Физико-химические основы очистки газообразных промышленных выбросов на предприятиях

,      (10)

где h_ц – степень очистки в циклоне; h_р – степень очистки в решетке; j » 0,10,2.

Если запыленный газовый  поток сталкивается с каким-либо телом, газ обтекает его, а частицы пыли, обладающие большей инерцией, ударяются о поверхность этого препятствия и могут осесть на ней. Этот принцип использован в инерционном пылеуловителе с отражательными стержнями, который показан на рис. 10.3.2.6. В нем установлено несколько рядов стержней, имеющих форму полумесяца. Вогнутые поверхности стержней направлены навстречу газовому потоку. Осевшая на стержнях пыль смывается водой. Эффективность очистки газов в подобном пылеуловителе может быть оценена по формуле:

,    (11)

где S_с – полная поверхность стержней, перпендикулярных газовому потоку; S_ап – площадь поперечного сечения аппарата; Stk – критерий Стокса:

;       (12)

r_с – радиус кривизны коллекторов, м.

 
 
Рис.2. Инерционный пылеуловитель 
с отражательными стержнями: 
1 – корпус; 2 – стержни; 3 – устройство для подвода орошения

Центробежные  методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направлению к дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона на выход. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц.

Рис. 3. Батарейный циклон (а) и его элемент (б): 1 - корпус; 2, 4 - камеры газораспределительные и для обеспыленного газа; 3 - циклонные элементы;5 - пылесборник.

 

 Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20000 м³/ч), степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d = 5¸30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d = 2¸5 мкм она составляет менее 40%. Диаметр частиц, улавливаемых циклоном на 50%, можно определить по эмпирической формуле:

 

, (14) 

где m – вязкость газа, Па*с; D_Ц – диаметр выходного патрубка циклонов, м; N_ОБ – эффективное число оборотов газа в циклоне; w_г – средняя входная скорость газа, м/с; r_ч, r_г – плотность частиц и газа, кг/м³. 
Гидравлическое сопротивление высокопроизводительных циклонов составляет около 1080 Па. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей. Другим типом центробежного пылеуловителя служит ротоклон, состоящий из ротора и вентилятора, помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентилятора, вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник пыли. 
Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика, металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др.). Наиболее часто для фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые материалы — стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом, асбоцеллюлозу. В зависимости от фильтрующего материала различают тканевые фильтры (в том числе рукавные), волокнистые, из зернистых материалов (керамика, металлокерамика, пористые пластмассы). Тканевые фильтры, чаще всего рукавные, применяются при температуре очищаемого газа не выше 60-65°С.

 
 
Рис..4. Рукавный фильтр: 
а) режим фильтрации; б) режим регенерации; 
1 – газопровод запыленного газа; 2 – рукава; 3 – корпус; 
4 – подвод продувочного воздуха; 5 – газопровод чистого газа; 
6 – механизм встряхивания; 7 – клапан; 8 – бункер

Отношение длины рукава к диаметру составляет 16–20, а диаметр  рукавов колеблется в пределах 125–300 мм. Такие фильтры используют в качестве завершающих ступеней в комплексных установках по очистке газов.

 В зависимости от  гранулометрического состава пылей  и начальной запыленности степень  очистки составляет 85-99%. Гидравлическое сопротивление фильтра DР около 1000 Па; расход энергии ~ 1 кВт*ч на 1000 м³ очищаемого газа. Для непрерывной очистки ткани продувают воздушными струями, которые создаются различными устройствами – соплами, расположенными против каждого рукава, движущимися наружными продувочными кольцами и др. Сейчас применяют автоматическое управление рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого воздуха. 
Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой эффективностью; степень очистки h = 99,5¸99,9 % при скорости фильтруемого газа 0,15-1,0 м/с и DР=500¸1000 Па.

 
 
Рис.5. Волокнистый фильтр рамочной конструкции: 
1 – П-образная планка; 2 – боковая стенка; 3 – разделители; 
4 – фильтрующий материал

 
 
Рис.6. Волокнистый фильтр 
с сепараторами клиновой формы типа Д-КЛ: 
1 – фильтрующий материал; 
2 – рамка-сепаратор клиновой формы

 
На фильтрах из стекловолокнистых  материалов возможна очистка агрессивных газов при температуре до 275°С. Для тонкой очистки газов при повышенных температурах применяют фильтры из керамики, тонковолокнистой ваты из нержавеющей стали, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузкам; однако их гидравлическое сопротивление велико – 1000 Па. 
Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества – сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью. 

Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров является наиболее распространенным приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. В аппаратах мокрой очистки применяют различные приемы развития поверхности соприкосновения жидкости и газа. 
Башни с насадкой (насадочные скрубберы) отличаются простотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в работе, малым гидравлическим сопротивлением  (DР=300¸800 Па) и сравнительно малым расходом энергии.

   

 
 
Рис.7. Схема противоточного насадочного скруббера: 
1 – корпус скруббера; 2 – входной патрубок; 3 – насадка; 
4 – решетка для насадки; 5 – трубопровод для подачи жидкости; 
6 – выходной патрубок; 7 – направляющий 
конус для жидкости; 8 – штуцер для вывода шлама

 

В насадочном скруббере  возможна очистка газов с начальной  запыленностью до 5-6 г/м³. Эффективность одной ступени очистки для пылей с d > 5 мкм не превышает 70-80%. Насадка быстро забивается пылью, особенно при высокой начальной запыленности. 
Орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) применяют для очистки больших объемов газа. Они имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление – 400-850 Па. Для частиц размером 2-5 мкм степень очистки составляет ~50%. Центробежные скрубберы высокопроизводительны благодаря большой скорости газа; во входном патрубке w_г=18¸20 м/с, а в сечении скруббера w_г = 4¸5 м/с. 
Пенные аппараты применяют для очистки газа от аэрозолей полидисперсного состава. Интенсивный пенный режим создается на полках аппарата при линейной скорости газа в его полном сечении 1-4 м/с. Пенные газоочистители обладают высокой производительностью по газу и сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением (DР одной полки около 600 Па). Для частиц с диаметром d >5 мкм эффективность их улавливания на одной полке аппарата 90-99%; при d < 5 мкм h = 75¸90%. Для повышения h устанавливают двух- и трехполочные аппараты. 
Высота слоя пены на тарелке Н_п может быть определена по формуле:

, (15)

где h₀ – высота исходного слоя жидкости на тарелке, м;

 
 
Рис.8. Пенный пылеуловитель с переливной тарелкой: 
1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – приемная коробка; 
4 – порог; 5 – сливная коробка

, ()

где С₀ – коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки; С₀ = 1,61,7 для обычно применяемых 
в пенных аппаратах тарелок.

Скрубберы Вентури (см. рис 1) — высокоинтенсивные газоочистительные аппараты, но работающие с большим расходом энергии. Скорость газа в сужении трубы (горловине скруббера) составляет 100—200 м/с, а в некоторых установках — до 1200 м/с. При такой скорости очищаемый газ разбивает на мельчайшие капли завесу жидкости, впрыскиваемой по периметру трубы. Это приводит к интенсивному столкновению частиц аэрозоля с каплями и улавливанию частиц под действием сил инерции. Скруббер Вентури —универсальный малогабаритный аппарат, обеспечивающий улавливание тумана на 99—100%, частиц пыли с d  
= 0,01¸0,35 мкм — на 50–85% и частиц пыли с d = 0,5-2 мкм — на 97%. Для аэрозолей с d = 0,3-10 мкм эффективность улавливания определяется в основном силами инерции и может быть оценена по формуле 
, 
где К – константа; L – объем жидкости, подаваемой в газ, дм³/м³; 
 

Рис 9. Реактор полного смешения – скруббер Вентури:   1 – сопло; 2 – горловина; 3 – камера смешения; 4 – разделительная  камера.     .

 
j – инерционный параметр, отнесенный к скорости газа в горловине; при h ³ 90% j является однозначной функцией перепада давления в скруббере. 
Главный дефект скруббера Вентури — большой расход энергии по преодолению высокого гидравлического сопротивления, которое в зависимости от скорости газа в горловине может составлять 0,002-0,013 МПа. Помимо того, аппарат не отличается надежностью в эксплуатации, управление им сложное. 
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей — это образование больших объемов жидких отходов (шлама). Таким образом, если не предусмотрены замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т. е. из атмосферы в водоемы. 

2.2 Электрическая  очистка газов.

Электростатическая  очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами.

 
 
Рис. 10. Примеры конструктивных схем электрофильтров: 
а) электрофильтр с трубчатыми электродами; 
б) электрофильтр с пластинчатыми электродами; 
1 –коронирующие электроды; 
2 –осадительные электроды

 

 Эффективность пылеулавливания в электрофильтре является основной характеристикой эффективности его работы. Она определяется содержанием z₁ пыли или жидких капель в газе до поступления в электрофильтр 
и z₂ после выхода из него:

. (16)

Так как течение газа в электрофильтре всегда турбулентное, то именно оно способствует выравниванию распределения концентрации частиц в межэлектродном промежутке.

В результате действия всех факторов: дрейфа частиц в поле, осаждения частиц на электродах и турбулентных пульсаций в межэлектродном промежутке устанавливается определенное распределение концентрации, примерно так, как показано на рис. 10.4.3.1 (сравните также с результатом численного решения переноса пыли в плоском электрофильтре, пример (3.2.5.2), рис. 3.5.2.3). Будем считать, что закон распределения концентрации частиц не меняется по длине электрофильтра, а уменьшается лишь абсолютное значение концентрации.

 
 
Рис. 11. Распределение концентрации 
в межэлектродном промежутке: 
1 – осадительные электроды; 2 – коронирующие электроды

Для пластинчатого электрофильтра соответственно может быть получено выражение

 (17)

где H – расстояние между коронирующими и осадительными электродами; L – длина зоны осаждения; w_г – скорость газа вдоль электродов.

Для электрофильтров  обоих типов степень очистки  может быть представлена в обобщенном виде, называемом уравнением Дейча:

, (18)

где f – удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов м², приходящаяся на 1 м³/с очищаемого газа.

Для трубчатого электрофильтра

, (19)

для пластинчатого электрофильтра

. (20)

Из формулы (10.4.3.3) следует, что эффективность электрофильтра при увеличении показателя w_Э f повышается, асимптотически приближаясь к 100 %.

Изменение показателя w_г f при постоянной скорости дрейфа прямо пропорционально изменению размера электрофильтра.

Если мы имеем дело с полидисперсным составом пыли (частицы  разного размера), то расчеты ведутся  по каждой фракции в отдельности, а затем интегральная степень очистки определяется как сумма средневзвешенных степеней очистки отдельных фракций:

 (21)

где g_i – доля i-й фракции.

Степень эффективности  очистки, определенная теоретически, несколько  отличается от действительной эффективности, т. к. исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на эффективность. 
При проектировании и расчете электрофильтров одним из основных допущений является равенство значений скорости газа по поперечному сечению межэлектродного пространства электрофильтра. Однако в реальных конструкциях существует неравномерность распределения профиля скоростей газа. При общем постоянном расходе газа через электрофильтр скорости газа по сечению могут принимать различные значения. Для подобных случаев введем понятия коэффициента неравномерности

 (22)

где V_max, V_min и V_ср – скорости газа максимальная, минимальная и средняя соответственно.

На рис. 12. показано влияние неравномерности газового потока на относительный коэффициент уноса e =  , представляющий собой отношение коэффициентов уноса неравномерного и идеального, т. е. равномерного газового потока. Как видно из графиков, неоднородность распределения газового потока очень сильно влияет на эффективность улавливания частиц.

 
 
Рис. 12. Зависимость относительного коэффициента уноса от коэффициента неравномерности газа: 
а) от средней скорости газа, S_н = 2,0; 
б) от длины электрофильтра, V_ср = 2,0 м/с; 
1 – S_н = 0,5; 2 – S_н = 1,0