Методы и аппараты для очистки газовоздушных выбросов от твердых примесей


Аэрозоли воздушных выбросов промышленных предприятий характеризуются большим разнообразием  дисперсного состава и других физико-химических свойств. В связи с этим разработаны различные методы очистки и типы  пылеуловителей - аппаратов, предназначенных для очистки выбросов от пыли  других аэрозолей).

Методы  очистки промышленных газовых выбросов от пыли можно разделить на две группы:

- методы улавливания пыли  «сухим» способом;

- методы улавливания пыли «мокрым» способом.

В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.

Выбор метода и аппарата для улавливания аэрозолей в первую очередь зависит от их дисперсного состава (таблица 1):

Таблица 1

Размер частиц, мкм

Аппараты

Размер частиц, мкм

Аппараты

40 - 1000

Пылеосадительные камеры

20—100

Скрубберы

 

Циклоны:

0,9—100

Тканевые фильтры

20—1000

диаметром 1—2 м

0,05—100

Волокнистые фильтры

5—1000

диаметром 1 м

0,01—10

Электрофильтры

 

Очистка газов в сухих механических пылеуловителях

            К сухим механическим пылеуловителям относят аппараты, в которых использованы различные механизмы осаждения:

- гравитационный (пылеосадительные камеры);

- инерционный (камеры, осаждение пыли в которых происходит в результате изменения направления движения газового потока или установки на его пути препятствия);

- центробежный (одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители).

Применение того или иного аппарата обуславливается свойствами и группой дисперсности пыли:

I - очень крупнодисперсная пыль, d50> 140 мкм;

II- крупнодисперсная пыль, d50 =  40 - 140 мкм;

III- среднедисперсная пыль, d50 =  10 - 40 мкм;

IV- мелкодисперсная пыль, d50 =  1 - 10 мкм;

V- очень мелкодисперсная пыль, d50<  1 мкм.

d50  - среднее значение эффективного диаметра 50 % частиц  пыли.

            Пылеосадительные камеры и циклоны большой пропускной способности  применяют для улавливания пыли первой и второй групп (крупнодисперсной), тканевые фильтры - для улавливания пыли  третьей и четвертой групп (средне- и мелкодисперсной), электрофильтры эффективны для улавливания  пыли пятой группы (очень мелкодисперсной).

            Перечисленные аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуатации, их достаточно широко используют в промышленности. Однако эффективность улавливания в них пыли не всегда оказывается достаточной, в связи с чем они часто выполняют роль аппаратов предварительной очистки газов.

Типы пылеосадительных камер показаны на рисунке 2.

 

I-2

Рис. 2.  Пылеосадительные камеры:

а – простейшая камера; б – камера с перегородками; в – многополочная камера;

1 – корпус; 2 - бункеры; 3 – перегородка; 4 – полка.

            Пылеосадительные камеры. Аппарат этого типа представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости короб, в нижней части которого имеется бункер для сбора пыли. Поток запыленного газа вводится в камеру через отверстие сравнительно небольшого диаметра, но при этом газ должен полностью заполнять поперечное сечение камеры. Для соблюдения этого условия в конструкции камеры предусматриваются специальные устройства (полки, перегородки).

            Загрязненный пылью газ пропускается через камеру со скоростью 0,2 – 1,5м/с, частицы пыли оседают под действием силы тяжести в нижней части аппарата. Степень очистки газа в камерах не превышает 40 – 50%. Обеспыленный газ выводится из камеры и далее либо выбрасывается в атмосферу, либо подается в другие аппараты для более глубокой очистки.

            Инерционные пылеуловители. При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли, под воздействием инерционной силы, будут стремиться двигаться в прежнем направлении и после поворота потока газов выпадают в бункер. На этом принципе работает ряд аппаратов (рисунок 3). Эффективность в них небольшая. Скорость газа в сечении камеры принимают 1,0 м/с. Для частиц пыли размером 25 – 30 мкм достигается степень улавливания 65 – 80 %.

            Циклоны. Циклоны различных типов получили широкое применение для сухой очистки газов. Это механические обеспыливающие устройства, в которых  очистка газа основана на использовании инерционных свойств частиц пыли. Циклоны являются наиболее характерными представителями сухих инерционных пылеуловителей. Они, как правило, имеют простую конструкцию, обладают большой пропускной способностью и несложны в эксплуатации. Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности. Они имеют следующие достоинства:

  • отсутствие движущихся частей в аппарате;
  • надежность работы при температурах газов вплоть до 500 ºС;
  • возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей
    циклонов специальными покрытиями;
  • улавливание пыли в сухом виде;
  • почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата;
  • успешная работа при высоких давлениях газов;
  • простота изготовления;
  • сохранение высокой фракционной эффективности очистки при увеличении запыленности газов.

Недостатки:

  • высокое гидравлическое сопротивление: 1250 – 1500 Па;
  • плохое улавливание частиц размером менее 5 мкм;
  • невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений.

I-3

Рис. 3. Инерционные пылеуловители:

а – с перегородкой;                                     б – с плавным поворотом газового потока;

в – с расширяющимся конусом;                г – с боковым подводом газа.

 

            Основные конструкции циклонов (по подводу газов) показаны на рисунке 4. По способу подвода газов в аппарат их подразделяют на циклоны со спиральным, тангенциальным, винтообразным, а также осевым подводом. Наиболее предпочтительным по форме с точки зрения аэродинамики является подвод газа по спирали. Однако на практике все способы подвода газа могут использоваться в равной степени.

            Принцип работы циклона показан на рисунке 5-а. Газ вращается внутри циклона, двигаясь сверху вниз, затем движется вверх. Частицы пыли отбрасываются центробежной силой к стенке. Эффективность улавливания частиц пыли в циклоне прямо пропорциональна скорости газов в степени ½ и обратно пропорциональна диаметру аппарата также в степени ½.

I-5

Рис. 4.Основные виды циклонов  (по подводу газов):

                                   а – спиральный;                   б – тангенциальный;

                                   в – винтообразный; г, д – осевые (розеточные).

 

            Процесс целесообразно вести при больших скоростях и небольших диаметрах. Однако увеличение скорости может привести к уносу пыли из циклона и резкому увеличению гидравлического сопротивления. Поэтому целесообразно увеличивать эффективность циклона за счет уменьшения диаметра аппарата, а не за счет роста скорости газов.

            В промышленности принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Первые эффективны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют небольшое гидравлическое сопротивление, но хуже улавливают мелкие частицы.

            На практике широко используют циклоны – цилиндрические (с удлиненной цилиндрической частью) и конические (с удлиненной конической частью). Цилиндрические относятся к высокопроизводительным аппаратам, а конические – к высокоэффективным. Диаметр цилиндрических циклонов не более 2000 мм, а конических – не более 3000 мм.

 

I-6

Рис. 5  Циклоны:

А – одинарный:

1 – входной патрубок;

2 – выхлопная труба;

3 – цилиндрическая камера;

4 – коническая камера;
5 – пылеосадительная камера;

 

Б – групповой:

1 – входной патрубок;
2 – камера обеспыленных газов;
3 – кольцевой диффузор;

4 – циклонный элемент;

5 – бункер;
6 – пылевой затвор.

 

 

            Групповые циклоны. При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки. Схема групповых циклонов дана на рисунке 5-б. Запыленный газ входит через общий коллектор, а затем распределяется между циклонными элементами.

            Батарейные циклоны – представляют собой объединение большого числа малых циклонов (мультициклонов) в группу. Снижение диаметра циклонного элемента преследует цель увеличения эффективности очистки. Схема батарейного циклона приведена на рисунке 6-а. Элементы батарейных циклонов (рисунок 6-б, в) имеют диаметр 100, 150 или 250 мм. Оптимальная скорость газов в элементе лежит в пределах от 3,5 до 4,75 м/с, а для прямоточных циклонных элементов от 11 до 13 м/с.

I-7

Рис. 6. Батарейный циклон:

а – схема: 1 – корпус; 2 – распределительная камера; 3 – решетки; 4 – циклонный элемент;

б – элемент с направляющим аппаратом типа «винт»;

в – элемент с направляющим аппаратом типа «розетка».

 

Очистка газов в фильтрах

            Фильтры с пористыми перегородками различных типов широко используют для очистки загрязненных газовых выбросов. Процесс фильтрования состоит в пропускании аэродисперсной системы (газа, загрязненного пылью или частицами аэрозолей) через пористый материал фильтра. Частицы дисперсной фазы, размеры которых превышают диаметр пор фильтровального материала, отделяются от газового потока.

            Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы:

            гибкие пористые перегородки – тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон; нетканые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты); ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры);

            полужесткие пористые перегородки – слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними;

            жесткие пористые перегородки – зернистые материалы (пористая керамика или пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.); волокнистые материалы (сформированные слои из стеклянных или металлических волокон); металлические сетки и перфорированные листы.

            Фильтрующие зернистые слоииспользуют для очистки газов от крупнодисперсных частиц загрязнений. Для очистки газов от пылей механического происхождения (от дробилок, сушилок, мельниц) часто используют фильтры из гравия.

            Для тонкой очистки газов от  аэрозолей и мелкодисперсной пыли применяют войлоки  из синтетических волокон (лавсана, ПВХ, капрона). Хорошими фильтрующими свойствами обладают хлопчатобумажные и шерстяные ткани, но они менее прочны и химически стойки, чем синтетические. Проволочные сетки, изготовленные из специальных  марок сталей, меди, латуни, бронзы, никеля могут работать в широком интервале температур (0°С – 800°С), в химически агрессивных средах. Фильтрующие элементы из пористой керамики, пористых металлов обладают высокой прочностью, коррозионной и термостойкостью.

            В процессе очистки запыленного газа частицы приближаются к волокнам или к поверхности зерен материала, сталкиваются с ними и осаждаются главным образом в результате действия сил диффузии, инерции и электростатического притяжения.

            В фильтрах уловленные частицы накапливаются в порах или образуют пылевой слой на поверхности перегородок, и таким образом сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрующей среды. По мере накопления пыли пористость перегородки уменьшается, а сопротивление возрастает. Поэтому возникает необходимость удаления пыли и регенерация фильтра.

            В зависимости от назначения и величины входной и выходной концентрации фильтры условно разделяют на три класса:

            фильтры тонкой очистки – предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (более 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов с низкой входной концентрацией (менее 1 мг/м3) и скоростью фильтрования менее 10 см/с. Фильтры применяют для улавливания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологических процессов. Они не подвергаются регенерации;

            воздушные фильтры – используют в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Работают при концентрации пыли менее 50 мг/м3, при высокой скорости фильтрации-до 2,5–3 м/с;

            промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) применяют для очистки промышленных газов концентрацией до 60 мг/м3. Фильтры регенерируются.

            Тканевые фильтры. Эти фильтры нашли широкое  распространение. Возможности их использования расширяются в связи с созданием новых температуростойких и устойчивых к воздействию агрессивных газов тканей. Наибольшее распространение среди них получили рукавные фильтры (рисунок 7).

            Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены к раме, соединенной с встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер для пыли со шнеком для ее выгрузки. Встряхивание рукавов в каждой из секций производится поочередно.

            В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках и войлоки, получаемые путем сволачивания или механического
перепутывания волокон иглопробивным методом. В типичных фильтровальных тканях размер сквозных пор между нитями достигает 100 – 200 мкм.

 

I-10

 

 

 

Рис. 7. Рукавный фильтр:

1 – корпус;

2 – встряхивающее

устройство;

3 – рукав;

4 – распределительная решетка.

 

К тканям предъявляют следующие требования:

1. высокая пылеемкость при фильтрации;

2. сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;

3. высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при многократных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей;

4. способность к легкому удалению накопленной пыли;

5. низкая стоимость.

            Главным достоинством рукавных фильтров является высокая эффективность очистки  для всех размеров частиц.

 

Очистка газов в электрофильтрах

            Электрофильтры. В основе работы электрофильтра лежит явление электризации взвешенных в газе частиц дисперсной фазы с последующим осаждением их на электроде с зарядом, противоположным по знаку заряду частиц загрязнений (осадительном электроде). По конструкции электрофильтры подразделяют на трубчатые и пластинчатые. Наиболее распространенными являются трубчатые электрофильтры (рисунок 8).

            В трубчатых электрофильтрах загрязненный газ пропускается по вертикальным трубам диаметром 20 – 25 см, по центру которых натянута проволока. Скорость движения газа  в трубке составляет 0,5 - 2 м/с. Газ находится в трубке 6 – 8 с. Постоянный ток напряжением 50 – 100 кВ подается на электроды. Электродами являются стенки трубки (осадительный электрод) и проволока (коронирующий электрод).

            В пластинчатых электрофильтрах осадительными электродами являются пластинки, между которыми натянута проволока – коронирующий электрод. Для увеличения степени очистки электроды могут смачивать водой. В таком случае электрофильтр будет относиться к мокрым.

 

Безымянный

Рис. 8. Трубчатый электрофильтр:

1 – осадительный электрод;

2 – коронирующий электрод; 3 – рама;

4 – встряхивающее устройство; 5 – изолятор.

            Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: воздействием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых  линий поля) и диффузией ионов. Первый механизм преобладает при размерах частиц более 0,5 мкм, второй – менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2 – 0,5 мкм эффективны оба механизма.

 

Процесс очистки газа от частиц  пыли происходит следующим образом. Молекулы газов воздуха, проходящего в пространстве между двумя электродами, при определенной напряженности электрического поля между электродами ионизируются. Образующиеся ионы движутся к соответствующему электроду (стенке трубки), сталкиваются при движении с частицами пыли (или жидкими частицами аэрозоля), передают им свой заряд – ионизируют частицы. Далее заряженные частицы пыли движутся к электроду с противоположным по знаку зарядом (к стенке трубки), осаждаются на поверхности этого электрода. Очищенный газ выводится из трубки. Накапливающийся на поверхности осадительного электрода слой пыли периодически удаляют сухим (вибрация) или мокрым (отмывка) способом. Пыль собирается в бункера в виде сухого порошка или в виде пульпы (взвеси) в нижней части аппарата.

            Таким образом, электроочистка включает процессы образования ионов, зарядки пылевых частиц, транспортирования их к осадительным электродам, периодическое разрушение слоя накопившейся на электродах пыли и сброс ее в пылесборные бункеры.

            Электрофильтры применяют для тонкой очистки газов от частиц аэрозолей 0,01 до 100 мкм при температуре газов до 400 – 450°С.Гидравлическое сопротивление их достигает 150 Па.

Выбор той или иной конструкции электрофильтра определяется условиями работы: составом и свойствами очищаемых газов, требуемой эффективностью очистки.

 

Очистка газов в мокрых пылеуловителях

Мокрые пылеулавливающие аппараты работают по принципу улавливания частиц пыли поверхностью или объемом жидкости (воды). Эти аппараты характеризуются высокой степенью очистки от мелкодисперсной пыли. С их помощью можно очищать от пыли горячие и взрывоопасные газы. Эффективность работы аппаратов мокрой очистки зависит от смачиваемости пыли, площади соприкосновения запыленного потока газа с поверхностью жидкости. Если пыль плохо смачивается водой, то в воду добавляют поверхностно активные вещества (ПАВ). Для увеличения поверхности контакта в аппараты мокрой очистки вводят специальные насадки из материалов инертных по отношению к воде и загрязнениям (в промывных башнях) или воду распыляют при помощи форсунок (форсуночные скрубберы).

            Мокрые пылеуловители имеют ряд достоинств и недостатков в сравнении с аппаратами других видов. Достоинства:

  • небольшая стоимость и более высокая эффективность улавливания взвешенных частиц;
  • возможность использования для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;
  • возможность очистки газа при высокой температуре и повышенной влажности;
  • возможность наряду с пылями одновременно улавливать парообразные и газообразные компоненты.

Недостатки:

  • выделение уловленной пыли в виде шлама, что связана с необходимостью обработки сточных вод, то есть удорожанием процесса;
  • возможность уноса капель жидкости и осаждения их с пылью в газоходах и дымососах, вынос в атмосферу водяных паров;
  • в случае очистки агрессивных газов необходимость защищать аппаратуру и коммуникации антикоррозионными материалами;
  • ухудшение условий рассеивания загрязнений через заводские трубы.

            В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще всего используется вода.
В зависимости от поверхности контакта или по способу действия их подразделяют на 8 видов:

            1. полые газопромыватели;

            2. насадочные скрубберы;

            3. тарельчатые (барботажные и пенные);

            4. с подвижной насадкой;

            5. ударно-инерционного действия (ротоклоны);

            6. центробежного действия;

            7. механические газопромыватели;

            8. скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури и эжекторные).

 

I-15

 

Рис. 9. Пенные пылеуловители

(газопромыватели):

а – с переливной тарелкой;

б – с провальной тарелкой;

1 – корпус;

2 – тарелка;

3 – приемная коробка;

4 – порог;

5 - сливная коробка;

6 – ороситель.

 

 

            Тарельчатые газопромыватели (барботажные, пенные). Наиболее распространены пенные аппараты с провальными тарелками или тарелками с переливом (рисунок 9). Тарелки с переливом имеют отверстия диаметром 3–8 мм. Провальные тарелки могут быть дырчатыми, щелевыми, трубчатыми и колосниковыми. Дырчатые тарелки имеют отверстия диаметром 4 – 8 мм. Ширина щелей у остальных конструкций тарелок равна 4 – 5 мм. Пыль улавливается пенным слоем, который образуется при взаимодействии газа и жидкости.

            Газопромыватели ударно-инерционного действия. В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется за счет удара газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы. В результате такого взаимодействия образуются капли диаметром 300 – 400 мкм.

            Наиболее простым по конструкции является аппарат, показанный на рисунке 10. Газ с большой скоростью входит в колонну. При повороте на 180° происходит инерционное осаждение частиц пыли на каплях жидкости. В основе процесса осаждения лежит «механизм удара». Имеются и другие конструкции аппаратов этого типа (скруббер Дойля).

Новый рисунок

Новый рисунок

Рис. 10. Пылеуловитель ударно-инерционного действия: 1 – входной патрубок;

2 – резервуар с жидкостью; 3 – сопло

Рис. 11.Скруббер Дойля.

1 – труба; 2 – конус; 3 – перегородки.

           

            Схема скруббера Дойля приведена на рисунке 11. В нижней части трубы установлены конусы для увеличения скорости выхода газа. В щели она равна 35 – 55 м/с. Газ ударяется о поверхность жидкости, создавая завесу из капель. Гидравлическое сопротивление газопромывателя от 500 до 4000 Па, удельный расход жидкости составляет 0,13 л/м3.

            Газопромыватели центробежного действия. Наиболее распространены центробежные скрубберы, которые по конструктивному признаку можно разделить на два вида:

аппараты, в которых закрутка газового потока осуществляется при помощи центрального лопастного закручивающегося устройства;

аппараты с боковым тангенциальным или улиточным подводом газа.

            Последние орошают через форсунки, установленные в центральной части аппарата, кроме того, жидкость, стекающая по внутренней поверхности стенки аппарата, образует пленку.

 

I-18

Рис. 12. Мокрые пылеуловители:

а – циклон с водяной пленкой;

1 – входной патрубок;

2 – выходной патрубок;

3 – кольцевой коллектор;

4 – сопло.

б– Скруббер Вентури с выносным

каплеуловителем:

1 – труба-распылитель;

2 циклон-пылеуловитель.

 

            Большинство центробежных скрубберов имеют тангенциальный подвод газов и пленочное орошение. Схема циклона с водяной пленкой представлена на рисунке 12-а. Такие аппараты используют для очистки любых видов нецементирующейся пыли. Для создания на внутренней поверхности стенки пленки воды, ее тангенциально вводят в аппарат через ряд трубок, расположенных в верхней его части.

Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури). Основной частью аппаратов является труба-распылитель, в которой обеспечивается интенсивное дробление орошаемой жидкости газовым потоком, движущимся со скоростью 40 – 150 м/с (рисунок 12-б).