2 Использование циклонных камер в промышленности

Простейший циклонный сепаратор-это устройство, состоящее из цилиндрического, конического ил цилиндро-конического корпуса, тангенциального входного патрубка, осесимметричного выходного канала (пережима), обычно заглублённого внутрь рабочего объёма. Циклонный сепаратор имеет в нижней части корпуса выгрузное отверстие для удаления уловленного продукта (пыли, шлака, щелока, волокон целлюлозы и т.д.)

Широкое использование циклонных сепарационных устройств в деревообработке, целлюлозно-бумажном и гидролизном производстве определяется их некоторыми преимуществами перед другими аппаратами аналогичного назначения:

1) отсутствием вращающихся конструктивных элементов и узлов;

2) возможностью функционирования в условиях высоких температур(500-1000С) и давлений до 100 МПа без каких-либо принципиальных изменений в конструкциях;

3) возможностью улавливания и классификации абразивных включений при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;

4) относительной простотой изготовления и сравнительно небольшой стоимостью;

5) сохранением требуемого уровня фракционной эффективности очистки с ростом массовой концентрации твёрдой фазы;

6) возможностью сухого осаждения продукта в циклонных пылеуловителях.

Несмотря на принципиальную простоту исходной конструкции, современные циклонные сепараторы характеризуются большим разнообразием практических приложений, широким диапазоном изменения основных геометрических параметров и вариантов оформления отдельных конструктивных узлов.

В системах обеспыливания и пневмотранспорта воздуха предприятий отрасли значительное применение нашли сухие пылеуловители-циклоны: цилиндрические, цилиндро-конические, конические, с обратным конусом и др.

К цилиндрическим циклонам средней эффективности (имеющим значительную цилиндрическую часть) относится циклонный пылеуловитель “Гипродрев”. Он предназначен для грубой очистки воздуха от сравнительно крупных древесных частиц (опилок, стружки) размером более 40…60 мкм.

Наиболее широкое применение в промышленности получили циклоны типа К (ОЭКДМ). Эти циклоны относятся к числу высокопроизводительных, имеют цилиндро-коническую конфигурацию. Их отличительной чертой является наличие в выхлопной трубе участка типа “диффузор-конфузор” и встроенной в расширяющуюся часть конусообразной водоотделительной тарелки. Циклон рекомендуется к использованию в системах аспирации воздуха для отделения древесных отходов с небольшим содержанием древесно-шлифовальной пыли (ДШП).

К цилиндро-коническим циклонам с верхней винтовой крышкой относятся циклоны Ц (Гипродревпрома), ЛТА, ЦН (НИИОГаза): ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24, ЦН-16 (ЦКТИ им. И.И.Ползунова), ЦМС-27.

Циклоны называются коническими, если они имеют развитую коническую сходящуюся часть. К коническим циклонам НИИОГаз относятся аппараты СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М. Наибольшее распространение в промышленности получил циклон СК-ЦН-34. Аппарат нашёл применение в системах очистки газового теплоносителя после распылительных сушилок дрожжевого производства гидролизных предприятий. Циклоны РИСИ (конструкции Ростовского инженерно-строительного института) предназначены для очистки запылённого воздуха от волокнистых и неслипающихся частиц. Циклоны ВЦНИИОТ (конструкции Всесоюзного центрального научно-исследовательского института охраны труда) отличаются от других наличием внешнего обратного конуса и внутренней конической поверхности, образующих пылевыпускную кольцевую щель. Их применяют для обеспыливания воздуха после полировальных станков.

К числу высокоэффективных циклонов, получивших широкое распространение в деревообрабатывающей и других областях промышленности, относятся циклоны УЦ-38 (Мельстроя). Циклоны УЦ используются для очистки воздуха преимущественно от сухих неволокнистых и неслипающихся пылей, а также технологических отходов деревообрабатывающих производств-смесей древесной пыли с опилками, стружкой и т.д.

Эффективная работа циклонов-пылеуловителей во многом зависит от правильного подбора аппаратов и вспомогательного оборудования, качества изготовления и монтажа, уровня обслуживания и других условий.

Если заменить циклонные сепараторы фильтрами для тонкой очистки газовых выбросов, это даст возможность применять такие циклоны и для других целей, например для предварительного отделения грубых фракций, теплорекуперации, подсушки, высоковлажных древесных отходов, в системах пневмотранспорта и т.д.

Циклонные пылеуловители используются в целлюлозно-бумажной промышленности в основном для очистки дымовых газов от энергетических утилизационных котлоагрегатов, работающих на древесном топливе, а также в качестве первой ступени золоулавливания при эксплуатации пылеугольных паровых котлов.

Циклоны применяются также для фракционирования сыпучих древесных материалов при загрузке варочных котлов щепой.

Для очистки промышленных газов целлюлозно-бумажного производства широко используются мокрые центробежные газоочистные аппараты-скрубберы. В промышленности получили применение в основном устройства с тангенциальным вводом газов и плёночным орошением.

Каплеуловители (брызгоотделители) предназначены для отделения жидкой фазы их газовых и паровых потоков.

Циклонные парожидкостные сепараторы нашли применение в плёночных аппаратах для упаривания чёрного щелока.

Использование сепарационных циклонов в энергетических и технологических системах, и процессах целлюлозно-бумажного производства связано с необходимостью выделения пара вторичного вскипания из конденсата и продувочной воды котлов, расширения и упаривания отработанного щелока, выпуска сваренной целлюлозной массы, очистки суспензии от посторонних включений и др.

В закрытых системах сбора и возврата конденсата технологического пара для срабатывания перепада давления между теплопотребляющими аппаратами и сборным баком жидкости используются специальные сепараторы, называемые иногда расширительными бачками. Наиболее часто на практике используются центробежные циклонные сепараторы.

Выдувные циклоны и резервуары предназначены для приёма массы из варочных аппаратов, отделения от неё пара вторичного вскипания и выдачи полуцеллюлозной массы на промывную установку.

Выдувной резервуар-это цилиндро-конический сосуд большой ёмкости, работающий под избыточным давлением, в верхней части которого расположен циклонный сепаратор, а в нижней конусной - вертикальная мешалка.

К циклонным сепарационным устройствам, используемым в целлюлозно-бумажном производстве, следует отнести и циклоны-песколовки. Они предназначены для отделения от щелочной массы песка и других тяжёлых твёрдых включений.

Циклонные сепарационные устройства находят применение и в технологических схемах гидролизного производства (например, выгрузка технического лигнина из гидролизоаппаратов осуществляется в циклонные приёмники).

Гидроциклоны-устройства, предназначенные для разделения, классификации и осветления жидких суспензий и реализующие центробежный эффект. Для очистки целлюлозы, древесины и бумажной массы от инородных включений (песок, металл и т.п.)

На предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности находят применение конические и цилиндрические гидроциклоны. Использование конических аппаратов небольшого диаметра-центриклинеров позволяет удалять из очищаемой среды не только тяжёлые частицы, но и сравнительно лёгкие: костру, корьевые остатки и т.д. Также применяются гидроциклоны большого диаметра (800…1500 мм и более): открытые, закрытые (центрифлеры), фортрапы и др. Такие гидроциклоны относятся к цилиндрическим и предназначены для очистки массы от крупных и тяжёлых примесей. По принципу действия большие гидроциклоны практически ничем не отличаются от вихревых очистителей, но имеют большую производительность и меньшую эффективность очистки. В некоторых конструкциях аппаратов, например в циклонах открытого типа, используется периферийный тангенциальный вывод массы. Гидроциклоны находят широкое применение и для осветления сточных вод некоторых промышленных производств.

Гидроциклоны рекомендуются к установке в качестве первой ступени очистки воды вместо отстойников и песочных фильтров. Применение вихревых очистителей обеспечивает упрощение технологических схем, снижение капитальных затрат на строительство очистных сооружений, сокращение численности обслуживающего персонала.

Гидроциклоны рекомендуется устанавливать перед мельницей для защиты рабочих органов от посторонних предметов, после мельниц для исключения попадания разрушенной гарнитуры в последующее оборудование, на линиях выдувки резервуаров гидроразбивателей, для удаления песка из оборотной воды в системах промывки щепы и т.д.

Имеется опыт использования циклонов в качестве контактных аппаратов для окисления слабого чёрного щелока.

Решение проблемы комплексной переработки древесины предполагает использование отходов предприятий в первую очередь на технологические нужды, однако значительная их часть не может быть использована для дальнейшей переработки из-за отсутствия соответствующего оборудования. Решением проблемы использования горючих и тепловых вторичных энергетических ресурсов в значительной мере связано с созданием эффективной топливосжигающей, термообезвреживающей и сушильной техники. Такая техника, соответствующая современным требованиям, может быть реализована на базе циклонного принципа организации энергетических и энерготехнологических процессов.

В циклонных топках, обладающих значительной сепарационной способностью, достигается высокая полнота выгорания частиц топлива, высокие объёмное теплонапряжение и температура горения, эффективное улавливание золы и шлака.

Использование циклонных печей и топок на предприятиях химико-лесного комплекса вместо шахтных и камерных устройств даёт целый ряд преимуществ: улучшаются и интенсифицируются процессы смесеобразования топлива и воздуха, горения, повышаются теплонапряжение рабочих камер и полнота выгорания топлива и отходов, облегчается выгрузка плава солей, снижается тепловая инерционность.

В промышленности получили применение барботажно-циклонные топки. Преимуществами барботажных топок перед обычными циклонными следует считать отсутствие форсунок для распыливания серы, сравнительно высокую интенсивность процессов тепло- и массообмена, большой диапазон, регулирования нагрузки.

Для сжигания сточных вод целлюлозно-бумажного производства широко используются горизонтальные и вертикальные циклонные топки и печи. Отличительной особенностью конструкции горизонтальной печи для обезвреживания горючих жидких отходов и газов, загрязнённых токсичными органическими веществами является периферийный околоторцевой вывод продуктов сгорания. Вертикальные циклонные печи для термического обезвреживания сточных вод представляют собой цилиндрические аппараты, оснащённые тангенциально установленными газовыми горелками и радиально расположенными разбрызгивающими форсунками. Недостатками печей являются: частичный унос минеральной части, неполное выгорание органических соединений при высокой влажности поступающих щелоков.

Сушат сыпучие материалы в основном в барабанных сушилках, работающих на природном газу или мазуте, газовых сушилках с кипящим или виброкипящим слоем, пневматических трубах-сушилках, вихревых или циклонных аппаратах. В таких сушилках теплоноситель имеет непосредственный контакт с обрабатываемым материалом. Это позволяет обеспечивать интенсивный тепломассообмен на поверхности сыпучих материалов, причём более интенсивный в аппаратах циклонного и вихревого типов.

К сушилкам с закрученным движением газового теплоносителя относятся аппараты барабанного типа фирмы ‘Бюттнер’. Они получили достаточно широкое применение за рубежом и на некоторых предприятиях страны для сушки мелкофракционных древесных отходов.

Одним из наиболее простых, серийно выпускаемых сушильных аппаратов, является циклонная сушилка типа ЦС, разработанная НИИхиммашем.

Сушилка ЦС-600 представляет собой цилиндро-коническую циклонную камеру, напоминающую пылевой цикло, с глубоко посаженной выхлопной трубой. Этим обеспечивается значительное время пребывания частиц сушимого материала в объёме аппарата. Сушилки типа ЦС пригодны только для термообработки материалов с хорошими сыпучими свойствами.

Для сушилки слипающихся и комкующихся материалов могут быть использованы вихревые сушилки, также разработанные НИИхиммашем, которые по основным показателям (глубине высушивания и экономичности) превосходят пневмотрубы с прямоосным и спиральным перемещением двухфазного потока.

Эффективность технологического процесса в значительной мере зависит от герметичности циклонов и их соединительных трактов, поэтому фирмой разработаны специальные уплотнения, сводящие к минимуму протечки газов.

Сушильные башни и циклоны монтируются вне зданий, и для надёжного функционирования сушильной установки, особенно в холодный период времени, требуется хорошая теплоизоляция наружных поверхностей аппаратов. Недостаточная и плохо выполненная теплоизоляция может привести к образованию конденсата и налипанию целлюлозы и дрожжей на внутренних стенках циклонов и другого оборудования, что может привести к ухудшению сепарационных свойств аппаратов, снижению скорости сушки и производительности вентиляторов.

Для сушки волокнистых материалов (волокнита, древесного волокна, целлюлозы и др.) разработана горизонтальная вихревая камера. Аппарат имеет тангенциальные входные каналы для ввода сушильного агента и материала, газораспределительное устройство, снабжённое поворотными пластинами.

В результате проведённых исследований установлено, что при одинаковом удельном расходе высушиваемого материала с ростом диаметра аппарата увеличивается среднее время пребывания частиц в рабочем объёме, но снижается его напряжение по испаряемой влаге.

По удельным расходам тепла и воздуха циклонно-вихревые камеры не уступают ленточным сушилкам, а по металлоёмкости, простоте конструкции и надёжности в эксплуатации значительно превосходят их.

Циклонные и вихревые сушилки для тонкодисперсных материалов относятся к пневмосушильным устройствам с вращательным движение газовзвеси. Аппараты имеют цилиндрическую или цилиндро-коническую конфигурацию рабочего объёма и благодаря тангенциальному вводу компонентов и интенсивной закрутке потока обеспечивают значительное время пребывания материала в зоне сушки.

Устройства с закрученным движением теплоносителей получают всё более широкое применение их в качестве высокоэффективных теплообменников. Активное воздействие инерционных массовых сил на гидродинамику и теплообмен в циклонных устройствах приводит к значительной интенсификации теплоотдачи на их боковой и торцевой поверхностях по сравнению с прямоточными течениями, развивающимися в ограниченных и полуограниченных пространствах.

Использование циклонных теплообменников в целлюлозно-бумажной промышленности определяется необходимостью утилизации теплоты и очистки запылённых газов после известеобжиговых и других печей, теплоулавливания паровоздушных выбросов бумагоделательных машин, конденсации парогазов ряда технологических аппаратов и др.

Циклонные устройства применяются и в качестве высокоэффективных и контактных теплообменных аппаратов в системах подготовки вентиляционного и дутьевого воздуха производственных цехов и тепловых электростанций.

Использование для нагрева металла сильнозакрученного, высокоскоростного, развитого турбулентного циклонного потока, позволяющего резко интенсифицировать конвективный теплообмен, является одним из наиболее перспективных направлений совершенствования нагревательных устройств. Именно значительные возможности интенсификации конвективного теплообмена делают циклонные нагревательные устройства, в которых генерируется сильно закрученный поток греющих газов, видом оборудования, отвечающим самым высоким современным требованиям. Испытания промышленных и полу промышленных образцов циклонных нагревательных устройств показали, что они действительно позволяют повысить интенсивность и равномерность нагрева заготовок, сократить время нагрева, имеют пониженные удельные расходы топлива, высокие коэффициенты использования топлива и теплоты, легки в управлении и хорошо поддаются автоматизации. Циклонные нагревательные устройства позволяют при равных условиях снизить температурный уровень уходящих газов, а это, наряду с экономией топлива, приводящей к уменьшению газообразных выбросов в атмосферу, даёт возможность существенно снизить вредное влияние на окружающую среду.