Лекции по “Экологическому обеспечению производства чугуна ”

Внешними силами, вызывающими коагуляцию, может быть гравитация, вызывающая движение частиц с разными скоростями витания, или электрические силы, действующие при наличии внешнего поля на заряженные частицы.

Взаимное движение частиц может быть также результатом  зарядки взвешенных в газе частиц: в случае одноименных зарядов  частицы отталкиваются, а в случае разноименных — притягиваются.

В случае полидисперсной пыли мелкие частицы коагулируют с крупными, причем коагуляция идет тем быстрее, чем больше мелких частиц и чем сильнее их размеры отличаются от размеров крупных частиц.

Коагуляция  частиц обеспечивает лучшие условия  улавливания пылей во всех аппаратах, однако управление ею в промышленных условиях затруднительно.

1.2.4 Классификация  аппаратов, использующих

различные механизмы  пылевыделения

 Устройства  гравитационного типа - пылевые камеры (рис. 1.2). В пылевых камерах используется механизм гравитационного осаждения частиц, однако для повышения эффективности этот механизм иногда совмещается с инерционным (используется резкое изменение направления и величины скорости). Пылевые камеры обычно применяются для улавливания грубых фракций пыли.

 Устройства центробежного типа - циклонные аппараты и скрубберы центробежные. Здесь используется механизм центробежного пылевыделения, эффективность которого при заданной рабочей скорости газа зависит в первую очередь от диаметра цилиндрической части аппарата: с уменьшением диаметра растет эффективность циклонных устройств. Поскольку обычно расходы газов велики, в основном используются аппараты с большим диаметром цилиндрической части и соответственно с умеренной эффективностью. Поэтому циклоны в металлургическом производстве чаще всего служат для очистки газов от крупных и средних фракций пыли (10 мкм и более). Принципиальная схема циклона показана на рис. 1.3. Запыленный газовый поток вводится в верхнюю часть корпуса циклона 2 через патрубок 1. В циклоне газ движется по спирали вниз в кольцевом пространстве между корпусом циклона и центральной выходной трубой 3, а затем по оси циклона вверх  на выход. Частицы пыли отбрасываются центробежными силами к стенкам циклона и перемещаются вниз к герметизированному пылесборнику (бункеру) 4.

В обычных циклонах частицы, достигнув их стенки, могут затем опять перейти в газовый поток, что снижает эффективность улавливания. В центробежных скрубберах, стенки которых орошаются водой, стекающей вниз в виде тонкой пленки, этот недостаток устраняется, и такие устройства эффективнее сухих циклонов.

Несмотря на сравнительно высокие потери напора и износ, циклонные аппараты в силу их простоты и дешевизны широко используются на металлургических заводах.

 Устройства инерционного действия — тканевые и зернистые фильтры, жалюзийные и инерционные пылеуловители встроенного типа, скрубберы с насадками, скрубберы прутковые, трубы Вентури.

Фильтры — высокоэффективные  аппараты тонкой очистки газов. В  зависимости от типа фильтровальной перегородки различаются фильтры волокнистые, тканевые, зернистые, металлокерамические и керамические.

 Основным процессом  в тканевых фильтрах (а также  в фильтрах, в которых используются нетканые материалы) является инерционное выделение частиц на тела осаждения с малым поперечным размером. Однако этот процесс сопровождается действием и других вспомогательных механизмов, в первую очередь диффузионных. Обычно фильтры указанного типа весьма эффективны, но имеют высокое гидравлическое сопротивление и большие габариты.

Жалюзийные пылеуловители (рис. 1.4) создают меньшие потери напора, малогабаритны сравнительно просты, однако малоэффективны и пригодны только для улавливания грубых фракций. Так как инерционный механизм этих аппаратов предусматривает рикошетирование крупных частиц, эти аппараты могут серьезно страдать от износа рабочих элементов. Из промыш- ленных жалюзийных пылеуловителей наиболее известен пылеуловитель Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), в котором решетка выполнена из стальных уголков (40×40 мм). Он прост в изготовлении, места для его установки почти не требуется, так как размещен он внутри газохода.

Однако он эффективно улавливает пыль размером частиц более 30-40 мкм, и  поэтому его эффективность невелика. Сходными характеристиками обладают инерционные пылеуловители встроенного типа, действие которых основано на резком изменении вектора скорости потока и которые обычно встраиваются в газовый тракт технологической линии. Простейшее устройство для выделения из газа крупных и тяжелых частиц пыли - сухой инерционный пылеуловитель с изменением направления потока газа (рис. 1.5), который встраивают в газоход. Рост гидравлических потерь при этом незначителен, соответственно эффективность такого аппарата низка. Существует вариант пылеуловителя этого типа, в котором отклонение хода газа достигается за счет вертикальной перегородки — щита, который газ должен огибать снизу. Более эффективен пылеуловитель другого типа, представленный на рис. 1.6. Запыленный газ вводится сверху по трубе, расположенной по вертикальной оси аппарата, представляющего собой цилиндрический корпус, снабженный снизу коническим бункером для сбора пыли. Очищенный газ отводится обычно сверху, а иногда сбоку.

Пылевые мешки такого типа часто используют для грубой  (первичной) очистки газов,  в частности, на доменных печах заводов черной металлургии. При этом скорость газа в цилиндрической части корпуса принимают равной примерно 1 м/с, а во входной трубе 10 м/с; степень улавливания колошниковой пыли (более 90 % - крупнее 20 мкм) достигает 65-85%. Повышение скорости сверх 1 м/с приводит к ухудшению очистки, а ее понижение к неоправданному увеличению габаритов аппарата без заметного повышения эффективности. Диаметры таких пылеуловителей - 10 м и более. Высота аппарата примерно равна его диаметру. Гидравлическое сопротивление аппаратов составляет 150-400 Па.

В скрубберах с насадками (а также в прутковых) используется инерционное столкновение частиц с каплями воды (а также с водяной пленкой). Однако при этом улавливаются частицы в основном более 3 - 5 мкм, так как относительные скорости частиц и капель оказываются в случае малых частиц недостаточными для обеспечения высокой вероятности их столкновения.

Применяемые в  металлургическом производстве форсуночные  полые скрубберы представляют собой  вертикальные цилиндры диаметром до 9 м, общей высотой до 40 м (рис. 1.7). Их гидравлическое сопротивление обычно не превышает 250 Па.

Поступающий на очистку газ подается по наклонному газоходу в нижнюю часть скруббера и поднимается по аппарату вверх со скоростью 0,6 – 1,2 м/с.

В последнее  время начали применять скоростные скрубберы со скоростью газа 5 – 8 м/с. После них необходимо устанавливать каплеуловитель. В верхней части скруббера расположены 3 - 4  яруса орошения, состоящие из центробежных форсунок грубого распыла. Вода к форсункам подается под давлением 0,3 – 0,4 МПа. Образующиеся водяные капли падают под действием силы тяжести навстречу очищенному газу. Улавливание частиц пыли каплями воды происходит под действием инерционного и диффузионного механизмов, гидродинамических и электростатических сил и турбулентной диффузии. Вода, содержащая уловленную пыль (шлам), собирается в нижней части (бункере) скруббера. Очищенный газ отводится через газоходы, расположенные в верхней части аппарата. В скрубберах повышенного давления для выпуска шлама предусмотрено специальное устройство, состоящее из поплавковой камеры и дросселя-регулятора, поддерживающего заданный уровень шлама в бункере.

Наибольшая  эффективность при инерционном  осаждении частиц пыли в каплях воды в полых скрубберах достигает при размерах капель 0,6 – 1,0 мм. Удельный расход воды зависит от запыленности поступающего на очистку газа и может достигать 6 – 8 кг/м³. Полые скрубберы обеспечивают высокую степень улавливания частиц пыли крупнее 10 мкм и малоэффективны при улавливании частиц пыли размером менее 5 мкм. В результате протекания тепломассообменных процессов проходящий через скруббер газ чаще всего охлаждается до 40 – 50 ^оС и увлажняется обычно до состояния насыщения.

В трубах Вентури  оказывается возможным значительно улучшить улавливание тонких частиц, однако достигается это ценой весьма высоких потерь напора очищаемого газа.

Скрубберы Вентури – высокоэффективные  пылеуловители, известные также как скоростные  газопромыватели или трубы Вентури (рис. 1.8). Они применяются как для тонкой очистки промышленных газов от мельчайшей пыли, так и для подготовки (кондиционирования) газов перед другими  пылеулавливающими аппаратами, например электрофильтрами. Скруббер Вентури состоит из трубы-распылителя и каплеуловителя. Очищаемый газ поступает в конфузор трубы-распылителя, где проходит через завесу орошающей воды. Благодаря высокой скорости газа вода дробится на мельчайшие капли, а давление в наиболее узкой части трубы – горловине - снижается. Все это способствует лучшему смачиванию частиц размером в десятые доли микрометра. В диффузоре скорость газа уменьшается и происходит укрупнение (слияние) капель воды, что облегчает их отделение в каплеуловителе. В качестве каплеуловителей обычно используются простейшие газоочистные аппараты инерционного типа.

Рассматривая  вопрос об использовании мокрых аппаратов, следует помнить о дефиците пресной  воды и необходимости возврата ее в естественные водоемы в очищенном виде. Это обстоятельство весьма существенно, так как требует больших капитальных затрат на организацию водоочистки.

 Устройства электрической очистки пыли - электрофильтры.

В электрофильтрах  запыленные газы проходят через электрическое  поле высокого напряжения, под действием которого в газе образуются ионы, осаждающиеся на пылинках. Заряженные частицы пыли под действием электрических сил дрейфуют в сторону осадительных электродов и осаждаются на них.

 Электрофильтры  обладают высокой эффективностью (при правильном применении), большой единичной производительностью, небольшими потерями напора и позволяют очищать газы при температуре до 400 ⁰С (а иногда и выше). Вследствие больших габаритов и массы стоимость электрофильтров высока.

Из-за потерь пыли, возникающих  при обратном ее переходе с осадительных поверхностей в газовый поток (так называемый вторичный унос пыли), приходится ограничивать скорость газа в сухих электрофильтрах. Этого недостатка лишены мокрые электрофильтры, осадительные поверхности которых орошаются водой.

Электрофильтры применяются  весьма широко, однако они не являются универсальными пылеулавливающими аппаратами - в ряде случаев их использование может оказаться нецелесообразным.

По расположению зон зарядки и осаждения частиц пыли электрофильтры делятся на одно- и двухзонные. В однозонных электрофильтрах зоны зарядки и осаждения пыли совмещены, а в двухзонных коронирующие и осадительные электроды размещены раздельно в двух последовательно расположенных зонах — ионизаторе и осадителе. Двухзонные электрофильтры применяются, в основном, для очистки вентиляционного воздуха, а однозонные — для очистки промышленных газов.

В соответствии с направлением движения очищаемого газа электрофильтры разделяются на горизонтальные и вертикальные.

По форме  осадительных электродов различаются  электрофильтры пластинчатые и трубчатые. По числу последовательно расположенных полей электрофильтры могут быть одно- и многопольными, а по числу параллельно работающих секций — одно- и многосекционными. По способу удаления с осадительных электродов уловленной пыли электрофильтры делятся на сухие и мокрые. В сухих электрофильтрах пыль удаляется встряхиванием электродов, в мокрых—смывается водой. Сухие электрофильтры обычно выполняются пластинчатыми, мокрые — трубчатыми.

1.2.5 Классификация  пылеуловителей по способу очистки

Применяемые на заводах ЧМ пылеуловители по принципу действия делятся на три основные группы: аппараты сухой механической очистки  газов; мокрые пылеуловители и электрофильтры.

Аппараты сухой механической очистки газов включают гравитационные, центробежные и инерционные пылеуловители и фильтры (пористые перегородки).

В пылеуловителях мокрого  типа газы промываются водой, которая  захватывает улавливаемые частицы пыли и выносит их из аппаратов в виде шлама. Этот процесс протекает тем эффективнее, чем больше удельная поверхность используемой жидкости, Увеличение удельной поверхности жидкости достигается либо путем дробления ее на мельчайшие капли, либо получением тонких пленок. Соответственно этому мокрые пылеуловители можно разделить на аппараты, в которых газ промывается разделенной на капли жидкостью (промыватели), и аппараты, в которых осаждение пыли происходит на пленку жидкости (жидко-пленочные). К первым относятся форсуночные скрубберы, в которых диспергирование жидкости производится с помощью форсунок за счет энергии орошающей жидкости; скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури и эжекторные скрубберы Вентури), в которых дробление жидкости на капли осуществляется за счет энергии газового потока и жидкости, и динамические газопромыватели, в которых разбрызгивание жидкости производится вращающимся ротором. К аппаратам, в которых осаждение пыли происходит на пленку жидкости относятся насадочные скрубберы, тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты), газопромыватели с подвижной насадкой, мокрые аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны) и аппараты центробежного действия.

 Аппараты мокрой газоочистки  отличаются рядом достоинств:

- простотой и компактностью  конструкции; 

- сравнительно  невысокой стоимостью и надежностью  в работе;