2 Газоочистные установки
По принципу действия методы сепарации пыли из аэрозольных потоков делятся на механические и электрические:
в механических отделение пыли от газа осуществляется под действием сил гравитации, инерции, в результате захвата частиц при фильтрации аэрозолей через пористые среды и жидкости, налипания частиц на покрытые жидкостью поверхности и др.;
в электрических улавливание твердых частиц аэрозолей происходит под действием сил электрического поля на заряженные пылинки.
Очистка выбросов в атмосферу осуществляется в газоочистных установках, которые состоят из газоочистных аппаратов (пылеуловителей), вспомогательного оборудования и газопроводов.
В зависимости от принципа действия применяемые в настоящее время аппараты очистки аэрозольных выбросов делятся на:
гравитационные,
инерционные (сухие и мокрые),
фильтрационные (сухие и мокрые),
электрические (сухие и мокрые).
На практике газоочистные установки в зависимости от дисперсного состава и требуемой степени очистки выбросов могут включать в себя несколько типов пылеуловителей в различных комбинациях (ступенчатая очистка газов).
2.1 Гравитационные пылеуловители
В этих аппаратах осаждение пылевых частиц из газового потока происходит под действием сил гравитации.
Рис. 2 – Пылеосадительные камеры
а – полая камера; б – с горизонтальными полками;
в, г – с вертикальными перегородками
1 – корпус, 2 – бункер, 3 – штуцер для удаления пыли,
4 – полки, 5 – перегородки
Эти пылеуловители выполняют в виде пылеосадительных камер (простейших сухих пылеуловителей). Устройство камер очень простое. Обычно это пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости прямоугольный короб с бункером внизу для сбора пыли.
Производительность камер зависит от площади основания камеры и скорости осаждения пыли. Если известна скорость осаждения пыли ωос в пылеосадительной камере высотой H и скорость движения газа вдоль камеры ωг, то, учитывая, что продолжительность осаждения пыли должна быть меньше или равна времени прохождения через камеру, из соотношения
можно определить необходимую длину камеры L.
При одной и той же скорости газа в плоских, небольшой высоты пылеосадительных камерах газ очищается лучше. Поэтому часто внутреннюю полость камеры разделяют по высоте горизонтальными полками. Для лучшего удаления осажденной пыли полки делают поворотными или наклонными. С последних пыль удаляют стряхиванием.
ωг = 0,2...1,5 м/с
Δр = 50...150 Па
dr ≥ 50 мкм
η = 40...50%
Пылеосадительные камеры не находят широкого применения из-за ограничения их действия крупными пылевыми частицами и низкой степени очистки. Однако они могут быть полезны как первая ступень очистки, разгружающая работу последующих пылеуловителей.
2.2 Простейшие пылеуловители инерционного действия
В пылеуловителях данного типа сепарация частиц из газового потока обеспечивается действием как гравитационных сил, так и сил инерции пылевых частиц, движущихся в аэрозольном потоке. Эффект сил инерции для осаждения частиц реализуется при изменении направления движущегося газового потока. Частицы при этом стремятся сохранить первоначальное направление своего движения и осаждаются в бункерах.
Принципиальные схемы пылеуловителей данного типа изображены на рис. 3.
Рис. 3 – Простейшие пылеуловители инерционного действия
с различными способами подачи и распределения
газового потока
а – с помощью перегородки;
б – через центральную трубу;
в – через боковую трубу;
г – отклонением потока от прямолинейного
Пылеуловители типа пылевых мешков (а – в) применяются в металлургии. При установке их за доменной печью обеспечивается степень улавливания частиц размерами ≥ 20-30 мкм.
ωг = 5...15 м/с (во входном патрубке)
Δр = 150...350 Па
dr ≥ 20...30 мкм
η = 65...80%
Для эффективной работы данного пылеуловителя скорость потока в самом цилиндре мешка на порядок меньше скорости в подводящем воздуховоде. Пылеуловитель «г» применяется в газоходах больших диаметров.
К простейшим пылеуловителям инерционного типа можно отнести жалюзийные пыле- и золоуловители. В этих аппаратах пыль выделяется из газового потока под действием инерционных сил при изменении направления движения газового потока с помощью жалюзийных пластин.
Жалюзийный пылеуловитель обычно состоит из двух частей: жалюзийной решетки и выносного пылеуловителя (обычно циклона). Назначение жалюзийной решетки – разделить газовый поток на два. Один поток составляет 80...90% всего количества газа и в значительной мере освобожден от пыли, другой – 10...20% и в нем сосредоточена основная масса пыли, которую улавливают затем в циклоне или в другом достаточно эффективном пылеуловителе.
Жалюзийные аппараты из-за простоты конструкции, невысокой стоимости и небольшого гидравлического сопротивления находят довольно широкое применение.
dr ≥ 20 мкм
t˚ ≤ 450˚С (пластины решетки из стали)
t˚ ≤ 600˚С (пластины решетки из чугуна)
Рис. 4 – Жалюзийный пылеуловитель
Наиболее распространенные аппараты этой группы – циклоны, принцип работы которых показан на рис. 5.
Рис. 5
1 – корпус; 2 – входной патрубок;
3 – выходная (выхлопная) труба; 4 - бункер
Входя тангенциально в циклон, поток газа приобретает вращательно-поступательное движение. Вращаясь относительно оси циклона, газ одновременно опускается вниз по кольцевому зазору между корпусом циклона и отводящим патрубком. Под действием центробежной силы твердые включения газового потока перемещаются к стенке циклона, затем опускаются по стенке вниз и вместе с частью газа попадают в бункер. Очищенные от твердых включений газы через отводящий патрубок удаляются из циклона. Описанная схема движения аэрозольных потоков в циклоне получила название возвратно-поточной. Очищаемые газы сначала перемещаются вниз, после чего по выхлопному патрубку поднимаются вверх. Такая схема потоков предопределяет дополнительные потери напора в циклоне и как следствие высокое гидравлическое сопротивление аппарата. Этот негативный фактор устраняется в прямоточных циклонах, в которых очищенный газ отводится из циклона через нижний боковой патрубок.
Вследствие вращательного движения газового потока в центральной зоне циклона создается пониженное давление (отсюда – название аппарата).
Вследствие простоты устройства и эксплуатации, относительно небольшой стоимости, высокой производительности циклоны находят широкое применение в различных отраслях промышленности.
Основные преимущества циклонов перед другими аппаратами очистки газов от примесей:
отсутствие движущихся частей;
надежная работа в широком диапазоне температур;
пыль улавливается в сухом виде;
возможность улавливания абразивных пылей, для чего активные поверхности циклонов покрываются специальными материалами;
возможность работы циклонов при высоких давлениях;
стабильное гидравлическое сопротивление;
простота изготовления и возможность ремонтов;
повышение концентрации пыли не приводит к уменьшению фракционной эффективности циклонов.
Недостатки циклонов:
высокое гидравлическое сопротивление (1200...1500 Па);
низкая эффективность при улавливании частиц dr < 5 мкм.
ωг (во входном отверстии) = 12...16 м/с
ωг (в сечении корпуса) = 2...5 м/с
Δр = 1200...1500 Па
dr = 10...20 мкм
η = 85...99%
На эффективность работы циклонов существенное влияние оказывает конструкция их нижней части (между концом выхлопной трубы и пылеотводящим отверстием), являющейся зоной пылеулавливания. Выполнение этой части цилиндрической или конической при большом угле у вершины конуса отрицательно влияет на эффективность его работы. Конструктивное выполнение бункера (пылесборника), его размеры и, в особенности, герметичность, также определяют эффективность работы циклонов.
Использование циклонов без бункера или с уменьшенными по сравнению с рекомендуемыми размерами бункерами снижает КПД аппаратов. При негерметичности бункеров возникают присосы воздуха, приводящие к попаданию пыли в циклон, что также снижает его КПД.
В настоящее время применяют около 20 типов циклонов. Наибольшее распространение получили циклоны НИИОГаз.
Рис. 6 – Типы циклонов
а – цилиндрический б - конический в – вид конического
циклона сверху
Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны, состоящие из нескольких параллельно установленных циклонных элементов. Конструктивно они объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа.
К пылеуловителям, использующим центробежные силы для отделения пыли из аэрозольного потока, относятся ротационные и вихревые пылеуловители.
В центробежных ротационных пылеуловителях смесь приводится во вращение лопаточным рабочим колесом. Развивающиеся при вращении потока центробежные силы способствуют отделению пыли из газового потока. В аппаратах данного типа для вращения колеса необходим привод, обеспечивающий движение газа через аппарат. Они обладают большой компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совмещены в одном агрегате.
dr ≥ 5 мкм
η = 50...99%
Рис. 7 – Пылеуловитель ротационного типа
1 – кожух; 2 – вентиляторное колесо
В вихревых пылеуловителях (рис. 8) поток очищаемого газа закручивается с помощью лопаточного завихрителя в центральной части аппарата. Вдоль наружных стенок аппарата с помощью дополнительного источника тяги создается встречный вращающийся поток, транспортирующий пылевые частицы в специальный бункер.
Рис. 8 – Вихревой пылеуловитель
1 – входящий патрубок; 2 – лопаточный завихритель 3 – выхлопной патрубок
Для создания периферийного (вторичного) потока может быть использован воздух окружающей среды, очищенный газ или запыленный газ. Менее выгодным считается использование воздуха окружающей среды. В то же время это вариант оправдывает себя при очистке горячих газов, нуждающихся в предварительном охлаждении. Максимальная эффективность очистки достигается при использовании в качестве вторичного воздуха переработанной части потока очищенного газа. В этом случае часть наименее очищенного воздуха (у периферии потока) снова возвращается в вихревой пылеуловитель на доочистку (40...65% от количества очищаемого газа).
Отличительная особенность вихревого пылеуловителя – высокая эффективность очистки газа от тончайших фракций (< 3...5 мкм), что позволяет им в отдельных случаях конкурировать с фильтрами.
dr < 3...5 мкм
Δр = 1000 Па
η до 0,96 (96%)