Основные характеристики пылеуловителей 1 страница

К основным характеристикам пылеуловителей, как, впрочем, и других газоочистных устройств, относятся: эффективность очистки газа, произво­дительность устройства, гидравлическое сопротивление, расход электри­ческой энергии, стоимость очистки.

Эффективн о сть о чист к и газ о в. Эффективность очистки газов η(степень очистки, коэффициент полезного действия) обычно выражается отноше­нием количества уловленного материала к количеству материала, посту­пающего в газоочистной аппарат с пылегазовым потоком, за определен­ный период времени. Суммарную степень очистки газов η, достигаемую в нескольких последовательно установленных аппаратах, определяют по фор­муле

η=1-(1-η₁)∙ (1-η₂)∙ (1-η_n), где η_1, η₂, η_n — степень очистки газов соответственно в первом, втором и n-ном газоочистителе.

Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде коэф­фициента проскока частиц, который представляет собой отношение ко­личества вредных веществ за газоочистителем к количеству вредных веществ, поступающих в газоочистной аппарат. Коэффициент проскока ε рассчиты­вается по формуле ε = 100 — η.

Эффективность очистки может быть определена различными методами. Метод, основанный на использовании экспериментальных данных. В

данном случае эффективность очистки определяется по содержанию вред­ных веществ в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из него:

где М _ул — масса вредных веществ, уловленных в единицу времени, г/с; М_вх, М_вых — массовый расход вредных веществ в газах, соответственно поступа­ющих и выходящих из газоочистного аппарата, г/с; Q_вх, Q_вых, — объемный

расход газов, соответственно поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, м³/с; С _вх ,С_вых — концентрация частиц в газах, соответственно по-

ступающих и выходящих из газоочистного аппарата, г/м³.

Если объемный расход газов, проходящих через газоочистной аппарат, изменяется за счет подсоса воздуха, эффективность аппарата определяют в соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из концен­трации какого-либо газового компонента, не вступающего в аппарате в ре­акции (обычно S0₂ или С0₂):

где К_п — коэффициент подсоса, равный отношению концентраций анали­зируемого газового компонента в газах,% (объемная), после и до аппа­рата.

Если имеются экспериментальные данные по фракционным степеням очистки η_ф (для взвешенных частиц), то может использоваться формула

где Ф₁, Ф₂,... Ф_n — содержание данной фракции на входе в фильтр,%. Фракционная эффективность очистки η_ф выражается формулой

где Ф_вх, Ф_вых — содержание данной фракции в газах соответственно на входе и на выходе из фильтра,%.

Для расчета по формуле (5.3) могут быть использованы кривые фракци­онных эффективностей (степени очистки) η_ф = f {d₄), полученные экспериментальным путем для некоторых типов пылеуловителей (5.3). К кривым фракционной эффективности даются условия, при которых они были получены (по плотности пыли, диаметру аппарата и т. д.), а также поправочные формулы для пересчета на конкретные условия очистки выб­росов. Для сокращения расчетов могут быть использованы номог­раммы.

2. Метод расчета, основанный на вероятностном подходе к про­цессу пылеулавливания. В некото­рых случаях кривая фракционной эффективности аппарата η_ф =f(d₄) при построении в вероятностно-логарифмической системе коор­динат приобретает вид прямой линии, свидетельствующей о том, что она подчиняется логарифми­чески нормальному закону распре­деления и может быть записана в виде интеграла вероятности

где lg (d₄/d₅₀) — логарифм отношения текущего размера частиц d_ч к диамет­ру частиц d₅₀, осаждаемых в аппарате при данном режиме его работы на 50%; lg σ_n — стандартное отклонение в функции распределения фракци­онных коэффициентов очистки.

Значение d соответствует ординате графика η_ф = f(d_ч), равной 0,5 (50%), a Lg σ находится из соотношения

где d_l5,97 — значение абсциссы, ордината которой равна 0,1597 (15,97%); d_84,13 — значение абсциссы, ордината которой равна 0,8403 (84,03%).

Если распределение подлежащих улавливанию частиц пыли на входе в аппарат является нормально-логарифмическим, то зависимость полно­го коэффициента очистки можно найти по формуле

Значения нормальной функции распределения Ф (х) в зависимости от величины х приведены в табл. метод. указаний.

Таким образом, зная d_m и σ_ч (характеристику улавливаемой пыли), d₅₀ и σ_n(характеристику пылеулавливающего аппарата), можно определить эф­фективность очистки проектируемого аппарата.

Необходимо иметь в виду, что расчет эффективности по формуле (5.6) возможен только для пылеуловителей, работающих в тех режимах, при ко­торых были найдены значения d₅₀ и σ_n. Если условия работы отличаются от экспериментальных, то необходимо скорректировать величину d₅₀.

3. Энергетический метод расчета эффективности мокрых пылеулови­телей. Практика показывает, что эффективность мокрых механических пылеуловителей определяется, главным образом, затратами энергии на осу­ществление процесса очистки.

Энергия контакта между газом и жидкостью в мокрых пылеуловителях К_ч, в общем случае, может включать три составляющие: энергию газового потока, характеризующую степень турбулизации газового потока в аппара­те; энергию жидкостного потока, характеризующую степень диспергирова­ния жидкости, и механическую энергию вращающих элементов конструк­ции аппарата. Контактная энергия обычно меньше общего расхода энергии в мокрых пылеуловителях, так как не включает в себя потери на трение в аппарате, в отводящих и подводящих патрубках и т. д. В связи с этим, точ­ное определение энергии соприкосновения в целом ряде мокрых пылеуло­вителей представляет определенные трудности.

Величину энергии газового потока обычно принимают равной гидрав­лическому сопротивлению аппарата Δ р (Па), хотя в действительности, если учитывать потери на трение в «сухом» аппарате, она должна быть несколько меньше. Величина К_ч (кДж/1000 м³ газов) обычно рассчитывается по при­ближенной формуле, которая, в общем случае, имеет вид

где р_ж — давление распыливаемой жидкости, Па; Q_r и Q_ж — объемный расход соответственно газов, жидкости, м³/с; N_M — мощность вращающегося механизма, расходуемая на контактирование газов с жидкостью, Вт.

Влияние каждого слагаемого зависит от типа аппарата.

Зависимость между степенью очистки и затратами энергии выражается формулой

где В и х — константы, определяемые дисперсным составом пыли.

Величина л мало характеризует качество очистки в интервале высоких значений степени пылеулавливания, поэтому в этом случае часто исполь­зуют понятие «число единиц переноса N_ч», которое аналогично применяе­мому в технологических процессах, связанных с массопереносом. Число единиц переноса находится по формуле

Тогда N_ч=BK^X_ч.

Величины В и χ определяются экспериментально. Например, по неко­торым данным, зола дымовых газов ТЭЦ (при сжигании высокозольных топлив) имеет следующие значения коэффициентов: В = 4,34 - 10^-3 и χ= 0,3.

Применимость энергетического метода расчета для различных типов мокрых пылеуловителей объясняется тем, что в основе улавливания взве­шенных частиц лежит, главным образом, один и тот же механизм — инерционное осаждение. Поэтому, если на улавливание пыли в мокрых аппаратах начинают оказывать влияние другие силы (например, диффузионные), наблюдаются значительные отклонения от энергетической зави­симости (5.8).

Пр о изв о дительн о сть газ оо ч и стн о г о устр о йства. Производительность характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 час. Аппа­раты, в которых воздух очищается при прохождении через фильтрующий слой, характеризуются удельной воздушной нагрузкой, т. е. количеством воздуха, которое проходит через 1 м² фильтрующей поверхности за 1 час.

Ги д равл и чес ко е с о пр о т и влен и е. От величины гидравлического сопро­тивления зависит требуемое давление вентилятора, а следовательно, и рас­ход электроэнергии. Для определения гидравлического сопротивления могут использоваться следующие формулы:

где ξ ,— коэффициент местного сопротивления газоочистного устройства (безразмерная величина); v_г — скорость движения воздуха через аппарат, м/с.

где А, п — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем и за­висящие от конструкции аппарата.

Коэффициент местного сопротивления ξ зависит от типа газоочистного аппарата, а также от его конструктивных особенностей.

Расход электрическ о й энергии. В значительной мере эта характеристи­ка зависит от гидравлического сопротивления аппарата. Исключение со­ставляют аппараты, в которых используются электрические методы осаж­дения частиц, а также механическая энергия вращающих элементов конструкции аппарата. Расход электроэнергии при одноступенчатой очи­стке находится в пределах от 0,035 до 1,0 кВт-ч на 1000 м³ воздуха.

Ст о им о сть о чист к и. Зависит от многих факторов: капитальных затрат на оборудование, эксплуатационных расходов, требуемой эффективности очистки и др. Стоимость очистки воздуха в различных аппаратах значи­тельно отличается. Если стоимость очистки определенного количества воз­духа в циклоне большой производительности принять за 100%, то стоимость такого же количества воздуха в батарейном циклоне составит 120%, в цик­лоне с водяной пленкой — 130%, в электрофильтре — 220%, в тканевых фильтрах — 280%, в системе батарейный циклон-электрофильтр — 330%.

СУХИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ

К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты, исполь­зующие различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительные камеры), инерционный (инерционные пылеуловители) и центробежный (одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители).

Пылеосадительные камеры. Пылеосадительные камеры являются про­стейшими пылеулавливающими устройствами, применяемыми для пред­варительной очистки газов. Принцип работы пылеосадительной камеры основан на использовании действующей, на частицы пыли силы тяжести. Приемлемая эффективность достигается при длительном нахождении частиц в пылеосадительной камере. Поэтому пылеосадительные камеры, рас­считанные на осаждение даже относительно крупных частиц, весьма громоздки.

Материалом для их постройки являются кирпич или сборный же­лезобетон, реже сталь или дерево.

Осадительные камеры используются для осаждения пыли из горизон­тальных (рис. 5.4) и вертикальных (5.5) газовых потоков.

В горизонтальных пылеосадительных камерах для повышения их эф­фективности устраивают цепные или проволочные завесы и отклоняющие

перегородки. Это позволяет дополнительно к гравитационному использо­вать эффект инерционного осаждения частиц при обтекании потоком газов различных препятствий. Эффективность работы в значительной мере зави­сит от того, насколько равномерно распределен поток. Для этой цели каме­ры оборудуют газораспределительными решетками.

В вертикальных осадительных камерах осаждаются частицы, скорость осаждения которых выше скорости газового потока. Диаметр осадительной камеры обычно в 2,5 раза больше диаметра дымовой трубы, и соответствен­но скорости газов в камере в 6,25 раз меньше, чем в трубе. Такое соотноше­ние размеров трубы и осадительного устройства позволяет при скорости газов в дымовой трубе 1,5-2,0 м/с осаждать частицы размером 200—400 мкм. Расчет пылеосадительных камер. Приближенный расчет пылевых ка­мер сводится к определению площади осаждения, т. е. площади дна каме­ры или полок по заданному размеру частиц пыли, подлежащих улавлива­нию. При расчетах принимаются следующие допущения: распределение концентрации и дисперсности пыли по сечению аппарата равномерное, форма частиц пыли сферическая, сила сопротивления среды движению частиц подчиняется закону Стокса, скорость газа по сечению камеры рав­номерная, нет вторичного уноса пыли из камеры, влияние турбулентнос­ти потока на частицы отсутствует.

При ламинарном движении запыленного газа под влиянием силы тя­жести пылинки оседают на дно пылевых камер со скоростью витания v_c. Газ движется в камере со скоростью

где Q_г — объемный расход газов, м³/с; В — ширина камеры, м; Н— высота камеры (высота падения пылинки, м.):

где L — длина камеры, м.

Подставляя (5.11) в уравнение (5.12), получим:

Подставляя в уравнение (5.13) формулу для определения скорости ви­тания (4.6), получим минимальный размер частиц пыли d_min, м, которые 1 могут быть полностью осаждены в камере:

По этой формуле, зная расход газа, поступающего в пылевую камеру, и площадь осаждения, можно рассчитать, какого размера частицы полностью осядут в камере, и, наоборот, задаваясь размером пылинок, можно узнать тре­буемую поверхность осаждения при ламинарном движении запыленного газа.

По формуле (5.14) построена номограмма (рис. 5.6) в предположении, что вязкость газа равна вязкости воздуха. Если вязкость газа существенно отличается от вязкости воздуха, то получе нный по номограмме результат d_mln следует умножить на величину, где μ_г — вязкость газа при дан­ной температуре и μ_в — вязкость воздуха при той же температуре.

При проектировании осадительных камер следует учитывать возмож­ность вторичного уноса. Необходимо, чтобы скорость газового потока была не выше 3 м/с, хотя для некоторых пылей, например сажи, и эта скорость высока. В табл. 5.3 приведены некоторые рекомендации по выбору макси­мально допустимой скорости газов в пылеосадительных камерах.

Фракционная эффективность некоторых пылеосадительных камер (см. рис. 5.5, в) показана на рис. 5.7.

Основные достоинства осадительных камер заключаются в простоте конструкций, низкой стоимости, в небольших расходах энергии (гидрав­лическое сопротивление 50—100 Па) и в возможности улавливания абразивной пыли. В осадительных камерах достаточно эффективно улавлива­ются частицы пыли размером от 40 мкм. Эффективность же улавливания частиц высокодисперсной пыли размером менее 5 мкм даже в камерах больших размеров близка к нулю.

В настоящее время даже самые совершенные по конструкции пылевые камеры занимают много места и в качестве самостоятельных аппаратов пы­леулавливания почти не применяются. Однако упрощенные варианты пы­левых камер находят некоторое применение в качестве элементов основного технологического оборудования. Так, разгрузочные головки ряда вращающихся печей и сушильных бараба­нов, а также конверторы иного типа снаб­жаются некоторым подобием пылеосадительных камер, позволяющих улавливать наиболее крупные частицы для разгрузки основного газоочистного оборудования и предупреждения осаждения частиц в соеди­нительных газоходах.

Инерционные пылеуловители. Действие инерционных пылеуловителей основано на резком изменении направления движе­ния газопылевого потока. Частицы по инерции движутся в первоначальном на­правлении и попадают в сборный бункер, а очищенный от крупных частиц пылегазовый поток выходит из пылеуловителя. Некоторые из пылеуловителей данного типа представлены на рис. 5.8.

В подобных пылеуловителях скорость газов в свободном сечении составляет при­мерно 1 м/с. При этом частицы крупнее 20-30 мкм улавливаются на 60-95%. Точ-

ное значение зависит от многих факторов: дисперсности пыли и других ее свойств, скорости потока, конструкции аппарата и др. Гидравлическое сопротивление подобного пылеуловителя составляет 150-400 Па. Инер­ционные пылеуловители применяют обычно на первой степени очистки с последующим обеспыливанием воздуха в более совершенных аппаратах.

Современные инерционные пылеуловители представлены на рис. 5.9. В одном из вариантов в кольцевой зазор перед муфтой вдувают воздух (с вращательным моментом движения) со скоростью в три раза большей, чем осевая скорость основного газового потока. Эта кольцевая струя, сопри­касаясь с основным газовым потоком на его границе, способствует враще­нию газа. Выходной газоход служит для отвода очищенного газа, в нем часть кинетической энергии переходит в энергию давления.

К инерционным пылеуловителям относится экранный пылеуловитель, представленный на рис. 5.10. Главная его часть — U-образный элемент, где струи запыленного газа, образованные в промежутках между профи­лями элемента, сталкиваются с его основой. Газовый поток либо отталки­вается от основы U-образного элемента, либо движется по кругу вдоль кривой составляющей элемента. При столкновениях и круговом движе­нии пыль отделяется от газового потока и попадает в пылесборник, распо­ложенный внизу.

Принцип внезапного изменения газового потока при встрече с решеткой, состоящей из наклонных пластин, использован в пылеуловителе жалюзийного типа, приведенном на рис. 5.11. Назначение жалюзийной ре­шетки - разделить газовый поток на две части: на освобожденную в

значительной мере от пыли и составляющую 80-90% всего количества газа и на содержащую основную массу пыли, улавливаемую затем в циклоне или другом достаточно эффективном пылеуловителе, составляющую 10-20%. Очищенный в циклоне газ возвращается в основной поток газов, очи­щенных при помощи жалюзийной решетки.

Конструкции жалюзийных пылеуловителей представлены на рис. 5.12 и 5.13. Жалюзийный пылеуловитель конического типа отличается боль­шей эффективностью. Запыленный газ поступает в широкую часть усе­ченного конуса, имеющего почти по всей поверхности жалюзевидные щели. Газовый поток изменяет свое направление, чтобы пройти через ко­нус, тогда как пыль проходит прямо до конца конуса вместе с некоторой частью газового потока, откуда она выбрасывается во вторичный коллек­тор. При повышении скорости подачи газа к пластинам решетки степень улавливания пыли в жалюзийном пылеуловителе вначале быстро растет; начиная со скорости 10 м/с этот рост замедляется. Обычно скорость газов в жалюзийном пылеуловителе составляет 12—15 м/с.

На степень очистки влияет скорость движения газов, отсасываемых в циклон. Для того чтобы в циклон было отведено как можно больше пыли, эта скорость должна быть не меньше скорости газов при подходе к решет­ке. Обычно жалюзийные пылеуловители применяют для улавливания ча­стиц пыли крупнее 20 мкм. Недостатками жалюзийного пылеуловителя являются: изнашивание пластин решетки при высокой концентрации, особенно крупной пыли и возможность образования отложений при ох­лаждении газов до точки росы. Гидравлическое сопротивление 100-500 Па. Температура газов, очищаемых при помощи жалюзийной решетки из углеродистой стали, не должна превышать 450 °С. При более высоких темпе­ратурах пластины жалюзийной решетки отливают из чугуна.

Ориентировочно степень улавливания в жалюзийном пылеуловителе можно оценить по формуле

где η_ц — степень улавливания той же пыли при аналогичных условиях в цик­лоне НИИОгаз ЦН-15; К_ж — коэффициент, лежащий в пределах 2,5-4,0.

Более точно эффективность очистки жалюзийных пылеуловителей, как, впрочем, и остальных инерционных пылеуловителей, можно опреде­лить по формуле (5.3). При этом используют данные фракционной эффек­тивности в виде кривых (см. рис. 5.9, 6) или в табличной форме (табл. 5.4).

Приведенная эффективность определялась при очистке газа от золы плотностью р = 2600 кт/м³.

На коэффициент очистки большое влияние оказывает степень отсоса

(табл. 5.5).

ФИЛЬТРЫ

Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным пыле­улавливающим устройствам.

Преимущества фильтров:

— более высокая степень очистки газов от взвешенных частиц, чем в газоочистных аппаратах других типов (фильтры обеспечивают прак­тически полное улавливание частиц всех размеров, включая субмикронные);

возможность улавливания частиц при любом давлении газов; — высокая степень очистки при любых концентрациях взвешенных частиц в газах; — возможность очистки газов, нагретых до высокой температуры; — использование химически стойких материалов; — возможность полной автоматизации процесса очистки газов;

— стабильность процесса очистки и меньшая зависимость от измене­ния физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газов, чем при использовании других способов;

— простота эксплуатации. Недостатки:

— необходимость периодической замены некоторых фильтрующих пе­регородок;

— сравнительно высокий расход энергии при использовании отдель­ных видов пористых фильтров;

— громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом объем­ном расходе очищаемых газов);

— относительная сложность эксплуатации.

Применяемые в современных аппаратах фильтрующие пористые пе­регородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве сво­ем они состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые услов­но могут быть разделены на следующие типы.

Гибкие пористые перегородки: тканевые материалы из природных, син­тетических и минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волок­нистые маты); ячеистые (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры).

Полужесткие пористые перегородки: слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними.

Жесткие пористые перегородки: пористая керамика и пластмасса, спе­ченные или спрессованные порошки металлов (металлокерамика), пори­стые стекла, углеграфитовые материалы и др.; волокнистые материалы — сформированные слои из стеклянных и металлических волокон; металли­ческие сетки и перфорированные листы.

Зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные материалы; пе­риодически или непрерывно перемещающиеся материалы.

В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки совре­менные фильтры условно разделяются на три класса.

Воздушные фильтры предназначены для обеспыливания атмосферно­го воздуха в системах приточной вентиляции; кондиционирования и воз­душного отопления производственных, служебных и общественных зда­ний; подачи воздуха на технологические нужды; подстанций агрегатов питания электрофильтров. Разработано много конструкций и фильтрующих элементов, классификация которых приведена в табл. 5.21.

Абсолютные фильтры предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м³). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных веществ, а также для ультратонкой очистки при проведении некоторых тех нологических процессов или в особо чистых помещениях, где воздух слу­жит рабочей средой.

Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных га зов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м³). Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся и фильтрующей перегородке пыли, фильтры этого класса имеют устройство для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на за­данном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры этого класса нередко являются составной частью технологического обо­рудования.

Абсолютные фильтры. К абсолютным фильтрам (высокоэффективным фильтрам, или фильтрам тонкой очистки) относятся в основном волокни­стые фильтры, представляющие собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна (набивные маты из бу­маги, картона и др.). Для фильтров используют естественные или специ­ально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бу­мага) до двух метров (многослойные, глубокие насадочные фильтры долго­временного пользования).

Волокнистые фильтры могут быть подразделены на тонковолокнис­тые, глубокие и грубоволокнистые фильтры.

Тонковолокнистые фильтры. Тонковолокнистые фильтры служат для улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц разме­ром 0,05—0,1 мкм с эффективностью не менее 99%. Чаще всего применяют фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тон­ких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм). Скорость фильт­рации составляет 0,01—0,15м/с, сопротивление чистых фильтров обычно не Превышает 200-300 Па, а забитых пылью фильтров — 700-1500 Па. Улавли-|ание пыли происходит в основном за счет броуновской диффузии и эф­фекта касания, поэтому очень важно использовать волокна диаметром 0,1— I мкм. Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в большинстве случаев нерентабельна или невозможна, что является их главным недостат­ком. Тонковолокнистые фильтры предназначены для длительной работы (в течение 0,5-3 лет) с последующей заменой фильтра на новый.

В качестве тонковолокнистых сред наибольшее распространение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из поли­мерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диа­метром 1-2,5 мкм, нанесенные в процессе получения на марлевую подложку, или основу из скрепленных между собой более толстых волокон. Материа­лы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами. Малая тол­щина слоев ФП (0,2—1 мм) дает возможность получать поверхность фильт-юации до 100—150 м² в расчете на 1 м³ аппарата.

Дата добавления: 2014-12-16