Очистка газовых выбросов от пылей
Учитывая распространенность и важность очистки воздуха от твердых частиц, рассмотрим вопросы пылеулавливания, акцентируя внимание на особенностях этих процессов.
Очистка от пыли необходима не только при выбросах в атмосферу, но и воздуху, поступающему в помещения для обеспечения требуемых санитарно-гигиенических условий и технологических требований, а также защиты вентиляционного оборудования (например, калориферы, воздухоохладители и т.д.) от загрязнений, в результате чего снижаются их теплотехнические и аэродинамические показатели.
Выбор системы очистки зависит от вида пыли, концентрации, физикохимических свойств. К последним относятся дисперсность, плотность, слипаемость, электрозарядность, горючесть, взрывоопасность, самовоспламеняемость и т.д. Эти показатели, характеризующие свойства, приводятся в атласах промышленной пыли.
Аппараты для очистки воздуха от пыли отличаются большим разнообразием и по своему назначению подразделяются на пылеуловители и воздушные фильтры. Первые служат для санитарной очистки воздуха, удаляемого в атмосферу.
Пылеуловители бывают двух видов: сухие пылеуловители без применения жидкости и мокрые - с использованием жидкости. Сухие пылеуловители подразделяются на гравитационные, инерционные, фильтрационные и электрические.
В гравитационных устройствах частицы пыли оседают под действием силы тяжести. Это так называемые пылеосадочные камеры.
В инерционных очистных устройствах улавливание частиц происходит под действием сил инерции, возникающих при изменении направления или скорости потока газов. Эти аппараты делят на жалюзийные (пластинчатые, конические), циклонные (прямоточные, вихревые, возвратно-поточные), ротационные.
В фильтрационных устройствах улавливание частиц пыли происходит при прохождении через пористые материалы. Они включают тканевые фильтры (каркасные, рукавные), волокнистые (ячейковые, панельные, рукавные), зернистые (ячейковые, барабанные).
В электрофильтрах улавливание частиц пыли происходит на основе сообщения им заряда с последующим осаждением на электродах.
В пылеуловителях мокрого типа процесс сепарации заканчивается при контакте твердых частиц с жидкостью. Контакт происходит на смоченных стенках, перегородках, на каплях или свободной поверхности воды.
Мокрые пылеуловители подразделяют на инерционные, фильтрационные и электрические.
К инерционным пылеуловителям относят скрубберы, циклоны с водяной пленкой, аппараты ударного действия.
Фильтрационные мокрые аппараты включают различные пенные пылеуловители, а также барботажного типа и с подачей воздуха под утопленную в воде решетку.
В мокрых электрофильтрах вода подается в виде пленки на осадительные электроды. По эффективности работы пылеуловители подразделяют на пять классов.
Пылеуловители в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, предназначенные для очистки воздуха, подаваемого в помещение, выделяют как воздушные фильтры.
Необходимость очистки воздуха определяется его состоянием в месте забора и требованиями к его чистоте в помещениях. Как правило, воздух очищают в следующих случаях: дня уменьшения запыленности воздуха, подаваемого в помещения; для защиты теплообменников, оросительных устройств, приборов автоматики и другого оборудования вентиляционных камер и кондиционеров от запыления; для предохранения ценной внутренней отделки и оборудования в помещениях разного назначения; для поддержания заданной чистоты воздуха в специальных помещениях.
По конструктивным особенностям воздушные фильтры подразделяют на смоченные пористые (ячейковые и рулонные), сухие пористые (ячейковые, рулонные, панельные), электрические. По эффективности воздушные фильтры подразделяют на три класса (таблица 6.17)
Расчет пылеочистных систем состоит преимущественно в определении степени очистки, гидравлического сопротивления, затрат, подборе вентиляционных устройств, компоновке оборудования
Для расчета пылеуловителя необходимо иметь следующие данные физико-химические свойства пыли, ее дисперсность и фракционный состав, количество очищаемого воздуха, начальную концентрацию пыли в очищаемых газах, минимальную степень очистки, располагаемое давление перед очистным устройством
К числу основных показателей при выборе пылеочистного устройства, характеризующих его работу, кроме степени очистки, относят пылеемкость, скорость фильтрации, аэродинамическое сопротивление, стоимость очистки Пылеемкость, г или кг, определяется массой пыли, которая накапливается между очередными процессами регенерации при условии, что аэродинамическое сопротивление очистного устройства возрастает в 2 3 раза от начального (для пылеуловителей объем бункера для накопления уловленной пыли)
Отношение объемного расхода очищаемого газа к площади фильтрующей поверхности, называется скоростью фильтрации или нагрузкой по газу, м3/(м2-мин).
Аэродинамическое сопротивление определяется разностью давлений на вход и выходе в очистной аппарат, Па.
Стоимость очистки газов, отнесенная к 1000 м3/ч включает в себя капитальные и эксплуатационные расходы очистной установки.
Данные по пылеемкости, скорости фильтрации, допустимому аэродинамическому сопротивлению имеются в характеристике очистных устройств, которые как и методики расчета пылеочистных устройств изложены в учебной и справочной литературе [5, 9, 13, 15].
Например, подбор воздушных фильтров для приточных камер систем вентиляции рекомендуется производить в следующей последовательности:
1. Исходя из поставленных задач выбирают класс фильтра.
2. Выбирают тип фильтра, принимают его воздушную нагрузку и определяют типоразмер фильтра или площадь фильтрующей поверхности.
3. Устанавливают начальное аэродинамическое сопротивление.
4. По концентрации пыли в воздухе и степени очистки устанавливают количество пыли, уловленной в единицу времени, час, сутки.
5. По пылеемкости фильтра определяют период его работы до регенерации, смены масла, замены фильтрующего материала.
6. Рассчитывают стоимость очистки.
Аэродинамическое сопротивление очистного устройства для выбора вентилятора следует принимать при условии достижения допустимой пылеемкости.
Поскольку пыль, содержащаяся в газовых выбросах, может иметь значительную разбежку по дисперсному составу, а эффективность улавливания частиц различных размеров не одинакова, введено понятие фракционной степени очистки. Фракционная степень очистки показывает массовую долю данной фракции пыли, содержащейся в пылеуловителе. Когда известны фракционный состав пыли и соответственно фракционная степень очистки пылеуловителя, то общую степень очистки находят из выражения
Полидисперсностью состава промышленных пылей определяется целесообразность последовательного применения нескольких типов пылеуловителей, соответственно для каждой фракции. Например, для местных отсосов на участке выбивания земли в литейных цехах можно использовать последовательно пылеосадочную камеру (коллектор, жалюзийный пылеуловитель), циклон, рукавный фильтр. В таком варианте требуемая степень очистки порядка 98% может быть достигнута при минимальных затратах.
Пыль способна гореть, самовоспламепяться, образовывать с воздухом взрывоопасные смеси даже в тех случаях, когда исходный материал является негорючим. Причиной является увеличение суммарной поверхности и свободной поверхностной энергии системы, что повышает химическую активность, в частности, способность к окислению с выделением теплоты.
Показатели пожаро- и взрывоопасности пыли определяются экспериментально. Важнейшими из них являются температура воспламенения и самовоспламенения, концентрационные пределы взрыва, максимальное давление взрыва.
Наименьшую температуру вещества, при которой после воспламенения от внешнего источника зажигания наблюдается его устойчивое горение, называют температурой воспламенения. Самовоспламенение пыли происходит в результате самоускорения экзотермической реакции окисления при условии превышения тепловыделения над скоростью отвода теплоты.
Самовозгорающиеся вещества подразделяют на три группы.
Первая группа - вещества, самовозгорающиеся при воздействии на них воздуха. К ним относятся бурые и каменные угли, торф, сажа, опилки, алюминиевая пыль, порошок эбонита и др. Причиной самовозгорания является способность к окислению при низких температурах. Активизировать этот процесс можно при наличии примесей, обладающих каталитически активными свойствами, способствующими процессам окисления.
Вторая группа - вещества, самовозгорающиеся под действием воды. К ним относятся калий, натрий, карбид кальция, негашеная известь и др. Причиной загорания многих из них является выделение в процессе реакции водорода и повышение температуры.
Третья группа - вещества, самовозгорающиеся при смешении друг с другом. В эту группу входят различные окислители. Например, азотная кислота, разлагаясь, выделяет кислород, что может вызвать самовозгорание органических веществ.
Пыль, находящаяся в воздухе, может воспламеняться, взрываться только при определенных пределах концентраций. Взрыв является одной из разновидностей реакции горения, когда наблюдается практически мгновенное протекание реакции в объеме.
Минимальное и максимальное значения концентрации пыли, при которых она способна воспламеняться, называется нижним и верхним концентрационным пределом взрываемости. Концентрации ниже нижнего и выше верхнего концентрационного предела взрываемости являются безопасными.
Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе, взрывоопасна, а осевшая - пожароопасна. Однако при подъеме осевшей пыли в результате горения, локального микровзрыва, удара и т.п. она может переходить во взвешенное состояние и стать средой для последующего взрыва или ряда взрывов.
Возможная динамика последовательного развития взрывов с возможностью нарастания их мощности должна быть проанализирована при проектировании систем пылеочистки.
Взрыво- и пожароопасные пыли подразделяют на четыре класса:
I класс - пыли с нижним пределом взрываемости до 15 г/м3; к ним относятся аэрозоли сахара, торфа, эбонита, шрота подсолнечника, хлопка;
II класс - взрывоопасные пыли с нижним пределом взрываемости от 16...65 г/м3; к ним относятся аэрозоли крахмала, мучная и чайная пыль;
III класс - наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения до 250°С, например, табачная пыль;
IV класс - пыли с температурой самовоспламенения выше 250°С, например, древесные опилки.
На взрывоопасность пылей, а также силу взрыва и температуру самовоспламенения оказывает существенное влияние дисперсность частиц. Так, с уменьшением дисперсности давление в месте взрыва возрастает, а температура самовоспламенения смеси уменьшается.
Взрывоопасность пыли зависит также от наличия в ней инертных примесей, влажности и выделения горючих газов.
Присутствие в пыли инертных частиц или газов снижает взрывоопасность, вплоть до превращения ее при соответствующих соотношениях в пожаро- и взрывобезопасную. Например, при содержании кислорода в воздухе менее 10% воспламенение пылей не происходит. Аналогично, как балласт, влияет на указанные свойства влажность.
Возможность выделения летучих горючих газов из пылей резко повышает пожаро- и взрывоопасность.
Все многообразие факторов горючести и взрывчатости пылей должно быть в обязательном порядке учтено при разработке конкретных очистных систем с целью уменьшения вероятности аварии. При этом следует помнить, что показатели пожаро- и взрывоопасности пылей определяются экспериментально. Существующие для этого методы не позволяют воспроизводить различные сочетания реальных условий, при которых возможно загорание или взрыв пыли. Поэтому результаты соответствующих рекомендаций по гарантии безопасности в определенной степени условны и каждая из очистных систем должна быть проанализирована на возможность минимального ущерба в случае аварии.
При выполнении курсовой работы в части пылеулавливания рекомендуется осуществлять подбор и расчет циклонов, как одного из универсальных устройств, используемых в общей системе очистки газовых выбросов сложного состава.
В настоящее время циклоны являются наиболее распространенным видом пылеуловителей. Только в СНГ их применяется более 20-ти типов. Наиболее распространенные из них типы ЦП, СДК-ЦН, СИОТ, ЛИОТ, МИОТ, ВЦНИИОТ, ОЭКД и др. На рис. 6.3 изображены схемы наиболее распространенных из них.
Принцип работы циклона заключается в следующем. Поток запыленного воздуха входит тангенциально через патрубок в верхнюю часть циклона и, закручиваясь, поступает но кольцевому пространству, образованному цилиндрической частью циклона и выпускной трубой, в его внутреннее пространство. Под действием центробежной силы частицы пыли при- жимаются к стенкам циклона и под влиянием сил тяжести опускаются вниз и через выпускное отверстие проходят в бункер, из которого пыли периодически удаляются через пылевой затвор.
'
Циклоны имеют преимущества перед другими пылеуловителями, обусловленные небольшой их стоимостью, простотой устройства и обслуживания, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением и высокой производительностью. Вместе с тем в них плохо улавливаются частицы размерами менее 5 мкм. Это является главным недостатком, но одновременно генеральным направлением поиска путей дальнейшего совершенствования конструкции циклонов.
Хотя первые циклоны появились в промышленности более 100 лет назад, работы по совершенствованию их конструкций и улучшению показателей продолжаются Изобретательская мысль до сих пор находит новые сочетания простоты конструктивного исполнения со сложностями аэродинамических и физических процессов сепарации различных пылей и смесей. Показательно и само развитие конструкции циклонов в историческом аспекте Это - не традиционный путь развития, когда старая модель отживает свой век и заменяется новой Все известные конструкции применяются и сосуществуют одновременно Причина в том, что для определенных видов пылей, имеющих различные физико-химические показатели, опытным путем создавалась оптимальная модель циклона Можно даже утверждать, что для каждой отрасли промышленности создавался свой циклон. Например, для золы из дымовых газов котельных, помольных и сушильных установок, горелой земли литейных цехов рекомендуются цилиндрические циклоны типа ЦН.
Область применения центробежных пылеуловителей весьма широка так как они могут использоваться для очистки воздуха, выделяющегося при таких технологических процессах, как сушка, обжиг, агломерация, сжигание топлива и многих других. Поэтому главной задачей, предшествующей расчету центробежных пылеуловителей, является подбор оптимального типа циклона, который бы удовлетворял требованиям эффективности очистки, аэродинамического сопротивления, металлоемкости, производительности, габаритных размеров и надежной работы.
Единого критерия для выбора оптимальной формы не существует. Однако в конструкциях современных циклонов все четче проявляется тенденция развития конусной части. Для того чтобы установить связь между геометрической формой циклонов и их эффективностью, необходимо установить влияние на последнюю сложной аэродинамики воздушных потоков, возникающих в этих аппаратах.
Центробежные пылеуловители могут использоваться в системах пылеочистки для выделения из потока воздуха как крупнозернистых (скорость воздуха во входном патрубке 8...10 м/с), так и мелкозернистых и порошкообразных материалов 12...16 м/с). При этом они могут применяться в качестве I или II ступени системы очистки запыленного воздушного потока, в зависимости от требований, предъявляемых к чистоте воздуха. В том случае, когда имеем дело с токсичными или взрывоопасными средами, а также для улавливания частиц сильно слипающихся материалов, необходимо использовать специальные типы циклонов. Тип циклона необходимо выбирать в зависимости от вида и свойств пыли (таблица 6.18).
Скорость запыленного воздушного потока, подводимого в циклон, принимается 16-22 м/с, при этом достигается максимальная эффективность работы циклона. Верхний предел скорости обусловливается тем, что с ее повышением эффективность очистки увеличивается незначительно, а сопротивление возрастает пропорционально квадрату входной скорости воздуха. При входной скорости воздуха выше 30 м/с эффективность очистки может значительно снизиться.
Наиболее широко на практике применяются одиночные цилиндрические и конические циклоны типа НИИОГАЗ. К цилиндрическим относятся циклоны типов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24. Отличительной особенностью этой группы аппаратов является наличие удлиненной цилиндрической части, угол наклона крышки и входного патрубка а, равный соответственно 11, 15, 24°, и одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы Др к диаметру циклона Д, равное 0,59. Циклон типа ЦН-15У (укороченный) имеет меньшую высоту.
К коническим относятся циклоны типа СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СК- ЦН-22. Они отличаются длинной конической частью, спиральным входным патрубком и малым отношением диаметров выхлоп, ной трубы к корпусу циклонов (соответственно 0,33-0,34; 0,22). Циклон типа СК-ЦН-22 применяется для улавливания пылей, обладающих повышенной абразивностью или высокой слипаемостью. Потери давления в этом циклоне значительно выше, чем в других конических циклонах.
Применяются также циклоны с различными конструктивными особенностями.
В зависимости от производительности по воздуху циклоны можно устанавливать по одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из 2, 4, 6, 8 штук (групповые циклоны). Эффективность очистки воздуха в циклоне определяется дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемого материала, массой отдельных частиц и скоростью движения воздуха в подводящем патрубке, конструкцией и размерами циклонов, а также вязкостью воздуха, зависящей от его температуры. При уменьшении диаметра циклона и повышении до определенного предела скорости загрязненного воздуха эффективность очистки в циклоне возрастает. Она может быть рассчитана исходя из данных фракционной эффективности.
Для увеличения срока службы циклонов, подвергающихся абразивному износу, в местах наибольшего износа (в нижней части конуса, во входной части улитки) с наружной стороны, стенок рекомендуется приваривать дополнительные листы. Циклоны диаметром менее 0,8 м из-за повышенного абразивного износа нельзя применять для улавливания частиц абразивных материалов.
Вопросы конструктивного исполнения циклонов и пылеуловителей широко представлены в различных источниках [5, 13, 15].
В инженерных расчетах указанных пылеуловителей широко пользуются графиками функциональной эффективности циклонов выбранного типа, испытанных при стандартных условиях. Такие графики получены для различных циклонов при диаметре ?> = 500 мм, скорости движения воздуха, принятой по приложению 6.5, плотности пыли р-=2670 кг/м3; динамической вязкости воздуха p = 17,75 10б Па-с и представлены на рисунке 6.4.
ПРИМЕР 6.16. Требуется очистить от пыли, удаляемой вентиляционными установками, загрязненный воздух в объеме 40000 м3/ч. Температура очищаемого воздуха 250°С. Плотность 1,25 кг/м3, плотность материала пыли 1500 кг/м3, фактическое давление 986,60 Па, аэродинамическое сопротивление не должно превышать Р = 550 Па. Дисперсионный состав пыли приведен в таблице 6.19.
Начальная запыленность очищаемого воздуха 20 г/м3, эффективность улавливания пыли должна быть не ниже 80%.
Решение. Выбираем циклон конструкции НИИОГАЗ типа ЦН-15 с диаметром Z?4=800 мм. Учитывая величину расхода воздуха очищаемого целесообразно установить группу циклонов. По табличным данным коэффициент аэродинамического сопротивления одного циклона равен 105 группы, согласно условию, он не должен превышать, с учетом коэффициента запаса, 500 Па (550:1,1). Ориентировочно для расчета принимаем аэродинамическое сопротивление 450 Па. Определяем плотность очищаемого воздуха при рабочих условиях
В этом случае скорость воздуха в циклоне определяется исходя из условия, что величина аэродинамического сопротивления циклона определяется как функция скорости воздуха, отнесенная к площади всего сечения цилиндрической его части, т.е.
При этом производительность одного циклона ЦН-15
Определив количество циклонов, уточняем основные параметры: производительность по воздуху 40000/6 = 6660 м3/с; скорость воздуха в циклоне
Эффективность очистки удаляемого воздуха, т.е. степень улавливания пыли (по фракциям) в зависимости от заданного дисперсного состава пыли
Полученная расчетная степень очистки соответствует требованиям заданного условия.
