Сухая очистка газов

В схемах сухой механической очистки газов применяют­ся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, центробежные и вихревые аппараты, а также аппараты фильтрующего действия.

Процесс осаждения частиц в движущемся потоке мож­но рассматривать как результат сложения двух движений. Этот принцип лежит в основе расчета осадительных камер (рис. 94). Например, время т прохождения газа через ка­меру высотой и шириной h´b и длиной l при объемном расходе V составит (с)

t = hbl/V,(91)

За это время частица, осаждаясь со скоростью w, пройдет путь h_ч, равный:

h_ч = wt, м.

Если h_ч = h, то частицы размером d смогут оседать в пре­делах камеры. Минимальный размер частиц, которые ося­дут в камере заданных размеров, м

. (92)

Отсюда видно, что эффективность осадительной каме­ры тем больше, чем меньше ее высота или больше площадь основания при том же объеме и меньше скорость потока.

Несмотря на свою невысокую эффективность, простей­шие аппараты — пылеосадительные камеры применяются довольно широко в качестве первой ступени, грубой очистки. В них осаждают крупную (более 100 мкм) фракцию частиц с высокой плотностью. Простота конст­рукции, низкая стоимость сооружения, низкие потери дав­ления по тракту — составляют преимущества осадитель-ных камер. Основной же недостаток — большие размеры.

В разнообразных конструкциях так называемых инер­ционных пылеуловителей осуществляют резкий поворот потока на угол от 90° до 180°, что вызывает инерционный эффект (рис. 95). При этом после поворота потока создают такое изменение скорости, чтобы восходящий поток имел скорость меньше скорости седиментации пыли.

Подобные пылеуловители например устанавливают в качестве ступени грубой очистки за доменными печами. Частицы более 30 мкм улавливаются на 70 – 80%. Гидрав­лическое сопротивление таких аппаратов не превышает 300 Па. Простейшим из таких устройств является шлаковик мартеновской печи.

Инерционный принцип осаждения действует и в жалюзийных аппаратах, которые широко при­меняются на электростанциях для улавливания золы котельных аг­регатов и в системах промыш­ленной вентиляции, а также в процессах фильтрации в порис­тых фильтрах.

Циклоны. Инерционный эф­фект многократно усиливается при вихревом вращении газового потока, который осуществляется в циклонах. Циклоны — наиболее распространенные в практике пылеулавливания аппараты. С высокой эффективностью в них осаждаются частицы крупностью от 15 мкм и выше.

При вращении потока на час­тицу действует центробежная сила (Н)

, (93)

где т — масса частицы, кг; w_т — тангенциальная составляющая скорости потока, м/с; r — радиус вращения частицы, м.

Движение частиц в циклоне имеет сложный характер.

Принципиальная схема работы циклона дана на рис. 96.

Благодаря тангенциальному вводу, газ движется по спиральной траектории, причем по внешней спирали вниз, а по внутренней — вверх и удаляется через выхлопную трубу. Частицы пыли отбрасываются к стенке, скользят по ней вниз и собираются в бункере.

Для ориентировочных расчетов циклонов применяют формулу Дэвиса минимального диаметра уловленных час­тиц, м

(94)

где Н, D_ц, D_тр — соответственно высота циклона, его диа­метр и диаметр выхлопной трубы, м; w_го — скорость газов на входе в циклон, м/с.

Отсюда видно, что эффективность осаждения возраста­ет с уменьшением диаметра циклона. Затраты энергии на очистку газа в циклоне определя­ются величиной его гидравличес­кого сопротивления.

Многочисленные исследования различных конструкций циклонов легли в основу нормализованного ряда циклонов НИИОГАЗ ци­линдрического и конического ти­пов. Нормативный метод расчета, разработанный для этих циклонов, дает возможность выбрать тип и размер циклона, удовлетво­ряющий требуемой степени очи­стки. Сопоставление результатов экспериментов дает удовлетвори­тельное согласие с расчетными данными.

Циклоны НИИОГАЗ цилин­дрического типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦН-154 хуже улавливают мелкие частицы, чем циклоны конические, но в сопоставимых условиях облада­ют меньшим гидравлическим сопротивлением. Они отно­сятся к типу высокопроизводительных. Как показывают расчеты, при условной скорости газа (средняя скорость на сечение аппарата) 2,2 – 5,0 м/с в них хорошо улавливают­ся неслипающиеся частицы размером более 5 мкм.

В конических циклонах при больших потерях давления (1,25 – 1,5кПа), достигается высокая эффективность улав­ливания мелких частиц. Они относятся к типу высокоэф­фективных, но мало-производительных аппаратов. Частицы размером более 5 мкм улавливаются в них при более низ­ких условных скоростях 1,5 – 3,5 м/с.

При больших расходах очищенного газа, чтобы не уве­личивать диаметр циклона, применяют групповую парал­лельную компоновку от 2 до 8 циклонов. Как правило, группы имеют общий коллектор грязного газа, общий сборник чистого газа и общий пылевой бункер.

Для повышения эффективности очистки от высокодис­персной пыли при больших расходах газа широко приме­няется конструкция батарейных или мультициклонов. Ба­тарейные циклоны (рис. 97) состоят из корпуса, в котором объединено в группу большое число мелких циклонных элементов диаметром 100, 160 или 250 мм и общего пыле­вого бункера.

Циклонные элементы могут быть обычного или прямо­точного типа. В большинстве конструкций применяются обычные циклонные элементы с направляющими завихрителями типа «винт» или «розетка». Оптимальная скорость газов для каждого элемента находится в диапазоне 3,5 – 4,75 м/с.

При использовании специальных защитных покрытий внутренних поверхностей батарейные циклоны успешно применяются на неслипающихся абразивных пылях в ог­неупорном и агломерационном производствах, а также для улавливания золы ТЭЦ.

Расчет батарейных циклонов сводится к определению числа циклонных элементов, а расчет каждого элемента выполняется аналогично расчету одиночных циклонов.

К недостаткам батарейных циклонов относятся: повы­шенная металлоемкость и большие по сравнению с одиноч­ными циклонами эксплуатационные расходы.

Очистка газов фильтрацией. При прохождении потока газа через пористую перегородку на ней задерживаются частицы, взвешенные в потоке. Структура пористой пере­городки может быть весьма разнообразной: волокнистые к тканевые материалы, насыпной зернистый слой и пористая керамика. Осаждение частицы пыли в них является ре­зультатом суммарного действия на частицу сил инерции, броуновской диффузии, электрических сил и эффекта ка­сания. Из опыта следует, что только частицы размером: 0,1 – 0,5 мкм плохо улавливаются такими фильтрами.

Особенностью аппаратов такого типа является то, что на поверхности фильтрующего элемента накапливается: слой осажденных частиц — автослой, роль которого в про­цессе фильтрации является основной. Эффективность очи­стки быстро растет. Но вместе с тем растет и гидравличес­кое сопротивление фильтрации газа. При этом в зависимости от типа фильтра он подвергается или полной замене, или регенерации, т.е. очистке от уловленной пыли. По виду фильтрующего элемента фильтры следует разделить на волокнистые, тканевые и зернистые.

По области применения фильтры можно разделить на три вида:

1) фильтры ультратонкой очистки воздуха для особо чистых производств. Допустимая концентрация пыли на входе не более 1 мг/м³, скорость фильтрации до 10 см/с. Это волокнистые фильтры различных конструкций, работа­
ющие без регенерации, с заменой рабочего слоя;

2) фильтры для очистки воздуха приточной вентиляции, которые работают с концентрацией на входе до 50 мг/м³ и со скоростью фильтрации до 3 м/с. Это волокнистые и тканевые фильтры.

Для очистки воздуха в системах приточной и вытяжной вентиляции применяются грубоволокнистые фильтры из стекловолокна производительностью от 200 до 1500 м³/ч с сопротивлением до 150 Па, а также разнообразные конст­рукции кассетных и масляных фильтров. Для очистки воз­духа перед турбовоздуходувками доменных печей исполь­зуют масляные самоочищающиеся сеточные фильтры мар­ки КДМ. Подача масла на сетки обеспечивает непрерывную их регенерацию.

3) К третьему виду относится большая группа промышленных фильтров, которые предназначены для техноло­гической и санитарной очистки промышленных газов с на­чальной запыленностью до 60 г/м³. Это в основном ткане­вые рукавные фильтры. В обычных тканях размер сквозных пор между пересекающимися нитями диаметром 300 – 700 мкм составляет 100 – 200 мкм. Эти отверстия в свою очередь перекрываются волокнами ворса, что и способствует формированию и удержанию фильтрующего слоя пыли (автослоя). Микроструктура его становится очень сложной, а суммарный эффект улавливания существенно возрастает.

В промышленных фильтрах применяются ткани, изго­тавливаемые на ткацких станках и войлоки. Материалом служат хлопчатобумажные, шерстяные, нитроновые, лав­сановые ткани и стеклоткани. Есть опыт применения металлоткани для температур 1000°С и более.

Срок службы материалов зависит от температуры га­зов и свойств пылей и достигает 24 мес. Термостойкость стеклоткани не превышает 300°С, а синтетических 140°С.

Аэродинамические свойства чистых тканей характеризуются скоростью фильтрации или величиной воздухопро­ницаемости w_ф при стандартном перепаде давления 49 Па. При обычных скоростях фильтрации от 0,3 до 2 м/мин сопротивление применяемых чистых тканей составляет от 5 до 40 Па.

Конструктивно фильтры различаются по многим приз­накам. Основные из них: форма фильтрующего элемента, способ регенерации, вид ткани.

Наиболее распространенной формой фильтрующего элемента является сшитый из ткани цилиндр — рукав. Схема рукавного фильтра дана на рис. 98. Как правило, фильтр состоит из нескольких камер (до 10), в каждой ка­мере 10 – 100 рукавов. Отношение диаметра рукава к его длине обычно 1 : 20 или 1 : 16. Рукава выполняют диамет­ром 127 или 300 мм.

Запыленный поток поступает внутрь рукава или снару­жи. При подаче газа снаружи рукав снабжается карка­сом.

Регенерация производится встряхиванием рукава или обратной продувкой. В большинстве конструкций приме­няется сочетание этих способов. Хорошие результаты дает обратная струйная продувка, при которой вдоль рукава вверх и вниз движется полое кольцо. Из радиальных от­верстий кольца навстречу фильтрующему газу истекают струи сжатого воздуха, которые выдувают осевшую пыль.

Регенерация ведется посекционно. Секция на время 20 – 50 с автоматически отключается от газового потока. Скорость фильтрации, межрегенерационный период, эф­фективность очистки рукавных фильтров определяются опытным путем.

Выбор типоразмера фильтра выполняется на основании приближенного расчета необходимой площади фильтро­вальной ткани. Для этого определяется общий расход за­пыленных газов с учетом подсосов по тракту. Затем в зависимости от типа ткани выбирается величина газовой нагрузки или скорость фильтрации w_ф,м³/(м²×мин).

Для шерстяных и хлопчатобумажных тканей w_ф=0,6¸1,2 м³/(м²×мин); для стеклянных и синтетических w_ф = 0,3¸1,0 м³/(м²×мин).

Выбор типа ткани, способа регенерации и типа фильт­ра производится с учетом технико-экономических сообра­жений и опыта эксплуатации аналогичных установок.

На заводах цветной металлургии распространены фильтры типа РФГ и укрупненные типа УРФМ, разработки Гипроцветмета.

Эффективно их применение при переработке полиметал­лических руд, где пыль является ценным продуктом. Сте­пень очистки 96 – 99%. Из опыта эксплуатации ряда заво­дов следует, что при начальной концентрации пыли 5 – 50 г/м³ запыленность на выходе рукавных фильтров со­ставляет не более 20 – 50 мг/м³.

К основным недостаткам тканевых рукавных фильтров следует отнести большие габариты аппаратов, обусловлен­ные низкими скоростями фильтрации, т.е. низкой газовой нагрузкой на ткань, а также ограниченную стойкость тка­ни, относительно низкую температуру очищаемых газов.

Зернистые и металлокерамические фильтры, состоящие из слоя частиц сферической и другой формы целесообразно применять для очистки газов при высоких температурах и особенно для агрессивных сред. Фильтры могут быть в виде слоя сыпучих зерен, либо в виде спеченной пористой структуры. Осаждение пыли в них аналогично процессу в волокнистых фильтрах. В сыпучем слое зерен частицы оса­ждаются во всем объеме слоя. В фильтрах, состоящих из прессованных металлических порошков, имеет место обра­зование поверхностного автослоя пыли, также как и в тка­невых.

Более сложный, чем для тканей процесс регенерации этих фильтров, ограничивает их применение в промышлен­ности, особенно при очистке больших объемов газов.