16.4.1 Очистка газов от аэрозолей

Методы очистки по их основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуко¬вой коагуляции.

Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся: 1) гравитационное осаждение; 2) инерционное и центробежное пылеулавливание; 3) фильтрация. В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько приемов очистки от аэрозолей, причем  конструкции очистных аппаратов весьма  многочисленны.

Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Производительность осадительных камер П = S, где S – площадь горизонтального сечения камеры, или общая площадь полок, м2;  – скорость осаждения частиц, м/с. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50–100 мкм, причем степень очистки составляет не выше 40–50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов.

Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10–15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100–400 Па (10–40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d<20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20–70%. Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.

Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направлению к дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона на выход (рис. 16.1). Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20 000 м3/ч), степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d>30 мкм. Для частиц с d = 5÷30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d=2÷5 мкм она составляет менее 40%. Диаметр частиц, улавливаемых циклоном на 50%, можно опреде¬лить по эмпирической формуле:

d = ,

где  – вязкость газа, Пас;  – диаметр выходного патрубка циклонов, м;  – эффективное число оборотов газа в циклоне;  – средняя входная скорость газа, м/с; , – плотность час¬тиц и газа, кг/м3.

 

Рисунок 16.1 – Пылеочестительный циклон:

1 – очищаемый газ;

2 – очищенный газ;

3 – удаление пыли           Рисунок 16.2 – Скруббер Вентури:

1 – очищаемый газ;

2 –жидкость; 3 – очищенный газ;

4–слив жидкости

Гидравлическое сопротивление высоко- производительных циклонов составляет около 1080 Па. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей. Другим типом центробежного пылеуловителя служит ротоклоп, состоящий из ротора и вентилятора, помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентилятора, вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник пыли.

Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика (керамические блоки размеры и цена), металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др.). Наиболее часто для фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые материалы – стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом, асбоцеллюлозу. В зависимости от фильтрующего материала различают тканевые фильтры (в том числе рукавные), волокнистые, из зернистых материалов (керамика, металлокерамика, пористые пластмассы). Тканевые фильтры, чаще всего рукавные, применяются при температуре очищаемого газа не выше 60–65°С. В зависимости от гранулометрического состава пыли и начальной запыленности степень очистки составляет 85–99%. Гидравлическое сопротивление фильтра р около 1000 Па; расход энергии~1 кВтч на 1000 м3 очищаемого газа. Для непрерывной очистки ткани продувают воздушными струями, которые создаются различными устройствами – соплами, расположенными против каждого рукава, движущимися наружными продувочными кольцами и др. Сейчас применяют автоматическое управление рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого воздуха.

Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой эффективностью; степень очистки  = 99,5-99,9% при скорости фильтруемого газа 0,15–1,0 м/с и р = 500-1000 Па.

На фильтрах из стекловолокнистых материалов возможна очистка агрессивных газов при температуре до 275°С. Для тонкой очистки газов при повышенных температурах применяют фильтры из керамики, тонковолокнистой ваты из нержавеющей стали, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузкам; однако их гидравлическое сопротивление велико – 1000 Па.

Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества – сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации - высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.

Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров является наиболее распро¬страненным приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. В аппаратах мокрой очистки применяют различные приемы развития по¬верхности соприкосновения жидкости и газа.

Башни с насадкой (насадочные скрубберы) отличаются простотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в работе, малым гидравлическим сопротивлением (ΔР = 300-800 Па) и сравнительно малым расходом энергии. В насадочном скруббере возможна очистка газов с начальной запыленностью до 5-6 г/м3. Эффективность одной ступени очистки для пыли с d>5 мкм не превышает 70—80%. Насадка быстро забивается пылью, особенно при высокой начальной запыленности.

Орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) при-меняют для очистки больших объемов газа. Они имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление 400–850 Па. Для частиц размером 2-5 мкм степень очистки составляет50%. Центробежные скрубберы высокопроизводительны благодаря большой скорости газа; во входном патрубке =18-20 м/с, а в сечении скруббера =4-5 м/с.

Пенные аппараты применяют для очистки газа от аэрозолей полидисперсного состава. Интенсивный пенный режим создается на полках аппарата при линейной скорости газа в его пол¬ном сечении 1–4 м/с. Пенные газоочистители обладают высокой производительностью по газу и сравнительно небольшим гидрав¬лическим сопротивлением (ΔР одной полки около 600 Па). Для частиц с диаметром d>5 мкм эффективность их улавливания на одной полке аппарата 90-99%; при d<5 мкм  = 75-90%. Для повышения  устанавливают двух- и трехполочные аппараты.

Скрубберы Вентури (см. рис. 16.2) высокоинтенсивные газоочислительные аппараты, но работающие с большим расходом энергии. Скорость газа в сужении трубы (горловине скруббера) составляет 100—200 м/с, а в некоторых установках – до 1200 м/с. При такой скорости очищаемый газ разбивает на мельчайшие капли завесу жидкости, впрыскиваемой по периметру трубы. Это приводит к интенсивному столкновению частиц аэрозоля с каплями и улавливанию частиц под действием сил инерции. Скруббер Вентури – универсальный малогабаритный аппарат, обеспечивающий улавливание тумана на 99–100%, частиц пыли с d = 0,01-0,35 мкм – на 50-85% и частиц пыли с d =0,5÷2 мкм – на 97%. Для аэрозолей с d = 0,3-10 мкм эффективность улавливания определяется в основном силами инерции и может быть оценена по формуле

 

где К – константа; L – объем жидкости, подаваемой в газ, дм3/м3;  – инерционный параметр, отнесенный к скорости газа в горловине; при 90%  является однозначной функцией перепада давления в скруббере.

Главный дефект скруббера Вентури – большой расход энергии по преодолению высокого гидравлического сопротивления, которое в зависимости от скорости газа в горловине может составлять 0,002-0,013 МПа. Помимо того аппарат не отличается надежно¬стью в эксплуатации, управление им сложное.

Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей – это образование больших объемов жидких отходов (шлама). Таким образом, если не предусмотрены замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т. е. из атмосферы в водоемы.