Пылеулавливающее оборудование

Лекция №4 Пылеулавливающее оборудование Базовые литературные источники: Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - с.: ил., библиогр. Пылеулавливающее оборудование при всем его многообразии может быть классифицировано по ряду признаков: по назначению, по основному способу действия, по эффективности, по конструктивным особенностям. В соответствии с ГОСТ 12.2.043-89 «Оборудование пылеулавливающее. Классификация.» аппараты очистки в зависимости от размеров улавливаемых частиц и эффективности их улавливания разделены на пять классов (табл. 1). Требования к улавливанию частиц в зависимости от класса аппарата Табл. 1 Класс аппарата Размеры эффективно улавливаемых частиц, мкм Эффективность (улавливания) по массе пыли, при группе дисперсности пыли (в процентах) I II III IV V I Более 0,3 – 0,5 ─ ─ ─ 80 – 99,9 Менее 80 II Более 2 ─ ─ 92 – 99,9 45 – 92 ─ III Более 4 ─ 99 – 99,9 80 – 99 ─ ─ IV Более 8 Более 99,9 95 – 99,9 ─ ─ ─ V Более 20 Более 99 ─ ─ ─ ─ Часто в зависимости от коэффициента очистки аппараты делят на две группы: грубой очистки и тонкого обеспыливания. Однако понятие грубой очистки и тонкого обеспыливания являются относительными в зависимости от вида производства и задач обеспыливания. По ГОСТ 12.2.043—89 все оборудование для санитарной очистки газов и воздуха от взвешенных дисперсных частиц подразделяется на две категории: аппараты сухой очистки и аппараты мокрой очистки. В свою очередь аппараты, использующие сухие методы очистки, по сущности происходящих в них физических явлений подразделяются на гравитационные, инерционные, фильтрационные и электрические. Пылеулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения пыли от воздушного потока применяют следующих исполнений: оборудование для улавливания пыли сухим способом, при котором отделенные от воздуха частицы пыли осаждаются на сухую поверхность; оборудование для улавливания пыли мокрым способом, при котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием жидкостей. Выбор оборудования при формировании системы пылеулавливания зависит от конкретных требований производства и физико-механических и физико-химических свойств дисперсных частиц. Структурные характеристики различных систем пылеулавливания представлены в Табл. 2. Структурные характеристики систем пылеулавливания Табл. 2 Системы пылеулавливания Показатели Минимальный размер частиц улавливаемых с высокой эффективно-стью, мкм (примерный) Нижняя предельная темпера-тура газа Стой-кость к коррозии Стоимость очистки по отношению к низко-напорным циклонам (примерная) Пыле-улови-тели Гравитационные 40 – 50 Выше точки росы Высокая ─ Центробежные низконапорные 30 – 40 Выше точки росы Высокая 1,0 – 1,5 Центробежные средненапорные 5 – 28 Выше точки росы Высокая 2,0 – 3,0 Мокрые низконапорные 2 – 5 Любая Нужна ант. защ. 2,5 Мокрые высоконапорные 0,1 – 1 Любая Нужна ант. защ. 2,5 Фильтры (тонкой очистки) Тканевые 0,1 Выше точки росы Высокая 3,0 – 7,5 Электрические 1 – 0,25 Выше точки росы Высокая 5,0 – 15,0 Основным показателем, характеризующем работу аппаратов очистки воздуха от пыли в тех или иных конкретных случаях их применения, является коэффициент (степень) очистки (эффективность обеспыливания), %: (1) Где, массы частиц пыли содержащихся в газах соответственно: Мвх – на входе в аппарат (до очистки); Мул – уловленных в аппарате; Мвых – на выходе из аппарата (после очистки). При последовательной установке нескольких аппаратов (каскадная, или многоступенчатая очистка), применяемой для более полного обеспыливания воздуха, суммарный коэффициент (эффективность) очистки определяется по формуле, в %: (2) Где ε1, ε2, …, εn – коэффициент (эффективность) очистки каждого из аппаратов входящих в каскад, в процентах. Механическое пылеулавливание Термин «механические осадители» обычно используют для обозначения устройств, в которых частицы осаждаются под действием либо сил тяжести или инерции, либо и тех и других. Простейшим сепаратором твердых взвешенных частиц является пылеосадительная камера, в которой запыленный газовый поток перемещается с малой скоростью, делающей возможным гравитационное осаждение (седиментацию) транспортируемой взвеси. Для достижения приемлемой эффективности очистки газов данными устройствами необходимо, чтобы частицы находились в пылеосадительных аппаратах возможно более продолжительное время, а скорость движения пылевого потока была незначительной. Поэтому данное оборудование относится к категории экстенсивного оборудования, рабочие объемы таких аппаратов весьма значительны, что требует больших производственных площадей. Пылеосадительные камеры В промышленности пылеосадительные камеры используются в качестве устройств предварительной обработки газов, например, для отделения крупных частиц и разгрузки аппаратов последующих ступеней. В связи с этим данное оборудование используют только на первых ступенях систем газоочистки для осаждения частиц крупных размеров (более 100 мкм). Обычно средняя расходная скорость движения газов в пылеосадительньк камерах составляет 0,2…1 м/с, а в пылевых мешках – 1…1,5 м/с. На рис. 1 представлены наиболее распространенные конструкции пылеосадительных камер и пылевых «мешков». Для равномерного газораспределения по сечению пылеосадительные камеры могут снабжаться диффузорами и газораспределительными решетками, а для снижения высоты осаждения частиц - горизонтальными или наклонными полками. Эффективность улавливания частиц с помощью гравитационного осаждения можно повысить, уменьшая требуемый путь их падения. Это можно осуществить, помещая в камеру горизонтальные пластины, что превращает ее в группу небольших параллельных камер. В некоторых конструкциях пылеосадительных камер для повышения их эффективности предусматривается устройство цепных или проволочных завес и отклоняющихся перегородок. Это позволяет дополнительно к гравитационному эффекту использовать эффект инерционного осаждения частиц при обтекании потоком газов различных препятствий. Действие силы тяжести может быть увеличено инерционными силами, если к потолку камеры прикрепить вертикальный экран. При обтекании газовым потоком нижней кромки экрана частицы будут увлекаться вниз инерционной силой, возникающей при искривлении линий тока газа. Рис. 1 Пылеосадительные камеры и простейшие пылеосадители инерционного действия: а – простейшая пылеосадительная камера; б –многополочная камера; в – камера с перегородками; г – камера с цепными или проволочными завесами; д – пылевой «мешок» с центральным подводом газа; е – пылевой «мешок» с боковым подводом газа; ж – пылеосадитель с отражательной перегородкой. Конструирование осадительных камер основано на подсчете сил, действующих на частицу, и скорости вертикального движения вниз под действием результирующей силы. В соответствии с законом Ньютона чистое ускорение вертикального движения частиц определяется результирующим действием силы тяжести, плавучести и сопротивления среды. В диапазоне применимости закона Стокса скорость осаждения находится просто: (3) Где g – ускорение свободного падения, м; dч – диаметр (эффективный) частиц, м; ρч – средняя плотность частиц, кг/м3; ρс – плотность среды (воздуха), кг/м3; μ – динамическая вязкость среды (воздуха), Па∙с. Ниже в Табл. 3 приведены данные по скорости осаждения (песчаных – кремнийсодержащих) пылевых частиц определенная согласно экспериментальным данным и закону Стокса. Скорость осаждения (песчаных – кремнийсодержащих) пылевых частиц Табл. 3 Диаметр частиц, мкм Скорость осаждения, м/c по экспериментальным данным рассчитанная по закону Стокса 0,1 8,7∙10-7 8,71∙10-7 0,2 2,3∙10-6 2,27∙10-6 0,4 6,8∙10-6 6,85∙10-6 1,0 3,5∙10-5 3,49∙10-5 2,0 1,19∙10-4 1,19∙10-4 4,0 5,10∙10-4 5,00∙10-4 10,0 3,06∙10-3 3,06∙10-3 20,0 1,20∙10-2 1,20∙10-2 40,0 4,80∙10-2 5,00∙10-2 100,0 0,246 0,25 400,0 1,57 4,83 1000,0 3,82 30,50 Частица, входящая в осадительную камеру со скоростью, равной скорости газа v0 с высотой камеры H должна следовать прямолинейной траектории. Осядет или нет данная частица, определяется из условия сопоставления максимального времени осаждения для частицы данного (и большего) диаметра и времени пролета частицы внутри камеры: (4) Где: L – длинна пылеосадительной камеры; H – высота пылеосадительной камеры; v0 – скорость (средняя) газа внутри осадительной камеры; wос – скорость осаждения частиц диаметром dч. Данное выражение определяет высоту и длину простейшей осадительной камеры при известной скорости течения газа, при требовании осаждения частиц с диаметром ≥ dч. Циклоны Наибольшее распространение в системах пылеочистки получили циклоны. Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и технологических выбросов во всех отраслях народного хозяйства. На практике система улавливания частиц создается путем придания запыленному потоку закрученного или вращательного движения, ограниченного цилиндрическими стенками. Частицы осаждаются при отбрасывании на стенки. Такое устройство называется циклоном. Эффективность циклонов можно объяснить на следующем примере. Частица массой m двигающаяся по круговой траектории радиуса r с тангенциальной скоростью uт, подвержена действию центробежной силы m∙uт2/r. Для типичных условий uт = 15 м/с, r = 0,6 м эта сила примерно в 38 раз превышает силу тяжести. Поэтому указанная сила может резко увеличить осаждение в камере. Циклоны просты в изготовлении, надежны в эксплуатации при высоких давлениях и температурах, обеспечивают фракционную эффективность очистки на уровне 80…95% от частиц пыли размером более 10 мкм. Циклоны в основном рекомендуется использовать перед высокоэффективными аппаратами пылеочистки (тканевыми и электрофильтрами). В ряде случаев циклоны обеспечивают эффективность очистки, достаточную для выброса газов или воздуха в атмосферу. В России и СНГ для циклонов принят стандартизированный ряд внутренних диаметров D: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм. Для всех одиночных циклонов бункеры выполняются цилиндрическими с коническим днищем. Диаметр бункера принимают 1,5 D для цилиндрических и 1,1...1,2 D для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера принимается 0,8 D, угол конусности стенок днища – 60°. Циклоны делятся на циклоны большой производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой диаметр и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые - сравнительно небольшого диаметра (до 500…600 мм). Очень часто применяют групповую установку этих циклонов, соединенных параллельно по воздуху. Эффективность очистки газа в циклонах в основном определяется дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа, зависящей от его температуры. При уменьшении диаметра циклона и повышении до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки возрастает. Поэтому диаметры серийно выпускаемых циклонов не превышают 5 м. Циклоны, как правило, используют для грубой и средней очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли. Принято считать, что они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером до 5…10 мкм, что является основным их недостатком. Однако циклоны, особенно циклоны высокой эффективности, улавливают не такую уж малую часть пыли размером до 10 мкм – до 80 и более процентов. В современных высокоэффективных циклонах, в конструкции которых учтены особенности улавливаемой пыли, удалось существенно повысить общую и фракционную эффективность очистки. Отмеченный выше недостаток обусловлен особенностями работы циклонов, в частности, турбулизацией потока запыленного воздуха, которая препятствует сепарации пыли. Разработано и применяется в технике обеспыливания большое число различных типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и т. д. Конструктивно циклоны могут быть выполнены одиночными, групповыми и батарейными. Среди одиночных и групповых циклонов наибольшее распространение получили циклоны НИИОГаза типов ЦН-15 и СК-ЦН производительностью 600…230 000 м3/ч, а среди батарейных циклонов - типов БЦ-2, ПБЦ, ЦБ-254 Р, ЦБ-150у производительностью от 12000 до 480000 м3/ч. Эффективность очистки в батарейных циклонах выше, чем в одиночных или групповых, так как в них циклонные элементы имеют значительно меньший диаметр при равных производительностях. Запыленный воздух поступает в циклон через патрубок, очищенный – удаляется через выхлопную трубу. В зависимости от способа подведения воздуха к циклону различают циклоны с тангенциальным и спиральным подводом воздуха. При прочих равных условиях циклоны со спиральным подводом обладают более высокой эффективностью очистки. Поток_запыленного воздуха входит в корпус циклона обычно со скоростью 14…20 м/с. Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часовой стрелки). Скорость газа в свободном сечении цилиндрической части циклонов должна лежать в пределах 2,5…3,5 м/с. В обычных условиях оптимальной считается скорость 3,5 м/с, а скорость 2,5 м/с рекомендуется принимать при работе с абразивной пылью. Запыленные газы подаются в циклоны через тангенциальные или аксиальные завихрители и совершают внутри аппаратов сложное вращательно-поступательное движение, характеристики которого изучены еще недостаточно. На частицы, взвешенные в потоке внутри циклона, действует сила инерции, которая стремится сместить их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под некоторым углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят вниз и попадают в пылеприемник (бункер). Частицы, не достигшие стенки, продолжают движение по криволинейным линиям тока и могут быть вынесены из циклона газовым потоком, который может захватить и некоторое количество осевших в бункер частиц. Упрощенно считая, что траектории движения взвешенных частиц близки к окружностям, можно величину возникающей силы инерции принять пропорциональной квадрату тангенциальной скорости, массе частиц и обратно пропорциональной радиусу вращения. Так, при радиусе вращения менее метра и тангенциальной скорости в пределах 10...15 м/с сила инерции на порядок превосходит силу тяжести. По этой причине сепарация частиц в циклонах происходит намного интенсивнее, чем в гравитационных осадителях. Поскольку инерционная сила пропорциональна массе, то мелкие частицы улавливаются в циклонах плохо. Степень очистки аэрозолей с размерами частиц свыше 10 мкм находится в пределах 80...95%, а более мелких частиц - намного хуже. Увеличение эффекта осаждения частиц за счет уменьшения диаметра циклона и повышения скорости потока возможно до некоторых пределов, ограниченных техническими и экономическими факторами, такими как рост энергетических затрат, ухудшение очистки вследствие повторного захвата отсепарированных частиц, абразивный износ, увеличение металлоемкости и другими. Для широко распространенных циклонов оптимальные значения скоростей потоков и конструктивных параметров установлены опытным путем и приводятся в справочной литературе. Циклоны НИИОГаз. В институте НИИОГаз разработан ряд конструкций цилиндрических и конических циклонов. Широкое распространение получили цилиндрические циклоны ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24. Цифровое обозначение циклона соответствует углу наклона крышки аппарата и патрубка, подводящего запыленный поток. Для данных циклонов характерна удлиненная цилиндрическая часть корпуса. Циклон ЦН-15у имеет укороченную коническую часть. Его применяют при ограничении по высоте, он имеет несколько худшие показатели, чем ЦН-15. Циклон ЦН-11 предназначен для очистки воздуха (газов) от сухой неслипающейся неволокнистой пыли, образующейся в различных помольных и дробильных установках и при транспортировании сыпучих материа- лов. Для улавливания взрывоопасной и легковозгораемой пыли циклоны ЦН должны быть выполнены по специальным чертежам и не иметь узлов, где могло бы происходить скопление пыли, и должны быть снабжены необходимым количеством взрывных клапанов. Цилиндрические циклоны ЦН в зависимости от требуемой производительности можно устанавливать одиночно или компоновать в группы по два, четыре, шесть, восемь циклонов. К коническим циклонам НИИОГаз относятся аппараты СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М (рис. 4.2,г; табл. 4.3). Циклоны имеют удлиненную коническую часть и спиральный входной патрубок. Циклоны обладают высокой эффективностью очистки. Они , в том числе предназначены для улавливания сажи. Циклоны СИОТ (Свердловский институт охраны труда) полностью лишены цилиндрической части. Выхлопная труба опущена в верхнюю часть конуса. Входной патрубок имеет треугольное сечение. Циклоны СИОТ применяют для очистки газов (воздуха) от сухой неволокнистой, неслипающейся пыли. При установке циклона на всасывающей линии вентилятора очищенный газ (воздух) выходит из аппарата через раскручиватель с винтовой крышкой, а при установке на нагнетательной линии - через шахту с колпаком или раскручивателем в виде плоского щита. Циклоны ВЦНИИОТ. Циклоны с обратным конусом разработаны ВЦНИИОТ (г. Москва) Применяют для улавливания сухой не слипающейся, не волокнистой и абразивной; а также слабослипающейся (сажа, тальк) пыли. Пылегазовый поток проходит в бункер через кольцевую щель между двумя соосными конусными поверхностями. Обеспыленный газ (воздух) возвращается в корпус циклона через отверстие в вершине внутреннего конуса. Для унификации циклонов (их в нашей стране применяется несколько десятков типов) в институте охраны труда (Санкт-Петербург) были проведены сравнительные испытания по единой методике. По результатом испытаний циклон ЦН-11, как обладающий наибольшей эффективностью и хорошо приспособленный для групповой установки, был рекомендован для преимущественного применения. Циклоны ЦН-15, СИОТ и ВЦНИИОТ несколько уступают по эффективности циклону ЦН-11, но имеют определенные преимущества в отношении габаритов: циклон СИОТ по высоте на 30 % меньше, чем ЦН-11, но больше его по диаметру на 17%; диаметр циклона ЦН-15 на 10% меньше, чем ЦН-11. Циклоны больших размеров имеют худшие показатели по очистке, и поэтому часто для достижения необходимой пропускной способности компонуют группы циклонов меньшего диаметра. Компоновка может выполняться прямоугольной или круговой. Группы циклонов обычно имеют общие подводящие и отводящие коллекторы, объединенный пылесборник. Бункеры групп до 4 циклонов могут выполняться круглой и прямоугольной формы, выше 4 - только прямоугольной. Группы рекомендуется компоновать из четного числа циклонов. Общее количество циклонов в группе может быть доведено до 16, однако более 8 циклонов компоновать вместе нежелательно. При большом числе циклонов практически невозможно организовать равномерное распределение газов ко всем аппаратам, что приводит к нерасчетным режимам их работы и существенному снижению степени очистки газа. Ухудшают очистку и перетоки пыли в общем бункере, из-за которых она интенсивнее, чем в одиночных циклонах, захватывается очищенным газом. Батарейные циклоны. При необходимости обеспечения большой пропускной способности используют батарейные циклоны (мультициклоны). Они состоят из циклонных элементов, объединенных в одном корпусе и имеющих общий бункер. Подключение циклонов параллельное от общего коллектора загрязненных газов, отвод очищенного газа также объединен. Циклонные элементы могут быть с возвратным потоком или прямоточные. Прямоточные элементы обладают всеми недостатками аналогичных одиночных циклонов и используются реже возвратно-поточных. В отечественных циклонных элементах подвод загрязненных газов производится коаксиально через завихрители типа "винт" и "розетка" или тангенциально через укороченные улитки. Розеточные завихрители по сравнению с винтовыми обеспечивают более высокую очистку газа, но в большей степени подвержены забиванию пылью. Для пылей третьей группы слипаемости направляющие типа "розетка" не рекомендуются, а пыли четвертой группы (сильнослипающиеся) вообще нежелательно очищать в батарейных циклонах. При проектировании циклона выбирают его геометрию, затем определяют размер, фракционную эффективность, перепад давления и потребную для каждого циклона мощность. Эти расчеты основываются на заданных скорости потока газа, составе, температуре, давлении, концентрации пыли, а также на данных о дисперсном составе пыли. Эти данные необходимы, чтобы сформулировать требования к устройству для вторичного улавлива ния пыли, если таковое предполагается использовать. Циклоны обычно выбирают из числа серийных, исходя из производительности по газовому потоку. В дальнейшем проводят расчет критического (минимального) диаметра частиц dкр, полностью улавливаемых аппаратом, эффективности улавливания пыли η и гидравлического сопротивления циклона ΔPц. Критический размер частиц может быть найден, к примеру, по следующей зависимости: (5) Где Vг – объемный расход газа; μг – динамическая вязкость газа; vвх-г – скорость газа на входе в циклон; Dц – диаметр цилиндрической части циклона; b – ширина входного патрубка, Рис. 2. Рис. 2 К расчету одиночного циклона: 1 – входной патрубок; 2 – выходная труба; 3 – цилиндрическая камера; 4 – коническая камера; 5 – пылеосадительная камера. Объем циклона – Vц, рассчитывают на основе геометрических параметров (Рис. 2), следующим образом: (6) Гидравлическое сопротивление циклонов можно рассчитать по общепринятой для однофазных потоков формуле: (7) Где vг – скорость газа в свободном сечении циклона; ρс – плотность газа; ξц – коэффициент сопротивления циклона, рассчитанный по скорости vг и зависящий от состояния поверхности аппарата, концентрации и свойств частиц, поэтому определяется для каждой конструкции по справочникам. Общее гидравлическое сопротивление циклона определяют также по условной скорости газа (воздуха) в циклоне v0, отнесенной к площади свободного сечения цилиндрической части циклона: (8) Где ξ0 – коэффициент гидравлического сопротивления циклона, отнесенный к скорости в полном сечении циклона; v0 – условная скорость газа в циклоне, находится обычно в пределах 3…3,5 м/с. Значения коэффициентов гидравлического сопротивления ряда циклонов приведены в табл. 4. Значения коэффициентов гидравлического сопротивления циклонов Табл. 4 Тип циклона Диаметр, мм Без улитки С улиткой в выхлопной трубе ξц ξ0 ξц ξ0 ЦН-11 450 6,1 250 5,2 210 ЦН-15 450 7,6 160 6,7 140 ЦН-15у 450 8,2 170 7,5 100 ЦН-24 450 10,9 80 12,5 90 СИОТ - 6,0 - 4,2 - ВЦНИИОТ 370 9,3 - 10,4 - ЛИОТ 700 4,2 460 3,7 411 ЦКК - 5,2 - - - РЦ - 5,0 - - - ЦБР - 5,6 - - -