Г л а в а 17. Технические средства и методы защиты атмосферы

541

Глава 17

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

АТМОСФЕРЫ

17 .1. Классификация пылеулавливающего оборудования

Прежде чем приступить к очистке воздушной и газовой сред, загрязненных пылью, необходимо провести анализ свойств и харак­

теристик пылей. Известно, что по дисперсности пыли делятся на

пять групп:

1 - очень крупнодисперсная пыль с диаметром частиц d50 >

> 140 мкм;

11 - крупнодисперсная пыль, d50 = 40... 140 мкм; III - среднедисперсная пыль, d50 = 1О.. .40 мкм; IV - мелкодисперсная пыль, d50 = 1... 1О мкм;

V - очень мелкодисперсная пыль, d50 < 1мкм.

Показатель дисперсности пыли, как и ее плотность, играют важ­ ную роль при выборе средств и устройств пылеулавливания.

Частицы пыли в зависимости от их физико-химических характе­

ристик имеют различную плотность: истинную, кажущуюся и на­

сыпную. Кажущаяся плотность частиц пыли определяется отноше­

нием ее массы к объему, например для сплошных (непористых) час­

тиц значение кажущейся плотности равно значению истинной плот­ ности. Понятие насыпной плотности введено для определения объе­ ма пыли в бункерах. Эта плотность для слоя пыли равна отношению массы слоя к его объему и зависит от пористости частиц и от про­ цесса формирования слоя пыли. С течением времени насыпная плот­

ность слоя пыли меняется, например насыпная плотность слежав­

шейся пыли в 1,5-3 раза выше, чем у свеженасыпанной.

Не менее важным свойством при выборе методов очистки воздуха

от пыли является слипаемость частиц, так как чем выше склон­

ность пыли к слипаемости, тем больше вероятность налипания пыли

на элементах газоходов и забивания отдельных деталей и узлов пы­

леуловителей. Слипаемость пыли увеличивается при ее увлажнении.

Следует отметить, что пыли 1 группы дисперсности относятся к

слабослипающимся, 11 и III групп - к среднеслипающимся, а IV и V групп - к слипаюi.цимся. При увлажнении различные пыли об­ ладают разной способностью слипаемости, поэтому возникает необ­

ходимость в определении смачиваемости частиц пыли жидкостью.

542	Час т ь II Мониторинг и защита окружающей среды
		Электрофильтры
	Циклоны	в~ревые циклоны

Пылеосадочные камеры

Жалюзийный и ротационный

пылеуловители

Сухой способ

Пылеулавливающее

оборудование

Рис 17 1 Классификация пылеулавливающего оборудования

Это особенно важно при выборе режимов работы мокрых пылеуло­ вителей. В ряде случаев необходимо учитывать электрическую за­

ряженность частиц, которая влияет на их поведение в пылеулови­

телях и газоходах.

В зависимости от особенностей отделения твердых частиц от га­ зовой фазы все пылеулавливающее оборудование делится на классы

(рис. 17.1) [1, 2].

Очистку воздуха от твердых и жидких примесей можно произ­

водить с помощью вентиляционных аспирационных систем, парамет­

ры которых даны в табл. 17.1.

Наиболее распространенными установками сухого пылеулавли­

вания являются циклоны (рис. 17.2) [3]. Например, они использу­

ются для улавливания золы, образующейся при сжигании топлива в котлах тепловых станций. В циклонах осаждение сухой золы про­

исходит вследствие закрутки под действием центробежного эффек­

та. При вводе через тангенциальный патрубок 1 или закручивающие

лопатки 6 частицы отжимаются к внутренней стенке корпуса 3 и,

теряя скорость, выпадают в индивидуальные 4 или общие 7 бунке­

ры-накопители (в батарейных циклонах) и далее по трубопроводам

5 отводятся в системы транспортировки золы. Очищенный газ по

трубам 2 выводится в газоходы или сборные камеры 9. Центробеж-

Г л а в а 17	Технические средства и методы защиты атмосферы				543
				Таблица 17 1
Класс	Размер	Группа nыли	Эффективность
вентиляционных	улавливаемых	по дисперсности	пылеуловителя
аспирационных	пылевых частиц,
пылеуловителей	мкм более	v
I	0,3		0,8
		IV	0,8	0,999
11	2	IV	0,45	0,92
		III	0,92	0,999
JII	4	III	0,8	0,99
			о 99	0,999
IV	8	11	0,95	0,999
v		I	0,999
	20	I	0,99

ный эффект сильнее проявляется у крупных частиц. С увеличением

размера частиц и уменьшением диаметра циклона эффективность

очистки возрастает.

Очищенный газ

t

9

10

а

+		в
Зола	Зола	Зола
Рис 17 2 Циклонные золоуловители а -		с тангенциальным вводом,

б - с аксиальными лепестковыми лопатками. в - батарейные

544	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

Для золоулавливания используют несколько циклонов неболь­ шага диаметра, которые собираются в секции-батареи. Циклоны между собой соединяются подводящими патрубками 8 и сборными камерами 9. К недостаткам батарейных циклонов следует отнести

подверженность сильному заловому износу, особенно входных пат­

рубков 8 и 1 и расположенных в газораспределительном коробе 10

участков выходных патрубков 2 первых циклонов. Повышенный

износ этих элементов батареи приводит к возрастанию присосов, перетока запыленного газа и снижению эффективности работы цик­

лонов. Кроме того, степень очистки газов в батарейных циклонах ниже, чем в электрофильтрах и скрубберах, причем более высокая эффективность достигается в случае более крупных размеров золы.

Поэтому батарейные циклоны обычно исnользуются в качестве пер­

вой ступени очистки для улавливания наиболее крупной золы. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бун­

кера. Если бункер негерметичен, то из-за подеоса наружного возду­

ха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу. Задачи по очистке газов от пыли могут успешно решаться ци­

линдрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, и СДК-ЦН-33) циклонами, разработанны­

ми Научно-исtлсдовательским институтом по промышленной и са­

нитарной очистке гчов (НИИОГАЗ). На рис. 17.3 приведены кон­

структивные парамеtры этих циклонов, численные значения кото­

рых даны в табл 17.2 и 17.3. В России для циклонов принят сле­

дующий ряд внутренних диаметров D, мм: 200, 300, 400, 500, 600,

700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400, 3000. Все

геометрические размеры цилиндрических и конических циклонов в

таблицах приведены в долях внутреннего диаметра D. Накопительные бункеры независимо от типа циклона имеют ци­

линдрическую форму диаметром D6, равным 1,5 D для цилиндричес­

ких и (1,1-1,2) D для конических циклонов. При этом высота ци­

линдрической части бункера составляет 0,8 !), а его днище выпол­ няется с углом наклона 60° между стенками. Выходное отверстие

бункера имеет диаметр 250 или 500 мм.

Для нормального функционирования избыточное давление газов,

поступающих в циклоны, не должно превышать 2500 Па. При этом

во избежание конденсации паров жидкости температура газа выби­

рается на 30... 5оос выше температуры точки росы, а по условиям

прочности конструкции - не выше 400°С. Как уже было отмечено

выше, увеличение диаметра циклона способствует увеличению его

производительности. С ростом угла входа пылегазовой смеси в цик­

лон серии ЦН эффективность очистки снижается.

Г л а в а 17	Технические средства и методы защиты атмосферы				545
				Таблица 17 2
Геометрические размеры				Тип циклона
цилиндрических циклонов			ЦН-15 ЦН-24		ЦН-11
Угол наклона крыши и входного патрубка а, град			15	24	11
Высота входного патрубка Н8, м			0,66	1,11	0,48
Высота выхлопной трубы Hr> м			1,74	2,11	1,56
Высота цилиндрической части циклона Hn, м			2,26	2,11	2,06
Высота конуса циклона Н", м			2,0	1,75	2,0
Общая высота циклона Н, м			4,56	4,26	4,38
Высота внешней части выхлопной трубы h8 , м			-	0,59	-
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия dP м			-	0,3-0,4	-
UJирина входного патрубка в циклоне			-	0,2	-
UJирина входного патрубка на входе в, м			-	0,26	-
Длина входного патрубка 1, м			-	0,6	-
Высота фланца НФп•	м		-	0,1	-
				Таблш{а 17.3
Геометрические размеры			Тип цимона
конических циклонов		СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м
Высота цилиндрической части НР и высота		0,535		0,515	0,4
заглубленной выхлопной трубы hт, м
Высота конической части Нк, м		3,0		2,11	2,5
Внутренний днаметр выхлопной трубы d, м		0,334		0,340	0,22
Внутренний диаметр nылевыnускного от-		0,334		0,229	0.18
веретин d 1, м
UJирина входного патрубка Ь, м		0,264		0,214	0,18
Высота внешней части выхлопной трубы h8 , м		0,2-0,3		0,515	0,3
Высота установки фланца НФл• м		0,1		0,1	0,1
Длина входного nатрубка 1, м		0,6		0,6	0,6
Высота входного патрубка hn, м		0,535	0,2 0,6		0,4
Те,,ущий радиус улитки р, м		D/2+bЧJ/(2n)		D/2+b	ЧJ/1!

Цилиндрические циклоны предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем и рекомендованы к использова­ нию для предварительной очистки газов на входе фильтров и

электрофильтров. Циклоны ЦН-15 изготавливают из углеродистой или низколегированной стали. Конические циклоны серии СК, пред-

546	Час т ь II. Мониторинг и защита окружающей среды

аб

Рис 17 З Цилиндрический (а) и конический (6) циклоны

назначенные для очистки газов от сажи, обладают повышенной эф­ фективностью по сравнению с циклонами типа ЦН за счет большего

гидравлического сопротивления.

Чтобы произвести расчет циклона необходимо иметь следующие

исходные данные.

•объем очищаемого газа Q, мз1с;

•плотность газа при рабочих условиях р, кг1мЗ;

•вязкость при рабочей температуре Jl, Па · с;

дисперсный состав пыли d50 и lg 811 ;

• входную концентрацию пыли свх• г/мЗ;

•плотность частиц пыли Рч• кг1мЗ;

•требуемую эффективность очистки газа '11·

Расчет циклонов ведут методом последовательных приближе­

ний в следующем порядке.

l. Задавшись типом циклона, определяем оптимальную скорость

движения газа ffion в сечении циклона диаметром D с учетом данных

табл 17 .4.

Таблица 17 4

Тип циклона ЦН-24 ЦН-15 ЦН-11 СДК-ЦН-33 СК ЦН-34 СК-ЦН-34м

Ыол

4,5

3,5

3,5

2,0

1,7

2,0

Г л а в а 17 Технические средства и методы защиты атмосферы	547
2. Рассчитываем диаметр циклона D, м, по формуле	D =

= -.J 4Q/(тtuJ0п). Полученное значение D следует округлять до бли­

жайшего типового значения внутреннего диаметра циклона. Если расчетный диаметр циклона превышает его максимально допусти­

мое значение, то необходимо применять два или более параллельна

установленных циклона.

3. По диаметру циклона находят действительную скорость дви­

жения газа в циклоне по формуле ffi = 4Q / (тtnD2), где n - число

циклонов. Действительная скорость в циклоне не должна отклонять­

ся от оптимальной более чем на 15%.

4. Определяем коэффициент гидравлического сопротивления

одиночного циклона ~ = k1k2~500 где k1 -	поправочный коэффици­
ент, учитывающий диаметр циклона (табл.	17.5), k2 - поправочный

коэффициент, учитывающий запыленность газа (табл. 17.6); ~500 -

коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона

диаметром 500 мм (табл. 17.7).

5. Определяем значение гидравлического сопротивления цикло­

на по формуле

дР = рвхрвых = Epffi2 /2,

где р - плотность газа в расчетном сечении аппарата; ffi - ско­

рость газа в расчетном сечении аппарата.

							Таблица 17 5
Тип циклона					Значение k1 для D, мм
				150	200	300	450	500
ЦН-11				0,94	0,95	0,96	0,99	1,0
ЦН-15, ЦН-24				0,85	0,90	0,93	.1,0	1,0
СДК-ЦН 33,	СК-ЦН-34, СК-ЦН-34м			1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
							Таблица 17 б
Тип			Значение k2 при Свх•			г/мЗ
циклона	о	10		20	40	80	120	150
ЦН-11	1	0,96	0,94		0,92	0,90	0,87	-
ЦН-15	1	0,93		0,92	0,91	0,90	0,87	0,86
ЦН-24	1	0,95		0,93	0,92	0,90	0,87	0,86
СДК-ЦН 33	1	0,81	0,785		0,78	0,77	0,76	0,745
СК-ЦН-34	1	0,98	0,947		0,93	0,915	0,91	0,90
СК-ЦН-34м	1	0,99		0,97	0,95	-	-	-

548	Час т ь 11	Мониторинг и защита окружающей среды
					Таблица 17 7
Тиn	Значения ~500		Тип	Значения ~БОО_
циклона	при выхлопе	при выхлоnе	циклона	при выхлопе	nри выхлопе
	в атмосферу	в rидравли-		в атмосферу	в rидравли-
		ческую сеть			ческую сеть
ЦН-11	245	250	СДК-ЦН-33	520	600
ЦН-15	155	163	СК-ЦН-34	1050	1150
ЦН-24	75	80	СК-ЦН-34м	-	2000
6. Определяем эффективность очистки газов в циклоне по фор­
муле 11	= 0,5 [1 + Ф(Х)], где Ф(Х) - табличная функция парамет­

ра Х:

Х = lg(dso/ dsтo) --J Jg2 8т1+ Jg2 8 '

значения d5~ и lg8т приведены в табл. 17.8.

Таблица 17.8

Тип циклона ЦН-24 ЦН-15 ЦН-11 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м

d,sn	8,5	4,5	3,65	2,31	1,95	1,3
lg От	0,308	0,352	0,352	0,364	0,308	0,340

Значения d5~, приведенные в таблице, определены по условиям

работы типового циклона, для которого справедливы следующие

значения: Dт = 0,6 м; 8чт = 1930 кг/м3; Jlт = 22,2 · 106 Па · с;

(!)т = 3,5 м/с. В случае отклонений условий работы циклона от ти­

повых

dso = ds~ --J (D/Dт) (Рчт/Рч) (j.!/j.!ч) (ffiт/ffi)

Определив значение Х, находим·параметр Ф(Х) из табл. 17.9.

						Таблица 17 9
Значение Х	-2,70	-2,0	-1,8	-1,6	-1,4	-1,2
Параметр Ф(Х)	-0,0035	0,0228	0,0359	0,0548	0,0808	0,1151
Значение Х	-1,0	-0,8	-0,6	-0,4	-0,2
ПаQ_амет_!J Ф(Х)	0,1587	0,2119	0,2743	о 3446	0,4207
Значение Х	о	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
Параметр Ф(Х)	0,5000	0,5793	0,6554	0,7257	0,7881	0,8413
Значение Х	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,7
Параметр Ф(Х)	0,8849	0,9192	0,9452	0,9641	0,9772	0,9965

Гл а в а 17. Техничесhие средства и методы защиты атмосферы	549
Очищенный

2

3

Рис 17.4. Пылеуловитель ротационного типа

Рассчитав эффективность очистки газов 11, осуществляют выбор

циклона. При этом, если расчетное значение 11 окажется меньше

значения, требуемого по условиям допустимого выброса пыли в ат­

мосферу, то необходимо выбрать другой тип циклона с большим зна­ чением коэффициента гидравлического сопротивления. Для ориен­ тировочных расчетов можно пользоваться формулой

~~-[~]2 ~El

~2 - 1 - 112 OJ2 D2'

где индексы 1 и 2 соответствуют двум разным циклонам.

Среди аппаратов, предназначенных для пылеулавливания, сле­ дует выделить аппараты центробежного действия. К этой категории

относятся пылеуловители и противопоточные пылеотделители рота­

ционного типа, а также вихревые пылеуловители (ВПУ).

Компоновка простейшего пылеуловителя ротационного типа

представлена на рис. 17.4. При вращении вентилятора колеса 1 час­ тицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спи­ ралеообразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении выхлоп­ ного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пы­ леприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу 4. Для повышения эффектиннори пылеуловителей такой конструкции необходимо увеличивать ско­ рость очищаемого потока в специальном кожухе. Однако следует

помнить. что это ведет к резкому повышению гидравлического со­

противления аппарата. Повысить эффективность можно уменьшени­

ем радиуса кривизны спирали кожуха, но это снижает его произво-

550	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

Очищенный

Газ газ

t

+

Пыль

Рис 17 5 Противопоточный ротационН.Ь!Й пылеуловитель

дительность. Достаточно высокая эффективность очистки воздуха

такими аппаратами достигается при улавливании сравнительно

крупных частиц пыли (свыше 20.. .40 мкм).

Пылеотделители ротационного типа (ПРП), аналогичные устрой­

ству, представленному на рис. 17 .5, являются перспектинными осо­ бенно для очистки воздуха от частиц, размер которых больше 5 мкм.

Он состоит из встроенного в кожух 1 полого ротора 2 с перфориро­

ванной поверхностью и колеса вентилятора 3. Ротор и колесо вен­

тилятора насажены на общий вал. При работе пылеотделителя за­ пыленный воздух поступает внутрь кожуха В результате вращения пылевого потока возникают центробежные силы, под действием ко­

торых взвешенные в воздухе частицы пыли стремятся выделиться

из него в радиальном направлении. Одновременно на эти частицы в противоположном направлении действуют силы аэродинамическо­ го сопротивления Частицы, центробежная сила которых больше

силы аэродинамического сопротивления, отбрасываются к стенкам

кожуха и поступают в бункер 4. Очищенный воздух с помощью вен­

тилятора выбрасывается наружу.

Эффективность работы ПРП зависит от выбранного соот­ ношения центробежной и аэродинамической сил. Теоретически этот показатель может достигать единицы Значение центробежной

силы является функцией числа оборотов и диаметра ротора. Значе­

ние аэродинамической силы является функцией скорости всасыва­

ния воздуха через перфорацию ротора.

Исходя из равенства центробежной силы и силы аэродинамичес­

кого сопротивления воздуха движению частиц пыли, И А. Шепеле-

Г л а в а 17 Технические средства и методы защиты атмосферы

551

вым была получена формула, позволяющая рассчитать производи­

тельность ПРП·

(17.1)

где Рп и Рв - плотности пыли и воздуха соответственно, кг/м3; dч - диаметр улавливаемых частиц, м; v - коэффициент кинема­

тической вязкости, м2 /с; w окружная скорость, м/с; Ь = idб/(8R) - приведеиная ширина всасывающего отверстия ро­

тора пылеуловителя,	м; R -	радиус отверстия ротора, м; i - ко­
личество отверстий,	шт.; d0 -	диаметр отверстий, м.
Диаметр минимальной улавливаемой частицы пыли в этом
случае
		1	~ 1 РвV Qv	(17.2)
	dmш = 20w		\j Pn-;J;.

Сравнение ПРП с циклонами свидетельствует о преимуществах ротационных пылеуловителей. Так, габаритные размеры циклона в

3.. .4 раза, а удельные энергозатраты на очистку 1000 м2 газа на

20. .40% больше, чем у ПРП, при прочих равных условиях. Однако

широкого распространения пылеуловители ротационного действия не получили из-за относительной сложности конструкции и процес­ са эксплуатации по сравнению с другими аппаратами сухой очистки газов от механических загрязнений.

Очищенный	Очищенный
	газ
газ	t

аб

Pf\C. 17 6 Вихревой nылеуловитель соnлового (а) и лоnаточного (6) тиnа

552	Час т ь П. Мониторинг и защита окружающей среды

В мировой практике очистки воздуха от твердых фракций цент­ робежным методом получили распространение ВПУ. Например, в

США, ФРГ и ряде других стран разработано несколько типов ВПУ,

имеющих диаметр корпуса от 2 до 40 м, что позволяет повысить

пропускную способность ВПУ от 20 до 315000 мз/ ч.

Существуют две конструктивные разновидности ВПУ: сопловые

(рис. 17.6, а) и лопаточные (рис. 17.6, 6). Запыленный газ поступает

в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного закру­ чивания запыленного газа в камеру 5 встроен лопаточный завихри­ тель типа <<розетки•> 2. При движении вверх к выхлопному патрубку

б газовый поток подвергается действию вытекающих из завихрителя 1 струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное движение. В качестве завихрителя в ВПУ соплового типа использу­ ются наклонные сопла, а в ВПУ лопаточного типа - наклонные ло­ патки. Под действием цент.робежных сил, возникающих при закру­

чивании потока, частицы пыли устремляются к его периферии, отку­

да спиральными струями вторичного потока перемешаются к низу ап­

парата. Безвозвратный спуск пыли в бункер обеспечивается подпо­ рной шайбой 3. Сравнительный анализ ВПУ соплового и лопаточного

вида показывает, что гидравлическое сопротивление ~ПУ лопаточ­

ного типа примерно на 25% меньше сопротивления ВПУ соплового

типа. При этом остаточная концентрация пыли у ВПУ лопаточного типа в 1, 75 раза ниже, чем у ВПУ соплового типа.

Следует отметить, что оптимальное количество вторичного воз­

духа должно находиться в пределах 40-65% количества очищае­

мого газа. К достоинствам ВПУ следует отнести то, что они сохра­

няют эффективность очистки газа от пыли как при уменьшении его

расхода на 50%, так и при увеличении на 15%. Слабая чувстви­

тельность эффективности очистки к расходу запыленного газа объ­

ясняется тем, что процесс очистки в ВПУ зависит в основном от параметров вторичного воздуха. Повышение давления вторичного

воздуха в ВПУ приводит к увеличению эффективности очистки

пыли, но при этом гидравлическое сопротивление и удельный расход энергии ВПУ возрастают. Оптимальное рабочее давление вторично­ го воздуха для существующих установок 2000...6000 Па.

С точки зрения эффективности технологического процесса целе­ сообразно в качестве вторичного потока использовать загрязненный

газ (воздух). При этом производительность установки увеличивает­

ся на 40 ... 65% без заметного снижения эффективности очистки.

Максимальная эффективность очистки может быть достигнута при

использовании в качестве вторичного воздуха переработавной части

Гл а в а I7. Технические средства и методы защиты атмосферы

553

потока очищенного газа. В этом случае часть слабо очищенного газа

(воздуха) с периферии потока направляется в ВПУ на доочистку.

Минимальный размер частиц, улавливаемых ВПУ, можно рас­

считать с помощью уравнен~:~я
dч min = 1,2 ...J Qvp6 / (Нрпw2),	(17.3)

где Н- высота сепарационного объема, м; w- окружная скорость

вращения газа, м/с; остальные величины определены в (17.1 ).

Оптимальное в экономическом отношении значение гидравли­

ческого сопротивления ВПУ достигается при номинальных расходах

запыленного газа Q и вторичного воздуха Q1• Изменение давления

газа в ВПУ, которое определяет расход энергии на очистку газа,

может быть определено по формуле

1	(17.4)
Др=~ (QIД.pl + Q2Др2),
где Q == Q1 + Q2 - суммарный расход газа, м3 /с; !3..р 1 -	перепад

давления воздуха между входом и выходом из аппарата, Па: Ь..р2 -

перепад давления вторичного воздуха (перепад давления газа в сопле и на входе в аппарат), Па.

Удельный расход энергии в существующих ВПУ составляет при­ мерно 0,4 ... 1,3 кВт . ч на 1000 мз воздуха. С увеличением габаритов

ВПУ удельный расход энергии и эффективность очистки пыли за­ метно снижаются. Суммарная эффективность очистки пыли в ВПУ практически не зависит от входной концентрации загрязнений в диа­

пазоне от О до 300 г/ мз. ·

В ряде случаев целесообразно использовать жалюзийные пыле­ отделители, позволяющие производить разделение газового потока

на очищенный и обогащенный пылью газ (рис. 17.7). С помощью

решетки 1 газовый поток расходом Q разделяется на два потока рас­

ходом Q1 и Q2. Обычно Q1 == (0,8 ...0,9)Q, а Q2 = (0,1 ...0,2)Q. Отде­

ление частиц пьшf! происходит под действием инерционных сил, воз-

Очищенный газ. О,

Рис. I7.7. Жалюзийный пылеотделитель

554	Час т ь II. Мониторинг и защита окружающей среды

никающих при повороте газового потока на входе в жалюзийную

решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от поверхности

решетки при соударении с ней. Обогащенный пылью газовый поток после жалюзийной решетки направляется к циклону, где очищается

от частиц и вновь вводится в трубопровод за жалюзийной решеткой.

Жалюзийные пылеотделители отличаются простотой конструкции и

хорошо компонуются в газоходах, обеспечивая эффективность

очистки 0,8 и более для частиц размером более 20 мкм. Жалюзийные

пылеотделители хорошо зарекомендовали себя в системах очистки

дымовых труб от крупнодисперсной пыли при температуре

450... 600°С. Методика расчета· таких пылеотделителей достаточно

подробно описана в литературе [5].

17.2. Электрофильтрьt

В различных отраслях промышленности для очистки газовоз­

душных смесей от взвешенных в них частиц пыли и тумана исполь­

зуются электрофильтры. Этот метод основан на ударной иониза­

ции газа' в зоне коронирующего разряда. При этом происходит пере­

дача заряда ионов частицам примесей и осаждение этих частиц на

осадительных и коронирующих электродах.

Например, в теплоэнергетике широко используются электро­

фильтры (рис. 17.8), работающие на принципе улавливания заря­

женных золовых частиц. В металлическом корпусе 8 на расстоянии

100... 150 мм расположены коронирующие 3 и осадительные 2 электроды, собранные в секции. К коронирующим электродам, вы­

полненным в виде прутков или узких полос с иглами, которые изо­

лированы от корпуса и земли, подведен отрицательный заряд источ­

ника питания б высокого напряжения (20... 90 кВ). У поверхности

этих электродов при подаче напряжения возникает ограниченный

на некоторую глубину коронный разряд. Этот разряд ионизирует газ и золавые частицы. Заряженные заловые частицы перемещаются в

сторону заземленных осадительных электродов и частично к коро­

нирующим, осаждаясь на них. Осадительные электроды выполне­

ны из тонколистовых широкополосных элементов с развитой поверх­ ностью. Лучшей осадительной способностью обладает мелкая зола, имеющая большую поверхность.

Периодически электроды встряхивают с помощью специальных

устройств 5 и 7, и зола осаждается в бункеры /. В момент встряхи­

вания часть золы, отрываясь от электродов,· уносится потоком газа,

снижая степень очистки. На входе и выходе электрофильтра распо­

лагаются направляющие лопатки и решетки 4, обеспечивающие рав-

Г л а в а 17. Технические средства и методы защиты атмосферы

555

6

Рис. 17.8. Электрофильтр типа УГ: а - общий вид; 6 - схема расположения

электродов

номерное распределение газов и золы 'по отдельным секциям, что

.способствует повышению степени улавливания 11. которая опреде­

ляется уравнением

Gvл

'11 =~ 100,

GBX

где Gул - масса уловленной золы, кг; Gвх - общая масса золы,

поступавшей в электрофилыр, кг.

Рассмотренные электрофилыры являются универсальными и

наиболее эффективными ('11 = 99,5 ... 99,9%) золоуловителями, до­

пускающими работу в условиях высоких температур (до 400.. .450°С)

и агрессивной среды. Вместе с тем электрофилыры имеют высокую

стоимость и металлоемкость. Они чувствительны к отклонениям от оптимальных режимов, требуют квалифицированного обслужива­

ния и тщательного монтажа и ремонта. Несмотря на отмеченные недостатки, электрофилыры в ряде случаев не имеют альтернативы.

556 Час т ь 1! Мониторинг и зашита окружаюшей среды

Поэтому целесообразно подробнее рассмотреть принцип дейст­ вия электрофилыров. Загрязненный воздух, поступающий в

электрофилыр, всегда оказывается частично ионизированным за

счет различных внешних воздействий (рентгеновских и космичес­

ких лучей радиоактивных излучений, трения, нагрева газа и др.).

Поэтому он обладает проводимостью. Сила тока в электрофилыре

зависит от числа ионов и напряжения между электродами. При уве­

личении напряжения в движение между электродами вовлекается

все большее число ионов и сила тока растет до тех пор, пока в дви­

жении не окажутся все ионы, имеющиеся в газе. При этом сила тока

становится постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший

рост напряжения. При некотором достаточно большом напряжении

движущиеся ионы и электроны настолько ускоряются, что, сталки­

ваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая нейтральные

молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся

новые ионы и электроны ускоряются электрическим полем и в свою

очередь ионизируют новые молекулы газа.

Этот процесс называется ударной ионизацией газа, он протекает

устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле, характерном

для цилиндрического конденсатора (рис. 17.9). в зазоре между ко­

ронирующим 1 и осадительным 2 электродами создается электри­ ческое поле убывающей напряженности с силовыми линиями 3, на­

nравленными от осадительного к коронирующему электроду или на­

оборот. Напряжение к электродам nодается от выпрямителя 4.

Изменение силы тока между электродами по мере роста напря­ жения nоказано на рис. 17.1 О.

Критическое напряжение икр на электродах, при котором возни­

кает коронирующий разряд, определяется из уравнения

икр= ЕкрR1 JnR2 / R1,

где R1 и R2 - радиусы коронирующего и осадительного электродов соответственно, м; Екр - критическая напряженность электричес­

кого nоля, при которой возникает корона, В/м.

При расчете электрофилыров, имеющих электроды круглого се­

чения и предназначенных для очистки воздуха от частиц пыли, зна­

чение Екр определяют по эмnирическим формулам Пика, согласно

которым:

для коронирующего электрода положительной полярности

Екр = 3,37(~ + 0,0242 ~) 106;

Г л а в а	17.	Технические средства и методы защиты атмосферы		557
-	+		Пробой
w,		2	Коронирование
0			4

w,

	и
Рис 17 9 Схема расnоложения	Рис 17 10 Зависимость силы тока
эл€ктродов в электрофильтре	от наnряжения между электродами

для коронирующего электрода отрицательной полярности

Екр = 3,04(~ + 0,0311 ~)106,

где ~ - поправка на плотность газов в рабочих условиях:

(Рокр + р,) 293

~ = 1,013. 105 (273 + t)'

где Рокрдавление окружающей среды, Па; Pr- разрежение, или

избыточное давление в газоходе, Па; t - температура газов, ос.

Коронирующий разряд обычно возникает при высоких напряже­ ниях, достигающих 50 кВ и более. Аэрозольные частицы, поступаю­

щие в зону между коронирующим и осадительным электродами, ад­

сорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический

заряд и получая ускорение, направленное в сторону электрода с за­

рядом противоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от

подвижности ионов, траектории движения и времени пребывания

частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и

дымовых газах подвижность отрицательных ИО!-!ОВ выще, чем поло­

жительных, электрофилыры обычно делают с короной отрицатель­

ной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц невелика и из­

меряется долями секунды. Движение заряженных частиц к осади­

тельному электроду происходит под действием: аэродинамических

сил, силы взаимодействия электрического поля и заряда частиц,

силы тяжести, силы давления электрического ветра. Аэродинами­

ческие силы вызывают движение частиц по направлению движения

газа со скоростью, близкой к скорости газа (0,5 ... 2 м/с).

558	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

Сила взаимодействия заряженных частиц с электрическим полем

является основной силой, вызывающей движение частиц к осади­ тельному электроду. Скорость движения частиц зависит от напря­

женности электрического поля Е, В1м, и от размеров частиц. В ка­

честве примера в табл. 17.1 О приведены расчетные значения скорос­

ти перемещения w различных по размерам и при различной напря­

женности электрического поля. Силу тяжести в расчетах не учиты­

вают, так как она оказывает незначительное влияние на траекторию

движения частиц. Например частицы, размером 1О мкм за 10... 15 с передвижения в электрофильтре снижаются вниз на 3... 5 см.

							Таблица 17		10
			Диаметр частиц, мкм	0,4	1,0	2,0	10,0	30,0
(!)	3 ,		м/с (при Е= 15. 104 В/м)	0,012	0,013	0,015	0,075	0,10
(!)	3	,	м/с (при Е= 30 ·104 ·В/м)	0,025	0,030	0,060	0,50	0,60

Электрический ветер возникает у коронирующих электродов за

счет механического воздействия движущихся ионов на молекулы

газа и частицы пыли. Скорость циркуляции газов в межэлектродном

промежутке под действием электрического ветра составляет

0,5 ... 1,О м1с. Следует отметить, что единой методики расчета этой

скорости не существует. При проектированuи электрофильтров влиянием электрического ветра пренебрегают.

Основная масса пыли осаждается на положительном осадитель­ ном электроде, так как коронирующий электрод имеет значительно

большую внешнюю зону и основная масса частиц приобретает от­

рицательный заряд.

Важную роль в процессе осаждения пыли на электродах играет

электрическое сопротивление слоев пыли. С учетом электрического

сопротивления пыли делятся на пыли с малым удельным сопротив­

лением (< 1Об Ом · м), которые при соприкосновении с электродом

теряют свой заряд и приобретают заряд, знак которого соответству­ ет знаку электрода, после чего между частицей и электродом воз­ никает сила отталкивания, под действием которой частица стремит­ ся вернуться в газовый поток; пыли с удельным электрическим со­

противлением от 106 до 1012 Ом· м, которые хорошо осаждаются на

электродах и легко удаляются встряхиванием; пыли с удельным

электрическим сопротивлением более 1012 Ом · м, которые с трудом

улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы

таких пылей разряжаются медленно, что в значительной степени

препятствует осаждению новых частиц.

Г л а в а 17 Технические средства и методы защиты атмосферы

559

Эффективность очистки запыленного газа с помощью электро­

фильтров определяют по формуле Дейча:

11 = l - e-w,FP,

где Fуд - удельная поверхность осадительных электродов, равная

отношению поверхности осадительных элементов к расходу очища­

емых газов, м2. с/ мз.

Анализ уравнения Дейча показывает, что эффективность очист­

ки 11 возрастает с ростом показателя степени (w3 f уд)			( табл. 17 .11).
			Таблица 17.11
3,0	3,7	3,9	4,6
0,95	0,975	0,98	0,99

Для тонкой очистки газов рекомендуется применять унифициро­

ванные горизонтальные малогабаритные (УМГ) сухие электро­

фильтры. Для обеспечения равномерности поступления газа в

электрофильтр на его входе устанавливается распределительная ре­

шетка. Удаление осевшей на осадительных электродах пыли осу­

ществляется периодическим встряхиванием молотковыми или каки­

ми-либо другими устройствами. При этом пыль ссыпается в бункер, расположенный под электродами. Электрофильтры, оснащенные встряхивающими устройствами, особенно широкое распространение

нашли в системах золоулавливания.

Повышение эффективности очистки золасодержащих газов, на­

пример в горизонтальных электрофильтрах, достигается лишь в том

случае, когда осевшая на электродах зола при их встряхивании

будет падать в бункер в виде относительно крупных конгломератов, состоящих из множества слипшихся под действием сил адгезии час­

тиц. Если же при встряхивании слой осевшей золы будет дисперги­

роваться на очень мелкие конгломераты или на индивидуальные час­

тицы, очистка газов будет малоэффективной вследствие уноса газо­ вым потоком из электрофильтра сброшенной с электродов золы. Для

того чтобы на осадительном электроде образовался слой золы, ко­

торый при встряхивании распадается на крупные конгломераты, не­

обходимо, чтобы встряхивающие импульсы следовали друг за дру­

гом через некоторые промежутки времени, которые зависят от за­

пыле!шости газов, эффективности улавливания золы и суммарной площади осадительных электродов, расположенных над бункером.

Если импульсы встряхивания будут следовать друг за Другом

слишком часто, то образовавшийся за промежуток времени между

ними слой золы будет состоять из малого количества плохо слипших-

560	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

ся частиц, которые при встряхивании вспыливаются и уносятся по­

током газа, что приводит к снижению степени очистки газов, и, на­

оборот, в случае чрезмерного увеличения интервалов между встря­

хивающими импульсами происходит накопление на осадительных

электродах слоя золы большой толщины Наличие такого слоя, в осо­

бенности состоящего из золы с высоким удельным электрическим со­

противлением, может привести к падению токовой нагрузки в цепи электрофильтра, уменьшению напряженности электрического поля

и ухудшению очистки газов. Кроме того, такой режим встряхивания

электродов связан с одновременным сбросом в бункер больших масс

золы, в результате чего возможно переполнение золой элементов

системы золоудаления, для устранения которого требуется вмеша­

тельство обслуживающего персонала. Следовательно, для каждого

конкретного случая существует оптимальный режим встряхивания осадительных электродов, требующий установления для полей

электрофильтра различных интервалов времени между встряхиваю­

щими импульсами Обычно большинство отечественных и зарубеж­ ных электрофильтров оборудуется одинаковыми для всех пылей ме­

ханизмами встряхивания осадительных 'Электродов с минимальным

интервалом между встряхивающими импульсами около 3 мин.

В качестве примера рассмотрим подробнее работу встряхиваю­

щего механизма, работающего совместно с электрофильтрами, при­

меняемыми на тепловых электростанциях (ТЭС). Исходя из реаль­

ной производитЕ-льности гидравлических затворов и смывных аппа­ ратов, обычно устанавливаемых на отечественных ТЭС для удале­ ния золы из бункеров электрофильтров, можно оценить максималь­ но допустимый интервал между последовательными встряхивания­ ми осадительных электродов. Для этого необходимо определить ко­ личество золы, оседающей на электродах за промежуток времени, равный интервалу между встряхивающими импульсами, и сопоста­ вить его с производительностью гидрозатворов. Максимально допус­ тимый интервал времени можно определить из равенства

nvS).l1"]t	0	G
1 - С V		= ехр (- V to),

тах

где t0 - максимально допустимый интервал времени, с; v - ско­

рость движения газов в электрофильтре, м1с, S - площадь попере­

чного сечения электрофильтра над бункером, м2 ; 1-l - запыленность

газов, поступающих в данное поле, г1м3; 11- степень очистки газов

в данном поле, доли единицы; cmax - предельно допустимая кон-

Г л а в а 17 Технические средства и методы защиты атмосферы

561

центрация золы в пульпе, равная

500.. . 1000 кг/ мЗ; V - объем

пульпы в гидрозатворе, л; G -

расход пульпы через гидроза­

твор, л/с.

Для очистки вентиляционных

выбросов от различных пылей с

малой концентрацией загрязне­ ний нашли широкое применение

двухзонные электрофильтры.

Поток воздуха в таком фильтре

Очищенный

газ

Газ

+ 14к8 +7к8

Рис 17 11 Схема двухзонного

элеюрефильтра

проходит последовательно зоны ионизации и осаждения, а также

пористый филь1р, предназначенный для исключения уноса пыли; на­

копленная пыль периодически смывается водой (рис. 17.11) Загряз­

ненный газ проходит ионизатор, в состав которого входят положи­ тельные 1 и отрицательные 2 электроды. Ионизатор выполнен так,

чтобы при скорости 2 м/ с частицы пыли успели зарядиться, но еще

не осели на электроды. Зарядившиеся частицы газовым потоком ув­

лекаются в осадитель, представляющий собой системы пластин­

электродов 3 и 4. Заряженные частицы оседают в поле осадителя на пластинах противоположной полярности. Выбором расстояния

между пластинами (6 ... 7 мм) удается при сраю~ительно небольшом напряжении между пластинами (7 кВ) получить напряженность 80... 100 В/ м, что достаточно для осаждения частиц субмикронных

размеров.

17.3. Лрименение туманоуловителей

Для очистки вентиляционных выбросов от пыли, туманов, мине­

ральных масел, пластификаторов и т.п. применяются электрические

ту.маноуловuтелu типа УУП (рис. 17.12).

В корпусе установлен электрический туманауловитель 2, кото­ рый питается от источника 4 на­

пряжением 13 кВ Подвод пита­

ния к электродам производится

	через электроизоляторы	высо­	Очищенный
	кого напряжения с клеммами 3.
			-газ
	Загрязненный воздух	через

входной патрубок, распредели­

тельную решетку 8 и сетку 7 по­

6

ступает к туманоуловителю,

очищается от примесей и, прой-

Рис 17 12 Туманеуловитель УПП

	562	Час т ь 11	Мониторинг и защита окружающей среды
		Очищенный	дя	каплеуловитель 5,	подается	на	выход
		газ
	1		УПП. Жидкость, отделенная от воздуха, со­
		2
			бирается в воронках 6, а затем сливается из
			УПП через гидрозатворы; УПП сочетают вы­
			сокую эффективность улавливания приме­
			сей с низким гидравлическим сопротивлени­
			ем.
				В ряде производственных процессов про­
			исходит загрязнение воздуха туманами, со­
			держащими кислоты, щелочи, масла и дру­
			гие жидкости. В зависимости от скорости
			движения воздуха в туманауловителях они
			делятся на низкоскоростные (ro ~ О, 15 м/с)
			и	высокоскоростные	(ro == 2...	2,5	м/с).

Рис 17 13 Фильтрую-

щий элемент низкоско-

ростнего

туманеуловителя

В низкоскоростных туманеуловителях пре­

обладает механизм диффузного осаждения

капель. В высокоскоростных туманаулови­

телях осаждение происходит главным обра­

зом под воздействием инерционных сил.

Внизкоскоростном туманауловителе

волокнистый фильтрующий элемент

(рис. 17.13) помещается в пространство

между двумя цилиндрами 3, изготовленными из сеток. Фильтраэле­ мент 4 крепится фланцем 2 к корпусу туманауловителя 1. Жидкость, осевшая на фильтре элемента, стекает на нижний фланец 5 и затем

через трубку гидразатвора б и стакан 7 сливается из фильтра. Такие

туманауловители обеспечивают высокую эффективность очистки

(до 0,999) газа от частиц размером менее 3 мкм и полностью улав­

ливают частицы большего размера.

Волокнистые слои формируются набивкой стекловолокна диа­

метром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон (лавсан, полипро­

пилен) диаметром от 12 до 40 мкм. Толщина фильтрующего слоя

5... 15 см. Гидравлическое сопротивление фильтраэлементов 200...

1000 Па.

Высокоскоростные туманоуловители, несмотря на меньшие га­ баритные размеры, обеспечивают эффективность очистки 0,90...0,98

при 11р = 1500... 2000 Па от тумана с частицами размером менее

3 мкм. В качестве фильтрующей набивки в таких туманауловителях

используют войлок из полипропиленовых волокон, ·успешно рабо­

тающий в среде разбавленных и концентрированных кислот (H2S04,

HCI, HF, Н3РО4, HN03) и сильных щелочей.

Г л а в а 17 Технические средства и методы защиты атмосферы

563

В тех случаях, когда диаметр

капель тумана составляет

0,6 ...0, 7 мкм и менее, для дости­

жения приемлемой эффективнос­ ти очистки необходимо увеличи­ вать скорость филырации до

4,5 ... 5 м/ с. Однако увеличение

скорости приводит	к заметному	Туман
брызгауносу с выходной стороны
филыроэлемента.	Брызгоунос	Рис 17.14 Высокоскоростной тума­
обычно возникает при скоростях		науловитель

1,7... 2,5 м/с и более. Для умень­

шения брызгсуноса применяют брызгоуловители. Если образуются

брызги размером более 5 мкм, целесообразно применять брызгоуло­

вители, выполненные из пакета сеток. В этих брызгоуловителях за­ хват частиц жидкости происходит за счет эффекта касания и инер­

ционных сил. Одним из условий применения таких устройств явля­

ется ограничение по скорости фильтрации, которая не должна пr.е­

вышать 6 м/с.

В качестве примера конструктивного исполнения волокнистых

туманауловителей на рис. 17.14 показан высокоскоростной волок­ нистый туманауловитель с цилиндрическим фильтрующим элемен­ том 3, который представляет собой перфорированный барабан с глу­ хой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый войлок 2 толщиной 3 ... 5 мм. Вокруг барабана по его внешней стороне распо­

ложен брызгоуловитель 1, представляющий собой набор перфори­ рованных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент.

Брызгоуловитель и фильтреэлемент нижней частью установлены в

слой жидкости.

Наибольший эффект отделения капель тумана от газа достига­

ется на двухступенчатых туманоуловителях, в которых первая сту­

пень, состоящая из тонких волокон, имеет скорость филырации

0,05 ...0,2 м/с (низкоскоростные туманоуловители) или 2... 2,5 м/с

(высокоскоростные туманоуловители), а вторая ступень - сетча­

тый брызгоуловитель - предназначена для улавливания укрупнен­

ных жидких частиц.

Расчет туманауловителей из волокнистых фильтрованных мате­

риалов обычно сводится к определению площади филырации по из­ вестному расходу загрязненного воздуха и рекомендуемой для вы­

бранного материала скорости фильтрации. Например, скорости филырации для некоторых фильтровальных материалов, применяе­

мых в низкоскоростных туманоуловителях, следующие: 0,2 м/ с для

564	Час т ь	II Мониторинг и защита окружающей среды
иглапробивнога		войлока из волокон диаметром 65... 70 мкм;

О, 1...0, 15 м1с для иглапробивнога войлока из лавсановых волокон

МЧПС диаметром 18... 20 мкм.

Расчет площади фильтрации S следует проводить по формуле

s = Q1(!)ф,

где Q - объем загрязненного воздуха; rоФ - скорость фильтрации,

которая для сеточных брызгоуловителей определяется по формуле

(()ф = 0,107 -v Рж- 1,

Рв

где Рж, Рв - nлотность жидкости и воздуха соответственно.

Эффективность очистки от капель при использовании сеточного

пакета определяется выражением

_	(	hSyд	,	2	,
11 - 1 -	1 -	0,2 N	11 )
где h - толщина пакета; Sуд -		удельная поверхность проволоки в

пакете сеток, м21м3; N - число сеток в пакете, шт.; 11 - эффек­

тивность очистки воздуха от капель определенного размера (фрак­ ционная очистка) одной сеткой, которая зависит от режима фильт­

рования, свойств фильтруемой среды, размера фракции, характе­

ристик сетки.

Значением 11' для условий фильтрования при атмосферном дав­

лении удобно определять графически (рис. 17.15).

При этом необходимо предварительно вычислить критерий Сток­ са по формуле

St = Pжroфd~kл/(18)-ldnp),

".				где	dч	-	диаметр		ка­
				пель, м; dnp- диаметр
0,8				проволоки			в	сетке,	м;
				11 -
0,6					вязкость воздуха,
				Па· с.
0,4					Толщину			пакета
0,2				сеток выбирают в пре­
				делах 100...200 мм, а
о~~---------------------				удельную поверхность
0,1	10	100	St
				проволоки				в пакете
Рис 17 15	Зависимость фракционной эффектив­			сетки		вычисляют			по

ности очистки 11' от критерия Стокеа	формуле