28

Соотношение между размером частицы и стационарной скоростью осаждения показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Скорость осаждения в функции размера частиц.

Простая модель проектирования осадительной камеры получается на основе предположения о фронтальном характере течения газа через камеру и равномерном расположении частиц в газе. На рис. 4.3 схематически показано сечение камеры. Частица, входящая в камеру со скоростью, равной скорости газа v0 на уровне hс должна следовать прямолинейной траектории. Осядет или нет данная частица, определяется из условия woc.hc ≤ v0.l. Осажденная фракция частиц с одной и той же скоростью седиментации woc определяется соотношением hc/H =v0.l/woc.

Рис. 4.3. Схема осаждения частиц в камере: 1 – очищенная зона; 2 – предельная траектория.

29