Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

2.4. Очистка газов в мокрых пылеуловителях

Мокрые пылеуловители имеют ряд достоинств и недостатков в

сравнении с аппаратами других типов. Достоинства: 1) небольшая

стоимость и более высокая эффективность улавливания взвешенных

частиц; 2) возможность использования для очистки газов от частиц

размером до ОД мкм; 3) возможность очистки газа при высокой тем-

пературе и повышенной влажности, а также при опасности возгора-

нии и взрывов очищенных газов и уловленной пыли; 4) возможность

наряду с пылями одновременно улавливать парообразные и газооб-

разные компоненты. Недостатки: 1) выделение уловленной пыли в

виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод,

т е. с удорожанием процесса; 2) возможность уноса капель жидко-

сти и осаждения их с пылью в газоходах и дымососах; 3) в случае

очистки агрессивных газов необходимость защищать аппаратуру и

комму никации антикоррозионными материалами.

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 газо-

промыватели; 2) насадочные скрубберы; 3) тарельчатые (барботаж-

ные и пенные); 4)

подвижной насадкой; 5) ударно-инерционного дей-

ствия (ротоклоны); 6) центробежного действия; 7) механические

газопромыватели; 8) скоростные газопромыватели (скрубберы Вен-

тури и эжектор ные).

Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энер-

гии на низконапорные (гидравлическое сопротивление которых не пре-

вышает AP=

1,5

кПа): форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые

центробежные аппараты и др.; средненапорные (AP= 1,5-3ООО Па):

динамические скрубберы, газопромыватели ударно-инерционного дей-

ствия, эжекторные скрубберы; высоконапорные (АР>3,0 кПа): скруб-

беры Вентури, с подвижной насадкой.

В результате контакта запыленного газового потока с жидкостью

образуется межфазная поверхность контакта. Эта поверхность со-

стоит из газовых пузырьков, газовых струй, жидких струй, капель,

пленок жидкости. В большинстве мокрых пылеуловителей наблюда-

ются различные виды поверхностей, поэтому пыль улавливается в

них по различным механизмам.

Полые газопромыватели. Наиболее распространены полые

форсуночные скрубберы (рис. I-13,а). Они представляют собой ко-

лонну круглого или прямоугольного сечения, в которой осуществля-

ется контакт между газом и каплями жидкости. По направлению

движения газа и жидкости полые скрубберы делят на противоточ-

ные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. Форсунки

устанавливают в колонне в одном или нескольких сечениях: иногда

рядами до 14-16 в каждом сечении, иногда только по оси аппарата.

При работе без каплеуловителей чаще используют противоточ-

ные скрубберы. Скорость газа в них изменяется от 0,6 до 1,2 м/с.

Скрубберы с каплеуловителями работают при скорости газа 5-8 м/с.

Гидравлическое сопротивление пятого скруббера без каплечловите-

ля и газораспределителя обычно не превышает 250 Па.

Скрубберы обеспечивают высокую степень очистки только при

улавливании частиц пыли размером d

=10 мкм и малоэффективны

при улавливании частиц размером d

<5 мкм.

Высота скруббера составляет «2,5D. Диаметр аппарата опреде-

ляется по уравнению расхода, удельный расход жидкости m выбира-

ют в пределах 0,5-8 л/м

газа.

Эффективность прогивогочного скруббера вычисляют по формуле:

=1-ехр

2V.cLw„

(1.24)

где

— расход жидкости, м

/с;

г\

— эффективность захвата капля-

ми частиц определенного диаметра; \v

— скорость газа, м/с; \\

—

скорость осаждения капли, м/с; (I

— диаметр капли, м; V

— расход

газа, м/с; H — высота скруббера, м.

Для капель с d

« 0,6-1,0 мм скорость осаждения \v

определяют

по диаграммам. Коэффициент захвата каплями частиц находят по

формулам:

при

m <2

л/м

Т1

=ф

/(ф+ 0,35)

, (1.25)

при m >

л/м

= 1-0,15 <р"

, (1.26)

где ф — инерционный параметр, отличающийся от числа Стоке а по-

правкой, определяемой по справочникам.

Насадочные газопромыватели. Они представляют собой ко-

лонны с насадкой навалом или регулярной. Их используют для улав-

ливания хорошо смачиваемой пыли, но при невысокой ее концентра-

ции. Из-за частой забивки насадки такие газопромыватели исполь-

зуют мало. Кроме противоточных колонн на практике применяют

насадочные скрубберы с поперечным орошением (рис. 1-13, б). В

них для обеспечения лучшего смачивания поверхности насадки слой

ее обычно наклонен на 7-10° в направлении газового потока. Расход

жидкости 0,15-0,5 л/м

, эффективность при улавливании частиц раз-

мером d

> 2 мкм превышает 90%.

Газопромыватели с подвижной насадкой. Они имеют боль-

шое распространение в пылеулавливании (1-14,я). В качестве насад-

ки используют шары из полимерных материалов, стекла или порис-

той резины. Насадкой могут быть кольца, седла и т.д. Плотность

шаров насадки не должна превышать плотности жидкости.

Колонна с подвижной насадкой может работать при различных ре-

жимах, но оптимальный режим для пылеулавливания — режим полного

(развитого) псевдоожижения. Скорость газа W

', соответствующая на-

чалу режима полного псевдоожижения, определяется из формулы:

' )

с1

= С S

ехр [-12,6 (QJ V/'

], (1.27)

где d

—диаметр шаровой насадки, м; С — коэффициент (при шири-

не щели в опорной тарелке в -2 мм С = 2,8 IO

, при в >2мм С =

=4,5 IO

); S — свободное сечение решетки, м

/м

Очищенный

газ

Вода

Очищенный

газ

Шлам

Рис. 1-13. Скрубберы: л — полый форсуночный:

—

корпус; 2 — форсунки; б — насадочный с попереч-

ным орошением: 1 — корпус; 2 — форсунка; 3 —

оросительное устройство; 4 — опорная решетка; 5 —

насадка; 6 — шламосборник

Предельно допустимая скорость газа w

" равна

= 2,9 S

^(Q

)

-0

. (1.28)

Для обеспечения высокой степени пылеулавливания рекоменду

ются следующие параметры процесса: скорость газа — 5-6 м/с;

удельное орошение 0,5-0,7 л/м

; свободное сечение тарелки S

- 0,4

/м

при в = 4-6 мм. При очистке газов, содержащих смолистые

вещества, а также пыль, склонную к образованию отложений, при-

меняют щелевые тарелки с большей долей свободного сечения

= 0,5-0,6 м

/м

Свободное сечение ограничительной тарелки составляет 0,8-0,9

/м

. При выборе диаметра шаров необходимо соблюдать соотно-

шение DAi

>10. Оптимальными являются шары диаметром 20-40

мм и насыпной плотностью 200-300 кг/м

Минимальная статистическая высота слоя насадки H

состав-

ляет 5-8 диаметров шаров, а максимальная определяется из соот-

ношения H / D < I.

Высота секции (расстояние между тарелками) складывается из

Очищенный f

газ ——L

Жидкость

1 ^fl

Запылен -У

ныйгаз*.

Шлам

Запылен-

ный газ

Очищенный

газ 4

Очищенный

газ

Вода

Рис. 1-14. Газопромыватели с подвижной насадкой: a — с цилиндрическим

слоем:

— опорная решетка; 2 — шаровая насадка; 3 — ограничительная решетка;

4 — оросительное устройство; 5 — брызгоуловитель; бив — с коническим слоем

форсуночный и эжекционный: 1 — корпус; 2 — опорная решетка; 3 — слой шаров;

4 — брызгоуловитель; 5 — ограничительная решетка; 6 — форсунка; 7 — емкость

с постоянным уровнем жидкости

динамической высоты слоя псевдоожиженнои шаровой насадки, и

высоты сепар ационной зоны (в м):

H =H +H , H = 0,118 w °'

Н °'

(w /S )

сек дин сеп' дин ' ж ст

г о' '

H = (0,1 - 0,2)Н . (1.29-1.31)

сеп

' * ' дин

4 у

Общее гидравлическое сопротивление колонны рассчитывается

по уравнению:

+AP +AP+AP +AP +AP', (1.32)

BX ВЫХ Г ш ясн г '

где AP

И АР

вьк

— потеря напора при входе и выходе газа из аппара-

та соответственно. Па; AP

— гидравлическое сопротивление опор-

ной тарелки со слоем удерживаемой жидкости, Па; АР

— гидрав-

лическое сопротивление слоя

Xofi

насадки, Па; АР

ж н

— гидравли-

ческое сопротивление жидкости, удерживаемой слоем насадки, Па;

' — гидравлическое сопротивление ограничительной тарелки, Па.

Расчет АР

и АР

ж я

производят по формулам:

^.-PA

(I-S

)

(1.33)

AP = 1254w °'

w °'

Н °-

р -

, (1.34)

Ж.Н Г Ж CT

Ш '

4 у

где р

— насыпная плотность, кг/м

; е

— порозность неподвижного

слоя сухой шаровой насадки, принимается равной 0,4;

—

скорость

орошаемой жидкости в расчете на свободное сечение, м/с.

Скрубберы с подвижной шаровой насадкой конической

формы (КСШ). Для обеспечения стабильности работы в широком

диапазоне скоростей газа, улучшения распределения жидкости и

уменьшения уноса брызг предложены аппараты с подвижной шаро-

вой насадкой конической формы. Разработано два типа аппаратов:

форсуночный и эжекционный (рис. 1-14, б,в).

В эжекционном скруббере орошение шаров осуществляется жид-

костью, которая всасывается из сосуда с постоянным уровнем га-

зов, подлежащих очистке. Зазор между нижним основанием конуса

и уровнем жидкости зависит от производительности аппарата (чем

больше зазор, тем больше производительность). В аппаратах при-

меняют полиэтиленовые шары диаметром 34-40 мм с насыпной плот-

ностью 110-120 кг/м

. Высота слоя шаров H

составляет 650 мм;

скорость газа на входе в слой колеблется в пределах 6-10 м/с

умень-

шается на выходе до 1-2 м/с. Высота конической части в обоих ва-

риантах принята 1 м. Угол раскрытия конической части зависит от

производительности аппаратов и может составлять от 10 до 60°. Для

улавливания брызг в цилиндрической части аппаратов размещается

неорошаемый слой шаров высотой 150 мм.

В форсуночном скруббере расход жидкости на 1 м

газов состав-

ляет 4-5 л. Гидравлическое сопротивление форсуночных скруббе-

ров — 900-1400 Па, эжекционных — от 800 до 1400 Па. Производи-

тельность конических скрубберов от 3000 до 40000 м

/ч.

Тарельчатые газопромыватели (барботажные, пенные).

Наиболее распространены пенные аппараты с провальными тарел-

ками или тарелками с переливом (рис.1-15). Тарелки с переливом

имеют отверстия диаметром 3-8 мм и свободное сечение 0,15-0,25

/м

. Провальные тарелки могут быть дырчатыми, щелевыми, труб-

чатыми и колосниковыми. Дырчатые тарелки имеют отверстия d

=4-

8 мм. Ширина щелей у остальных конструкций тарелок равна 4-5

мм. Свободное сечение всех тарелок составляет 0,2-0,3 м

/м

. Пыль

улавливается пенным слоем, который образуется

при

взаимодействии

газа и жидкости.

Выделяют следующие стадии процесса улавливания пыли в пен-

ных аппаратах: инерционное осаждение частиц пыли в подрещеточ-

ном пространстве; первую стадию улавливания частиц пыли в пен-

ном слое ("механизм уда-

ра"); вторую стадию

улавливания частиц пыли

в пенном слое (инерцион-

но-турбулентное осажде-

ние частиц на поверхнос-

ти пены).

Эффективность улав-

ливания пыли в подреше-

точном пространстве зна-

чительна при у лавливании

пыли размером частиц

более 10 мкм. Преобла-

дающим в работе пенных

аппаратов для пылеулав-

ливания является "меха-

низм удара". Эффектив-

ность этого механизма на-

много

больше эффективно-

сти других механизмов.

Очищенный

газ ^

Очищенный

газ JS

Вода

Запылен-

ный газ

« 8

Шлам

Рис. 1-15.

Пенные пылеуловители (газопромы-

ватели): a — с переливной тарелкой; б — с про-

вальной тарелкой; 1 — корпус; 2 — тарелка; 3 —

приемная коробка; 4 — порог; 5 — сливная ко-

робка; 6 — ороситель

Эффективность процесса пылеулавливания зависит от величины

межфазной поверхности. Для дырчатых тарелок с переливом удель-

ную объемную поверхность контакта вычисляют по формуле:

а = 1,62w °'

°-

\i °>

°>

/ с

. (1.35)

К I* Ж ж

Для провальных тарелок при h

> 20 мм формула имеет вид:

я = 5,58 w °'

ц °'

р °'

/ h °'

, (1.36)

К Ж Ж о

где а — удельная объемная поверхность контакта фаз, м

/м

; W

—

скорость газа в колонне, м/с;

— газосодержание пенного слоя; —

коэффициент динамической вязкости жидкости, Па.с; а — коэффици-

ент поверхностного натяжения жидкости, Н/м

: h

— высота исход-

ного слоя жидкости, м.

Для h

<20 мм коэффициент пропорциональности в формуле равен

0,28h

Высота слоя пены:

H =4,35

•

°>

°'

,>3

(1.37)

п ' о к ж

Полное гидравлическое сопротивление аппарата

AP = AP +AP +AP +AP , (1.38)

вх вых т кал'

где AP

—полное сопротивление тарелки, Па; AP

ICAN

—гидравлическое

сопротивление каплеуловигеля, Па.

Гидравлические потери при входе и выходе газа из аппарата AP

+AP принимают равными 50-100 Па.

вых *

Полное сопротивление тарелки:

AP = АР

+АР

ст

, AP

= ^w

/ 2, АР

=4<т / d

, AP

ст

==Ь

,(1.39)

где AP

, AP

— соответственно сопротивление сухой тарелки,

сил поверхностного натяжения и статического слоя жидкости, Па.

Пенный аппарат со стабилизатором пенного слоя. На по-

вальной решетке устанавливается стабилизатор, представляющий

собой сотовую решетку из вертикально расположенных пластин, раз-

деляющих сечение аппарата и пенный слой на небольшие ячейки.

Благодаря стабилизатору происходит значительное накопление жид-

кости на тарелке, увеличение высоты пены по сравнению с проваль-

ной тарелкой без стабилизатора. Применение стабилизатора позво-

ляет существенно сократить расход воды на орошение аппарата.

Рекомендуются следующие размеры стабилизатора: высота пла-

стин 60 мм, размер ячеек от 35x35 до 40x40 мм. Оптимальные уело-

вия работы: \\

~ 2,5-3,5 м/с; ш = 0.05-0.1 л/м

. В аппарате устанав-

ливаются дырчатые провальные тарелки с d

= 3-6 мм и S

=0.14-0.2

/м

или щелевые

(тру

бчатые) тарелки с b = 3-6 мм и S

= 0.12-0,18

/м

. Производительность по газу аппаратов со стабилизаторами

изменяется от 3000 до 90 000 м

/ч.

Гидравлическое сопротивление тарелки со стабилизатором

ЛР = (4 р W

/2S ф

)+ AP + AP , (1 40)

^CJTt

г к о~ 'по'

v 7

где AP

— гидравлическое сопротивление пенного слоя, Па: ф — доля

сечения тарелки.

Газопромыватели ударно-инерционного действия. В этих

аппаратах контакт газов с жидкостью осу ществляется за счет удара

газового потока о поверхность жидкости с последующим пропуска-

нием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигура-

ции или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепа-

ратор жидкой фазы. В результате такого взаимодействия образуют-

ся капли диаметром 300—400 мкм.

Наиболее простым по конструкции является аппарат, показан-

ный на рис. 1-16. 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 (скруб-

бер Дойля, СУД).

Схема скруббера Дойля приведена на рис. 1-17. В нижней части

трубы установлены конусы для увеличения скорости выхода газа. В

щели она равна 35-55 м/с. Газ ударяется о поверхность жидкости, со-

здавая завесу из капель. Гидравлическое сопротивление газопромыва-

теля от 500 до 4000 Па. удельный расход жидкости составляет 0,13 л/м

Газопромыватели центробежного действия. Наиболее рас-

пространены центробежные скрубберы, которые по конструктивно-

му признаку можно разделить на два вида: 1) аппараты, в которых

закрутка газового потока

осу

ществляется при помощи центрального

лопастного закручивающего устройства и 2) аппараты с боковым

тангенциальным или улиточным подводом газа. Последние ороша-

ют через форсунки, установленные в центральной части аппарата,

кроме того жидкость, стекающая по внутренней поверхности стенки

аппарата, образует пленку-

Большинство отечественных центробежных скрубберов имеют

тангенциальный подвод газов и пленочное орошение. Схема циклона

с водяной пленкой представлена на рис. 1-18, а. Такие аппараты ис-

Запыленный

газ

Запыленный

газ

Очищенный

газ

И—*

Вода

Шлам

Рис.

1-16.

Пылеуловитель ударно-

инерционного

действия: 1 — вход-

ной патрубок; 2

— резервуар с

жид-

костью; 3 —

сопло

Шлам

Рис.

1-17.

Скруббер Дойля: 1

—

конус;

3 —

перегородки

труба;

пользуют для очистки любых видов нецементирующейся пыли. Для

создания на внутренней поверхности стенки пленки воды ее танген-

циально вводят в аппарат через ряд трубок, расположенных в верх-

ней его части.

При содержании пыли, превышающем 2 г/м

, до очистки в цик-

лоне с водяной пленкой рекомендуется предварительная очистка га-

зов в аппарате другого типа. Для улавливания смачиваемой пыли (за

исключением волокнистой и цементирующейся) при начальной кон-

центрации до 5 г/м

используют скоростные промыватели СИОТ.

Для очистки дымовых газов от золы применяют центробежный

скруббер ЦС-ВТИ.

Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури). Ос-

новной частью аппаратов является труба-распылитель, а которой

обеспечивается интенсивное дробление орошаемой жидкости газо-

вым потоком, движущимся со скоростью 40-150 м/с. Имеется так-

же каплеуловитель (рис. I -18,6).

Гидравлическое сопротивление трубы-распылителя:

= AP + AP . (1.41)

Гидравлическое сопротивление сухой трубы-распылигеля:

AP = § W

р / 2 .

г ^cyx г ~ г

Коэффициент сопротивления (для IOd

> 0,15d

(1.42)

Рис. I-18. Мокрые пылеуловители: а — циклон с водяной пленкой:

— вход-

ной патрубок; 2 — выходной патрубок; 3 — кольцевой коллектор; 4 — сопло; б —

скруббер Вентури с выносным каплеуловителем: 1 — труба-распылитель; 2 —

циклон-п ы леул ови тел ь

cyx

= 0,165+ 0,034 IJ d—[(0,06 + 0,028) IJ d,

]

М, (1.43)

где M =

— число Маха; W

— скорость газа в горловине тру-

бы, м/с;

— скорость звука, м/с; / — длина горловины, м; d

—

эквивалентный диаметр горловины, м.

Гидравлическое сопротивление трубы-распылителя, обусловлен-

ное вводом жидкости, рассчитывается по форму ле:

ДР

-5,( W

/2) M. (1.44)

где — коэффициент гидравлического сопротивления, учитываю-

щий ввод в трубу-распылитель орошающей жидкости; m - удель-

ный расход орошающей жидкости, м

/м

газов.

Коэффициент определяют из выражения:

^=Aii

. С'

)

где А и В - коэффициенты.

Эффективность пылеу ловителя зависит от скорости газа и удель-

ного орошения (обычно ш = 0,5 - 1,5 л/м

газа).

Средний диаметр капель при распыле пневматической форсункой:

=(5,85- IO-

VST /w

or>

/^") + 53,4(ц

/^)

'¾ /V

)

, (1.46)