Совместными
усилиями
к общему успеху
с 1997 года
«Интех ГмбХ»
Целью очищения промышленных газов от содержащихся в них твердых частиц является:
Минимизация загрязнения атмосферного воздуха осуществляется посредством:
Существует пять основных способов очистки газа. Каждый способ очистки предполагает использование установок определенного типа.
| Способ очистки | Применяемые аппараты |
|---|---|
| Осаждение под действием силы тяжести | - Пылеосадительные камеры |
| Осаждение под действием инерционных сил | - Инерционные пылеуловители |
| - Циклоны | |
| - Механические вращающиеся сухие пылеуловители | |
| Осаждение под действием электростатических сил | - Электрофильтры |
| Фильтрование | - Рукавные фильтры |
| - Керамические фильтры | |
| - Масляные (висциновые) фильтры | |
| Мокрая очистка | - Скрубберы |
| - Механические вращающиеся мокрые пылеуловители | |
| - Скрубберы Вентури | |
| - Пенные пылеуловители |
| Аппараты сухой очистки газов: Пылеосадительные камеры Пылеуловители центробежные Электрофильтры: -горизонтальные -вертикальные -трубчатые -прутковые Рукавные фильтры Картриджные фильтры Керамические высокотемпературные фильтры; Воздухозаборные камеры |
Аппараты мокрой очистки газов: Скрубберы; Дезинтеграторы; Скрубберы Вентури; Мокрые электрофильтры; Пенные пылеуловители; |
Для разделения систем используют несколько различных методов:
Осаждение – это процесс разделения системы, при котором частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, отделяются от сплошной фазы (жидкости или газа) за счет действия определенной силы:
Фильтрованием называют процесс разделения систем с использованием пористой перегородки, которая пропускают сплошную фазу, но задерживает взвешенные частицы. Процесс осуществляется за счет разницы давлений по обе стороны перегородки. Если разность давлений создается центробежной силой, разделение системы называют центробежным фильтрованием.
Фильтры, которые имеют полужесткие перегородки, используются для очистки газов, которые мало запылены. Такие фильтры состоят из набора круглых элементов, которые уложены один на другой в цилиндрическом корпусе. Каждый из таких элементов состоит из двух сеток или дисков. Между этими дисками находится слой фильтровального материала, например, металлической стружки, шлаковой ваты или стекловаты. В некоторых случаях слой фильтровального материала смочен маслом для лучшего улавливания дисперсной пыли. Элементы фильтра располагаются перпендикулярно потоку газа.
Если необходима тонкая очистка газов от аэрозолей, то применяются фильтровальные перегородки, изготовленные из ультратонких полимерных волокон, например, полиарилата или перхлорвинила. Такие перегородки имеют высокую химическую, механическую и термическую устойчивость.
К фильтрам с жесткими перегородками относятся патронные фильтры, устройство которых аналогично патронным фильтрам для разделения суспензий. В таких фильтрах газ фильтруется через пористые перегородки гильз, которые плотно закреплены в трубной решетке. Очищение таких гильз производится периодически при помощи обратной продувки сжатым воздухом. Данный фильтр способен уловить частицы, размер которых составляет от 0,2 мкм.
В фильтрах, имеющих зернистый слой, для очищения газа от твердых частиц, используется слой мелких частиц, например, песок, шлак, гравий или кокс. В аппаратах периодического действия фильтрующий слой опирается на сетку и является неподвижным. В аппаратах непрерывного действия зернистый материал, который очищает газ от взвешенных твердых частиц, непрерывно перемещается между перегородками с фильтрующим материалом. Газ последовательно проходит через ряд зернистых слоев, которые вертикально перемещаются. Загрязненный зернистый материал, который выходит из каждой секции, промывается и возвращается в фильтрующую секцию. Зернистые фильтры в настоящее время используются крайне редко.
Мокрая очистка газов – это процесс разделения газовзвесей, при котором взвешенные частицы смачиваются жидкостью и отделяются от газа. Очистка происходит главным образом за счет действия сил инерции.
Выбор подходящего метода разделения зависит от таких параметров, как:
В промышленности методом отстаивания разделяют суспензии, если необходимо:
Поскольку движущая сила процесса отстаивания (сила тяжести) достаточно мала, от сплошной фазы эффективно отделяются только крупные частицы. Тем не менее, процесс отстаивания является наиболее простым и недорогим способом разделения неоднородных жидких систем. Поэтому его использование целесообразно при первичной обработке суспензий. Метод позволяет подготовить состав для обработки более сложными способами и снизить затратность всего технологического цикла очистки.
Степень очистки газа от примесей в пылеуловителях любого типа вычисляются следующим образом:
η = [(V1·x1 - V2·x2)/((V1·x1)]·100 = [1 / (V2/V1)·(x2/x1)]·100%
где V1 – объем газа на входе в очистительный аппарат (м3),
V2 – объем газа на выходе из очистительного аппарата (м3),
х1 – концентрация тумана или пыли в загрязненном газе (г/м3),
х2 – концентрация тумана или пыли в очищенном газе (г/м3).
Результат данного вычисления является корректным при нормальных условиях производства.
Разделение неоднородных систем имеет большое значение как в промышленности, так и в других сферах деятельности. Нередко возникает необходимость очистить какой-либо состав или выделить из него ценные компоненты. Это может быть подготовка сырья к дальнейшей переработке, очистка готовых продуктов, очистка сточных вод и отходящих газов, получение полезных составляющих из продукта.
Промышленные газы представляют собой газовые смеси или содержат небольшой процент газообразных примесей. Такие газы нуждаются в предварительной обработке с разложением на отдельные компоненты. Газовые смеси разделяются различными способами:
Газовые смеси сжижаются путем охлаждения до температуры ниже температуры конденсации. Конденсация чистых газов осуществляется путем охлаждения до температуры конденсации. В процессе конденсации чистых газов уровень давления и температуры остается постоянным. Кривая давления пара демонстрирует взаимосвязь между температурой конденсации и давлением пара. Кривая насыщения демонстрирует зависимость между количеством растворимых в газе-носителе компонентов и температурой.
Если в газовой смеси температура конденсации отделяемой газовой составляющей значительно ниже аналогичного показателя у газа-носителя, возможно частичное разделение газовой смеси на основе конденсации. Газовые смеси, компоненты которых характеризуются близким по значению показателем температуры конденсации, не поддаются разделению в условиях процесса конденсации. Такая частичная конденсация называется дефлегмацией и часто применяется при работе перегонных аппаратов.
«Сухая» газовая смесь в процессе конденсации охлаждается, в результате чего содержание растворенного компонента соответствует точке №3 на кривой насыщения. Объем выпавшего конденсата равен ∆m.
Процесс конденсации протекает в специальных теплообменниках (конденсаторах). Внутри таких аппаратов находятся трубки с охлаждающим агентом. Определенные газовые составляющие конденсируются на этих трубках и стекают в направлении наклона. Газ-носитель выходит из конденсатора в значительной степени очищенным.
Разделение газовой смеси в конденсаторе
Абсорбцией называют процесс поглощения газов жидкостью вследствие физического растворения или обратимого химического процесса. Если жидкость поглощает не все компоненты газовой смеси, то абсорбция является частичной. Если смесь СО2 и воздуха растворить в воде, абсорбция газа СО2 будет избирательной. Газ, в отличие от воздуха, будет частично растворяться в воде, пока не будет исчерпана ее поглощающая способность. Показатель поглощающей способности зависит от уровня давления и температуры. В условиях пониженной температуры и высокого давления газ абсорбируется активно. Если давление понижено и температура высокая, газ проявляется в виде пузырьков.
Растворенный газ вместе с жидкостным абсорбентом образуют смешанную фазу. В процессе абсорбции поглощающая жидкость нагревается из-за выделения абсорбционного тепла. Чтобы не препятствовать нормальному протеканию процесса, жидкость подвергается обратному охлаждению.
Процесс избирательной абсорбции
В промышленности явление избирательной абсорбции используется при необходимости:
Экссорбцией (регенерацией, восстановлением) называют процесс обратный абсорбции. В результате данного процесса извлекается ранее растворенный газ и восстанавливается абсорбционная жидкость. Газ извлекается посредством:
Аппарат, разделяющий газовые смеси посредством метода избирательной абсорбции конструктивно состоит из абсорбера и регенератора. На выходе данная установка выдает газ, остаточную газовую смесь и восстановленный абсорбент. Восстановленный абсорбент используется многократно.
Аппарат, разделяющий газовую смесь посредством абсорбции
Непрерывно работающий абсорбционный блок, используемый для разделения газовых смесей
В качестве адсорберов могут использоваться:
Работа непрерывно действующего блока заключается в том, что подлежащий очистке газ и абсорбционная жидкость поступают в противотоке. Газ поступает снизу абсорбционной колонны, а абсорбционная жидкость сверху. Внутри абсорбционного блока создаются благоприятные условия (низкая температура и высокое давление). В верхней части колонны выходит чистый нерастворимый компонент газа. Насыщенный газом сорбент собирается, соответственно в нижней части установки и подается в верхнюю часть регенеративной колонны. При стекании вниз газ нагревается и теряет давление, что снижает абсорбционную способность жидкости. Большая часть растворенного газа в процессе стекания выходит в виде пузырьков сквозь насадки. Далее растворенный газ выходит из регенератора в верхней части колонны в виде чистого растворимого компонента газа. Абсорбционная жидкость, собирается в нижней части регенератора и подается к абсорберу. После того, как жидкость охлаждается, она подается в верхнюю часть абсорбера.
Адсорбцией называется процесс соединения молекул газа на поверхности твердых веществ, которые могут быть охарактеризованы как поверхностно-активные. Явление избирательной адсорбции состоит в том, что газовая смесь в соприкосновении с соответствующим твердым веществом задерживает на своей поверхности молекулы одной из газовых составляющих.
Процесс избирательной адсорбции
Данный метод применяется при необходимости удаления ядовитых микрочастиц из газа (опасных, с неприятным запахом или опасных). Вследствие высокой стоимости регенерации абсорбента избирательная адсорбция используется только в ряде случаев:
Уровень температуры и давления определяет количество адсорбированного вещества (максимальное поглощение вещества происходит при низкой температуре и высоком давлении). В неблагоприятных условиях процесс может стать обратным, т.е. произойдет выделение адсорбированного вещества (десорбция).
Процесс адсорбции можно условно разделить на два этапа, которые могут осуществляться одновременно или поочередно:
Процесс адсорбции в адсорбционной установке
Процесс регенерации в адсорбционной установке
Адсорбер с неподвижным слоем представляет собой резервуар, который заполнен адсорбентом. Резервуар оснащен подводящими и отводящими трубами, конденсатором и генератором перегретого пара.
В процессе адсорбции газ, который необходимо очистить, подается под высоким давлением. Адсорбент поглощает отделяемый компонент газа. Остаточный газ проходит сквозь статичный слой адсорбера, в результате чего получается очищенный газ. В определенный момент поглощающая способность адсорбента исчерпывается (возникает явление «проскока»). После наступления такого момента, начинается процесс регенерации адсорбента. Приводится в действие парогенератор и открывается клапан для отвода острого пара. Пар начинает подниматься вверх и нагревает адсорбент, в результате чего он выделяет адсорбированный газ и регенерируется. Смесь перегретого пара и газа выводится в конденсатор, где пар конденсирует. Оставшийся компонент газа выходит из адсорбера, чтобы подвергнуться дальнейшей обработке.
Адсорбционные установки, состоящие из двух адсорберов, работают поочередно. Преимущество двухкамерной установки заключается в способности обеспечивать непрерывный рабочий цикл.
Устройство двухкамерной адсорбционной установки
Каталитическая очистка газов состоит в том, что посредством использования химических реакций и катализаторов, ядовитые и опасные соединения превращаются в безвредные соединения. Катализаторы представляют собой промежуточные реагенты, которые ускоряют химические реакции. После завершения химического процесса, катализаторы снова предстают в неизмененном виде. Одним из примеров каталитической очистки газа является преобразование опасной окиси углерода СО в нейтральный углекислый газ СО2 посредством химической реакции при участии окиси хрома.
Очистка газов каталитическим способом чаще всего осуществляется в катализационных реакторах, где катализатор представлен неподвижным слоем зернистого сыпучего вещества.
Процесс очистки газа в реакторе с неподвижным слоем катализатора
Газ, содержащий вредные компоненты, проходит сквозь слой катализатора. После прохождения сквозь такой «фильтр», опасные вещества преобразуются в безвредные вещества. В зависимости от типа вещества, температура в реакторе варьируется от 200 до 400 °C.
В процессе каталитической реакции выделяется тепло. Для регулировки теплового режима, устройство оснащено системой нагревающих и охлаждающих трубопроводов. С целью удаления примесей к катализационному реактору может подключаться адсорбер.
Существуют следующие типы катализационных реакторов:
Универсальным способом очищения газов от горючих органических компонентов является сжигание.
В процессе сжигания воздух, содержащий опасные компоненты, помещается в печь и нагревается так сильно, что органические вещества сгорают. При сгорании выделяются:
Печь для сжигания отработанного воздуха
Температура в печи создается посредством сжигания горючего материала. В полость корпуса печи подается противотоком загрязненный подогретый газ. После этого, газ попадает в камеру сгорания, где сгорают содержащиеся в нем вредные вещества. Температура в камере сгорания может составлять от 650 до 800 °C. Газообразные продукты сгорания пропускают сквозь подогреватель отработанного воздуха, после чего удаляются из печи.
Метод прямого сжигания открытым пламенем факельных горелок используется для утилизации горючих газов и паров из неравномерных потоков отходящего газа. При помощи данного метода из нефтезаводских газов удаляются углеводороды. В процессе такого метода сжигания выделяются вода H2O и углекислый газ CO2. Минимальное образование сажи в процессе сгорания обеспечивается за счет попадания в пламя водяного пара.
Факельная горелка
Аппараты мокрой очистки могут быть самой разнообразной конструкции. Мокрые пылеуловители, в которых происходит ударение газового потока об верхний слой жидкости и дробление его на струйки, нити и капельки, относятся к аппаратам ударно-инерционного действия.
Широко распространенные в химическом производстве скрубберы Вентури служат, главным образом, для очистки промышленных газов от высокодисперсной пыли.
Наиболее эффективное применение скрубберы Вентури получили в современном производстве минеральных удобрений. К примеру, они являются частью основного оборудования технологической комплектной линии по производству такого сложного, азотно-фосфорного высококонцентрированного минерального удобрения, как гранулированный аммофос. Мощность такой линии составляет 750-800 тысяч тонн в год.
В данных аппаратах газ очищается от аммиака (улавливается кислой аммофосной пульпой) и фтористых соединений.
Комплектная технологическая схема производства гранулированного аммофоса
Воздух, проходя через аэрохолодильник, поступает в циклон, где проходит сначала «сухую» очистку, а затем, попадая в скруббер Вентури, орошаемый водой, проходит еще одну очистку, но уже «мокрую». После этого воздух и очищенный газ посредством выходной трубы удаляется в окружающую атмосферу.
Для комплексной очистки газов от их составляющих и частиц пыли специально был создан полый скоростной скруббер с центробежным батарейным каплеуловителем (см. рисунок ). Такой аппарат представляет собой орошаемую полую колонну, вверху которой расположен батарейный пылеуловитель с коническими завихрителями. Этот элемент улавливает капли промывной жидкости, которые выносятся из аппарата очистки потоком очищенного газа. Скруббер орошается тремя форсуночными ярусами с факелами распыла. Ориентация факелов такова: самый верхний ярус - вниз, а средний и нижний – вверх. Во избежание образования на элементах каплеуловителя всевозможных твердых отложений, устройство оснащено коллектором гидросмыва, который периодически начинает работать в тот период времени, когда происходит остановка газоочистной установки.
Центробежный каплеуловитель
Форсуночные полые скрубберы в основном используют для охлаждения, увлажнения и очистки (предварительной) газов, температура которых составляет более 200 градусов по Цельсию. Для транспортировки и очистки отходящих технологических газов от жидких и твердых частиц, имеющих размер более 2 или 3 мкм, применяют эжекторные скрубберы. Такие аппараты не имеют тягодутьевого устройства и вращающихся деталей, поэтому их часто используют в установках с токсичными, взрывоопасными и коррозионными средами. Их производительность по газу составляет 120-140 тысяч кубометров в час.
Недостатки скрубберов-пылеуловителей:
Абсорберы отлично подходит для очистки воздуха от паров таких жидкостей и веществ, как метанол, капролактам и деметилформамид.
Абсорбер – это аппарат, представляющий собой цилиндрический вертикальный сварной корпус, в котором концентрически располагаются три сетчатые тарелки с шаровой насадкой. Под каждой из этих тарелок находятся еще одни тарелки, только уже пленочные, которые одновременно являются распределителями жидкости для орошения (выполняется снизу) подвижной насадки, расположенной на ситчатых тарелках. Жидкость в пленочных тарелках распределяется при помощи форсунок, имеющих горизонтальную кольцевую щель.
Принцип действия абсорбера следующий: очищенный воздух, поступая в нижнюю часть аппарата, проходит все тарелки (пленочные и ситчатые) и приводит в движение шаровую насадку, после чего посредством верхнего штуцера уходит в атмосферу. Абсорбер обеспечивает орошающей жидкости тонкое диспергирование (измельчение) и одновременно с этим в его кубе образуются концентрированные растворы улавливаемых продуктов, которые затем регенерируют и снова возвращают в производство.
Такие аппараты, как ротоклоны, способны эффективно улавливать частицы пыли, размер которых составляет более 2 и даже 3 мкм при содержании их в газе более чем 90%. В таких аппаратах газ контактирует с жидкостью за счет его удара об ее поверхность. Жидкость в смеси с газом проходит далее через профилированный канал, который называется импеллер, где частицы пыли под действием центробежных сил осаждаются на каплях жидкости. Основное преимущество любого ротоклона – это довольно низкий расход жидкости. Производительность этого аппарата по газу составляет от 2,5 до 90 тысяч кубометров в час.
К оборудованию для сухой очистки газов относятся такие аппараты, как циклоны, батарейные циклоны, а также дымососы-пылеуловители.
Эти аппараты получили широкое распространение в самых различных отраслях отечественной промышленности.
Циклоны могут выступать как в качестве первой ступени очистки перед тканевыми и мокрыми фильтрами, так и могут быть вполне самостоятельными аппаратами обеспыливания. Они способны улавливать средне дисперсные и довольно грубые частицы пыли, средний размер которых составляет более 10 микрон. Эффективность улавливания напрямую зависит от типа циклона и составляет в пределах от 80 до 98%, температура – до 400 градусов по Цельсию, а гидравлическое сопротивление – от 0,8 до 2-х кило паскалей (кПа).
Для очистки очень больших объемов газов, как правило, используют прямоточные циклоны. Такие аппараты, по сравнению с другими уловителями пыли, имеют массу своих преимуществ: они довольно просты в изготовлении, имеют совсем небольшое гидравлическое сопротивление, очень надежны в работе и требуют лишь минимальных затрат на эксплуатацию. Для повышения КПД (коэффициент полезного действия) сепарации запыленный поток газа отклоняют как можно ближе к стенке аппарата.
Для повышения КПД сепарации в аппарате так же могут быть установлены промежуточные отборы пыли.
Чтобы усилить процесс сепарации слипаемой пыли при помощи увеличения центробежных сил прямоточный циклон оснащают эжектором (см.рис), который встраивают вовнутрь обтекателя.
Циклон для сепарации слипаемых пылей
Эжектор имеет одну камеру пониженного давления и одну повышенного давления. Первая соединена радиальными патрубками с пылевой камерой, вторая посредством кольцевой щели соединена с сепарационной камерой. Кольцевая щель оснащена направляющими лопатками, которые задают тангенциальное направление газу. Перед выхлопным патрубком имеются конические кольца, размер которых по направлению движения газа несколько уменьшается.
Принцип работы циклона следующий: газ, содержащий пыль, закручивается в завихрителе; отсепарированная пыль транспортируется газом к стенкам камеры. Затем частицы пыли со стенок камеры перемещаются вниз и посредством зазоров между коническими кольцами разного диаметра входят в отстойную зону. Часть газа вместе с частицами пыли, за счет создаваемого эжектором в верхней части разряжения, тоже проникает через те же зазоры, перемещая тем самым частицы пыли в отстойную зону. Скорость газа в кольцевой щели и в зазорах между коническими кольцами регулируется некоторым количеством газа, который подается в эжектор по патрубку.
Главная задача батарейных циклонов – сухая очистка газа от частиц пыли, размер которых составляет от 5 до 10 микрон. Такие циклоны состоят из множества параллельно работающих элементов с малым диаметром, которые установлены в общем корпусе. Диаметр самых распространенных циклонных элементов обычно составляет 150 и 250 миллиметров.
Рукавные фильтры являются одними из самых эффективных устройств очистки газовых промышленных выбросов.
Современные рукавные фильтры оснащаются мешками из высокопрочных и теплостойких тканей.
Конструкция рукавных фильтров представлена корпусом, в котором размещены тканевые рукава, верхние концы мешков оснащены крышками и подвешены к общей раме. Нижние концы мешков открыты и крепятся на патрубках общей трубной решетки. Загрязненный газ проходит сквозь ткань рукавов изнутри наружу. Частицы пыли осаждаются в порах ткани, а чистый газ выводится посредством выхлопной трубы.
Высокой степени очистки газа, содержащего очень мелкие частицы, можно достичь с помощью метода электроосаждения. При этом способе в специальных аппаратах создается электрическое поле, в котором молекулы газа ионизируются электрическим разрядом, в результате чего происходит осаждение твердой фазы.
Если газ содержит свободные заряды (электроны и ионы), его можно пропустить между двумя электродами, которые создают постоянное электрическое поле. В этом поле свободные заряды движутся по силовым линиям. Их скорость движения и кинетическая энергия зависит от напряженности электрического поля.
Когда разность потенциалов составит около нескольких десятков кВ, ионы и электроны будут иметь достаточно кинетической энергии и скорости, чтобы, сталкиваясь с молекулами газа, расщеплять их на ионы и свободные электроны. В свою очередь вновь образовавшиеся заряды также будут сталкиваться с нейтральными молекулами и ионизировать их. Таким образом будет происходить ионизация газа до тех пор, пока не останется нейтральных газовых молекул. Такое явление называют ударной ионизацией.
Если напряженность поля будет увеличиваться, это может привести к электрическому пробою и короткому замыканию электродов. Поэтому в очистных аппаратах один электрод представляет собой проволоку, второй – пластину, расположенную около проволоки или трубу, которая охватывает эту проволоку. Это позволяет создать неоднородное электрическое поле.
При этом у проволоки напряженность поля максимальная и убывает по направлению к трубе или пластине. В этом месте напряженности уже недостаточно для электрического пробоя.
Между электродами, создающими напряженность поля для полной ионизации газа, возникает коронный разряд, о чем свидетельствует появление светящейся «короны» у проволоки. Благодаря этому эффекту проволоку называют коронирующим электродом. Другой электрод, имеющий вид трубы или пластины, называют осадительным.
Установленные в аппаратах коронирующие электроды подсоединены к отрицательному источнику полюсу источника электрического тока. Осадительные электроды соединяются с положительным полюсом. В подобных условиях есть возможность создать более высокое напряжение поля без риска появления пробоя.
Коронирующий электрод притягивает к себе положительно заряженные ионы и нейтрализует их. Осадительный электрод притягивает отрицательные ионы и свободные электроны и также нейтрализует их. При этом на пути к осадительному электроду ионы сталкиваются с частичками пыли и жидкости, находящиеся в газовзвеси, сообщают им отрицательный заряд и увлекают за собой. Таким образом, частицы пыли осаждаются на пластине или трубе. Небольшая часть твердой фазы сталкивается с положительными ионами, заряжается от них и устремляется к коронирующему электроду, а затем осаждается на его поверхности.
При очистке газов в электрофильтре эффективность процесса зависит преимущественно от электропроводности частиц пыли и их адгезионной способности. При высокой электропроводности и низкой адгезии частицы, попадая на электрод, отдают ему свой заряд и получают заряд электрода, после чего снова попадают в поток запыленного газа. Тем самым снижают степень очистки.
Если частицы обладают низкой электропроводностью и высокой адгезией, они создают на электроде достаточно большой слой отрицательных ионов, который противодействует электрическому полю. Увеличение толщины этого слоя приводит к повышению напряжения в его порах до критического, вследствие чего происходит коронирование газа рядом с осадительным электродом с образованием так называемой «обратной короны». В данном случае это также снижает эффективность очистки газа. Чтобы предотвратить появление коронирования газа необходимо своевременно очищать электроды от осевшей пыли.
Высокая концентрация частиц пыли может способствовать снижению силы тока вплоть до нуля. Такое явление называют «запиранием короны». Причины его появления в том, что в данных условиях ток переносится только заряженными частицами пыли, которые движутся намного медленнее, чем ионы. Поэтому для сильнозапыленных газов применяют предварительную очистку другими способами, чтобы снизить концентрацию твердой фазы, или уменьшают скорость поступающего газа в электрофильтр для снижения нагрузки на него.
При работе электрофильтра в обычных условиях эффективность очистки газа зависит от многих факторов. Среди них: свойства газа (его химический состав, температура, влажность); свойства пыли (ее состав, электрические свойства, дисперсность); концентрация пыли; скорость газа; конфигурация электрофильтра и другое.
Учесть все факторы при расчетах не представляется возможным. Поэтому эффективность очистки газа определяется экспериментально.
В зависимости от формы электродов выделяют электрофильтры трубчатые и пластинчатые. Кроме того, по виду удаляемых частиц аппараты делятся на мокрые и сухие. В мокрых электрофильтрах из газа удаляется влажная пыль, а также осаждаются взвешенные в газе капли жидкости.
Схема трубчатого электрофильтра изображена на рисунке А. В аппарате установлены осадительные электроды, представляющие собой трубы диаметром 0,15-0,3 м и длиной 3-4 м. Коронирующие электроды, выполненные в виде проволок диаметром 1,5-2 мм, расположены по оси труб и подвешены к раме. В свою очередь рама опирается на изоляторы.
В нижней части корпуса электрофильтра находится штуцер, через который поступает исходный газ и проходит внутри труб. Частицы пыли оседают на стенках труб, а очищенный газ удаляется из корпуса через верхний штуцер.
Для удаления осевшей пыли в сухих электрофильтрах предусмотрено специальное устройство, которое периодически встряхивает электроды. В мокрых электрофильтрах для удаления пыли внутренние поверхности электродов периодически или непрерывно промываются водой.
Трубчатый электрофильтр
Пластинчатый электрофильтр
Пластинчатый электрофильтр имеет аналогичное устройство. Существенное отличие от трубчатых аппаратов только в том, что в качестве осадительных электродов вместо труб используются прямоугольные пластины или сетки, натянутые на рамы.
Пластинчатые электрофильтры обладают более компактной конструкцией, с электродов легче удаляется осевшие твердые частицы. Преимущество трубчатых электрофильтров в том, что их электроды создают более высокое напряжение электрического поля, что увеличивает производительность и позволяет более эффективно отделять трудноулавливаемую пыль и туманы.
Электрофильтры чаще всего изготавливаются пластинчатыми. Такие фильтры состоят из некоторого количества пластин, которые расположены параллельно. Эти пластины выполняют функцию осадительных электродов. Между этими пластинами установлены проволочные коронирующие электроды. Газ, который подлежит очистке, проходит в зазорах между пластинами и направляется мимо коронирующих электродов. При этом частицы заряжаются и остаются на пластинах устройства.
Пластинчатый электрофильтр
При помощи таких аппаратов удаляются частицы пыли, размер которых находится в пределах от 0,001 до 10 мкм.
Как правило, электрофильтры отличаются низким энергопотреблением (0,2-0,3 кВт∙ч на 1000 м³ газа) несмотря на то, что для их работы необходимо высокое напряжение постоянного тока (40-75 кВ). Гидравлическое сопротивление электрофильтров по сравнению со многими другими устройствами, относительно невелико и составляет 150-200 Па. Степень очистки газа достигает 95-99%.
Также для электрофильтров характерна достаточно высокая стоимость и сложность в эксплуатации. Подобные установки не используются для очистки газов, содержащих частицы с малым электросопротивлением.
На процесс разделения неоднородной системы оказывают влияние свойства всех входящих компонентов и их взаимодействие друг с другом. В двухфазных системах основным компонентом является твердая фаза. Поэтому выбор метода разделения такой системы и необходимого оборудования зависит от свойств твердых частиц, входящих в нее.
Основные физические свойства твердой фазы двухфазных систем, которые необходимо учитывать при проектировании оборудования для их разделения:
1. Размер и формы частиц пыли. От размеров частиц зависит один из важнейших параметров процесса разделения в пылеулавливающих устройствах - скорость их осаждения. В природе форма и размеры частиц очень различны. Кроме того, двигаясь в газовом потоке, частицы постоянно сталкиваются друг с другом. В результате чего они могут дробиться на еще более мелкие частички или, наоборот, слипаться и образовывать агломераты.
Поэтому в расчетах процесса разделения в пылеулавливающих устройствах используют такую величину, как эквивалентный диаметр частицы. За эту величину принимают диаметр шара с объемом, равным объему частицы с такой же массой:
dэ = ²√(6Vч/π)
Также при расчетах используют седиментационный диаметр частицы. Он принимается равным диаметру шара, который осаждается с такой же скоростью, как и реальная частицы неправильной формы.
2. Плотность частиц пыли. Существует несколько понятий плотности частиц: истинная плотность, насыпная и кажущаяся. Истинной называют плотность частицы, которая определяется структурой этой частицы.
Насыпной называют плотность совокупности частиц. Она определяется уже не только плотностью самих частиц, но и свободными промежутками между ними. Поэтому насыпная плотность материала всегда меньше истинной плотности составляющих его частиц. При этом она имеет свойство уменьшаться в 1,2-1,5 раз в результате слеживания материала.
Кажущаяся плотность – это отношение массы твердой частицы к объему, который она занимает, включая поры и пустоты, различные неровности. В некоторых случаях кажущаяся плотность может быть меньше истинной. В основном это относится к частицам, которые склонны к слипанию. Для гомогенных структур истинная и кажущаяся плотности имеют одинаковое значение.
На практике в расчетах обычно используют кажущуюся плотность. Насыпная плотность связана с ней следующим соотношением:
ρнас = ρк (1 - ε),
ε – порозность насыпного слоя.
3. Дисперсность частиц. Дисперсность – это отношение суммарной поверхности частиц к их объему. Является важнейшим параметром, характеризующим твердую фазу системы и показывает, в какой степени распределяются частицы по своим размерам. Для определения дисперсного состава все частицы разделяются по фракциям, после чего определяется доля каждой фракции в общей массе твердой фазы. Фракция – это относительная доля частиц с размерами, значения которых находятся в заданном диапазоне.
Дисперсный состав твердой фазы часто представляют в виде таблицы с указанием процентного соотношения фракций.
| Размер частиц по фракциям, мкм | Массовая доля фракций, % | Размеры частиц по фракциям, мкм | Массовая доля фракций, % |
|---|---|---|---|
| <1,6 | 2,00 | 10 – 16 | 19,0 |
| 1,6 – 2,5 | 3,60 | 16 – 25 | 15,0 |
| 2,5 – 4,0 | 8,30 | 25 – 40 | 12,00 |
| 4,0 – 6,3 | 17,60 | > 40 | 2,00 |
| 6,3 – 10 | 20,50 |
4. Адгезионные свойства частиц Адгезионные свойства означают склонность частиц слипаться. Как правило, такие частицы имеют размеры не более 10 мкм. Частицы с повышенными адгезионными свойствами быстрее забивают газоходы и пылеулавливающее оборудование. Показателем слипаемости является прочность слоя пыли на разрыв, Па.
По своим адгезионным свойствам частицы делятся на группы:
Адгезионные свойства частиц определяют еще один важный параметр пыли – ее сыпучесть. На степень сыпучести указывает угол откоса, образованного свеженасыпанным слоем пыли. Характеристика сыпучести необходима для расчета угла наклона стенок бункера.
5. Абразивность частиц. Абразивные свойства частиц пыли негативно сказываются на эрозионной стойкости металла и приводят к быстрому износу деталей. Особенно подвержены абразивному воздействию устройства, использующие для очистки центробежную силу. На абразивные свойства частиц влияет их твердость, форма, размеры и плотность.
6. Смачиваемость частиц. Параметр имеет большое значение для характеристики пыли при мокрой очистке, поскольку от него зависит эффективность работы мокрых пылеуловителей.
По степени смачивания различают несколько групп материалов:
7. Гигроскопичность частиц. Гигроскопичность материала выражается в его способности впитывать влагу. Параметр имеет значение при расчетах и эксплуатации мокрых пылеуловителей.
8. Удельное электрическое сопротивление частиц. На эту характеристику влияют свойства отдельных частиц и параметры потока газа.
По удельному электрическому сопротивлению частиц пыли делятся на следующие группы:
9. Способность пыли к самовозгоранию и образованию взрывоопасной смеси. Способностью к самовозгоранию и образованию взрывоопасной смеси обладают пыли, у которых очень развита поверхность для контакта с воздухом и высокая концентрация (достигающая 500-800 г/м3). Кроме того, фактором, способствующим появлению способности к самовозгоранию, является среда с содержанием кислорода 16% и выше.
Для осаждения твердых частиц, находящихся в газовом потоке, используется несколько различных механизмов.
1. Гравитационное осаждение. Является наиболее простым способом отделения пыли от газа. Вместе с тем, этот механизм отличается низкой эффективностью в сравнении с другими методами очистки газов.
При использовании механизма гравитационного осаждения твердые частицы оседают на внутренней поверхности очистителя за счет сил тяжести. Во время движения частицы испытывают сопротивление среды:
Fс = 0,5·ζч·Sч·vч2·ρг
где ζч – коэффициент лобового сопротивления частицы;
Sч – площадь миделева сечения, м2;
vч – скорость частицы относительно скорости газовой среды, м/с;
ρг – плотность среды, кг/м3.
2. Центробежное осаждение. При данном способе частицы пыли отделяются от газового потока под воздействием центробежной силы. Ее находят по формуле:
Fц = mч·vω2/r;
где mч – маса частицы, кг;
vω – скорость вращения потока газа, м/с;
r – радиус вращения потока газа, м.
3. Инерционное осаждение. Суть метода инерционного осаждения состоит в том, что на пути движения потока газа устанавливается какое-либо препятствие в виде твердого тела. На этом препятствии частицы осаждаются, поскольку силы инерции не позволяют им обойти его.
4. Зацепление. Метод основан на том, что при касании частицами обтекаемого тела происходит их захват. В этом случае многое зависит от размера частиц. Если не учитывать инерционный эффект и принять, что движение частицы в точности соответствует движению потока газа, то осаждение частицы произойдет не только когда ее траекторий коснется или пересечет поверхность тела, но и если пройдет на расстоянии радиуса частицы от этого тела. Таким образом, механизм зацепления эффективен даже при отсутствии инерционного осаждения.
Эффективность зацепления R определяется следующим соотношением:
R = dч/dТ;
где dТ – диаметр обтекаемого тела.
В зависимости от формы тела эффективность зацепления принимает значения:
| для шара | ηз = 2R … 3R; |
| для цилиндра | ηз = 1R … 2R. |
Эффективность осаждения за счет касания поверхности цилиндра определяют с помощью уравнения:
ηз = R2/(1 – In·ReТ)
где ReТ – критерий Рейнольдса для обтекаемого тела и вычисляется по следующей формуле:
ReТ = vч·ρг·dТ/μ.
5. Диффузионное осаждение В основе метода лежит свойство большинства взвешенных частиц при касании твердой поверхности оставаться на ней. При осаждении на поверхности образуется градиент концентрации частиц. За счет этого градиента движение частиц к поверхности становится непрерывным и направленным на выравнивание разности концентраций. Диффузионное осаждение может применяться для отделения от газа частиц, имеющих малые размеры и поддающихся воздействию броуновского движения молекул. Для подобных условий перемещение молекул описывается уравнением Эйнштейна:
∆x2 = 2Dч·Tг
где Dч – коэффициент диффузии частиц.
6. Осаждение частиц под действием электрических сил Для отделения частиц в различных аппаратах им сообщается заряд одним из трех способов:
В первых двух методах частиц, имеющие размеры не более 0,2 мкм, получают положительный и отрицательный заряд. Величина этого заряда определяется по формуле:
qD = 108·dч·e
где e – величина заряда электрона, равна 1,6·10-19 Кл.
7. Осаждение частиц на пленке жидкости Твердая частица в момент удара о пленку жидкости ведет себя определенным образом. В этом случае возможны варианты:
8. Осаждение на поверхности пузырьков Такой способ осаждения осуществим при барботаже. Размер пузырьков зависит от скорости пропускаемого газа и составляет 2-20 мм. Скорость газового потока может варьироваться от 1,0 до 5,0 м/с.
9. Захват частиц каплями Суть метода состоит в том, что в распыливающих устройствах (оросителях, форсунках и других) осуществляется распыливание жидкости. За счет того, что капли жидкости и твердые частицы имеют разные скорости движения, происходит кинематическая коагуляция. В процессе могут иметь место практически все механизмы осаждения, но основной фактор, способствующий захвату частиц – инерционный механизм.
Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым аппаратам сухой и мокрой очистки газа.
Технический департамент: info@intech-gmbh.ru, тел. +7 (499) 261-08-45.
Центральный сайт компании Интех ГмбХ
Филиал компании в Казахстане – ТОО "Интех СА"