1.4. Становление системы газоочистительной аппаратуры

Как указывалось выше, в 1273 году в Англии был принят первый закон об охране воздушной среды. Здесь же в 1806 году впервые была осуществлена очистка газов от примесей средствами химического связывания - при очистке светильного газа от сероводорода. Производство светильного газа и его использование для освещения зданий и улиц независимо друг от друга и почти одновременно было предложено французом Лебоном и англичанином Мердоком. Светильный газ стал употребляться не только для освещения, но для отопления и приведения в движение газомоторов, которые вскоре начали успешно конкурировать с паровыми машинами. В качестве сырья использовались в основном нефть и уголь, что резко стимулировало развитие добывающей промышленности. Так, в 1908 году в Англии на производство светильного газа было израсходовано 17 миллионов тонн угля, что приблизительно равнялось в то время годовой добыче угля в России, где светильный газ начал использоваться позднее. Вместе с тем широкое применение светильного газа дало огромный толчок развитию газоочистки, поскольку в состав светильного газа помимо главных компонентов - водорода (50%) и метана (35%) - входили окиси углерода (7 - 9%), тяжелые углеводороды (3 - 5%), сероводород, сероуглерод, углекислота и цианистые соединения. Характерным отличием светильного газа, произведенного из нефти, являлось значительное содержание тяжелых углеводородов - до 25 - 30%, произведенного из угля - серы и золы. Все это потребовало наряду с совершенствованием карбонизационных печей, представляющих собой главную часть газовых заводов, разработки целой системы очистки светильного газа от вредных примесей. При производстве светильного газа из угля он поступал в первую ступень очистки, в так называемую гидравлику - наполненный водой клепаный железный ящик, в который погружались концы газопроводных труб. Помимо исполнения роли гидравлического затвора, предохраняющего печь от взрыва, гидравлика обеспечивала конденсацию смолы и аммиачной воды, которые по сифону стекали в смоляную и аммиачную ямы. Однако гидравлика не обеспечивала полного улавливания смоляных паров, поэтому после нее газ поступал в водяной или воздушный холодильник. Кроме холодильника употреблялись также специальные смолоотделители, в частности смолоотделитель Пелуза и Одуана, представляющий собой колпак из тройной металлической сетки, погруженной нижним краем в воду; газ процеживался через сетку и происходило разделение паров от газов или конденсация смолы. Однако очищенный от смолы светильный газ все еще содержал много вредных примесей: аммиак, углекислоту, сероводород, цианистые соединения. Поэтому за физической очисткой светильного газа следовала его химическая очистка. Для удаления аммиака газ промывался водой в скрубберах, которые делились на неподвижные и подвижные. Первые представляли собой большие вертикальные цилиндры с расположенными внутри полками, на которые накладывался кокс; вода поступала сверху, а газ снизу. Второй тип - так называемые штандартсрубберы - представляли собой горизонтальные, вращающиеся от привода цилиндры, обеспечивающие встречное движение воды и газа. При карбонизации некоторых сортов углей в газе содержалось очень много нафталина, который удалялся промывкой газа в скрубберах тяжелым каменноугольным маслом. Очистка от сероводорода и углекислоты производилась в так называемых очистительных ящиках гидратом окиси железа и известью - в закрытых металлических ящиках располагалось несколько полок, на которые раскладывалась очистительная масса, смесь болотной руды с опилками или извести с опилками. Сероводород поглощался гидратом окиси железа, а углекислота - известью, образуя углекислый кальций. Важной задачей являлась очистка газа от цианистых соединений, и не только в санитарном отношении - эти соединения быстро разъедали стенки газовых труб. Вместе с сероводородом и углекислотой циан удалялся в очистительных ящиках или промывкой газа в штандартскрубберах раствором железного купороса. В России светильный газ для освещения зданий и улиц стал использоваться позднее, чем в европейских странах: в Петербурге с 1835-го, в Москве - с 1865 года. Тогда же на отечественных газовых заводах стала применяться газоочистительное оборудование, без которого использование светильного газа было просто невозможно и в промышленном, и санитарном отношениях. Таким образом, можно утверждать, что именно широкое использование светильного газа породило целую отрасль науки и техники, занимающейся разработкой газоочистительной аппаратуры. До второй половины XIX века охрана окружающей среды от вредных газов в основном сводилась к ограничению деятельности отдельных предприятий. В настоящее время количество подобных запретительных законов уже не поддается исчислению, но проблема охраны окружающей среды усугубляется с каждым годом. Становлению газоочистки эффективно содействовало дальнейшее развитие черной металлургии и широкое использование колошникового газа. В "Большой Советской Энциклопедии", на которую мы уже ссылались, в частности говорится: "В конце XIX века на металлургических заводах были введены газовые двигатели, работавшие только на очищенном от пыли газе, что способствовало разработке новых способов пылеулавливания. С этого времени для очистки доменного газа от пыли впервые стали применяться скрубберы, а позднее, с 1911 года, вращающиеся газопромыватели (дезинтеграторы), сконструированные немецким инженером Э.Тейзеном". Примерно с этого же времени в промышленную практику входит способ газоочистки при помощи матерчатых рукавных фильтров. Однако одними из первых газоочистительных аппаратов скорее всего следует считать пылеосадительные камеры, в которых для осаждения пыли используется сила тяжести твердых частиц. В частности они широко применялись на первых сажевых и цементных заводах, но эффективность их незначительная - так, от общего количества цемента, находящегося в газах, оседало лишь 10 - 15%. Вместе с тем из всех газоочистительных аппаратов пылеосадительные камеры, несмотря на свою громоздкость, наиболее просты в конструкции, изготовлении и обслуживании, материалом для них может служить низкосортный металл, сборный железобетон, кирпич и даже дерево, когда очистке подвергаются холодные газы. Громоздкость пылеосадительных камер вызвана тем, что для эффективной очистки газов необходимо, чтобы частицы находились в камере возможно более продолжительное время, а простейший путь к этому - увеличение длины камеры. Для обеспечения равномерного распределения газового потока по всему сечению камеры на входе устанавливают диффузоры, газораспределительные решетки. Для повышения степени очистки, помимо увеличения длины камеры, уменьшают скорость потока и высоту осадительной камеры. Для снижения высоты осаждения в камере устанавливают осадительные полки. Для повышения эффективности пылеосадительных камер их снабжают цепными или проволочными завесами, отклоняющими перегородками, что позволяет помимо гравитационного использовать инерционный эффект, который наблюдается при обтекании газовым потоком препятствий. В настоящее время в качестве самостоятельных пылеочистительных аппаратов пылеосадительные камеры используются редко. Мы уделили им столько внимания потому, что различные усовершенствования пылеосадительных камер отражают целый этап истории развития газоочистительного оборудования, когда из гравитационного способа очистки "выжималось" буквально все, что было возможно, однако наступил момент, когда резервы этого метода были исчерпаны полностью. И появились простейшие пылеосадители инерционного типа, в частности так называемые пылевые мешки, использующие инерционный эффект и применяемые в газовых потоках с большой концентрацией крупных частиц пыли. Установленные после доменных печей пылевые мешки различных модификаций могут обеспечить степень улавливания до 65 - 85%. Принцип действия циклона - одного из самых распространенных пылеочистительных аппаратов, основан на использовании центробежной силы, возникающей при вращательно-поступательном движении газового потока: центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам циклона, и они выпадают в бункер. Долгое время отсутствовала единая теория расчета параметров циклонов, что привело к созданию нескольких типов, пока не остановились всего на двух типах - цилиндрических и конических, которые могут использовать как "левое", так и "правое" вращение газового потока. С целью снижения габаритов и гидравлического сопротивления были разработаны прямоточные циклоны. Несколько соединенных параллельно обычных и прямоточных циклонов могут быть соединены в единый пылеулавливающий аппарат - батарейный циклон. Циклоны относятся к аппаратам так называемой сухой инерционной очистки, широкое применение они получили для очистки дымовых технологических газов от установок промышленной теплотехники. К преимуществам этих аппаратов относятся простота конструкции, высокая надежность и возможность извлечения из газов золы и пыли в сухом виде. Не известно, кем и когда был создан первый простейший циклон, однако молва утверждает, что в России нечто похожее на циклон использовалось еще на знаменитых Демидовских заводах. В обзорной с татье немецкого исследователя Матиаса Боната "Циклонный очиститель газа от твердых частиц". опубликованной в 1982 году в сборнике "Химико-инженерная техника", так представлена история создания первых циклонов: "В 1886 году американец О.М. Мерсе. представитель "Кникербокер компани". подал заявку на получение пвтента на пылесборник и получил авторское свидетельство на первый циклонный очиститель. Хотя циклонный очиститель используется в технике уже на протяжении 100лет, до сегодняшнего дня не удалось полностью вычислить режим потока в этих аппаратах. В создании циклонного аппарата участвовали многие исследователи. Лишь немногим, наверное. известно, что Л.Прандль, который при помощи своих выводов о теории пограничного слоя обосновал современную механику потока. тоже занимался циклонными очистителями. Так фирма MAN в Нюрнберге в 1901 году подала заявку на патент циклонного очистителя, изобретателем которого является Л.Прандль. Работой о вычислениях и параметрах циклонных очистителей, опубликованной в 1956 году. В.Барту из Карлсруе сделал решительный шаг на пути к пониманию аэродинамических процессов в циклонном очистителе. которые определяют режим очистки." К аппаратам сухой инерционной очистки относятся также жалюзийные пыле- и золоуловители. Они состоят из жалюзийной решетки, которая разделяет газовый поток на две части: на 80 - 90% освобожденную от пыли, и другую, в которой сосредоточена основная масса пыли. В качестве отсосного пылеуловителя обычно используются циклоны или другие, более эффективные аппараты. В дымососах-золоуловителях запыленные газы входят в спиральную коробку, приобретают криволинейное движение - и под действием инерционных сил зола отделяется от газового потока, попадая в циклон. Для повышения коэффициента пылеулавливания после циклона газовый поток возвращается в улитку через крыльчатку, дополнительно закручивающую газовый поток в кожухе входной коробки. Более сложными в изготовлении являются центробежные пылеуловители ротационного действия, которые состоят из рабочего колеса и кожуха. С помощью рабочего колеса запыленный газ приводится во вращательное движение, под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются к стенкам кожуха и выпадают в осадительную камеру. Как и в случае с пылеосадительными камерами, аппараты сухой инерционной очистки газов прошли долгую стадию усовершенствования, пока из них не были выбраны практически все имеющиеся в них резервы. Действие аппаратов мокрой очистки газов основано на захвате частиц пыли жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама. Процессу улавливания пыли в мокрых пылеуловителях способствует конденсационный эффект - укрупнение частиц пыли за счет конденсации на них водяных паров. Поскольку в этих аппаратах процесс пылеочистки обычно сопровождается процессами абсорбации и охлаждения газов, они применяются и в качестве теплообменных аппаратов, и для очистки газообразных составляющих. Обычно в качестве орошающей жидкости, если не требуется химическая очистка, используется вода. Часто аппараты мокрой очистки газов используются в качестве предварительной ступени перед аппаратами других типов. По способу действия эти аппараты разделяют на группы: -          Полые газопромыватели - газы пропускаются через завесу распыленной жидкости, капли которой захватывают частицы пыли. -          Насадочные газопромыватели (скрубберы) - в корпус аппарата на опорную решетку засыпается насадка, чаще всего представляющая собой кольца различной конфигурации. -          Барботажные аппараты (барботеры) - запыленный газ проходит через слой жидкости в виде пузырьков, на поверхности которых и происходит осаждение частиц пыли. -          Пенные аппараты - чаще всего снабжены т.н. провальными тарелками (щелевыми или дырчатыми), которые поливаются жидкостью; образующаяся на них пена захватывает частицы пыли, удаляемые из аппараты в виде шлама. -          Пылеуловители ударно-инерционного действия - представляют собой вертикальную колонну, в находящийся в ее нижней слой жидкости ударяется запыленный газовый поток и, при повороте потока в обратном направлении, частицы пыли осаждаются на поверхности воды. -          Мокрые аппараты центробежного действия - запыленный газовый поток приводится во вращение направляющими лопатками или тангенциальным подводом газа в корпус аппарата, орошаемого форсунками. -          Динамические газопромыватели - очищаемые газы приводятся в соприкосновение с жидкостью, которая разбрызгивается вращающимся механизмом. Наибольшее распространение получили дезинтеграторы, представляющие собой мокрый пылеуловитель-вентилятор. -          Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури) - представляют собой трубу Вентури, движущийся в ней с высокой скоростью газовый поток дробит орошающую его жидкость на капли, на которых осаждается пыль и образуется шлам, удаляемый из аппарата. Скрубберы Вентури являются наиболее эффективными аппаратами мокрого типа. Фильтрация взвешенных в газовом потоке твердых или жидких частиц на поверхности или в объеме пористых сред осуществляется за счет броуновской диффузии, эффекта касания или зацепления, а также инерционных, электростатических, гравитационных сил. Промышленные фильтры по виду фильтрующего материала делятся на следующие группы: -          Волокнистые фильтры - фильтры объемного действия, состоят из нескольких слоев фильтрующего материала различной толщины. -          Мокрые волокнистые фильтры-туманоуловители - принцип их действия основан на захвате жидких частиц тумана волокнистым слоем. -          Воздушные фильтры - служат для обеспыливания воздуха, используемого для вентиляции, кондиционирования, воздушного отопления и охлаждения, для подачи воздуха на технологические нужды. В качестве фильтрующего материала используются кассетные сеточные фильтры, кассетные фильтры из стеклянных и синтетических волокон и т.п. В самочищающихся масленых фильтрах фильтрующий материал проходит через масленую ванну, в которой пыль оседает в виде шлама. -          Рукавные фильтры - наиболее распространенные среди тканевых фильтров. Состоят из корпуса, внутри которого помещены рукава из шерстяной, хлопчатобумажной или стеклянной ткани. Загрязненный газ или воздух проходит через рукава, которые периодически регенерируются от задержанной пыли. Тканевые фильтры классифицируются по размерам фильтровальных рукавов, конфигурации фильтрующих элементов, типу применяемых фильтровальных материалов, способу регенерации ткани. -          встряхивание, обратная продувка, вибровстряхивание, импульсная продувка и др. Электрофильтры - наиболее эффективные газоочистительные аппараты, т.к. эксплуатационные расходы на их содержание, по сравнению с другими пыле- и золоуловителями, гораздо ниже. Установка для электрической очистки газов включает в себя электрофильтр и агрегат питания. Подлежащий очистке газ поступает в электрофильтр, на электроды которого подается высокое напряжение, между электродами возникает коронный разряд, вследствие чего происходит заполнение межэлектродного пространства отрицательно заряженными ионами газа, которые под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным. Осадительные электроды подразделяются на трубчатые, коробчатые, прутковые, карманные, желобчатые, S-образные, тюльпанообразные и т.д. По способу удаления пыли электрофильтры делятся на мокрые и сухие. В сухих электрофильтрах встряхивание электродов производится ударно-молотковым, ударно-импульсным, вибрационным способами и др. В мокрых электрофильтрах осуществляется периодическая или непрерывная промывка электродов. По направлению движения очищаемого газа электрофильтры подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Кроме того, электрофильтры бывают однозонными, в которых зарядка и осаждение частиц осуществляется в одной зоне, и двузонными - в них зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах: ионизаторе и осадителе [7]. История электрофильтров представляется наиболее известной, но вместе с тем она же является и наиболее запутанной. Еще в 1824 году немецкий ученый Гельдфельд ставил опыты, доказывающие, что с помощью электричества можно осаждать взвешенные в газах жидкие и твердые частицы. Это открытие неоднократно пытались использовать для очистки дымовых газов, но неудачно. Историю развития электрической очистки газов связывают с именами английского физика О.Лоджа и американского инженера Ф.Котреля. Именно Котрель в 1905 году впервые применил электрофильтр в цементной промышленности. Долгие годы во многих странах электрофильтры называли котрелями, в том числе и в Советском Союзе. Это - официальная история создания электрофильтра, но есть и другая, о которой в 1977 году было рассказано в очерке под названием "Спрятанное изобретение". В нем в частности говорилось: "Сообщение о работах Котреля снова привлекло внимание к старому открытию, во многих странах возобновились работы по газоочистке. Особенно больших успехов добились немецкие химики, но этими успехами они предпочли не хвастаться. И на такое умолчание у них были не совсем обычные основания... Шлейфы дыма, тянувшиеся в небо из труб военных кораблей, предупреждали противника задолго до его появления. Немецкие химики создали электрофильтр, который позволял избавляться от демаскирующего дымового шлейфа. Однако морское командование отказалось использовать такое на первый взгляд полезнейшее изобретение. Оно опасалось, что исчезновение черного дыма из труб немецких кораблей насторожит англичан и заставит их быстрее перенять опыт, что усложнит действия немецких подводных лодок, которым дымный шлейф помогал в поиске жертв. А как же быть с демаскировкой собственных надводных кораблей? Проанализировав ситуацию, немецкое морское командование пришло к выводу: поскольку главный упор решили сделать на подводные лодки, дымные шлейфы у вражеских кораблей выгоднее для немцев, чем бездымность собственных надводных кораблей, которые, действуя близ своих баз, легко могли избежать нежелательной встречи с более сильным противником. Ценное изобретение было скрыто от людских глаз. О нем впервые стало известно лишь в 1923 году из доклада немецкого химика Ф.Габера, который прочитал его в Буэнес-Айресе для немецких эмигрантов в Аргентине" [8]. К этому сообщению следует добавить, что первый в Советском Союзе специализированный Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, о котором будет рассказано ниже, несколько лет выпускал малогабаритные электрофильтры типа РИОН, которые поставлялись на советские подводные лодки. Но это было гораздо позднее, уже после окончания Великой Отечественной войны... Таким образом, к настоящему времени сложилась целая структура широко применяющихся в производстве газоочистительных и пылеулавливающих аппаратов, которые по способам очистки и конструктивным особенностям можно разделить на следующие группы: -          пылеосадительные камеры, в которых для осаждения пыли используется гравитационный эффект, т.е. сила тяжести твердых частиц; -          аспирационно-коагуляционные шахты, в которых на осаждение пыли кроме сил тяжести действует эффект слипания частиц; -          аппараты сухой инерционной очистки, в которых твердые частицы осаждаются при вращении или повороте газового потока под действием сил инерции, во много раз превышающих силу тяжести; -          аппараты мокрой очистки, действие которых основано на захвате улавливаемых частиц жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама; -          тканевые, волокнистые, зернистые фильтры, в которых газ очищается от пыли, проходя через фильтрующий материал; -          электрофильтры, в которых улавливание пыли происходит за счет образования коронного разряда между коронирующим и осадительным электродами. Пылеосадительные камеры, аспирационно-коагуляционные камеры, циклоны и скрубберы представляют собой аппараты грубой очистки, используемые для предварительного обеспыливания газов с высокой концентрацией пыли. Электрофильтры, рукавные фильтры и высокоскоростные турбулентные пылеуловители являются аппаратами тонкого, окончательного обеспыливания. Для достижения высокой степени обеспыливания газов устанавливают несколько ступеней пылеуловителей. Приведенная выше структура газоочистительной и пылеулавливающей аппаратуры не включает в себя химические способы очистки газов, а также разработки на основе современных технологий, которые еще не используются в отечественной промышленности, а носят лабораторный или опытный характер. Но даже без этих новейших разработок, при повсеместном внедрении в производство лишь того пылегазоочистительного оборудования, которое имеется в эксплуатации на сегодняшний день, проблема охраны окружающей среды не стояла бы в России так остро, как это наблюдается сейчас. Между тем еще 70 лет тому назад в Советском Союзе был заложен надежный фундамент под строительство эффективной системы проектирования и производства пылегазоочистительной аппаратуры.

Применение современных конструкционных материалов: ударопрочный полистирол, полипропилен, винипласт, стеклопластики (FRP), защищенный мастикам (напр. Ремохлор) металл выводят данное оборудование на современный конкурентный уровень. Технические решения конструкций и принцип действия газопромывателей не уступают зарубежным аналогам, а в некоторых случаях могут быть их аналогами. Мы уверены в том, что зарубежные фирмы не опережают нас в технологии.

Каф. "Машины и аппараты химических производств"

ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира,28,

т\ф. (343) 375-44-48;  т. (343)  375-95-76

моб. +7-902-8718657 grin@htf.ustu.ru

Основная специализация выполняемых нами работ - разработка аппаратов очистки газа от паров, возгонов, пылей, газовых примесей, охлаждения в т.ч. локальные с применением современных конструкционных материалов и технических решений.

Аппараты Вентури: скрубберы и абсорберы. Трубы Вентури оносятся к турбулентным высокоэффективным газопромывателям. Данные аппараты применяются для удаления из газа пылей или абсорбции. Скрубберы и абсорберы конструируются и изготавливаются под конкретное производство и место размещения. В случае колебений по газовой нагрузке или извлекаемому компоненту, его свойствам, абсорберы выполняются многоступенчатыми.

Основная характеристика абсорбционных установок:

• гидравлическое сопротивление:

• 80 ... 120 мм вод ст для абсорбции хорошо растворимых газов, паров и аэрозолей;

• 180 ... 250 мм вод ст для абсорции среднерастворимых компонентов;

• 250 ... 350 мм вод ст для абсорбции плохорастворимых газовых примесей.

• производительность:

• до 300 м3/ч специальные малопроизводительные газоочистные узлы установок;

• 300 ... 2000 м3/ч локальные мобильные газоочистные аппараты в т.ч. эжекционные;

• 2 ...100 тыс. нм3/ч абсорбционные установки комплексной обработки газов.

• количество орошающего раствора ступени:

• 1,5 ... 2,5 л/рм3 газа при температуре газа до 100С;

• 2,5 ... 6 л/рм3 при температуре газа более 100С.

• степень абсорбции 96 ... 99,9 %