Расчет циклона

Вследствие интенсивного вращения газа в корпусе циклона статическое давление понижается от его периферии к центру. Такая же картина наблюдается и в пылесборном бункере. Отсюда следует, что герметичность бункера должна быть полностью обеспечена не только при установке циклона на всасывающей, но и на нагнетающей стороне вентилятора. Несоблюдение этого условия приводит к резкому снижению пылеотделения в циклоне и даже к полному его нарушению.

Своеобразный смерч (рис. 3), образующийся в циклоне, пятой опирается о дно пылесборного бункера. При этом в центре смерча винтообразное движение газа направлено вверх. Нарушение вращательного движения газа в бункере неизбежно приводит к заметному снижению степени очистки. В частности, именно поэтому степень очистки в группе циклонов с общим бункером несколько ниже, чем одиночном аппарате.

В отечественной пылеочистной технике применяются различные типы циклонов одного назначения (рис. 4). Причиной такого чрезмерного разнообразия является то обстоятельство, что разработкой этих устройств на протяжении десятилетии занималось множество организаций, не координировавших свою деятельность.

До последнего десятилетия во многих отраслях промышленности широко применялся одиночный цилиндрический циклон ЛИОТ, нормаль которого была разработана еще в 1934 г. В послевоенный период большое распространение получают конические циклоны СИОТ и циклоны НИИОГАЗ ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН -24. Цифры 11, 15, 24 соответствуют углу развертки винтового подвода газа в верхней части аппарата. Индекс «У» (укороченный) присвоен циклону ЦН-15, применяемому в условиях, когда высота лимитирована [4].

Рис. 4. Типы циклонов

 

Групповые циклоны

С увеличением диаметра циклона при постоянной тангенциальной скорости потока центробежная сила, воздействующая на пылевые частицы, уменьшается и эффективность пылеулавливания снижается. Кроме того, установка одного высокопроизводительного циклона вызывает затруднения при его размещении вследствие его большой высоты. В связи с этим в технике пылеулавливания широкое применение нашли групповые (рис. 5) и батарейные циклоны.

Рис. 5. Круговая компоновка циклонов ЦН

Степень очистки в группе циклонов принимается равной степени очистки в одиночном циклоне, входящем в эту же группу, хотя экспериментально это и не доказано. Есть некоторые основания предполагать, что она несколько ниже степени очистки, достигаемой в одиночном циклоне [4].

Батарейные циклоны

Батарейные циклоны, называемые также мультициклонами, состоят из нескольких десятков и даже сотен параллельно включенных циклончиков. В отечественных конструкциях в одном аппарате насчитывается до 792 циклонных элементов.

В циклонных элементах применяются закручивающие поток устройства: двухходовой винт с лопастями, установленными под углом 25° к горизонту; розетка из 8 лопастей, устанавливаемых под углом 25 или 30°; розетка с загнутыми вверх лопастями для безударного входа потока газа; патрубок для тангенциального подвода газа.

Ось циклонных элементов может располагаться вертикально и с наклоном. Диаметр циклончиков в отечественных аппаратах принимается в пределах 150 – 250 мм.

Конфигурация камер подвода запыленного и отвода очищенного газа наиболее часто бывает клиновидная (рис. 6).

Запыленный газ через патрубок 1 входит в клиновидную форкамеру 2 и, проходя через пространство между выхлопными трубами 5, поступает в закручивающие устройства, расположенные в кольцевой щели циклонных элементов 6. Выделившаяся пыль поступает в пылесборный бункер 7. Очищенный газ через выхлопные трубы 5 проходит в сборную камеру 4 и выходит из аппарата. В крышке аппарата установлены патрубки с взрывными клапанами 3, причем численное значение их общей площади (в м2 ) должно составлять не менее 5% численного значения объема аппарата (в м2 ). Весь аппарат разделен перегородкой 9 на две параллельно работающие секции, чтобы при понижении расхода воздуха одну можно было отключить.

Рис.6. Батерейный циклон БЦ-2.

На рис. 6 изображен батарейный циклон БЦ-2, изготовляемый Кусинским машиностроительным заводом. Корпуса циклонных элементов изготавливаются из серого чугуна, выхлопные трубы и корпус аппарата – из углеродистой стали. Допустимая запыленность газа для слабослипающихся пылей 75 г/м3 , для среднеслипающихся - 35 г/м3 . Допустимая температура газа до 400°. Эффективность очистки газа от золы при d50 = 10 мкм составляет около 80%. Циклопы ВЦ-2 могут быть использованы в технологических установках на любой неволокнистой и неслипающейся пыли.

Пылеуловители батарейные циклонные ПБЦ предназначены для очистки технологических газов и воздуха сушильных установок. Они могут также быть использованы в системах аспирации углеобогатительных фабрик и на предприятиях химической промышленности. Аппараты типа ПБЦ в зависимости от типоразмера имеют от 24 до 96 сварных циклонных элементов с диаметром корпуса 250 мм и с полуулиточным входом газа. Циклонные элементы расположены с наклоном 45°. Запыленный газ входит в аппарат через патрубок и, поступая в пространство, где расположены циклонные элементы, освобождается от наиболее крупных частиц пыли, которые осаждаются в отдельном отсеке пылесборного бункера. Пыль, отделяемая в циклонных элементах, собирается в центральном отсеке. Очищенный газ через выхлопны трубы поступает в боковые камеры и выводится из аппарата через выхлопной патрубок. В камерах очищенного газа и крышках аппарата предусмотрены предохранительные клапаны. Допустимая запыленность газа 75 г/м3 , температура 120°С, расчетное давление до 0,04 МПа.

В настоящее время наиболее эффективными батарейными циклонами являются аппараты с частичной рециркуляцией газа БЦРН (рис.7).

Циклонные элементы БЦРН имеют улиточный подвод газа и снабжены конусными раскручивателями для снижения гидравлических потерь. Они, так же как и в циклонах ПБЦ, расположены под углом 45° в отсеке, который служит одновременно для сепарации крупных частиц. Под этими отсеками расположены дополнительные бункеры. Для разгрузки выделившейся пыли все бункеры снабжены шлюзовыми затворами [4].

Рис. 7. Батарейный циклон БЦРН

Рис. 8. Вихревой циклон

 

Прямоточные циклоны

Циклоны, в которых вращающийся поток газа не изменяет направления своего основного движения по оси аппарата, называются прямоточными. Вследствие их малой по сравнению с возвратно-поточными циклонами эффективности и меньшими гидравлическими потерями они находят применение в качестве первой ступени очистки перед более эффективными пылеуловителями – тканевыми или электрофильтрами.

Разновидность прямоточных циклонов представляют появившиеся в последние годы варианты вихревого циклона (рис. 8).

Запыленный воздух подводится через патрубок 6, расположенный коаксиально с цилиндрическим корпусом аппарата 4. В конце патрубка установлены розетка или винт 5 для закручивания воздушного потока, который, поднимаясь винтообразно, отбрасывает частицы пыли к стенкам аппарата. В верхней части корпуса через патрубок 2 и тангенциальные сопла 3, наклоненные вниз, подается вторичный поток. Струи воздуха, выходящие из сопел с большими скоростями в одном направлении с основным потоком, интенсифицируют его вращение и одновременно создают около стенок аппарата винтовое движение, направленное вниз. Опускающийся наружный вихрь отводит отброшенные на периферию частицы пыли в нижнюю часть 7 корпуса аппарата, где они окончательно выделяются из вращающеюся потока. Вверху цилиндрического корпуса установлена диафрагма с целью разделения восходящего и нисходящего вихрей [4].

Ротационные аппараты

К последней подгруппе инерционных пылеуловителей относятся ротационные аппараты, в которых сепарация пыли происходит вследствие вращения ротора. Эти аппараты делятся на два типа. Одни из них имеет ротор в виде вентиляторного колеса особой конструкции, который отбрасывает частицы пыли к периферии и одновременно заставляет их двигаться в радиальном направлении к кольцевой щели пылесборной улитки и далее через циклонный элемент или непосредственно в бункер. В качестве примера таких аппаратов можно привести кориолисовый пылеотделитель ПВК. Эффективность ПВК на грубой кварцевой пыли равна 77 %. Поэтому рекомендовать эти аппараты для улавливания пыли не представляется возможным.

Аппараты второго типа имеют ротор с отверстиями, через которые запыленный газ просасывается в радиальном направлении к оси ротора. Частицы пыли вследствие действия центробежной и кориолисовой сил не могут пройти через отверстия ротора в центральную зону аппарата, отбрасываются на периферию и оседают в пылесборном бункере. К таким аппаратам относятся центробежные пылеотделители Грищенко, Розенкранца и Пречистенского. Недостатками этих аппаратов являются их энергоемкость и высокие окружные скорости ротора, которые необходимы для отделения частиц мельче 10 мкм.

К ротационным аппаратам условно можно отнести вентилятор-пылеуловитель с очисткой газов в спиральной коробке (рис.9), предназначенный для сухой очистки воздуха от пыли с d > 15 мкм. Его также называют дымосос - золоуловитель, так как он находит применение для очистки отходящих газов малых котельных.

 

Запыленный газ через патрубок 11 поступает и спиральный пылеуловитель 5. В результате криволинейного движения пыль концентрируется в периферийной зоне улитки, откуда через поперечную щель и патрубок 8 отводится вместе с 15 – 19% газа в выносной циклон 9, где окончательно улавливается и скапливается в бункере 10. Из циклона очищенный газ возвращается во входной патрубок 7 крыльчатки 6, установленной для обеспечения необходимого расхода рециркулируемого газа. Перед рабочим колесом 2 дымососа 3 находится радиальное направляющее устройство 4. Крыльчатка 6 и рабочее колесо дымососа установлены на одном валу 1. Регулировка производительности дымососа осуществляется односторонним клапаном 12, смонтированным во входном патрубке 11 спирального пылеуловителя 5 [4].

1. Мокрые пылеуловители

Циклоны с водяной пленкой

В сухих циклонах частицы пыли, отброшенные под воздействием центробежной силы к стенкам аппаратов, могут быть вынесены наружу вследствие радиального стока, поперечных циркуляций и подсоса воздуха из пылесборного бункера. В случае применения жидкой пленки на внутренних стенках циклона явления так называемого вторичного уноса пыли устраняются. Кроме того, конструкция становится более компактной, так как появляется возможность применить схему прямоточного циклона.

Корпус циклона типа ЦВП (рис. 10) представляет собой цилиндр 5, к нижней и верхней части которого касательно по ходу вращения потока присоединены патрубки 2 и 8 для подвода запыленного и отвода очищенного газов. Внутренняя стенка орошается водой, стекающей по ней в виде пленки. Водоподающие сопла 6 установлены в верхней части касательно (с наклоном 30 ° вниз) к внутренней поверхности циклона по направлению вращения газового потока. Такое расположение сопел обязательно, так как предотвращает образование брызг и вынос капель воды из аппарата. Вода подводится к соплам через кольцевой коллектор 7. К нижней части цилиндра циклона припарен конус, к которому на фланце присоединяется гидрозатвор в виде конического патрубка 1 или ковша-мигалки. На входном патрубке 2 имеется подвод воды к соплам 3 для периодического смыва пылевых наростов, образующихся на границе сухой и смоченной поверхности. На верхней плоскости патрубка 2 имеется смотровой люк с легко снимающейся крышкой.

Типовые циклоны ЦВП имеют два исполнения – основное и скоростное.

В скоростном сечение входа при помощи вставки 9 сужено в два раза и, соответственно, входная скорость газа в нем вдвое выше, чем в основном.

Рис. 10. Устройство циклона с водяной пленкой типа ЦВП в скоростном (а) и основном (б) исполнении и номограмма для определения гидравлического сопротивления

У скоростных ЦВП степень выноса e = 100 — h или остаточная концентрация пыли ориентировочно вдвое меньше, чем у ЦВП основного исполнения.

Вода для орошения внутренней поверхности цилиндра ЦВП подается под давлением 0,02 – 0,025 МПа из уравнительного бачка с шаровым клапаном. Для наблюдения за работой сопел в верхней крышке цилиндра имеются два застекленных люка 10 [4].

 

 

 

Ротационные мокрые пылеуловители

Аппараты, в которых контакт газа с водой (каплями, струями, пленкой) происходит вследствие вращения ротора вентилятора или специального ротора, называют ротационными мокрыми пылеуловителями.

В научно-технической литературе описан ряд типов мокрых пылеуловителей с роторами различной конструкции. К ним можно отнести дезинтеграторы, мокрые ротоклоны и механические скрубберы с вращающимися перфорированными дисками. Однако мокрые аппараты со сложными роторами не нашли широкого применения в отечественной пылеочистной технике [4].

Скрубберы. В начале развития отечественной пылеочистной техники скрубберами (рис. 11, 12) называли пылеуловители в виде емкостей (башен, камер) полых или с насадками (неправильной формы – кусков угля, камней, гальки или с определенными геометрическими формами – колец, реек), а также с полками и тарелками, на которые подается орошающая жидкость (вода). Полые и насадочные скрубберы в зависимости от спутного или противоположного направления движения газа и жидкости делятся па прямоточные или противоточные аппараты. К такого типа устройствам можно отнести орошаемые газоходы и промывные камеры вентиляционных систем.

Эффективность полых орошаемых скрубберов по сравнении с другими мокрыми пылеуловителями невелика. Они обеспечивают высокую степень очистки только при улавливании частиц пыли крупнее 10 мкм. Насадочные скрубберы с орошаемым насыпным слоем для целей очистки газов от пыли в настоящее время применяют редко, потому что трудно регенерировать слой при образовании в нем пылевых отложений.

Их применяют в основном в процессе теплообмена и очистки воздуха (газов) от вредных газовых примесей.

Скрубберы Вентури известны уже более 70 лет. Патенты на это устройство появились в первом десятилетии нашею века. Интенсивное изучение этого пылеуловителя происходило во многих исследовательских организациях. Это породило различные названия одного и того же аппарата: скруббер Вентури, труба Вентури, турбулентный газопромыватель, труба-коагулятор, коагуляционный мокрый пылеуловитель и др.