Улавливание твердых веществ из дымовых газов

Природоохранные технологии в промышленной теплоэнергетике  Модуль 3

Национальный исследовательский

Томский политехнический  университет

 

Кафедра теоретической  и 

промышленной  теплотехники

 

 

 

Лекции по курсу:

«Природоохранные  технологии в промышленной

теплоэнергетике»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработчик: к.т.н., Разва А.С.  

 

 

 

 

 

 

Томск 2010

Улавливание твердых  веществ из дымовых газов 

1. Характеристики летучей  золы. Основы теории золоулавливания

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при температуре 800^О С (1073 К).

Фазово-минералогические исследования состава золы различных видов  твердого топлива показывают, что  основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнетика и различными силикатами кальция.

Характеристики золы (уноса), полученной в топках котлов несколько отличаются по физико-химическим свойствам и химическому составу от золы, полученной в лабораторных условиях. Такое отличие определяется температурными условиями и временем сжигания частиц топлива в топке. Где температура значительно выше 800^О С. Основными отличительными факторами является шлакование (расплавление) части минеральной составляющей топлива и наличие в золе частиц недогоревшего топлива (механического недожога).

Эффективность работы газоочистных устройств  во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих  в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.

Плотность частиц летучей золы для  большинства углей лежит в  пределах 1900…2500 кг/м³. Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений.

Для выбора и расчета золоуловителей большое значение имеет распределение частиц по размерам - дисперсный состав. О частицах судят по размеру наименьшего отверстия сита, через которое частица диаметром d проходит при просеивании. Просеивая золу через ряд сит с различным размером ячеек, получают кривую остатков на сите R_d (рис.1, а).

Ордината кривой (вертикальная ось) показывает количество пыли в процентах, частицы которых больше, чем размер ячейки сита. Можно вместо остатков на сите использовать обратную величину - проход через сито y_d, причем

y_d=100- R_d.

Наименьший размер отверстий в  ситах, принятых в России, составляет 44 мкм, поэтому для определения дисперсного состава фракций меньше этого размера, представляющих наибольшие трудности при золоулавливании, используются другие методы - воздушной сепарации, жидкостной седиментации (всплывание или оседание частиц) и микроскопического анализа.

Расчет степени улавливания  обычно ведется для каждой фракции  частиц отдельно. Содержание той или иной фракции Ф_i можно найти из кривой остатков на сите вычитанием остатков па сите на концах заданного изменения диаметров частиц (рис.1, б). При расчете золоуловителей диаметр принимают постоянным, равным среднеарифметическому диаметру на его концах. Так, в диапазоне изменения диаметров от 10 до 20 мкм в расчетах принимают в качестве среднего значения 15 мкм. В табл. 1 приведен фракционный состав золы уноса некоторых топлив.

 

 

 

 

 

 

 

Фракционный состав золы уноса некоторых топлив, %       Таблица 1

Месторождение, бассейн	Марка топлива	Тип мельницы	Размер частиц*, мкм
			0…5 2,5	5…10 7,5	10…20 15	20…30 25	30…40 35	40…60 50	60…80 70	80…100 90	>100
Донецкий	АШ	ШБМ	8	9	14	11	11	20	17	5	5
Донецкий	Т	ШБМ	12	20	31	11	7	8	6	2	3
Кузнецкий	Т	ШБМ	12	19	31	9	6	10	5	3	5
Кемеровское	Т	ШБМ	8	13	22	17	10	14	8	3	5
Экибастузский	СС	ШБМ	6	9	46	21	8,3	6,7	-	-	-
Экибастузский	СС	ШБМ	9,5	15,5	20	11	7,5	9,5	-	-	-
Челябинский	Б	ШБМ	6,5	11,5	20	16	9	8	16	4	9
Подмосковный	Б	Быстрох.	24	21	16,5	10,2	8,5	9	6,5	1,8	2,5
Подмосковный	Б	ШБМ	11	18	22	14	18	12	8,1	2,1	2
Подмосковный	Б	ММТ	5	15	23	16,5	10	12,5	4	4	10
Канско-Ачинский	Б	ММТ	4	8	22	19	10	19	8	3	7
Фрезерный торф	-	ММТ	12	11	11	10	9	13	9	3	22

*) В числителе – предельные  значения, в знаменателе – средний  размер.

 

 

Рис.1. Дисперсионный состав золы уноса:

а – кривая остатков на сите; б –  остатки на сите в вероятностно-логарифмической  шкале координат; в – распределение  частиц по фракциям

Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсионного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку.

Распределение частиц золы большинства  углей соответствует логарифмическому закону. В этом случае зависимость R_d и d в специальной вероятностной шкале изображается прямой (рис.1, в), а все распределение частиц по фракциям можно характеризовать двумя величинами: d₅₀ - медианным диаметром, который соответствует остатку на сите R_d =50%, и средним квадратичным отклонением

s= d₅₀/ d_15,9= d_84,1/ d₅₀,

где d_15,9; d₅₀; d_84,1 - диаметры частиц, которые соответствуют остаткам на ситах, равным 15,9; 50 и 84,1%.

Для определения дисперсного состава  золы используют специальные устройства  - импакторы. В настоящее время  данные дисперсионных анализов получают в основном с помощью каскадных  импакторов. Принцип действия каскадных импакторов (рис.2) основан на инерционной сепарации частиц по размерам при пропускании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл или сопловых решеток с расположенными под ними осадительными поверхностями (подложками). Диаметры одиночных сопл или диаметры и число сопл в сопловых решетках подбираются таким образом, чтобы размеры частиц,

которые могут осесть в данном каскаде, были меньше размеров частиц. способных осесть в предыдущем. Таким образом, анализируемые частицы оказываются разделенными на фракции, число которых равно общему числу каскадов импактора, включая фильтр.

Для очистки газов в электрофильтрах существенное влияние на эффективность их работы оказывает удельное электрическое сопротивление r. По этому признаку золу углей можно разделить на три группы.

• I группа характеризуется r< 10² Ом×м. Такими свойствами обладает зола, имеющая большое количество недогоревшего углерода, например зола донецкого АШ. Эта зола называется “низкоомной”.
• II группа золы имеет электрическое сопротивление в пределах 10²< r< 10⁸ Ом×м и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных утлей - донецкого Т, ГСШ и др.
• III группа золы характеризуется r>10⁸ Ом×м и является электрическим изолятором. Такая зола называется “высокоомной”. К золе третьей группы относится зола некоторых каменных углей, в частности экибастузского, кузнецкого и др.

Для инерционных золоуловителей существенное значение имеет свойство слипаемости золы. По слипаемости зола делится на четыре группы: не слипающаяся (I), слабо слипающаяся (II), среднеслипающаяся (III) и сильно слипающаяся (IV).

 

Рис.2. Импактор со сменными подложками (модели НИИОГАЗ):

1 и 2 – одиночные сопла; 3–6  – сопловые решетки; 7 – фильтр; 8 – крышка; 9 – отсосная труба; 10 – поджимной болт; 11 – корпус; 12 – сменная тарельчатая подложка; 13 – пробоотборный носик со сменным наконечником; 14 – сменный наконечник

Зола с высокой слипаемостью забивает циклоны и мокрые золоуловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ.

Для мокрых золоуловителей существенное значение имеет наличие в золе оксида кальция СаО. При большом содержании СаО их работа становится невозможной из-за цементации золы (сланец, КАУ).

При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать абразивность золы и ее смачиваемость.

Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Абразивность золы характеризуется коэффициентом а, который определяет утонение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа при концентрации частиц 1 г/м³ и скорости потока 1 м/с, при равномерном распределении поля скоростей и концентраций, при комнатной температуре в течение 1 ч. Значения коэффициента приводятся ниже в табл.2.

Значения коэффициента а      Таблица 2

Уголь	а××109
Донецкий	5,4
Подмосковный	5,4
Челябинский	4
Кизеловский	3,5
Богословский	2,2
Волжские сланцы	3
Экибастузский	8,8
Куучекинский	6,9
Черемховский	1,83

Смачиваемость частиц водой оказывает  влияние на работу мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость, тем выше эффективность золоулавливания.

Основным показателем работы золоуловителя  является степень улавливания золы:

,

где G_ВХ - количество золы, поступающей в золоуловитель в единицу времени, кг/с;

G_ВЫХ - количество выходящей (не уловленной) из золоуловителя в единицу времени золы, кг/с;

С_ВХ - концентрация золы в газе на входе в золоуловитель, кг/м³;

С_ВЫХ - то же на выходе, кг/м³.

Для проведения расчетов удобна другая величина - проскок (унос) золы через золоуловитель e:

.

Между степенью улавливания и проскоком  имеет место следующее соотношение для оценки экологического совершенства золоуловителей:

e=1-h.

Вместе с тем в теории золоулавливания  используется параметр золоулавливания П:

,

где J - скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения);

А - площадь поверхности канала золоулавливания, м²;

V - расход газа, м³/с.

Ниже предлагается рассмотрение двух предельных случаев движения частиц в потоке.

Если поток газов движется турбулентно, а частицы достаточно мелки (менее 30 мкм) и активно участвуют в  турбулентных пульсациях потока, то с  известным допущением можно принять, что концентрация частиц у поверхности мало отличается от средней концентрации в рассматриваемом сечении золоуловителя. В этом случае выражение для определения степени проскока имеет вид

.

В табл. 3 приведена зависимость  между параметром золоулавливания П и степенью уноса e.

Зависимость проскока (степени уноса e) золы

через золоуловитель  от параметра П     Таблица 3

Параметр П	Параметр П
	,0	,1	,2	,3	,4	,5	,6	,7	,8	,9
0,	1,0000	0,9048	0,8187	0,7408	0,6703	0,6065	0,5488	0,4966	0,4493	0,4066
1,	0,3679	,3329	,3012	,2725	,2466	,2231	,2019	,1827	,1653	,1496
2,	,1353	,1225	,1100	,1003	,0907	,0821	,0743	,0672	,0608	,0550
3,	,0498	,0450	,0407	,0369	,0334	,0302	,0273	,0247	,0224	,0202
4,	,0183	,0166	,0150	,0136	,0123	,0111	,0100	,00910	,00823	,00745
5,	,00674	,00610	,00552	,00500	,00452	,00409	,00370	,00335	,00303	,00274
6,	,00248	,00224	,00203	,00184	,00166	,00150	,00136	,00123	,00111	,00100
7,	,00091	,00082	,00075	,00068	,00061	,00055	,00050	,00045	,00041	,00037
8,	,00033	,00030	,00027	,00025	,00022	,00020	,00018	,00017	,00015	,00014
9,	,00012	,00011	,00010	,00009	,00008	,00007	,00006	,00006	,00005	,00004