Раздел 3. Пылеуловители для очистки выбросов в атмосферу

3.1. Общая характеристика пылеуловителей

Пылеуловители, применяемые для очистки воздуха, удаляемого системами вытяжной вентиляции, делятся на пять классов в зависимости от размеров эффективно улавливаемых частиц пыли, отнесенной к соответствующей группе по дисперсности (табл. 7).

Таблица 7.

Классификация пылеуловителей

Под эффективным улавливанием понимают улавливание с эффективностью более 95%. Однако, эффективность улавливания частиц данной группы пыли, приведенная в табл. 7 является в основном ориентировочной, поскольку зависит от концентрации пыли в очищаемом воздухе, от ее слипаемости, волокнистости, которые значительно влияют на коагуляцию пыли.

Разработаны и эксплуатируются значительное количество пылеуловителей во всех отраслях промышленности. Число конструкций составляет тысячи. Имеется возможность рассмотреть здесь лишь наиболее распространенные, характерные и перспективные. Будут рассмотрены аппараты, применяемые преимущественно для очистки вентиляционных выбросов, а также устройства, используемые главным образом в системах очистки технологических выбросов. Четкой границы провести нельзя. Например, циклоны широко применяются, как в системах вентиляции, так и в технологических установках. В то же время некоторые аппараты преимущественно служат для технологической очистки (пылеуловители Вентури, электрофильтры и др.). Это подтверждает необходимость изучения будущими специалистами по теплогазоснабжению и вентиляции основных видов оборудования, применяемого для очистки воздуха и газов в системах различного назначения.

3.2. Пылеосадочные камеры

Пылеосадочные камеры являются простейшими пылеулавливающими устройствами. Они относятся к группе гравитационного оборудования, в которую входят два вида оборудования – полое и полочное.

Пылевая частица, внесенная в камеру потоком воздуха, находится под действием двух сил: силы инерции, под воздействием которой она стремится перемещаться горизонтально, и силы тяжести, под действием которой она осаждается на дно камеры.

Равнодействующую сил можно получить из параллелограмма сил. В горизонтальном направлении частица проходит путь l, м

в вертикальном h, м

где        – время пребывания частицы в камере, с;

Из приведенных выше зависимостей получена формула для определения длины камеры, необходимой для того, чтобы пылевая частица, совершая движение в камере, осела на дно.

 (1)

Из формулы (1) видно, что длина камеры прямо пропорциональна ее высоте, т. е. чем ниже камера, тем быстрее пылевая частица при своем движении в камере встретит дно камеры. Из этого следует, что для уменьшения высоты целесообразно разделить камеру на несколько параллельных каналов с помощью горизонтальных перегородок. По этому принципу устроена полочная пылеосадочная камера. Для удобства удаления пыли полки устраивают наклонными или поворотными.

Для осаждения тонких фракций пыли в камере должно быть обеспечено ламинарное движение воздуха, при котором не было бы перемещения воздуха поперек потока. Для этого пришлось бы устраивать камеры громадных размеров, что практически неосуществимо.

В реальных условиях в пылеосадочных камерах наблюдается турбулентный или переходный режим.

Для увеличения эффекта осаждения за счет использования сил инерции применяются камеры, к потолку которых подвешены цепи, стержни.

В. В. Батурин предложил камеру лабиринтного типа. В этой камере происходит быстрое затухание скоростей в струе, настилающейся на щит, так как струя растекается во все стороны. В результате проведенных испытаний установлено, что эффективность очистки в камере лабиринтного типа выше, чем в обычных пылеосадочных камерах. Известны также пылеосадочные камеры, в которых осуществляется мокрая очистка. Так, для улавливания пыли, растворимой в воде, например, сахарной, применяют пылеосадочную камеру, в которой нижняя часть заполнена горячей водой. Осаждающаяся сахарная пыль поглощается водой, которую по достижении высокой концентрации в ней сахара периодически возвращают в производство и заменяют новой.

Для нормальной работы пылеосадочной камеры необходимо, чтобы воздух равномерно двигался через камеру. Для этого при входе в камеру устанавливают сетки, решетки и другие устройства для выравнивания потока воздуха. Максимальная скорость движения воздуха через пылеосадочную камеру обычно не превышает 3 м/с.

Преимуществом пылеосадочной камеры является простота устройства, несложность эксплуатации, долговечность. Пылеосадочные камеры могут быть изготовлены из кирпича, бетона и других неметаллических материалов, устойчивых к коррозии. Потери давления в пылеосадочных камерах обычно не превышают 20 – 150 Па. В то же время пылеосадочные камеры имеют существенные недостатки, из-за которых применение этого вида пылеуловителей значительно сократилось.

В пылеосадочной камере, даже усовершенствованной конструкции, можно осуществить осаждение наиболее крупных фракций пыли преимущественно со значительной плотностью. Мелкие фракции выносятся из камеры воздушным потоком. Пылевые камеры занимают много места. Степень очистки воздуха в пылеосадочных камерах не превышает 50 – 60 %. Это устройство может применяться лишь для предварительной очистки воздуха от крупнодисперсной пыли со значительной плотностью. Для осаждения взрывно- и пожароопасной пыли устройство пылеосадочных камер не допускается.

3.3. Инерционные пылеуловители

Действие инерционного пылеуловителя основано на том, что при изменении направления движения потока запыленного воздуха (газа) частицы пыли под действием сил инерции отклоняются от линии тока и сепарируются из потока. К инерционным пылеуловителям относится ряд известных аппаратов: пылеотделитель ИП, жалюзийный пылеуловитель ВТИ и др., а также простейшие инерционные пылеуловители (пылевой мешок, пылеуловитель на прямом участке газохода, экранный пылеуловитель и др.).

Инерционные пылеуловители улавливают крупную пыль – размером 20 – 30 мкм и более, их эффективность обычно находится в пределах 60 – 95 %. Точное значение зависит от многих факторов: дисперсности пыли и других ее свойств, скорости потока, конструкции аппарата и др. По этой причине инерционные аппараты применяют обычно на первой ступени очистки с последующим обеспыливанием газа (воздуха) в более совершенных аппаратах. Преимуществом всех инерционных пылеуловителей является простота устройства и невысокая стоимость аппарата. Этим и объясняется их распространенность. Рассмотрим основные конструкции инерционных пылеуловителей.

Инерционный пылеуловитель ИП представляет собой конус, образованный коническими кольцами постепенно уменьшающегося диаметра. Очищаемый воздух входит в основание конуса со скоростью 18 м/с и движется к основанию конуса.

По ходу движения воздух выходит через щели между кольцами, а пылевые частицы под действием сил инерции, продолжая движение в прямолинейном направлении, ударяются о стенки и отбрасываются в массу потока. По мере движения потока концентрация в нем пыли возрастает. У вершины конуса в пылевоздушной смеси остается лишь 5 – 10 % воздуха, поступившего в аппарат. Выйдя из аппарата, пылевоздушная смесь направляется в циклон. Пыль отделяется от воздуха и поступает в бункер, а обеспыленный воздух возвращается к вентилятору.

Таким образом, в установке ИП-циклон воздух подвергается двухступенчатой очистке, общая эффективность которой порядка 90 %. При улавливании пескоструйной пыли эффективность, как показывали испытания, находилась в пределах 92,5 – 95,9 %.

Преимуществом ИП является компактность и простота устройства. Аппарат может применяться в качестве первой ступени при очистке воздуха от крупнодисперсной пыли. Разработано несколько номеров ИП, рассчитанных на различную производительность.

Жалюзийный пылеуловитель ВТИ по устройству и принципу действия аналогичен ИП. Аппараты, предназначенные для очистки газов с высокой температурой, изготовляют из чугуна или железнопрочной стали. Пылеуловитель расположен в газоходе, между стенкой газохода и решеткой образуется канал с постепенно уменьшающимся сечением, в который поступает газ, обеспыленный при прохождении решетки. В конической части пылеуловителя, по мере движения потока и выхода части газа через щели в решетке, концентрация пыли возрастает. Эта пылегазовая смесь направляется затем на очистку в циклон. Очищенный газ отсасывается дымососом. Гидравлическое сопротивление жалюзийного пылеуловителя ВТИ находится в пределах 100 – 500 Па. О фракционной эффективности пылеуловителя (e_ф) свидетельствуют такие данные. При очистке газов от золы с плотностью r = 2600 кг/м³ фракционная эффективность составляла:

Приведенная эффективность отмечена при гидравлическом сопротивлении 400 – 500 Па. При уменьшении гидравлического сопротивления фракционная эффективность снижается на 10 – 5 %.

Простейшие инерционные пылеуловители. Один из пылеуловителей такого типа известен под названием «пылевой мешок». Очищаемый газ входит в корпус аппарата по центральной трубе, прямой или конической. Сепарация пыли происходит при повороте потока на 180° и последующем его подъеме к выходному патрубку. Скорость потока во входном патрубке 10 м/с, в цилиндрической части корпуса 1 м/с. Эффективность очистки газов с пылевыми частицами более 30 мкм находится в пределах 65 – 80 %. Гидравлическое сопротивление – 150 – 390 Па. Пылевые мешки целесообразно применять для предварительной очистки газов с высокой концентрацией пыли – несколько сот граммов на 1 м³. Используется преимущественно в металлургии.

Экранный инерционный пылеуловитель. Основной элемент аппарата – V-образный профиль. Струи, на которые разбивается поток запыленного газа, сталкиваются с основанием V-образного элемента. В результате столкновения и кругового движения пыль отделяется от потока и попадает в бункер, расположенный внизу. В случае необходимости для более полного удаления пыли из V-образных каналов прибегают к постукиванию или вибрации. Применяют также впрыскивание жидкости, что способствует удалению пыли и предотвращает ее повторный унос газовым потоком. Преимуществом аппарата является возможность его использования при высоких температурах и агрессивных средах.

Гидравлическое сопротивление аппарата 25 – 100 Па. Эффективность очистки при запыленности газа 20 – 70 г/м³ и содержании фракций более 10 мкм 62 % составляла 80 – 91 %.

Таблица 8.

Техническая характеристика инерционных газоочистных аппаратов

3.4. Циклоны

3.4.1. Общая характеристика

Сепарация пылевых частиц в циклоне осуществляется на основе использования центробежной силы.

Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и технологических выбросов во всех отраслях народного хозяйства. Можно утверждать, что циклоны являются наиболее распространенным видом пылеулавливающего оборудования. Их широкое распространение в значительной мере объясняется тем, что они имеют многие преимущества – простота устройства, надежность в эксплуатации при сравнительно небольших капитальных и эксплутационных затратах. Надежность циклонов обусловлена, в частности, тем, что в их конструкции нет сложного механического оборудования.

Капитальные и эксплутационные затраты на пылеулавливающие установки, оборудованные циклонами, значительно меньше соответствующих расходов для установок с рукавными фильтрами, а тем более электрофильтрами. Циклоны делятся на циклоны большой производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой диаметр и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые – сравнительно небольшого диаметра (до 500 – 600 мм). Очень часто применяют групповую установку этих циклонов, соединенных параллельно по воздуху.

Циклоны, как правило, используют для грубой и средней очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли. Принято считать, что они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером до 5 – 10 мкм, что является основным их недостатком. Однако циклоны, особенно циклоны высокой эффективности, улавливают не такую уж малую часть пыли размером до 10 мкм – до 80 и более процентов.

В современных высокоэффективных циклонах, в конструкции которых учтены особенности улавливаемой пыли, удалось существенно повысить общую и фракционную эффективность очистки. Отмеченный выше недостаток обусловлен особенностями работы циклонов, в частности, турбулизацией потока запыленного воздуха, которая препятствует сепарации пыли.

Разработано и применяется в технике обеспыливания большое число различных типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и т. д.

Корпус циклона состоит из цилиндрической и конической частей.

По форме циклоны разделяются на цилиндрические (H_ц > H_к) и конические (H_к > H_ц), H_ц и H_к соответственно высота цилиндрической и конической части циклона. Коническая часть аппарата выполняется в виде прямого конуса, обратного конуса или может состоять из двух конусов – прямого и обратного. Строение конической части определяет особенности движения пылевоздушного потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на процесс сепарации, а также коагуляцию некоторых видов пыли в аппарате, на устойчивость его работы при улавливании данных видов пыли.

Запыленный воздух поступает в циклон через патрубок, очищенный – удаляется через выхлопную трубу. В зависимости от способа подведения воздуха к циклону различают циклоны с тангенциальным и спиральным подводом воздуха. При прочных равных условиях циклоны со спиральным подводом обладают более высокой эффективностью очистки. Поток запыленного воздуха входит в корпус циклона обычно со скоростью 12 – 14 м/с.

Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часовой стрелки).

Ниже рассматриваются теоретические основы циклонного процесса и наиболее распространенные и характерные виды циклонных аппаратов.

Запыленный воздух, войдя в корпус, движется по спирали вниз вдоль стенок корпуса. Крупные пылевые частицы (более 100 мкм) под действием центробежных сил движутся у стенок корпуса, а мелкие частицы (менее 10 мкм) – на некотором расстоянии от стенок. Достигнув уровня прорезей в стенках корпуса, крупные пылевые частицы с частью воздуха удаляются из корпуса через отверстия в пылесборник. Здесь происходит сепарация частиц, и они через патрубок удаляются.

Мелкие пылевые частицы продолжают движение в составе воздушного потока в корпусе циклона, а затем в пылесборнике. Мелкие частицы совместно с крупными покидают аппарат через пылевыпускной патрубок. Воздушный поток через выхлопную трубу выходит из аппарата.

Сферический циклон был испытан в производственных условиях на пыли древесной, цементной, известковой, угольной, песка, щебня, золы и шлака, горелой формовочной смеси. Эффективность очистки находилась в пределах 98 – 99 % (для частиц 10 – 50 мкм).

Повышение эффективности очистки, особенно в области мелких фракций, достигается благодаря более равномерной подаче, распределению и закручиванию пылевоздушного потока (наличие нескольких входных патрубков). Сферическая форма корпуса и пылесборника способствует интенсификации процесса коагуляции частиц.

Таблица 9.

Техническая характеристика основных типов циклонов

3.4.2. Батарейные циклоны (мультициклоны)

Батарейный циклон (мультициклон) состоит из большого количества циклонных элементов небольшого диаметра, расположенных в общем корпусе с единым подводом и отводом газа и общим бункером.

Корпус батарейного циклона разделен на несколько секций, которые частично могут отключаться при изменении нагрузки на аппарат.

Наиболее распространены циклонные элементы с направляющими аппаратами типа «винт» и «розетка». Обычно применяют циклонные элементы диаметром 100, 150, 250 мм.

Циклонный элемент состоит из корпуса, направляющего аппарата и выхлопной трубы. Элементы с направляющим аппаратом «розетка» имеют более высокую эффективность, но они более склонны к забиванию пылью, чем элементы с аппаратом «винт».

Целесообразность применения батарейных циклонов объясняется тем, что эффективность циклонных аппаратов малого диаметра выше, чем большого. Кроме того, габариты батарейного циклона, в частности, по высоте, меньше, чем группы циклонов при той же производительности.

Недостатком батарейных циклонов является более высокий удельный расход металла по сравнению с одиночными циклонами, а также неравномерное распределение очищаемого воздуха между элементами, что приводит к некоторому снижению эффективности очистки по сравнению с одиночными циклонами того же диаметра, что и элементы батарейного циклона.

Батарейные циклоны могут применяться для улавливания слабо- и среднеслипающихся пылей. Их используют для очистки газов от летучей золы, пыли цемента, доломита, известняка, шамота и др. Для улавливания сильнослипающихся пылей их применять не рекомендуется.

Ряд аппаратов предназначен для очистки газов с температурой до 400°С. Часть аппаратов выпускается во взрывоопасном исполнении.

Батарейный циклон БЦ-2 включает (в зависимости от типоразмера) от 20 до 56 чугунных литых циклонных элементов диаметром 250 мм с направляющими аппаратами «розетка».

3.5. Ротационные пылеуловители

В ротационных пылеуловителях очистка газов (воздуха) от пыли основана на использовании центробежных сил и сил Кориолиса, возникающих при вращении рабочего колеса аппарата.

Характерной особенностью ротационных пылеуловителей является то, что в одном аппарате совмещен побудитель (вентилятор) и пылеуловитель. Благодаря этому аппарат более компактен, чем установка, состоящая из вентилятора и пылеулавливающего устройства. Ротационный пылеуловитель потребляет меньше электроэнергии, чем вентилятор и пылеуловитель в сумме.

Ротационные пылеуловители делятся на две основные группы в зависимости от места подвода запыленного потока к аппарату. Большая часть ротационных пылеуловителей относится к группе, в которой запыленный поток поступает в центральную часть колеса, вращающегося в кожухе. Пылевые частицы под действием центробежных сил и сил Кориолиса отбрасываются на периферию диска и оттуда поступают в пылесборник.

Применяются также аппараты ротационного типа, в которых для повышения эффективности очистки запыленный поток соприкасается с водной поверхностью, отдавая воде часть содержащейся в нем пыли.

Ротационные пылеуловители служат для очистки воздуха (газов) от неслипающихся и слабослипающихся пылей при их значительной концентрации в потоке. Эффективность очистки от пыли с частицами размером 8 – 12 мкм составляет 83 %. Для размера 20 мкм – до 97 %.

Таблица 10.

Техническая характеристика ротационных пылеотделителей

3.6. Вихревые пылеуловители

В вихревом пылеуловителе, как и в циклоне, сепарация пыли основана на использовании центробежных сил. Основное отличие вихревых пылеуловителей от циклонов заключается в наличии вспомогательного закручивающего газового потока.

Применяют два вида вихревых пылеуловителей: сопловые и лопаточные.

В аппарате и того и другого типа запыленный газ поступает в камеру через входной патрубок с завихрителем типа «розетка» и обтекателем. В кольцевом пространстве между корпусом аппарата и входным патрубком расположена подпорная шайба, которая обеспечивает безвозвратный спуск пыли в бункер.

Обтекатель направляет поток газа к периферии. Пылевые частицы за счет воздействия центробежных сил перемещаются из центральной части потока к периферии.

Далее процесс в аппаратах двух видов несколько отличается. В сопловом аппарате на запыленный поток воздействуют струи вторичного воздуха (газа), выходящие из сопел, расположенных тангенциально. Поток переходит во вращательное движение.

Отброшенные под воздействием центробежных сил к стенкам аппарата пылевые частицы захватываются спиральным потоком вторичного воздуха (газа) и вместе с ним движутся вниз в бункер. Здесь частицы пыли выделяются из потока, а очищенный воздух (газ) снова поступает на очистку.

Эксперименты показали положительную роль повышения давления вторичного воздуха до 30 – 40 кПа сверх атмосферного. Эффективное пылеулавливание может быть обеспечено и при меньшем давлении. Сопла для подачи вторичного воздуха нужно расположить по нисходящей спирали. Оптимальной явилась установка 8 сопел диаметра 11 мм двумя спиральными рядами под углом наклона 30°.

В аппарате лопаточного типа вторичный воздух, отобранный в периферии очищенного потока, подается кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками. По основным показателям аппараты лопаточного типа оказались более эффективными: при одинаковом диаметре камеры – 200 мм и производительности 330 м³/ч гидравлическое сопротивление соплового аппарата составило 3,7×10³ Па, эффективность 96,5 %, а лопаточного соответственно 2,8×10³ Па и 98% (при улавливании особо мелкодисперсной пыли).

Применяют следующие способы подведения к вихревому пылеуловителю воздуха, необходимого для закручивания обеспылеваемого потока: из окружающей среды, из очищенного потока, из запыленного потока. Первый вариант целесообразен, если очистке подвергается горячий газ, который необходимо охладить. Применяя второй вариант, можно несколько повысить эффективность очистки, так как для использования в качестве вторичного воздуха отбирают периферийную часть потока очищенного воздуха с наибольшим содержанием остаточной пыли. Третий вариант наиболее экономичен: производительность установки повышается на 40 – 65 % с сохранением эффективности очистки.

Вихревой пылеуловитель может применяться для очистки вентиляционных и технологических выбросов от мелкодисперсной пыли в химической, нефтехимической, пищевой, горнорудной и других отраслях промышленности. В вихревых пылеуловителях достигается весьма высокая для аппаратов, основанных на использовании центробежных сил, эффективность очистки – 98 – 99 % и выше. На эффективность очистки оказывает незначительное влияние изменение нагрузки (в пределах от 50 до 115 %) и содержания пыли в очищаемом воздухе (газе) – от 1 до 500 г/м³. Аппарат может применяться для очистки газов с температурой до 700°С. В вихревом пылеуловителе не наблюдается износа внутренних стенок аппарата, что связано с особенностями его воздушного режима. Аппарат более компактен, чем другие пылеуловители, предназначенные для сухой очистки выбросов.

3.7. Фильтрационные пылеуловители

В фильтрационных пылеуловителях очистка воздуха (газа) от пыли происходит при прохождении запыленного потока через слой пористого материала. В качестве фильтрующего слоя используют ткани, кокс, гравий и др.

Процесс фильтрации основан на многих физических явлениях (эффект зацепления, в том числе ситовый эффект, - аэрозольные частицы задерживаются в порах и каналах, имеющих сечение меньше, чем размеры частиц; действие сил инерции – при изменении направления движения запыленного потока частицы отклоняются от этого направления и осаждаются; броуновское движение – в значительной мере определяет перемещение высокодисперсных субмикронных частиц; действие гравитационных сил, электростатических сил – аэрозольные частицы и материал могут иметь электрические заряды или быть нейтральными).

По мере накопления в фильтрующем слое задержанных частиц режим фильтрации меняется. Для поддержания его в требуемых пределах производят регенерацию фильтра, которая заключается в периодическом или систематическом удалении задержанных частиц.

Большинство фильтров обладает высокой эффективностью очистки. Фильтры применяют как при высокой, так и при низкой температуре очищаемой среды, при различной концентрации в воздухе взвешенных частиц.

Соответствующим подбором фильтровальных материалов и режима очистки можно достичь требуемой эффективности очистки в фильтре практически во всех необходимых случаях.

Во многих конструкциях фильтровальных пылеуловителей режим работы фильтра, в частности, режим регенерации, поддерживается автоматически.

Обладая многими положительными качествами, фильтрующие устройства в то же время не лишены недостатков: стоимость очистки в фильтрах выше, чем в большинстве других пылеуловителей, в частности, в циклонах. Это объясняется большей конструктивной сложностью фильтров по сравнению с другими аппаратами, большим расходом электроэнергии. Многие конструкции фильтрационных пылеуловителей более сложны в эксплуатации и требуют квалифицированного обслуживания.

Фильтрационные пылеуловители в зависимости от материала фильтрующего слоя подразделяются на волокнистые, тканевые, зернистые.

3.7.1. Волокнистые фильтры

В волокнистых фильтрах фильтрующий слой образован относительно равномерно распределенными тонкими волокнами фильтрующих материалов. Эти фильтры предназначены для улавливания частиц мелкодисперсной и особо мелкодисперсной пыли при ее концентрации в очищаемом воздухе (газе) в пределах 0,5 – 5 мг/м³.

Волокнистые фильтры могут быть подразделены на тонковолокнистые, глубокие и грубоволокнистые фильтры.

Тонковолокнистые фильтры служат для улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц размером 0,05 – 0,1 мкм с эффективностью не менее 99 %. В качестве фильтровального материала используется ФП (фильтр Петрянова).

Для тонкой и условно грубой очистки применяют фильтры ПФТС, снаряженные стекловолокном. Производительность фильтров 200 – 1500 м³/ч, сопротивление 200 – 1000 Па. Фильтры применяют в тех случаях, когда температура очищаемой среды выше 60°С и в ней находятся вещества, разрушающие материалы ФП.

Основного недостатка тонковолокнистых фильтров (короткий срок службы фильтрующего слоя из-за неприменимости регенерации) лишены глубокие фильтры. Они рассчитаны на срок службы 10 – 20 лет. Это достигается благодаря наличию нескольких фильтрующих слоев общей высотой 0,3 – 2,0 м. Диаметр волокон 8 – 19 мкм. Первый слой фильтра на пути движения очищаемой среды состоит из грубых волокон, последний слой – из тонких. Фильтр применяется в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков, витаминов и других био- и медицинских препаратов. Фильтр периодически стерилизуют острым паром, затем просушивают сухим воздухом.

Грубоволокнистые фильтры. Эти фильтры называют также предфильтрами, так как их устанавливают перед тонковолокнистыми фильтрами для предварительной очистки воздуха (газов). Благодаря этому снижается стоимость очистки, поскольку стоимость грубоволокнистых фильтров почти в 10 раз ниже тонковолокнистых, их легче заменять или регенерировать. Фильтровальный материал предфильтра состоит из смеси волокон диаметром от 1 до 20 мкм.

Фильтры-туманоуловители. Многие технологические процессы сопровождаются образованием туманов. Так, например образование тумана происходит при испарении масел, производстве и концентрировании различных кислот, производстве хлора и др. Жидкие частицы в тумане имеют размер менее 10 мкм.

Для улавливания частиц тумана в настоящее время применяют волокнистые фильтры-туманоуловители различных конструкций, для которых характерен непрерывный вывод уловленной жидкости.

Применяют в основном два типа фильтров-туманоуловителей: низкоскоростные и высокоскоростные.

Низкоскоростные фильтры снаряжены смесью в определенной пропорции грубых и тонких волокон. В элементе низкоскоростного фильтра соосно расположены две проволочные сетки, пространственно между которыми заполнено волокнами. Трубка в нижней части корпуса аппарата оборудована гидрозатвором, через который уловленная жидкость поступает в корпус аппарата.

Высокоскоростные туманоуловители. Увеличение скорости фильтрации приводит к уменьшению размеров волокнистых фильтров. Высокоскоростные фильтры выпускает фирма «Монсанто». Фильтр состоит из плоских элементов. Они установлены в каркасе, под которым расположен поддон, куда стекает уловленная жидкость. Фильтрующим слоем являются иглопробивные материалы-войлоки. По химической стойкости наиболее универсален полипропиленовый войлок. Толщина слоя – 3 – 12 мм, диаметр волокон 20 – 75 мм. Сопротивление фильтра 500 Па, эффективность улавливания частиц более 3 мм около 100 %.

3.7.2 Тканевые фильтры

Тканевые фильтры по форме фильтрующей поверхности могут быть рукавными и рамочными. Наибольшее распространение в промышленности получили рукавные фильтры. Рукавный фильтр состоит из ряда тканевых рукавов, подвешенных в металлической камере. Верхняя часть рукавов обычно заглушена

Запыленный газ поступает в нижнюю часть аппарата и проходит через ткань рукавов. На поверхности ткани и в ее порах осаждается пыль. По мере увеличения толщины слоя пыли возрастает сопротивление фильтра, поэтому осевшую на ткани пыль периодически удаляют. Процесс фильтрации газа зависит от типа ткани и вида пыли. Гладкие и неворсистые ткани сравнительно легко пропускают запыленный газ. В порах таких тканей задерживаются только крупные частицы пыли. Фильтр начинает хорошо задерживать мелкую пыль только после накопления на поверхности фильтрующих элементов слоя пыли. Для ворсистых, шерстяных тканей с мелкими порами влияние начального слоя пыли менее заметно Ворсистые ткани целесообразно применять при улавливании зернистой гладкой пыли, а при улавливании волокнистой пыли — лучше гладкие ткани.

Фильтрация тонкой пыли (частицы менее 1—2 мкм) возможна лишь на поверхности ранее осажденной пыли.

Ткани, используемые в качестве фильтровальных материалов, должны отличаться высокой пылеемкостью, воздухопроницаемостью, механической прочностью, стойкостью к истиранию, стабильностью свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, а также минимальным влагопоглощением и способностью к легкому удалению накопленной пыли. Не все применяемые в промышленности материалы удовлетворяют перечисленным требованиям, поэтому каждый материал используют в определенных, наиболее благоприятных для него условиях.

Тканевые фильтры различаются между собой по следующим признакам:

·        форме тканевых фильтрующих элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.);

·        месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие и нагнетательные);

·        способу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной продувкой, с вибровстряхиванием, с импульсной продувкой и др.);

·        форме корпуса для размещения фильтрующих элементов (пря­моугольные, цилиндрические, открытые);

·        числу секций в установке (одно- и многосекционные);

·        виду используемой ткани (шерсть, бязь, стеклоткань и т. д.).

Отечественной промышленностью серийно выпускаются рукав­ные фильтры типа ФВ, МФУ, РФГ, ФВК, ФРМ, ФВВ, МФВ, МФС, ПФР, ФР.

Рукавные фильтры типа ФВ предназначены для средней и тонкой очистки газов от волокнистой пыли. Рукава выполняют из суровой бязи. Фильтры МФУ применяют для тонкой очистки газов и воздуха от сухой и слипающейся пыли с размером частиц до 1 мкм (цемент, мука, зола).

Таблица 13.

Техническая характеристика рукавных фильтров

3.7.3. Зернистые фильтры

Фильтрующий слой в этих фильтрах образован зернами сферической или другой форме. Могут использоваться при высоких температурах – до 500 –  800°С, в условиях воздействия агрессивной среды. Зернистые фильтры распространены значительно меньше, чем тканевые фильтры. Различают насыпные зернистые фильтры, в которых элементы фильтрующего слоя не связаны жестко друг с другом, и жесткие зернистые фильтры, в которых эти элементы прочно связаны между собой путем спекания, прессования, склеивания и образуют прочную неподвижную систему.

Зернистые жесткие фильтры керамические, металлокерамические и др. обладают значительной устойчивостью к высокой температуре, коррозии, механическим нагрузкам. Их недостаток – высокая стоимость, большое гидравлическое сопротивление, трудность регенерации.

В насадке насыпных фильтров используют песок, гравий, шлак, дробленые горные породы, кокс, крошку резины, пластмасс, графита и др. материалы в зависимости от требуемой устойчивости и к воздействию температуры, химических веществ и др.

Зернистый фильтр может быть единственной ступенью в установке или первой ступенью перед более эффективным фильтром, например с материалами ФП.

Регенерация осуществляется путем рыхления слоя вручную или механически, промывки водой, замены слоя.

Пример такого фильтра – зернистый гравийный фильтр для улавливания пылей с наличием абразивных частиц и агрессивных газов от дробилок, грохотов, сушилок, мельниц, транспортирующих устройств предприятий по производству цемента, извести, гипса, фосфорных удобрений и др. Удельная нагрузка на фильтр – 17 – 50 м³/(м²×ч), сопротивление фильтра – в пределах 0,5 – 1,5 кПа. Эффективность очистки – до 99,8 %.

3.8. Аппараты мокрой очистки газов

Одним из простых и эффективных способов очистки промышленных газов от взвешенных частиц является мокрый способ, получивший в последние годы значительное распространение в отечественной промышленности и за рубежом.

Аппараты мокрой очистки газов отличаются высокой эффективностью улавливания взвешенных частиц и небольшой стоимостью по сравнению с аппаратами сухой очистки.

Некоторые типы аппаратов мокрой очистки (турбулентные газопромыватели) могут быть применены для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм.

Аппараты мокрой очистки газов по степени очистки могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры, но и использоваться в тех случаях, когда рукавные фильтры не могут быть применены вследствие высокой температуры, повышенной влажности или взрывоопасности очищаемых газов.

В аппаратах мокрой очистки газов одновременно со взвешенными частицами можно улавливать парообразные и газообразные компоненты. К недостаткам мокрой очистки следует отнести: необходимость обработки образующихся сточных вод, повышенный брызгоунос и необходимость защиты аппаратов от коррозии при обработке агрессивных сред. Несмотря на эти недостатки, мокрые газоочистные аппараты с успехом применяют в химической промышленности.

Аппараты мокрой очистки часто используют в газоочистных системах для одновременного охлаждения и увлажнения газов. В этом случае газоочистные аппараты служат еще и теплообменниками смешения, где охлажденный газовый поток непосредственно контактирует с охлаждающей жидкостью.

Среди аппаратов для очистки газов от пыли мокрые пылеуловители отличаются наибольшим многообразием, что обусловливается силами, воздействующими на газо-жидкостные потоки. При этом жидкая фаза находится в аппарате в виде пленки, струи, капель, пены или различных сочетаний.

По принципу работы аппараты мокрой очистки газов делятся на следующие группы: полые и насадочные, барботажные и пенные, аппараты ударно-инерционного типа, центробежного типа, динамические и турбулентные промьватели.

3.8.1. Полые и насадочные аппараты

В полых и насадочных аппаратах запыленные газы пропускают через поток распыляемой, разбрызгиваемой или стекающей по насадке жидкости. При этом частицы пыли захватываются потоками промывной жидкости и осаждаются в аппарате, а очищенные газы выбрасываются в атмосферу.

В полых скрубберах промывку газов осуществляют с помощью разбрызгивания жидкости навстречу движущемуся очищаемому потоку. Для орошения скрубберов применяют форсунки грубого распыления. Высокая эффективность очистки газов достигается в том случае, если промывная жидкость распыливается с образованием капель 0,5 —  1 мм. Обычно скруббер представляет собой вертикальный аппарат круглого или прямоугольного сечения. Форсунки устанавливают в одном или нескольких сечениях по высоте аппарата.

Для снижения брызгоуноса скорость газа в аппарате не должна превышать 1 - 1,2 м/с. Гидравлическое сопротивление полого скруббера невелико и обычно не превышает 250 Па. Расход воды составляет 5 - 10 м³/ч на 1 м² площади поперечного сечения. Наиболее полно в этих аппаратах улавливаются частицы пыли более 10 мкм.

Характерной особенностью насадочных скрубберов является то, что процесс выделения пыли происходит на смоченной поверхности насадки в результате многочисленных изменений движения газового потока в аппарате. Насадочные скрубберы заполняют насадочными элементами различной конфигурации, которые удерживаются на опорных решетках. К беспорядочной насадке относятся кольцевая (при загрузке навалом), седлообразная, кусковая; в регулярной - хордовая, блочная, уголковая.

Недостатками насадочных скрубберов являются частые забивки насадки при обработке запыленных газов, что ограничивает область их применения в технике пылеулавливания. Насадочные колонны целесообразно применять только при улавливании хорошо смачиваемой пыли, особенно в тех случаях, когда процессы улавливания сопровождаются охлаждением или очисткой газов от других компонентов.

3.8.2. Барботажные и пенные аппараты

В барботажных аппаратах очищаемые газы в виде пузырьков проходят через слой жидкости; при этом вследствие большой поверхности соприкосновения газов с жидкостью протекает процесс очистки газов от взвешенных частиц. Очищаемые газы барботируют в жидкость через трубки, опущенные в слой жидкости. Для дробления газов на мелкие пузырьки край барботажной трубки часто делают зубчатым. Эффективность подобных аппаратов достаточно велика, однако из-за сложности изготовления они имеют ограниченное применение в промышленности.

В пенных аппаратах пылеулавливающий эффект достигается в результате движения очищаемого газа через слой пены. Пена в этих аппаратах может формироваться различными способами: на решетке, куда подается жидкость, продуваемая снизу воздушным потоком или при ударе воздушного потока о зеркало жидкости.

Пенные пылеуловители широко распространены в химической промышленности. Они просты по конструкции и достаточно эффективны. В отличие от барботеров в пенных пылеуловителях газы проходят через жидкость со скоростью, превышающей скорость свободного всплывания пузырьков, что создает условия для образования высокотурбулизованной пены.

Пенные газопромыватели представляют собой вертикальный аппарат круглого или прямоугольного сечения, во внутренней полости которого установлены перфорированные или щелевые решетки. Очищаемые газы поступают к решеткам снизу. В результате интенсивного перемешивания газа с жидкостью в слое пены происходит смачивание и выделение из потока пылевидных частиц, которые выводятся из аппарата в виде шлама, а очищенные газы выходят через патрубок, расположенный в верхней части аппарата.

Существуют пенные пылеуловители с провальной (а) и переливной (б) решетками. В первом из них жидкость как бы «проваливается» сквозь отверстия в решетке, через которые по­ступает очищенный поток. Аппараты с переливными решетками могут работать со свободным сливом пены через сливной порог. Для эффективной работы аппаратов как с провальными, так и переливными решетками важно, чтобы жидкость и газ равномерно распределялись по поверхности решеток.

В пенных аппаратах с переливными решетками расходуется примерно в три раза меньше жидкости и допустимы значительные колебания нагрузки по газу и жидкости, чем в аппаратах с провальными решетками. Однако решетки провального типа меньше забиваются пылью, поскольку стекающая в отверстия вода смывает осадок с решеток.

Необходимо отметить, что при скорости газа более 1,0—1,2 м/с в пенных аппаратах возможен сильный унос капель воды. Поэтому в сечении аппарата над слоем пены должен быть установлен каплеуловитель. Последними исследованиями в области совершенствования пенных аппаратов было установлено, что над основной решеткой должен быть расположен специальный выпрямитель высотой 60 мм в виде сот с ячейками (35х35 мм). Соты выравнивают слой пены по всей площади решетки и позволяют увеличить скорость газа в сечении корпуса аппарата до 3 м/с.            

В целях интенсификации массо- и теплообменных процессов в последние годы получил распространение аппарат, в котором подвижной насадкой служат полые и сплошные шары из полиэтилена, полистирола и других пластические масс.

В корпусе аппарата между нижней опорно-распределительной решеткой и верхней ограничительной решеткой помещается слой полых шаров. Эти аппараты успешно применяли для мокрого обеспыливания газов в процессах, сопровождающихся образованием взвесей и осадков, когда другие аппараты оказывались непригодными.

При гидравлическом сопротивлении от 1500 до 2000 Па в аппарате с псевдоожиженной шаровой насадкой улавливается до 99% частиц размером от 2 мкм и более.

Пенные пылеуловители ЛТИ используют для тонкой очистки технологических, дымовых и выхлопных газов, а также вентиляционного воздуха от пыли, туманов и других загрязнений, обеспечивая более высокую степень очистки по сравнению с мокрыми пылеуловителями другие типов.

3.8.3. Аппараты ударно-инерционного типа

Мокрые газоочистные аппараты ударно-инерционного типа работают по принципу инерционного осаждения частиц во время преодоления очищаемыми газами препятствия или при резком изменении направления движения газового потока над поверхностью жидкости.  

Мокрый ударно-инерционный пылеуловитель представляет собой вертикальную колонну, в нижней части которой находится слой жидкости. Запыленные газы со скоростью 20 м/с направляются сверху вниз на поверхность жидкости. При резком изменении направления движения газового потока (на 180°) взвешенные частицы, содержащиеся в газах, проникают в воду и осаждаются в ней, а очищенные газы натравляются в выходной газопровод. Пылеуловители этого типа удовлетворительно работают в случае хорошо смачивающейся пыли с размером частиц более 20 мкм. Шлам из аппарата удаляется периодически или непрерывно через гидрозатвор. Для удаления уплотненного осадка со дна применяют смывные сопла.

Среди мокрых пылеуловителей ударного действия можно выделить еще два наиболее распространенных в промышленности аппарата: статический пылеуловитель ПВМ, типа ротоклон и скруббер ударного действия (скруббер Дойля).

Производительность промышленных ротоклонов составляет от 2500 до 90000 м³/ч. Эксплуатационным достоинством ротоклонов является возможность изменения производительности (в пределах 25% от номинальной) без заметного снижения эффективности. Институтом Гипротяжмаш был разработан пылеуловитель производительностью до 40000 м³/ч. Он оборудован устройством для автоматической водоподпитки и поддержания уровня воды в аппарате. Аппарат показал хорошие результаты по эффективности очистки аспирационного воздуха и рекомендован к применению для очистки вентиляционных выбросов от неслипающихся и нецементирующихся пылей.

В скруббер Дойля газ на очистку поступает через трубы, в нижней части которых установлены конусы, увеличивающие скорость газовых потоков (до 35—55 м/с). С этой скоростью газовый поток ударяется о поверхности жидкости, создавая завесу из капель. Уровень жидкости в скруббере на 2—3 мм ниже кромки газоподводящей трубы, а гидравлическое сопротивление составляет 1500 Па. Техническая характеристика скруббера Дойля приведена в табл. 11

Таблица 11.

Техническая характеристика скруббера Дойля

3.8.4. Аппараты центробежного типа.

Принцип использования центробежной силы для улавливания пыли, широко используемый в циклонах, нашел применение и в аппаратах мокрой очистки. Вращение газового потока в аппаратах центробежного типа осуществляется с помощью специальных направляющих лопаток либо путем тангенциального подвода газа. Орошение аппаратов осуществляют форсунками, установленными в центральной части аппарата или вдоль его стенок.

Над форсунками предусматривается свободная от орошения зона, которая служит для сепарации капельной жидкости. Наибольшее применение в промышленности     получили центробежные скрубберы с тангенциальным  подводом газов.

Пылеуловитель с водяной пленкой (ПВП) рассчитан на очистку запыленного вентиляционного воздуха от любых видов неслеживающейся пыли. Корпус такого циклона представляет собой цилиндр, в нижней части которого тангенциально закреплен патрубок для подвода   запыленного   газа. Внутренняя стенка циклона орошается водой, стекающей по ней в виде пленки.

Если содержание пыли превышает 2 г/м³, перед циклоном с водяной пленкой рекомендуется устанавливать первую ступень очистки в виде сухого циклона или другого инерционного пылеотделителя. Циклоны ЦВП не применяют для очистки агрессивных газов.

Центробежный скруббер ВТИ предназначен для очистки дымовых газов от золы. Аппарат можно применять для очистки дымовых газов при сжигании твердого топлива с содержанием серы не более 1% и температуре поступающих на очистку газов не выше 200 °С. Скруббер ВТИ состоит из стального цилиндра с коническим днищем, входного патрубка, оросительной системы и гидравлического затвора. Входной патрубок аппарата приваривается тангенциально к внутренней поверхности.

Степень очистки газов в скруббере ВТИ достигает 90% и не зависит от смачиваемости пыли, изменения плотности орошения (в пределах от 0,06 до 0,14 кг/м³) и концентрации пыли в газах (до 20 г/м³). Техническая характеристика центробежных скрубберов приведена в табл. 12.

Таблица 12.

Техническая характеристика центробежных скрубберов ВТИ

3.8.5. Скруббер Вентури

Скруббер Вентури является наиболее распространенным аппаратом этого класса. Его выполняют в виде трубы, имеющей плавное сужение на входе (конфузор) и плавное расширение на выходе (диффузор). Наиболее узкая часть трубы Вентури называется горловиной. В конфузор на некотором расстоянии от горловины с помощью форсунок подводится жидкость. Запыленный поток с большой скоростью проходит через горловину и входит в диффузор. В процессе истечения газа через горловину происходит тесный контакт между газом и жидкостью. Процесс очистки газа в аппарате можно рассматривать как фильтрование газа через объемный фильтр, состоящий из мельчайших капелек; образующихся при дроблении жидкости.                   

При очистке горячего влажного газа повышению эффективности процесса способствует охлаждение газа ниже точки росы и выделение сконденсированной влаги. При движении газа через диффузорный участок трубы скорость потока снижается, в результате происходит агрегация мелких капель. Для их улавливания за трубой Вентури обычно устанавливают циклоны или другие аппараты подобного типа.                                   |

По конструкции разные типы турбулентных промывателей отличаются конфигурацией поперечного сечения трубы-распылителя (круглое, прямоугольное), местом подачи орошающей жидкости (в конфузор или горловину) и конструкцией каплеуловителя.

Эффективность улавливания пыли в скрубберах Вентури увеличивается с ростом скорости газов в горловине и плотности орошения. Оптимальное соотношение между скоростью газов в горловине трубы и плотностью орошения определяют для каждого вида пыли, оно зависит от ее дисперсного состава. Так, при улавливании частиц пыли, размеры которых меньше 0,1 мкм, большое значение приобретает продолжительность контакта запыленных газов с поверхностью диспергированной жидкости. В этом случае повышение эффективности может быть достигнута при снижении скорости газов до 50 м/с и увеличении плотности орошения до 3,5 л/м³ газа.

В зависимости от способа подвода орошающей жидкости можно различать основные типы аппаратов с центральным подводом жидкости в конфузор, с периферийным орошением (в конфузоре или в горловине), с пленочным орошением, с бесфорсуночным и форсуночным орошением.

3.8.6. Электрические фильтры

Одним из наиболее совершенных способов очистки промышленных газов от пыли и туманов является электрическая очистка в электрофильтрах.

Широкое применение электрофильтров для улавливания твердых и жидких частиц обусловлено их универсальностью и высокой степенью очистки газов при сравнительно низких энергозатратах. Эффективность установок электрической очистки газов достигает 99%, а в ряде случаев и 99,9%. Такие фильтры способны улавливать частицы различных размеров, в том числе и субмикронные, при концентрации частиц в газе до 50 г/м³ и выше.

Промышленные электрофильтры широко применяют в диапазоне температур до 400—450°С и более, а также в условиях воздействия коррозийных сред.

Электрофильтры могут работать при разрежении и под давлением очищаемых газов. Они отличаются относительно низкими эксплуатационными затратами, однако капитальные затраты на сооружение электрофильтров довольно высоки, так как эти аппараты металлоемки и занимают большую площадь, а также снабжаются специальными агрегатами для электропитания. При этом с уменьшением производительности установок по газу удельные капитальные затраты сильно возрастают.

Преимущественной областью применения электрофильтров с точки зрения экономической целесообразности является очистка больших объемов газа.

К недостаткам электрофильтров наряду с их высокой стоимостью следует отнести высокую чувствительность процесса электрической очистки газов к отклонениям от заданного технологического режима, а также к механическим дефектам внутреннего оборудования.

Иногда свойства газопылевого потока являются серьезным препятствием для осуществления процесса электрогазоочистки (например, при высоком удельном электрическом сопротивлении пыли или когда очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь).

Улавливание пыли в электрофильтрах основано на известной способности разноименно заряженных тел притягиваться друг к другу. Пылевидным частицам сначала сообщается электрический заряд, после чего они осаждаются на противоположно заряженном электроде.

Когда в межэлектродном пространстве проходит газ со взвешенными пылевидными частицами, ионы газа адсорбируются на поверхности пылинок, вследствие чего пылинки заряжаются и приобретают способность перемещаться под воздействием электрического поля к осадительным электродам. Осевшую на электродах пыль периодически удаляют. Таким образом, электрогазоочистка включает процессы образования ионов, зарядки пылевидных частиц, транспортирования их к осадительным электродам, периодическое разрушение слоя накопившейся на электродах пыли и уда­ление ее в пылесборные бункеры.

С увеличением напряженности электрического поля и величины заряда, получаемого частицами, скорость движения заряженных частиц к электроду возрастает. Электрофильтр будет тем лучше улавливать пыль, чем больше его длина, выше напряженность поля и меньше скорость газа в аппарате.

Различные конструкции электрофильтров отличаются направлением хода газов (вертикальные, горизонтальные), формой осадительных электродов (пластинчатые, С-образные, трубчатые, шестигранные), формой коронирующих электродов (игольчатые, круглого или штыкового сечения), числом параллельно работающих секций (одно- и многосекционные). Электрофильтры подразделяются на сухие и мокрые.

В сухих электрофильтрах обычно улавливаются твердые частицы, которые удаляются с электродов встряхиванием. Очищаемый в сухом электрофильтре газ должен иметь температуру, превышающую точку росы, во избежание конденсации влаги, появление которой может вызвать коррозию аппарата.

В мокрых электрофильтрах можно улавливать твердые и жидкие частицы, смываемые с поверхности электродов орошающей жидкостью (обычно водой). Температура газа, поступающего в мокрый электрофильтр, должна быть близкой к точке росы или равна ей. Если жидкие частицы самостоятельно стекают с электродов по мере их накопления, то мокрые электрофильтры могут не иметь специальных устройств для промывания.

Существуют два основных типа осадительных электродов - пластинчатые и трубчатые. Пластинчатые электроды используются, как в горизонтальных, так и в вертикальных электрофильтрах, а трубчатые — только в вертикальных. Трубчатые осадительные электроды предпочтительнее пластинчатых вследствие лучших характеристик электрического поля. Однако обеспечить хорошее встряхивание трубчатых электродов сложно, и поэтому их редко применяют в сухих электрофильтрах и довольно широко в мокрых.