Установки очистки газа
Аппараты для мокрой очистки газов от пылевых частиц
Аппараты для осаждения частиц на пленке жидкостиПенные аппаратыАппараты с распыленной поверхностью осаждения
Насадочный скруббер, представляет собой башню, заполненную слоями насадки. В качестве насадки применяют керамические кольца Рашига, кусковой кварц, кокс и т. д.
Очистка газов от пылевых частиц в насадочном скруббере может проходить достаточно эффективно (частицы размером 2-5 мкм улавливаются примерно на 70%). Однако применять насадочные скрубберы для улавливания пылевого уноса не целесообразно, так как насадка скруббера быстро забивается, особенно при улавливании труднорастворимых частиц. Возникает необходимость периодической очистки насадки - сложной и трудоемкой операции.
Мокрые циклоны. Как уже указывалось, существенным недостатком сухих циклонов является образование «вторичного уноса» в результате срыва уже осевших на стенку циклона частиц внутренними вихрями. Для более полного улавливания пылевых частиц были разработаны и внедрены в промышленность мокрые циклоны (рис. 7).
Рис. 7. Мокрый циклон ЛИОТ: 1 - корпус, 2 - входной патрубок, 3 - выходной патрубок, 4 - коллектор для подачи воды к соплам, 5 - сливное отверстие
В нашей стране мокрые циклоны впервые были предложены и исследованы в ЛИОТ. Такой циклон состоит из металлического цилиндрического корпуса с конической нижней частью. Вода подается на стенку циклона через специальные сопла, соединенные между собой общей коллекторной трубой. Запыленные газы входят в нижнюю часть циклона через входной патрубок прямоугольного сечения, расположенный тангенциально к поверхности корпуса циклона. В циклоне газы совершают вращательно-поступательное движение, направленное вверх, навстречу движению пленки воды, стекающей по стенке. Частицы пыли, содержащиеся в газах, отбрасываются центробежной силой на стенку циклона и захватываются пленкой. Сопла для подачи воды устанавливают так, что вытекающие из них струи воды направлены по касательной к внутренней поверхности циклона и в сторону вращения газов в циклоне.
В нашей стране распространены мокрые циклоны в модификации, разработанной Всесоюзным теплотехническим институтом им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ), центробежные скрубберы ЦС-ВТИ. В основном они применяются для очистки дымовых газов от частиц золы и поэтому внутренняя часть корпуса во избежание эрозии футерована.
Скрубберы ЦС-ВТИ бывают диаметром от 500 до 1700 мм, с левым и правым вращением. Вода подается к соплам под давлением 1000-1500 кгс/м². Сопла устанавливаются на расстоянии 500 мм друг от друга. Эффективность пылеулавливания в скруббере ЦС-ВТИ частиц размером более 15-20 мкм - 95%; а размером 2-5 мкм - примерно 90%.
Мокропрутковый скруббер МП-ВТИ представляет усовершенствованную модификацию центробежного скруббера ЦС-ВТИ. Для увеличения эффективности пылеулавливания во входном патрубке скруббера МП-ВТИ установлена решетка из четырех или более рядов прутков. Решетка непрерывно орошается водой и поэтому прутки постоянно покрыты пленкой жидкости.
Процесс пылеулавливания в скруббере МП-ВТИ условно можно разделить на четыре зоны, которые схематически показаны на рис. 8. В 1-й зоне частицы пыли улавливаются каплями распыленной воды вследствие инерционного механизма осаждения, во 2-й - частицы осаждаются на орошаемых прутках решетки. В 3-й зоне частицы пыли улавливаются каплями воды; в 4-й - на внутренней поверхности цилиндрической части скруббера. В этой зоне эффективность улавливания соответствует эффективности работы скруббера ЦС-ВТИ.
Рис. 8. Зона улавливания частиц в скруббере МП-ВТИ
Суммарная эффективность пылеулавливания в скруббере МП-ВТИ может достигать 92-95% при улавливании частиц, имеющих средние размеры 3-5 мкм.
К недостаткам скрубберов МП-ВТИ следует отнести быстрое корродирование металлических прутков решетки, недостаточную прочность решетки, изготовленной из смеси песка и бакелита, плохую устойчивость к износу фарфоровых прутков. Кроме того, в процессе эксплуатации зола откладывается во входном патрубке на границе сухой и мокрой зон, патрубок зарастает и, как следствие, возрастает гидравлическое сопротивление скруббера.
Пенные аппараты были предложены и детально исследованы в ЛТИ им. Ленсовета.
Принцип действия пенного аппарата основан на взаимодействии запыленного газового потока и орошающей жидкости с образованием высокоразвитой поверхности контакта между жидкостью и газом - пенного слоя. Это позволяет эффективно осуществлять как пылеулавливание, так и химическую очистку газов.
При различных нагрузках пенного аппарата по газу и жидкости на его решетках могут возникать различные гидродинамические режимы: барботажный, пенный и волновой. Пенный режим отличается от барботажного тем, что при пенном режиме линейная скорость газов выше и 'составляет 1,5-2,5 м/сек в расчете на полное сечение аппарата. Движение газов с такими скоростями позволяет создавать на поверхности щелевых или дырчатых решеток постоянно обновляющийся слой подвижной высокотурбулизированной газожидкостной пены.
При больших линейных скоростях в пенном аппарате возникает волновой режим. Работа пенного аппарата в этом режиме нецелесообразна ввиду резкого увеличения каплеуноса. Кроме того, возникающие при этом колебания слоя жидкости на решетке могут привести к тому, что часть отверстий в решетке не будет покрыта жидкостью. В этом случае часть запыленного газа пройдет через аппарат без контакта с орошающей жидкостью. Пенные аппараты наиболее эффективно работают при очистке промышленных газов с температурой до 400° С.
Пенные аппараты в зависимости от назначения могут быть с переливными устройствами и частичным протеканием жидкости через отверстия решетки (ПГС) (рис. 9, а) или с полным провалом жидкости через решетку (ПГП) (рис. 9, б).
Рис. 9. Пенные аппараты: 1 - с переливным устройством, 2 - с провалом воды через отверстия решетки
В аппаратах ПГС орошающая жидкость поступает на решетку из переливного короба через порог, определяющий высоту слоя пены, и стекает в приемный короб, а в аппаратах ПГП орошающая жидкость подается на решетку сверху и полностью проваливается через решетку в бункер аппарата.
Пенные аппараты с переливными устройствами позволяют работать при больших колебаниях нагрузки по газу и жидкости и с малым удельным расходом воды. Частичный провал орошающей жидкости обеспечивает смывание пыли, осевшей на решетке со стороны входа газов.
Конструкция пенных аппаратов с полным провалом воды более проста, но работают они при меньших допустимых колебаниях расхода газа и с повышенным удельным расходом воды.
Удельный расход жидкости на орошение пенных аппаратов с переливными устройствами составляет 0,2-0,3 л/м³ р. г., а в аппаратах с полным провалом жидкости - 0,8—0,9 л/м³ р. г.
По конструкции корпуса пенные аппараты могут быть круглого или прямоугольного сечения. Прямоугольное сечение обеспечивает более равномерное распределение жидкости, а круглое — более равномерное газораспределение. Максимальный расход газов для одного аппарата независимо от конструкции корпуса допускается до 15 м³/сек. Это вызвано необходимостью равномерной раздачи воды и газа по всему сечению аппарата. При больших объемах очищаемого газа рекомендуется устанавливать параллельно несколько пенных аппаратов.
Решеткой в пенном аппарате обычно служит перфорированный лист с равномерно расположенными отверстиями круглой или любой другой формы (свободное сечение щелевых решеток должно быть примерно на 1% меньше свободного сечения соответствующей решетки с круглыми отверстиями). Диаметр круглых отверстий должен быть от 3 до 8 мм; расстояние между отверстиями от 6 до 18 мм. Величина свободного сечения решетки зависит от назначения и режима работы пенного аппарата и составляет, как правило, 10-40% площади сечения аппарата.
Степень очистки газовых выбросов от пылевых частиц в основном зависит от их дисперсности, скорости газов в свободном сечении аппарата и высоты слоя пены.
С увеличением числа решеток эффективность пылеулавливания в пенном аппарате возрастает весьма незначительно, так как после каждой решетки повышается дисперсность пыли. Практически для пылеулавливания достаточно эффективно применение однополочных пенных аппаратов.
Повышение скорости газа в пенном аппарате оказывает положительное влияние как на эффективность пылеулавливания, так и на уменьшение его габарита. Однако при этом возрастает брызгоунос, которой начинает проявляться при скоростях газов в полном сечении аппарата более 2,5 м/сек.
В аппаратах этого типа (полых скрубберах, турбулентных аппаратах Вентури и струйных газопромывателях) пылевые частицы осаждаются в основном под действием инерционных сил на каплях орошающей жидкости, распыленной в объеме аппарата.
Полый скруббер обычно применяется для охлаждения газов, но он также может быть использован для улавливания пылевых частиц.
Для охлаждения газов полые скрубберы используются в целлюлозно-бумажном производстве после печей обжига колчедана и серных печей.
Полый скруббер представляет вертикальный цилиндр с конусным днищем и конфузорным выходом газов в верхней части аппарата. Корпус скруббера изготавливается из листовой стали. При температуре газов перед скруббером выше 500 °С его поверхность изнутри футеруется. Устройство водяной рубашки вокруг корпуса позволяет применять полые скрубберы для охлаждения газов с температурой более 1000 °С, при этом корпус аппарата может выполняться из стали.
Жидкость в объем скруббера подается через форсунки и дробится на капли. Газы в полый скруббер можно подавать в нижнюю верхнюю часть корпуса. Если газы подаются в нижнюю часть, то при противоточном движении капли промывают газовый поток, оказывая незначительное по величине сопротивление его движению. Если же газы подаются в верхнюю часть, то, кроме промывки их, происходит подсасывание газов вместе с пылевыми частицами в объем факела капель жидкости: возникает эжекционный эффект за счет относительной скорости между каплями и газовым потоком, что приводит к снижению гидравлического сопротивления скруббера.
Для орошения полого скруббера применяются форсунки различных конструкций, в большинстве случаев — цельнофакельные, позволяющие создать заполненный каплями факел жидкости, равномерно распределенный по сечению. Угол раскрытия факела небольшой и регулируется так, что направление движения капель не намного отклоняется от направления движения газов.
При распыле орошающей жидкости должны быть удовлетворены следующие требования: объем факела, образованного распыленной жидкостью, должен быть заполнен каплями; плотность орошения должна быть высокой и равномерной; должна достигаться достаточно высокая степень диспергирования жидкости на капли.
Эффективность очистки газовых выбросов от пылевых частиц в полых скрубберах невысока и составляет примерно 70% для частиц размером приблизительно 5 мкм. Удельный расход на орошение полого скруббера, предназначенного для очистки газов от пылевых частиц, доходит до 3-5 л/м³ р. г. Гидравлическое сопротивление полых скрубберов невелико и составляет 98-245 н/м².
Турбулентный аппарат Вентури (TAB). Общее для аппаратов типа трубы Вентури - наличие двух узлов: трубы Вентури и циклона-каплеуловителя. В газоочистной технике такие аппараты получили различные названия — скруббер Вентури, турбулентный промыватель, скоростной пылеуловитель или газопромыватель и турбулентный аппарат Вентури. Последнее название, по нашему мнению, наиболее полно характеризует принцип действия и конструкцию аппарата.
Труба Вентури (рис. 10) имеет три составляющие конфузор 1 или сужающуюся часть, горловину 2 и диффузор 3, или расширяющуюся часть. Орошающая жидкость подается в трубу Вентури через устройства 4. Для отделения капель жидкости от потока газов после трубы Вентури устанавливается циклон-каплеуловитель 5.
Рис. 10. Аппарат типа трубы Вентури: 1 - конфузор, 2 - горловина, 3 - диффузор, 4 - устройства для подачи орошающей жидкости, 5 - циклон-каплеуловитель
Принцип действия аппаратов с трубой Вентури можно представить следующим образом. Струи орошающей жидкости, впрыскиваемой в объем конфузора, испытывают воздействие газового потока, который имеет высокую скорость на входе в горловину вследствие изменения сечения в конфузоре. Ввиду значительной разности между скоростями движения потока газов и струй жидкости в направлении движения газа струи жидкости дробятся на капли.
Поскольку капли, имея определенную массу, не могут мгновенно принять ту большую скорость, с которой движется поток газов, то между ними и пылевыми частицами, содержащимися в газах и имеющими скорость газового потока, создаются высокие относительные скорости. Это приводит к интенсивному столкновению частиц с каплями под действием сил инерции и улавливанию частиц каплями. В диффузоре в результате увеличения сечения скорость газового потока падает. Роль диффузора главным образом заключается в восстановлении давления. Кроме того, капли, имея различные размеры и, следовательно, обладая различными силами инерции, движутся в диффузоре с различными скоростями. Это приводит к их столкновению и слиянию. Укрупнение капель в диффузоре способствует более полному их отделению от потока газов циклоне-каплеуловителе (сюда смесь газа и капель поступает через переходный патрубок, устанавливаемый тангенциально). Капли отделяются от потока газов в циклоне-каплеуловителе под действием центробежных сил. Процесс очистки газа заканчивается удалением капель жидкости через сливное отверстие в нижней части циклона.
Практика показывает, что в зависимости от дисперсного состава частиц скорость газов в горловине должна составлять 40-120 м/сек, а удельный расход орошающей жидкости 0,25-1,5 л/м³, причем большим значениям скорости соответствуют меньшие значения удельного расхода и наоборот.
В производственных условиях количество газов, подаваемых на очистку, может подвергаться значительным колебаниям. При этом необходимое для сохранения эффективности аппарата постоянство скорости газов обычно достигается применением специальных конструкций труб Вентури с регулируемым сечением горловины.
Струйный газопромыватель (эжекторный скруббер) по конструкции и принципу осаждения пылевых частиц на каплях орошающей жидкости относится к высокоскоростным турбулентным аппаратам. Этот аппарат состоит из трубы-смесителя и каплеуловителя. Орошающая жидкость под высоким давлением поступает через распылитель, с помощью которого она дробится на капли, в объем трубы-смесителя и смешивается с газами. В каплеуловителе происходит разделение жидкости и газов.
Высокоскоростная струя орошающей жидкости движется вдоль оси трубы-смесителя (при установке нескольких распылителей струи движутся параллельно оси трубы-смесителя). Направление движения этой струи и газов совпадают, а скорость движения капель жидкости выше скорости движения газов. Поэтому в трубе-смесителе под действием потока капель жидкости газы перемещаются по тракту — возникает процесс эжекции. Интенсивность процесса эжекции характеризуется массовым коэффициентом эжекции и относительным напором.
Перемещение газов в направлении движения капель жидкости объясняется преобладающим влиянием сил, вызванных лобовым давлением этих капель на окружающий газ.
Одновременно на газовый поток воздействуют силы всасывания. Направление действия сил всасывания не совпадает с основным направлением движения двухфазного потока. Эти силы возникают в результате создания зон с пониженным давлением в кормовой области каждой капли и по поперечному сечению факела от его краев к центру, вызывая проникновение газов внутрь факела, что в свою очередь приводит к эффективному смешению газового и жидкостного потоков.
Процесс пылеулавливания в трубе-смесителе струйного газопромывателя так же, как и в других аппаратах, в которых пылевые частицы осаждаются на каплях орошающей жидкости, связан в основном с действием сил инерции.
Конструкция струйного газопромывателя аналогична турбулентному аппарату Вентури. Труба-смеситель (рис. 11) состоит из конфузора и диффузора, между которыми в ряде случаев устанавливается камера смешения (по аналогии с горловиной в трубе Вентури). Эта камера предназначена для повышения эффективности взаимодействия газового потока и потока капель орошающей жидкости, а также для выравнивания скорости газового потока, что обеспечивает его поступление в диффузор с нормальным для турбулентного движения распределением скоростей по поперечному сечению. Камера смешения позволяет более свободно выбирать место установки распылителей орошающей жидкости для того, чтобы полностью перекрыть факелом капель жидкости поперечное сечение трубы смесителя. В струйном газопромывателе применяют механические распылители типа струйновихревых или каскадных.
Рис. 11. Струйный газопромыватель: 1 - конфузор, 2 - камера смешения, 3 - диффузор, 4 - каплеуловитель
Для улавливания капель жидкости после трубы-смесителя устанавливают каплеуловители (гравитационные и инерционные). В случае грубодисперсного распыла жидкости применяют гравитационные каплеуловители — вертикальные полые башни. При высокодисперсном распыле устанавливают инерционные распылители — циклоны ЦС-ВТИ, жалюзийные и т. п.
| 
