Виробництво та розподіл газу.Циклон

- низька ефективність очистки від дрібного пилу.

Факторами, що негативно впливають на процес очищення повітря від пилу в циклоні, є:

●  радіальний стік;

●  вихрові  потоки  у  просторі між  вихлопною  трубою  та  зовнішньою  стінкою циклона;

●  турбулентний режим руху повітряного потоку в циклоні.

Факторами, що позитивно впливають на ефективність та гідравлічний опір циклона були названі такі:

●  відведення частини очищеного повітря з циклона перед вихлопною трубою;

●  зниження швидкості потоку повітря у вихлопній трубі;

●  зниження радіального стоку у конічній частині циклона;

●  зменшення перепаду статичного тиску у плоскому перерізі циклона.

Для  того, щоб підвищити ефективність очищення пилогазового потоку в циклоні, необхідно збільшити швидкість потоку повітря, що призводить до зростання відцентрових сил, які діють на частинку пилу. Одночасно зростання швидкості приводить до підсилення радіального стоку, збільшує кількість вихрових потоків  та  турбулізацію  потоку, що  знижує  ефективність  циклона. Крім  того, при  зростанні  швидкості  потоку  зростають  й  енерговитрати  на  очищення. Спроби мінімізувати спад тиску суперечать намаганням підвищити ефективність вловлювання частинок. Будь-який критерій, спрямований на підвищення  ефективності,  пов'язаний  зі  зростанням  енергетичних  витрат. 

Під час руху потоку повітря між двома циліндрами, внутрішній  з яких обертається, починаючи з певних чисел Рейнольдса, між циліндрами виникають завихрення з правим і лівим обертанням, які підсилюють вторинні потоки та істотно збільшують гідравлічний опір. Такі завихрення підтверджуються сучасними дослідженнями за допомогою лазерних анемометрів та спеціалізованих комп'ютерних програм (CFD). Аналогічного роду нестабільність потоку, що пов'язана з тривимірними  збуреннями,  виникає  у  приповерхневому шарі  біля  вгнутих  стінок (поблизу  випуклих  стінок  така  нестабільність  не  спостерігається).  Осі таких завихрень паралельні до швидкості основного потоку. Вказані явища визначають природу втрат у криволінійному потоці, які складаються з втрат на тертя; втрат, пов'язаних з виникненням парних вихорів;  втрат,  викликаних  наявністю  місцевих  відривів  потоку.  Всі  ці  явища пов'язані  з  існуванням  приповерхневого шару,  а  також  з  його  відривом  від стінки.

Якщо використати цей висновок для руху потоку повітря в циклоні, то для зменшення втрат у циклоні передусім необхідно усунути місцеві аеродинамічні  дифузори,  які  часто  призводять  до  відривів  приповерхневого шару, що значно турбулізує потік. Наступним кроком повинно бути зменшення інтенсивності вторинних потоків  і тільки після цього потрібно шукати  засоби зменшення сил тертя. Головна частина спаду тиску, близько 80 %, це втрати у  середині  циклона  на  енергетичне  розсіювання  у  в'язкому  турбулентному обертальному потоці. Решта 20 %  втрат пов'язані  з розсіюванням потоку на виході, розширенням на вході і тертям до стінки циклона . Тому в циклоні насамперед  необхідно  боротися  з  негативними  проявами  приповерхневого шару, а не з радіальним стоком. Існування радіального стоку і значна ступінь турбулізації повітря в циклоні є тільки наслідками існування та відриву приповерхневого шару.

Незважаючи  на  детальний  опис  приповерхневого шару  в  циклоні,  в ряді джерел, не розроблено методів боротьби з його шкідливими проявами в циклонах. Відомими є такі основні методи управління приповерхневим шаром:

●  рух стінки в напрямі потоку;

●  збільшення швидкості приповерхневого шару;

●  відсмоктування приповерхневого шару;

●  перехід потоку у приповерхневому шарі з ламінарного в турбулентний.

5.3. Види циклонів та їх застосування

Циклонні апарати завдяки дешевизні та простоті будови і обслу-говування, порівняно невеликому опору і високій продуктивності є най- розповсюдженішим типом сухого механічного пиловловлювача.

Рисунок 8.  Класифікація циклонів

За конструктивним виконанням циклони відзначаються великою різновидністю влаштування підводу запиленого газу поділяються на:

-тангенціальний,

-тангенціальний похилий,

-спіральний,

-осьовий з направлювальним апаратом.

За типом корпуса:

-циліндричний,

-перехідний в конус,

-з розвинутою конічною частиною,

-конічний,

-з розширеною конічною частиною,

-з подвійною стінкою.

Таблиця 2. Технічні характеристики поширених на Україні циклонів

Циклони загального призначення

Значне застосування для очищення промислових газових викидів отримали циклони конструкції НДІОгазу ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24. Цифри 11, 15, 24 відповідають кугу розгортай тангенціального приєднання вхідного патрубка до циліндричної частини циклона. Індекс "У" в назві циклона ЦН-15У позначає "вкорочений". Такі циклони використовуються в місцях, де установлення циклона лімітовано висотою.

Конструктивні схеми та типові розміри циліндричних й конічних ци­клонів НДІОгазу наведені на рис. 1.7.

Циклони типу ЦН рекомендується використовувати за умов нали­пання шару пилу в корпусі, а також при підвищеній абразивності пилу. Циклон типу ЦН-24 використовують для грубого очищення газів з розмі­рами частинок більше 20 мкм. Для тонкого очищення газів від частинок'ді-амстром 5... 10 мкм ефективним є використання циклонів типу ЦН-11.

Для очищення газів від вугільного пилу, золи та злиплого пилу вико­ристовуються спірально-конічні циклони СДК-ЦН-34 та спірально-довго-конічні циклони типу СДК-ЦН-33. Ці циклони мають подовжену конічну частину та малий діаметр вхідного патрубка.

Спірально-конічні циклони порівняно з цик­лонами типу ЦН при однаковій продуктивності мають дещо більші розмі­ри та підвищений гідравлічний опір, але характеризуються більшою ефек­тивністю очищення.

Рисунок 9 - Конструктивні схеми циліндричних (а) та конічних (б) циклонів НДІОгазу

Циклони конструкції СПОТ не мають циліндричної частини, а вхід­ний патрубок виконано у вигляді штуцера трикутної форми (рис. 10). Ци­клони надійно працюють при очищенні пилогазової суміші від сухого не-злиплого та

не волокнистого пилу. За ефективністю очищення вони на­ближаються до циклопів ЦІ 1-1 1 та ЦН-15, але при однакових з ними про­дуктивності й гідравлічному опорі передбачають для розміщення в 2...2,5 рази більшої площі.

Перевагою циклонів конструкції СИОТ є їх менша на 30% висота порівняно з циклонами ЦН-11 та ЦН-15. Коефіцієнт опору, що віднесений до швидкості газів на вхідному штуцері, дорівнює 4,2. Максимальний тиск в циклоні до 5 кПа.

Рисунок 10- Циклони конструкції СИОТ:

1 - вхідний патрубок забруднених газів; 2 - розкручувач; 3 - патрубок

для відведення очищених газів; 4 - кришка; 5 - корпус у вигляді конуса;

6 - патрубок для видалення пилу

Прямоточні циклони

Особливістю цих циклонів є прямоточний, тобто без зміни напряму, рух газового потоку. Вхід та вихід газів в таких апаратах відбувається з протилежних кінців. Перевагою прямоточних циклонів є малий гідравліч­ний опір та можливість виконувати футеровку зсередини діабазом або ка­мінним матеріалом, що підвищує їх захист стиранню абразивами. Недолі­ком є мала ефективність очищення. Тому їх використовують як перший ступінь для грубого очищення газів від великих частинок пилу.

Закручування газу в прямоточних циклонах відбувається як за раху­нок тангенціального вводу запиленого газу, так і за рахунок встановлення направляючих апаратів у вигляді розеток. Найбільша ефективність роботи прямоточних циклонів при очищені газів з велико дисперсним пилом та може бути збільшена шляхом підбору оптимального відношення розмірів окремих вузлів та деталей. Якщо вміст мілко дисперсної фази в газовому потоці незначний, то прямоточні циклони можливо використовувати в якості самостійних пиловловлювачів.

Швидкість газового потоку в апараті 5...6 м/с.

Прямоточний циклон конструкції ЦКТИ наведено на рис. 11.

Рисунок 11- Конструктивна схема прямоточного циклона типу ЦКТИ: Т- конусна частина; 2 - циліндрична частина; 3 - тангенціальний штуцер; 4 - вставка, навколо якої  

   газ виконує обертання; 5 - розкручувач очищено­го газу; 6 - газохід очищеного газу

Групові й батарейні циклони

Збільшення діаметра циклона при постійній тангенціальній швидкості газу, що надходить, є причиною зменшення відцентрової сили та зниження ефективності очищення. Одиничні циклони навіть великих розмірів мають порівняно невисоку продуктивність та є труднощі при їх установлюванні.

Групові установки з декількох циклонів створюють при очищенні промислових газів, об'єми яких десятки та тисячі кубометрів на годину. Такі установки мають спільний колектор для подачі запиленого й відводу очищеного газу, а також один бункер для збирання пилу. Розміщують гру­пові циклони дворядним способом по 2...8 шт або навколо вертикального вхідного патрубка по колу по 10... 14 шт.

Розміщення групових циклонів дворядним способом подано нарис. 12.

Рисунок 12 - Конструктивна схема групових циклонів, які розмі­щені дворядним способом: 1- окремі циклони, 2- колектор подачі запиле­ного газу з равликами на кожному циклоні, 3 - колектор, що відводить очищений газ

Групові циклони конструкції ЦН-11 мають діаметри D, мм: 400, 500, 600, 800, а висота відповідно 2320, 2900, 3654, 4640. Продуктивність 5000...40 000м3/год

Ступінь очищення в групових циклонах нижчий, ніж в одиничному циклоні. Це обумовлено тим, що в одиничному циклоні вихровий потік, що рухається по спіралі вниз, після того як дійде до дна пилозбірного бун­кера, зберігаючи обертовий рух, різко змінює напрям свого руху до центральної вихлопної труби. В групових циклонах внаслідок порушення герметичності загального бункера змінюється гідравлічний режим, що є причиною зменшення ступеня очищення запилених газів.

Рисунок 13 - Конструктивна схема групових циклонів, які роз­міщені по колу: 1 - окремі цикло­ни; 2 - колектор; 3 - равлики, що з'єднані з окремими циклонами

Батарейні циклони використовуються у випадку очищення значних об'ємів газу. Переваги перед груповими у батарейних циклонів полягають у тому, що вони при однаковій продуктивності мають менші розміри, .за­безпечують більший ступінь очищення, мають менший гідравлічний опір, працюють в значному діапазоні запилення (до 100 г/м3). їх недоліком є складність виготовлення та значна металоємкість апаратів. Крім того, ба­тарейні циклони ефективно працюють тільки при очищенні сухих газів та пилу, що не злипається.

Високий ступінь очищення газів до 90...95% досягається за рахунок установлення в циклонах елементів малого діаметра (циклончиків). Відце­нтрова сила в таких елементах збільшується, одночасно підвищується ефе­ктивність очищення. Батарейний циклон має від декількох десятків до де­кількох сотень паралельно включених елементів, які мають спільні колек­тори для підводу газу, а також спільний бункер для збирання пилу. До складу батарейного циклону входять елементи діаметром 100, 150 та 200 мм. Обертовий рух газу в цих елементах виконується за рахунок тан­генціального підводу, а також шляхом аксіальної подачі за напрямними. _ Для очищення газу використовують батарейні циклони конструкції НДІОгазу типу ПС (ПС-5-25,