Циклоны

Из пылеуловителей наиболее широкое распространение получили циклоны, что объясняется, прежде всего, простотой их конструкции и более высокой, чем у других инерционных пылеуловителей степенью очистки газа.

Улавливание пыли в циклонных аппаратах происходит прежде всего под действием центробежных сил, а также гравитационных и инерционных сил.

Конструктивно циклонные аппараты делятся по способу подвода газа в аппарат, который может быть спиральным, тангенциальным, винтообразным и осевым (розеточным). Очищенный газ может выходить из циклона либо в верхней части аппарата (возвратно-поточные циклоны), либо в том же направлении, в каком поступает в аппарат запыленный газ (прямоточные циклоны).

Прямоточные циклоны имеют меньшее гидравлическое сопротивление, чем противоточные, они мало пригодны для улавливания мелкой сухой пыли из-за низкой степени очистки. Их широко используют в качестве каплеуловителей в системах мокрой очистки газов. Возвратно-поточные циклоны очень широко используются для улавливания сухой пыли в различных отраслях производства.

Движение газа в циклонах имеет сложный характер и до настоящего времени изучено недостаточно. Схема возвратно-поточного циклона представлена на рис. 10. Принцип действия его заключается вследующем. Поток газа поступает в циклон закрученным, за счет тангенциальной подачи, вследствие чего на частицы пыли действует центробежная сила, отбрасывающая их к стенке, вдоль которой они движутся по спирали вниз в пылевой бункер. Газовый поток, освобожденный от пыли, продолжая вращаться по мере движения сверху вниз, совершает поворот на 180º и выходит из циклона через выхлопную трубу, расположенную по оси циклона в верхней его части. Частицы пыли вследствие своей инерционности этого сделать не успевают и попадают в бункер. Следует отметить, что часть газа тоже попадает в бункер и оттуда выносит с собой мелкие частицы пыли. Это явление называют обратным выносом пыли.

При движении в циклоне на частицы пыли действуют центробежные силы, силы тяжести и сопротивления. С достаточной степенью точности можно считать скорость движения частиц пыли равной скорости вращающегося потока газа v_г, и тогда центробежная сила, действующая на частицу массой m,

, (34)

где R – радиус траектории движения; в цилиндрической части циклона, его можно считать равным радиусу циклона.

Следовательно, степень очистки газа от пыли в циклоне пропорциональна массе частиц, скорости газа и обратно пропорциональна диаметру циклона. Поэтому мелкие и легкие частицы в циклонах улавливаются плохо и их целесообразно использовать лишь для частиц крупнее 10 мкм.

Поскольку на эффективность очистки от пыли в циклоне силы тяжести частиц влияют значительно меньше, чем центробежные силы, циклоны можно располагать в любом положении, даже в горизонтальном. Однако для рациональной компоновки оборудования обычно их устанавливают вертикально.

Циклоны разделяют на цилиндрические и конические. В цилиндрических циклонах корпус выполнен с удлиненной цилиндрической частью, а в конических – с удлиненной конической частью (рис. 11).

Наибольшее распространение в РФ получили цилиндрические циклоны конструкции НИИОГАЗа, показанные на рис. 11, а. Отличительной их особенностью является наклонный входной патрубок, сравнительно короткие цилиндрическая часть и выхлопная труба, а также малый угол раскрытия конической части. Наклон входного патрубка и винтообразная верхняя крышка способствуют направлению вращающегося газового потока вниз, что снижает гидравлическое сопротивление циклона. На выхлопной трубе циклона часто устанавливают улитку, раскручивающую вращающийся газовый поток.

Под циклоном устанавливают бункер для сбора уловленной пыли. В конической части циклона ни в коем случае не должна скапливаться пыль во избежание взмучивания и вторичного уноса ее в выхлопную трубу. Выпуск пыли из бункера осуществляется через патрубок с двойным затвором-мигалкой.

Герметичность циклонов вместе с бункером – необходимое условие их нормальной работы, даже незначительные подсосы воздуха через бункер резко снижают степень очистки.

Существует три типа цилиндрических циклонов конструкции НИИОГАЗа основной серии ЦН, различающиеся между собой углом наклона входного патрубка к горизонту:

а) ЦН–15 с углом наклона 15º, нормальный и укороченный (ЦН–15у);

б) ЦН–11 с углом наклона 11º, повышенной степенью очистки и большим гидравлическим сопротивлением;

в) ЦН–24 с углом наклона 24º, повышенной пропускной способностью при меньшей степени очистки и гидравлическом сопротивлении.

Наибольшее распространение получили циклоны типа ЦН–15, которые обеспечивают достаточно высокую эффективность при умеренном гидравлическом сопротивлении.

Все циклоны конструкции НИИОГАЗа нормализованы. Любой из размеров каждого типа может быть выражен в долях от диаметра циклона D. Согласно ГОСТ 9617–67 для циклонов приняты следующие величины диаметров, мм: 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000. Вследствие снижения эффективности с увеличением размеров применять циклоны типа ЦН диаметром более 1000 мм не рекомендуется. При больших расходах газа устанавливают группу циклонов, работающих параллельно.

Определить фактическую скорость газа в каждой точке сечения циклона очень сложно, поэтому при проектировании циклонов используется понятие фиктивной скорости газа w_ф. Ее определяют как частное от деления расхода газа на площадь поперечного сечения цилиндрической части циклона. Для каждого типа циклонов экспериментально определены оптимальные значения средней скорости движения газа w_опт , существенное отклонение от которых ухудшает работу циклона. Увеличение фиктивной скорости по сравнению с оптимальной несколько увеличивает степень очистки в определенных пределах, однако при этом гораздо быстрее возрастает гидравлическое сопротивление и, следовательно, затраты энергии на очистку.

При выборе и эксплуатации циклонов необходимо учитывать следующее. Пылевой бункер циклона гидродинамически связан с процессом улавливания пыли. Он, по существу, является частью циклона и изменять рекомендованные размеры и конструкцию бункера нежелательно, так как можно заметно снизить эффективность очистки. Поток очищенного газа, выходящий из выхлопного патрубка циклона, сильно закручен, вследствие чего возникают трудности при измерении расхода газа и концентрации в нем пыли в результате неравномерности распределения скоростей газа и пыли по сечению трубы.

В зависимости от того, работает циклон с выходом в сеть или на “выхлоп”, т. е. очищенный газ выводится в атмосферу, используются различные устройства для уменьшения закручивания выходящего из него потока газа. Иногда закручивание газа после циклона устраняют установкой в выходной трубе специальных раскручивателей, расширителей. Следует отметить, что такие элементы, снижая потери давления в сети, несколько снижают и степень очистки, особенно для мелкодисперсной пыли. Если циклон работает на “выхлоп”, то необходимость в раскручивателе-улитке, естественно, отпадает.