4.2. Энергетический метод расчета эффективности мокрых пылеуловителей

Эффективность работы мокрых пылеуловителей в значительной степени зависит от затрат энергии на процесс очистки газа, включая как энергию затрачиваемую на движение газов через аппарат, так и энергию, расходуемую на подачу и диспергирование жидкости. При этом следует учитывать только энергию, затрачиваемую в пределах аппарата.

Главным энергетическим параметром мокрого пылеуловителя является суммарная энергия соприкосновения К_ч, т.е. расход энергии на обработку жидкостью определенного объема газов в единицу времени. Численную величину этого параметра определяют из следующего выражения:

К_ч =р_ап + р_жV_ж/V_г, кДж/1000 м³ газа (4.7)

где р_ап – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; р_ж - давление диспергируемой жидкости при входе в аппарат, Па; V_ж и V_г – объемные расходы соответственно жидкости и газа, м³/с.

В соответствии с энергетическим методом расчета степень очистки газов в мокром пылеуловителе может быть определена по формуле:

, (4.8)

где В и  - константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава улавливаемой пыли.

При высоких степенях очистки оценку эффективности работы аппарата удобнее выражать не степенью очистки , а числом единиц переноса N_ч связанным с эффективностью зависимостью:

. (4.9)

Из сопоставления выражений (4.8) и (4.9) можно получить выражение:

. (4.10)

Зависимость (4.10) в логарифмических координатах К_ч-N_ч отображается прямой линией, угол наклона которой к горизонту дает величину , а величина В определяется как значение N_ч при К_ч= 1. Величины коэффициентов  и В определяются экспериментально для каждой отдельной пыли. Результаты испытаний некоторых видов пылей приведены в таблице Приложения 3.

4.3. Конструкции и особенности расчетов мокрых пылеуловителей Пылеуловители с промывкой газов

В зависимости от способа диспергирования жидкости пылеуловители этого типа делят на три группы:

1. форсуночные скрубберы, где диспергирование жидкости осуществляется с помощью форсунок за счет энергии орошающей жидкости;

2. скрубберы Вентури, в которых дробление жидкости происходит за счет энергии турбулентного потока;

3. динамические газопромыватели, где разбрызгивание жидкости происходит за счет механической энергии вращающегося ротора. Вследствие значительного расхода энергии и сложности эксплуатации применяются редко

Форсуночные скрубберы

Форсуночный скруббер представляет собой цилиндрический аппарат, в верхней части которого размещено несколько поясов орошения, как правило 3-4 пояса, с большим количеством форсунок, равномерно располагаемых по поперечному сечению аппарата, создающих равномерный поток капель. Нижняя часть скруббера, оканчивающаяся конусом, заполнена водой, уровень которой поддерживается постоянным. Подводимый в нижнюю часть корпуса, запыленный газ направляют на зеркало воды для осаждения наиболее крупных частиц пыли, после чего, распределяясь по всему сечению скруббера, газ движется вверх навстречу потоку капель и удаляется из аппарата через патрубок расположенный выше поясов орошения. В процессе промывки капли жидкости захватывают частицы пыли и коагулируют. Образовавшийся шлам собирается в нижней части скруббера, откуда непрерывно удаляется.

Форсуночные скрубберы нашли широкое применение в металлургии, преимущественно для охлаждения и увлажнения газов, необходимых для последующей тонкой очистки газов. Как самостоятельный аппарат форсуночный скруббер относится к аппаратам полутонкой очистки и может использоваться для очистки газов от пыли с размером частиц более 10-15 мкм с эффективностью 70-80 %. Частицы пыли размером менее 5 мкм в скрубберах практически не улавливаются.

При выборе и расчете форсуночных скрубберов следует ориентироваться на следующие характеристики:

• Оптимальная скорость газов в скруббере - w_скр = 0,8-1,5 м/с;

• Удельный расход орошающей жидкости на скруббер - m=6 дм³/м³ газа;

• Гидравлическое сопротивление скруббера не превышает 250 Па;

• Возможное охлаждение газа до 40-50 С.

В процессе проведения расчетов геометрических размеров скрубберов необходимо учитывать тепло- и массообменные процессы протекающие в аппарате.

Количество тепла Q, передаваемое в скруббере от газа воде, пренебрегая потерями тепла, может быть рассчитано из выражения:

, кВт, (4.11)

где V_ос - объемный расход сухих газов, м³/с; с_р - теплоемкость сухих газов при постоянном давлении, кДж/(м³С); Т₁ и Т₂ - соответственно начальная и конечная температуры газа, С; d₁ - начальное влагосодержание газа, кг/кг; i₁ и i₂ - начальная и конечная энтальпии водяных паров, кДж/м³, которые находят из выражений:

i₁ = (2480+1,96Т₁) ; i₂ = (2480+1,96Т₂). (4.12)

Необходимый расход воды М_в на скруббер находят по формуле:

, (4.13)

где  - коэффициент испарения воды (обычно   0,5); i_п - энтальпия насыщенного пара при температуре Т₂, кДж/кг; i_н, i_к – начальная и конечная энтальпии воды, кДж/кг.

Объем скруббера V_скр определяют, исходя из уравнения теплопередачи, по формуле:

, м³, (4.14)

где Т_ср - средняя разность температур обменивающихся теплом сред, К, определяется по формуле (4.2)); К_о - коэффициент теплопередачи, Вт/(м³К).

Для определения коэффициента теплопередачи при приближенных расчетах можно использовать эмпирическое выражение:

К_о =(116,5+525М_ж/М_г)(1+0,001Т_ср), Вт/(м³К), (4.15)

где М_ж и М_г - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; Т_ср - средняя температура газов в скруббере, С.

Определив необходимый объем скруббера V_скр и зная скорость газов в скруббере w_скр, можно определить необходимый диаметр скруббера и его высоту. При определении размеров скруббера следует учитывать, что оптимальное соотношение высоты скруббера к его диаметру равно H/D  2,5.

Скрубберы Вентури

Работа скруббера Вентури основана на дроблении воды турбулентным газовым потоком, захвате каплями частиц пыли, последующей их коагуляции и осаждении в каплеуловителе инерционного типа.

Простейший скруббер Вентури (рис. 4.1) включает трубу Вентури и прямоточный циклон-каплеуловитель.

Труба Вентури состоит из конфузора, в котором размещается оросительное устройство, горловины, где происходит осаждение частиц пыли на каплях воды, и диффузора, в котором протекают процессы коагуляции. В каплеуловителе вследствие тангенциального подвода газов и создаваемого при этом вращательного движения газового потока смоченные и укрупненные частицы отбрасываются на стенки и удаляются из каплеуловителя в виде шлама.

Скрубберы Вентури могут работать с эффективностью до 96-98% при улавливании пылей со средним размером частиц 1-2 мкм. При выборе и расчете скрубберов Вентури следует ориентироваться на следующие характеристики:

• Скорость газов в горловине - w₂ = 50-150 м/с;

• Удельный расход орошающей жидкости – m = 0,5-1,3 дм³/м³;

• Гидравлическое сопротивление аппарата – 6-15 кПа.

В скрубберах Вентури, как и других мокрых пылеулавливающих аппаратах, протекают тепло и массообменные процессы, описанные выше (уравнения 4.1-4.6). При проведении практических расчетов скрубберов Вентури важно знать изменение температуры очищаемых газов. Для определения температуры газов на выходе из трубы Вентури Т₂ можно использовать эмпирическое выражение:

Т₂ = (0,133-0,041m )Т₁+35, С (4.16)

где Т₁ – начальная температура газов, С; m – удельный расход орошающей жидкости, м³/м³.

Расчет скрубберов Вентури

В настоящее время для расчета эффективности пылеулавливания скрубберов Вентури пользуются энергетическим методом, приведенным выше.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури р_о находят как сумму гидравлических сопротивлений трубы Вентури р_Т и каплеуловителяр_к:

р_о = р_Т + р_к, Па. (4.17)

Потеря давления в трубе Вентури р_Т определяется как сумма гидравлического сопротивления сухой трубы Вентури р_с и увеличения гидравлического сопротивления трубы Вентури, обусловленного введением жидкости р_ж:

р_Т = р_с + р_ж, Па. (4.18)

Гидравлическое сопротивление сухой трубы Вентури р_с определяется из выражения:

, Па, (4.19)

где w_г – скорость газов в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; _г – плотность газов при рабочих условиях, кг/м³; _с – коэффициент сопротивления сухой трубы Вентури.

Для нормализованных труб Вентури при длине горловины l₂ = 0,15d₂ можно принимать _с=0,12-0,15.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное введением жидкости р_ж, определяется из выражения:

, Па, (4.20)

где m – удельный расход орошающей жидкости, м³/м³; _ж– плотность орошающей жидкости, кг/м³; _ж – коэффициент сопротивления, обусловленный вводом жидкости.

Для определения коэффициента сопротивления, обусловленного вводом жидкости _ж, для нормализованных труб с центральным вводом жидкости в конфузор, можно воспользоваться эмпирическим выражением:

_ж = 0,63_с m^-0,3 . (4.21)

Значения _ж для других способов подвода воды приведены в специальной литературе .

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя р_к определяется из выражения:

, Па , (4.22)

где w_ц – скорость газов в циклоне (должна находиться в пределах 2,5-4,5 м/с);  – коэффициент сопротивления циклона (принимается =30-33 – для прямоточных циклонов, =70 - для циклонов типа ЦН-24).

Необходимый диаметр каплеуловителя d_ц определяется по формуле:

, м. (4.23)

Активная высота каплеуловителя Н_ц в зависимости от скорости газа принимается по данным таблицы 4.1:

Таблица 4.1.

wц, м/с	2,5-3	3-3,5	3,5-4,5	4,5-5,5
Нц (в долях от dц)	2,5	2,8	3,8	4,5

Для определения основных размеров нормализованных труб Вентури пользуются следующими соотношениями:

• длина горловины l₂=0,15 d₂, (d₂ - диаметр горловины);

• угол сужения конфузора ₁= 25-28;

• длина конфузора l₁=( d₁- d₂)/2tg(₁/2), (d₁ -диаметр входного сечения конфузора);

• угол расширения диффузора ₂= 6-8;

• длина диффузора l₃=( d₃- d₂)/2tg(₂/2), (d₁ -диаметр выходного сечения диффузора).