Розділ 16 Мокре пиловловлювання

Процес мокрого пиловловлювання заснований на контакті запиленого газового потоку з рідиною, яка захоплює зважені частинки і відносить їх з апарату у вигляді шламу. Метод мокрого очищення газів від пилу вважається достатньо простим і в той же час вельми ефективним способом знепилювання.

Скрубери – мокрі пиловловлювачі з корпусом у вигляді вертикальної колони, порожнисті або з насадкою. Через скрубер проходить запилений потік, і в апарат вводиться рідина.

У мокрих скруберах реалізується тісний, бурхливий контакт газу і рідини, що супроводжується генерацією рідких крапель. Захоплення крапель газом може привести до віднесення рідини з скрубера в перегрівач, канал, вентилятор, димар, а потім в атмосферу. Якщо не прийняти заходи до відділення захопленої потоком рідини, то це може викликати корозію, ерозію, забивання, пошкодження вентиляторів і викиди забруднювача.

Забруднювач, що накопичується в рідині, використовуваній для зрошування скруберів, слід видаляти з системи.

У мокрих скруберах, призначених для пилозоловловлювання, в якості зрошуючої рідини найчастіше використовують воду. Її витрата для різних типів апаратів може змінюватися від 0,1 до 10 м на 1000 м оброблюваних газів. При сумісному вирішенні питань пиловловлювання і хімічного очищення газів вибір зрошуючої рідини (абсорбенту) визначається умовами процесу абсорбції.

Мокрі пиловловлювачі мають ряд переваг перед апаратами інших типів:

• відрізняються порівняно невеликою вартістю і вищою ефективністю вловлювання зважених частинок в порівнянні з сухими механічними пиловловлювачами;

• можуть бути застосовані для очищення газів від частинок розміром до 0,1 мкм (наприклад, скрубери Вентурі);

• можуть не тільки успішно конкурувати з такими високоефективними пиловловлювачами, як рукавні фільтри і електрофільтри, але і використовуватися в тих випадках, коли ці апарати зазвичай не застосовуються, наприклад, при високій температурі і підвищеній вологості газів, при небезпеці спалаху і вибухів очищених газів, як теплообмінники змішення.

Перераховані переваги апаратів мокрого пиловловлювання дозволяють широко їх застосовувати в системах пилоочистки сушильних установок, особливо в других ступенях очищення.

Проте метод мокрого знепилювання має і ряд недоліків:

• вловлюваний продукт виділяється у вигляді шламу, що пов’язане з необхідністю обробки стічних вод і, отже, із дорожчанням процесу очищення;

• при охолоджуванні газів, що очищаються, до температури, близької до точки роси, а також при механічному віднесенні з газоочисного апарату газовим потоком крапель рідини пил може осідати в газопроводах, системах вентиляції, димососах. Крім того, краплевинос приводить до безповоротних втрат зрошуючої рідини;

• у разі очищення агресивних газів апаратуру і комунікації необхідно захищати антикорозійними матеріалами.

Порівняння мокрого очищення з сухим показує, що мокре очищення має меншу вартість (без шламового господарства) і, як правило, є ефективнішою, ніж суха. Більшість мокрих пиловловлювачів можуть застосовуватися для вловлювання найдрібніших частинок, навіть менше 1 мкм.

Мокрі пиловловлювачі за ефективністю і іншими показниками не поступаються рукавним фільтрам і електрофільтрам, а по ряду показників їх перевершують (можливість очищення газів з високою температурою і підвищеною вологістю, безпека при вловлюванні пожежо- і вибухонебезпечного пилу).

У скруберах будь-якого типу частинки видаляють за одним або декількома основними механізмами вловлювання: гравітаційної седиментації, відцентрового осадження, інерції і торкання, броунівської дифузії, термофорезу, дифузіофорезу, електростатичного осадження. Швидкість осадження може бути збільшена завдяки укрупненню частинок внаслідок агломерації і конденсаційного зростання.

Розпізнавання механізмів процесів дозволяє створити раціональний метод аналізу і передбачити робочі характеристики скрубера.

Існують наступні апаратні механізми процесів мокрого вловлювання аерозолів:

1. вловлювання краплями рідини, що рухаються через газ;

2. вловлювання циліндрами (зазвичай твердими, типу проволоки);

3) вловлювання плівками рідини (зазвичай текучими по твердим поверхням);

4) вловлювання в міхурах газу (що зазвичай піднімаються в рідині);

5) вловлювання при ударі газових струменів до рідкої або твердої поверхні.

Залежно від способу організації поверхні контакту фаз і принципу дії мокрі пиловловлювачі можна підрозділити на наступні групи:

• порожнисті газопромивачі (порожнисті скрубери і ін.);

• насадочні скрубери;

• барботажні і пінні апарати;

• апарати ударно-інерційної дії (ротоклони);

• апарати відцентрової дії;

• швидкісні апарати (СПУ Вентурі).

Іноді мокрі пиловловлювачі підрозділяються за витратами енергії на низьконапірні, середньонапірні і високонапірні. До низьконапірних апаратів відносяться пиловловлювачі, гідравлічний опір яких не перевищує 1500 Па (порожнисті газопромивачі, мокрі апарати відцентрової дії). До середньонапірних відносяться апарати з гідравлічним опором від 1500 до 3000 Па (скрубери насадок, тарілчасті газопромивачі, газопромивачі з рухомою насадкою). До високонапірних апаратів відносяться пиловловлювачі, гідравлічний опір яких вище 3000 Па (апарати ударно-інерційної дії, механічні і швидкісні газопромивачі).

Оскільки основним недоліком мокрих способів знешкодження є необхідність обробки забруднених стоків, що утворилися в процесі очищення газів, то прийнятними можуть бути лише способи з мінімальним водоспоживанням. До ухвалення рішення про застосування мокрого способу очищення необхідно ретельно проаналізувати властивості оброблюваних викидів. Необхідно враховувати розчинність, реакційну здатність (можливість утворення вибухонебезпечних, корозійно-активних речовин і вторинних забруднювачів), корозійну активність компонентів забруднювача і газу-носія. Для твердих забруднювачів важливі також змочуваність, захоплюємість, злипаємість, для рідких – змочуваність, густина, параметри фазових переходів.

Для загальнопромислового застосування рекомендовані наступні апарати: 1) циклони з водяною плівкою типу ЦВП, швидкісні промивачі СІОТ; 2) низьконапірні скрубери Вентурі типу КМП; 3) скрубери Вентурі з кільцевим регульованим перетином; 4) ударно-інерційні пиловловлювачі; 5) пінні апарати із стабілізатором піни.

Ступінь очищення газових викидів в мокрих скруберах може бути знайдена тільки на основі емпіричних відомостей по конкретних конструкціях апаратів. Методи розрахунків, що знайшли застосування в практиці проектування, засновані на припущенні про можливість лінійної апроксимації залежності ступеня очищення від діаметру частинок в імовірнісно-логарифмічній системі координат. Розрахунки по імовірнісному методу виконуються за тією ж схемою, що і для апаратів сухого очищення газів, але мають ще меншу збіжність.

Використання методу діаметру відсікання для прогнозу робочих характеристик скрубера засноване на уявленні про те, що єдиним і найбільш важливим параметром, що визначає і трудність видалення частинок з газу і робочі характеристики скрубера, є діаметр частинок, ефективність вловлювання яких складає 50%, тобто діаметр відсікання d₅₀. При аналізі діапазону розмірів загальна ефективність вловлювання пристрою залежить від частки кожної фракції і від ефективності вловлювання частинок кожного розміру.

Проскакування для пристроїв багатьох типів, вловлювання в яких відбувається за інерційним механізмом, може бути виражений так:

(16.1)

де А_е – константа; d_і – розмір частинок i-ї фракції; В_е – константа; ε – ефективність, частка.

Іноді розрахунки виконують за так званим “енергетичним” методом, який витікає з припущення, що кількість енергії, необхідна для вловлювання частинок забруднювача, пропорційно ступеня очищення викидів незалежно від типу очисного пристрою.

У енергетичних методах розрахунку передбачається, що залежність фракційних коефіцієнтів захоплення від енерговитрат А можна виразити логарифмічно нормальним законом і апроксимувати графік залежності ε=f(A) у імовірнісно-логарифмічній системі координат прямою (або близькою до прямої) лінією.

Повному коефіцієнту осадження частинок в апаратах надається вигляду експоненціальної функції енерговитрат:

(16.2)

де А – питомі енерговитрати на осадження частинок забруднювача, Дж/м³; B і k – емпіричні величини.

Ступінь очищення пов’язують з числом одиниць перенесення (параметром, що характеризує процеси в масообмінних апаратах) наступним співвідношенням:

(16.3)

У табл. 16.1 приведені числа одиниць перенесення для деяких значень коефіцієнтів очищення, обчислені за співвідношенням (16.3).

Таблиця 16.1

Залежність числа одиниць перенесення N від необхідного ступеня очищення газів ε %

η, %	N	η, %	N	η, %	N	η, %	N
90	2,303	99,0	4,605	99,90	6,908	99,990	9,210
95	2,996	99,1	4,710	99,91	7,013	99,991	9316
95,5	3,101	99,2	4,828	99,92	7,131	99,992	9,433
96	3,219	99,3	4,962	99,93	7,264	99,993	9,567
96,5	3352	99,4	5,116	99,94	7,419	99,994	9,721
97	3,507	99,5	5,298	99,95	7,601	99,995	9,903
97,5	3,689	99,6	5,521	99,%	7,824	99,996	10,127
98	3,912	99,7	5,809	99,97	8,112	99,997	10,414
98,5	4,00	99,8	6,215	99,98	8,517	99,999	11,513

З урахуванням співвідношення (16.3) залежність (16.2) в розрахунках зазвичай використовують у вигляді:

(16.4)

Значення B і k приведені в таблиці 16.2

Таблиця 16.2.

Значення B і k для деяких видів дисперсних забруднювачів

Назва забруднювача	B	k
Аерозоль з вапняних печей: - сульфату міді - свинцю і цинку з шахтних печей - фосфорної кислоти	5,53∙10^-5 2,14∙10^-4 6,74∙10^-3 1,34∙10^-2	1,2295 1,068 0,478 0,631
Віднесення золи, пилоподібне спалювання вугілля	4,34∙10^-3	0,3
Пил вагранковий: - доменна - колошникова - конверторів при продуванні киснем зверху - томасовських - печей вапняних - карбідних (у димових газах) - мартенівських на повітряному дутті - на збагаченому киснем дутті - плавильних (для латуні) з оксидами цинку - закритих (для ферохрому) - електричних (для феросиліцію) - електричних феросплавних (для силікомарганця)	1,36∙10^-2 1,925∙10^-1 6,61∙10^-3 9,88∙10^-2 2,68∙10^-1 6,5∙10^-4 0,82∙10^-3 1,74∙10^-6 1,565∙10^-6 2,34∙10^-2 6,49∙10^-5 2,42∙10^-5 6,9∙10^-3	0,621 0,326 0,891 0,466 0,259 1,053 0,914 1,594 1,619 0,532 1,1 1,26 0,67
- виробництва калійних добрив - целюлоза - виробництва каоліну - мила (смердючі речовини) - чорного щелока, обробка сухих газів - чорного щелока, обробка заздалегідь зволожених газів - фосфорних добрив (після циклону) - тальк	9,05∙10^-11 4∙10^-4 2,34∙10^-4 1,09∙10^-5 9,3∙10^-4 1,32∙10^-3 1,2∙10^-1 2,06∙10^-1	2,92 1,05 1,15 1,415 0,861 0,861 0,454 0,351
Сажа процесів електрокрекінгу метану	10^-5	1,36
Солі натрію в димових газах печей термообробки стічних вод	0,21∙10^-5	1,515

Для отримання достовірних результатів потрібний і дуже коректний підхід до визначення частки енергії, що витрачається безпосередньо на вловлювання забруднювача. Точне теоретичне визначення цієї величини неможливе. У практиці проведення розрахунків величину А складають з декількох позицій енерговитрат індивідуально для кожного типу газоочисного пристрою. Для розглянутих конструкцій газопромивачів приймають, що частка енергії, яка безпосередньо забезпечує очищення газового потоку, складається з енергії газового потоку, газорідинної суміші, що витрачається на створення, і енергії рідкого потоку, рідини, що витрачається на диспергування. Втрати енергії на тертя і місцеві опори, що виникають при русі потоків до області контакту фаз, повинні бути виключені з витрат на очищення.

Ступінь очищення, визначений за енергетичним методом, виявляється близьким до реальності для таких типів апаратів, в яких осадження забруднювачів забезпечується переважно за рахунок однієї з енергетичних складових, а внеском решти складових допустимо нехтувати в межах точності інженерних розрахунків. Так, наприклад, для газопромивачів з трубами Вентурі, відцентрових сепараторів ЦВП, скруберів ударно-інерційної дії можна без значної погрішності прийняти, що осадження частинок в них відбувається за рахунок енергії газового потоку. Тому опір цих апаратів по газу може бути прирівняний до величини питомих енерговитрат у формулі (16.4).

Список перерахованих вище апаратів може бути доповнений пінним абсорбером за умови, що в якості питомої енерговитрати на очищення газів приймається опір не всього апарату, а тільки тарілок з шаром піни (і за наявності – краплевловлювачів і стабілізуючих решіток). Опір конструктивних елементів на вході і виході пінного апарату (відведень, трійників, розширення і звуження потоку) враховуватися не повинен.

У насадочних скруберах і відцентрових апаратах з форсуночними розпилювачами рідини слід враховувати втрати енергії і газового, і рідинного потоків.

Для порожнистих газопромивачів основні витрати енергії на очищення газів пов’язані з розпилюванням зрошуючої рідини. Питомі витрати енергії на розпилювання рідини, за умови використання досконалих конструкцій розпилювачів, можна підрахувати за співвідношеням:

(16.5)

де Δр – тиск рідини перед форсункою, Па; V_р, V_г – витрати зрошуючої рідини і газу, що очищається, м³/с.

Розрахунки мокрих скруберів за енергетичним методом виконують в наступному порядку.

1. За витратою, складом і властивостями викидів, необхідним ступенем їх очищення вибирають відповідний тип апарату.

2. З рівняння (16.3) або з таблиці 16.1 знаходять необхідне число одиниць перенесення.

3. Приймають значення В і k, використовуючи дані таблиці 16.2, якщо заданого виду пилу немає в таблиці, бажано провести пошук відомостей за іншими джерелами. При повній відсутності необхідних відомостей залишається приймати значення В і k для схожих видів пилу, промислового устаткування, технологічних процесів і так далі.

4. Знаходять з рівняння (16.4) частку енерговитрат А, необхідну для забезпечення необхідного числа одиниць перенесення.

5. Розподіляють знайдену величину енерговитрат А між елементами апарату, що створюють контакт газів з рідиною, враховуючи їх конструктивні особливості і уникаючи шаблонності.

6. Розраховують опори вказаних елементів, приводячи витрати і інші характеристики потоків до умов обробки в апараті.

7. Оцінюють прийнятність набутих значень опорів апарату для тих, що є в наявності або намічених до установки тягодуттєвих пристроїв. Рішення про використання апарату слід ухвалювати з урахуванням величини матеріальних і енергетичних витрат, кількості стоків, що утворюються, і так далі.

8. Якщо прийнято рішення про використання даного типу апарату, визначають за величиною опору швидкості газового потоку і рідини у відповідних елементах, а за ними – необхідні розміри елементів.

9. Уточнюють розміри елементів, приймаючи типові або стандартні вироби, виписують їх характеристики і підбирають тягодуттєві пристрої, насоси, інше допоміжне устаткування; проводять розрахунок комунікацій.