Пылеулавливающие аппараты с промывкой газа жидкостью

В зависимости от способа диспергирования жидкости пылеулавливающие аппараты этого типа делят на три группы:

– форсуночные скрубберы, где диспергирование жидкости осуществляется с помощью форсунок за счет энергии орошающей жидкости;

–скрубберы Вентури, в которых дробление жидкости происходит за счет энергии турбулентного потока;

–динамические газопромыватели, где разбрызгивание жидкости происходит за счет механической энергии вращающегося ротора.

Форсуночные скрубберы. В форсуночных скрубберах достаточно эффективно улавливаются частицы пыли размером более 10-15 мкм[2, с. 45]. Частицы размером менее 5 мкм практически не улавливаются. Скрубберы применяют в металлургии преимущественно для охлаждения и увлажнения газа, необходимых для последующей тонкой очистки газа.

Принципиальная схема форсуночного скруббера представлена на рисунке 3.16. Он состоит из патрубка для подачи грязного газа 1, герметичного корпуса 2 со встроенной системой распыления жидкости с помощью форсунок 3, патрубка для отвода очищенного газа 4, шламоприемника 5 с клапаном выпуска 6. Загрязненный газовый поток подается в форсуночный скруббер навстречу падающим каплям жидкости. Пылевые частицы, оседая на каплях, падают вместе с ними в шламоприемник, откуда через переливной клапан сливаются в шламопровод.

В верхней части скруббера размещено несколько поясов орошения с большим числом форсунок, создающих поток движущихся вниз диспергированных капель.В процессе промывки капли жидкости захватывают частицы пыли и коагулируют. Шлам собирается в нижней части скруббера, откуда непрерывно удаляется.Параллельно с очисткой газ, проходя через скруббер, охлаждается до 40-50°Си увлажняется обычно до состояния насыщения. Скорость газа в скруббере принимается равной 0,8-1,5 м/с. Удельный расход воды на скруббер 3-6 дм³/м³ газа. полых скрубберов не превышает 250 Па.

При орошении горячего газа холодной водой в скруббере идут процессы тепло- и массообмена. В нижней части скруббера идет испарительное охлаждение, пока газ при определенной температуре не станет насыщенным по влаге. В верхней части протекает процесс конденсации охлаждения.

1 – входной патрубок; 2 - корпус; 3 – форсунки; 4 – выходной патрубок; 5 – шламосборник; 6 - клапан выпуска

Рисунок 3.16 – Форсуночный скруббер

При расчете определяют количество тепла Q, передаваемого от газа воде, , объем скруббера определяется исходя из условий теплообмена по формуле:

(3.32)

где – объемный коэффициент теплопередачи, Вт/м³_.

Далее рассчитывается необходимый расход воды М_в на скруббер и объемный расход газа (с учетом его охлаждения и насыщения). После этого рассчитывается Д и Н скруббера. Оптимальное соотношение Н/Д ~ 2,5.

При расчете полого скруббера как пылеулавливающего аппарата рассчитывается эффективность очистки газа в нем по эмпирической формуле. Степень очистки газа в скруббере возрастает с увеличением его активной высоты Н, относительной скорости движения частиц пыли и удельного расхода воды V_ж/ V_г и уменьшается с увеличением диаметра капель и их скорости.

Полые скрубберы применяются в частности при очистке доменного газа. Степень очистки газа в этом случае составляет 60-70%.

В последнее время получили распространение высоконапорные форсуночные скрубберы, работающие в испарительном режиме. Такой режим работы скрубберов обеспечивается подачей в скруббер воды под высоким напором, что обеспечивает высокую степень распыления жидкости, вследствие чего она превращается в туман. Большая удельная поверхность капель жидкости обеспечивает хороший контакт с пылью и повышает степень ее коагуляции (укрупнения), благодаря чему частицы легко выпадают из газового потока не в виде шлама, а в виде увлажненной пыли. Кроме того, за счет большой удельной поверхности капли испаряются уже в пределах корпуса скруббера и на выходе из него в газе содержатся только пары жидкости. За счет скрытой теплоты испарения эффективность охлаждения жидкости в высоконапорных скрубберах на порядок выше, чем в обычных. Такой способ очистки и охлаждения газов называется мокро-сухим, так как, несмотря на использование воды, шлам в них не образуется. Высоконапорные скрубберы обеспечивают высокую степень очистки газа и его эффективное охлаждение при малом расходе воды.

Скрубберы Вентури. Работа скрубберов Вентури основана на дроблении воды турбулентным газовым потоком, захвате каплями воды частиц пыли, последующей их коагуляции и осаждении в каплеуловителе инерционного типа.

Простейший скруббер Вентури устроен следующим образом (рисунок 3.17). Он включает трубу Вентури и прямоточный циклон. Труба Вентури состоит из: конфузора (для увеличения скорости газового потока, где размещено также оросительное устройство), горловины, где частицы пыли осаждаются на каплях воды, и диффузора, в котором протекает процесс коагуляции, а также восстанавливается часть давления, затраченного на создание высокой скорости в горловине. В каплеуловителе скрубберы Вентури могут работать с высокой эффективностью (ƞ=96-98%) на пылях со средним размером частиц 1-2 мкм и улавливать высокодисперсные частицы пыли в широком диапазоне начальных ее в концентраций в газе (от 0,05 до 100 г/м³). При высокой эффективности очистки от тонкодисперсной пыли скорость в горловине поддерживается в пределах 100-150 м/с, а удельный расход воды 0,5-1,2 дм³/м³ газа. при этом должен составлять 10-20 кПа, что предопределяет значительные затраты энергии на очистку газа. При работе скруббера Вентури как коагулятора перед тонкой очисткой или при улавливании крупной пыли (5-10 мкм) скорость в горловине снижается до 50-100 м/с.

1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор; 4 – подача воды; 5 – каплеуловитель

Рисунок 3.17 – Скруббер Вентури

При расчете теплообмена в трубе Вентури тепловой баланс выражается следующим уравнением:

(3.33)

где – тепло, отдаваемое газом, кВт;

– тепло, затрачиваемое на нагрев орошающей жидкости от Т_Н до Т_К, кВт

– тепло затрачиваемое на испарение части орошающей жидкости, кВт.

Решая уравнение теплового баланса, можно найти соответствующие температуры газа и жидкости, расход воды и т.д.

При расчете теплообмена определяется также условный коэффициент теплопередачи, свидетельствующий об эффективности процесса теплообмена в трубах Вентури.

По способу подачи жидкости трубы Вентури, применяемые в металлургии, делят на три группы: с форсуночным орошением, с пленочным орошением и с периферийным орошением. При первом способе форсунки устанавливаются перед конфузором. Периферийную подачу жидкости применяют в трубах Вентури как круглого, так и прямоугольного сечения. Она позволяет организовать более равномерное орошение в трубах больших размеров. При пленочном орошении подаваемая вода непрерывно стекает по стенкам конфузора, образуя возобновляющуюся пленку. Пленочное орошение полностью устраняет отложения, однако оно эффективно при диаметре горловины не более 100 мм.

В промышленности применяют различные типы скрубберов Вентури. Распространены так называемые эжекторные скрубберы, оснащенные высоконапорной форсункой, расположенной в конфузоре.

Для установок с изменяющимся во времени расходом газа применяются трубы Вентури с регулирующимся сечением горловины, позволяющим сохранять в ней оптимальную скорость (с поворотными лопастями, с конической вставкой и т.д.)

Широкое распространение получила групповая компоновка из 6-8 труб Вентури, позволяющая регулировать работу каждой трубы. Применяется также спаренная компоновка труб с регулируемой прямоугольной горловиной. Для улавливания высокодисперсных пылей применяют компоновки с последовательным включением труб с регулируемой прямоугольной горловиной. Первая труба с малым подготавливает газ к очистке, а вторая работает в режиме тонкой очистки. Подобные схемы применяются при очистке конвертерных газов и газов ферросплавного производства.

При расчете скрубберов Вентури определяется их эффективность (чаще всего энергетическим методом), рассчитывается , выбираются и рассчитываются каплеуловители.

Динамические газопромыватели. Отличительной особенностью динамических газопромывателей является применение для диспергирования жидкости механической энергии. Наиболее типичными представителями этой группы пылеуловителей являются дезинтеграторы, вентиляторы, мокрые пылеуловители (типа ВМП), вентиляторные скрубберы и некоторые другие. Вследствие значительного расхода энергии, сложности эксплуатации и ремонта динамические газопромыватели у нас практически не применяются.

Пылеуловители с осаждением пыли на пленку жидкости. Для успешной работы аппаратов этого типа необходимы, во-первых, образование непрерывно обновляющейся пленки или слоя жидкости, улавливающего частицы пыли, и, во-вторых, подвод частиц пыли к этой пленке или слою жидкости. В зависимости от того, как решаются эти вопросы, пылеуловители подразделяются на следующие типы: аппараты ц/б действия, ударно-инерционного действия, тарельчатые газоочистные аппараты.

Мокрые аппараты центробежного (ц/б) действия. В этих аппаратах частицы пыли отбрасываются на стенку ц/б силами, возникающими при вращении газового потока за счет тангенциального подвода газа. Стекающая пленка воды на стенке создается за счет ее подачи с помощью специальных сопел в верхней части аппарата. Схема мокрого аппарата ц/б действия представлена на рисунке 3.18.

1 – оросительные сопла; 2 – корпус; 3 – входной патрубок; 6 – гидрозатвор

Рисунок 3.18 – Мокрый аппарат центробежного действия

К числу таких аппаратов относится ц/б скруббер типа ЦС-ВТИ (эффективность относительно невелика, но здесь одновременно может уловиться до 40-50% SO₂ из газа). Часто их используют не как самостоятельный аппарат, а как каплеуловитель скрубберов Вентури (тогда вода на орошение не подается). В скрубберах МП – ВТИ в подводящем патрубке имеется мокропрутковая решетка.

Циклоны-промыватели конструкции СИОТ имеют конический корпус. При одинаковом расходе газа и эффективности габаритные размеры циклонов СИОТ меньше, чем у ц/б скрубберов.

Мокрые аппараты ударно-инерционного действия. Ударно-инерционные п/у работают по следующему принципу. При резком повороте на 180° газового потока, направленного с большой скоростью (20-30 м/с) на поверхность жидкость, пылевые частицы за счет сил инерции ударяются об эту поверхность и улавливаются ею. Такой пылеуловитель (в простейшем виде) может улавливать лишь крупные частицы (d>20 мкм) хорошо смачиваемой пыли (рисунок 3.19).

1 – резервуар с жидкостью; 2 – шламоотвод; 3 – входной патрубок

Рисунок 3.19 – Ударно-инерционный пылеуловитель

Скруббер Дойля имеет несколько поворотов газового потока и жидкости. Он также отличается невысокой эффективностью (улавливает частицы размером более 10-15 мкм).

В ротоклоне типа N щелевой канал, через который идет газ, имеет сложную форму, что позволяет достичь значительной турбулизации газового потока и жидкости. Аппарат может иметь высокую производительность (до 90 тыс. м³/ч), не реагирует на колебания расхода газа, имеет =1,5-2 кПа. К этому типу относятся также выпускаемые отечественной промышленностью пылеуловители типа ПВМ.

Тарельчатые газоочистные аппараты. Простейшие тарельчатые пылеуловители представляют собой аппарат, перегороженный горизонтальной тарелкой с равномерно распределенными мелкими отверстиями (рисунок 3.20). Запыленный газ подается под тарелку и отводится сверху аппарата. Отработанную жидкость можно отводить двумя способами: полным провалом ее в нижнюю часть или переливом через порог и отводом шлама через сливной патрубок.При скорости газа в аппарате 1-2 м/с на тарелке образуется пенный слой. С возникновением пены резко увеличивается межфазная поверхность, которая непрерывно обновляется, что способствует отводу улавливаемой пыли.При критической скорости газа W_КР режим переходит в волновой, характеризующийся прорывом газовых струй и значительным ростом . W_КР равна ~ 2-2,3 м/с. Удельное орошение аппарата 0,4-0,6 дм³/м³ газа. Пенный аппарат работает в автомодельном режиме. Тарелки пенного аппарата могут быть щелевыми и дырчатыми. Иногда пенные аппараты выполняются многополочными.

1 – корпус; 2 – ороситель; 3 – тарелка

Рисунок 3.20 – Тарельчатый газоочистной аппарат

В целях интенсификации тепло- и массообмена на тарелке аппарата иногда размещают слой полых пластмассовых шаров (d=20-40 мм, =200-300 кг/м³). При работе аппарата шары переходят во взвешенное состояние (при этом их вынос ограничивается верхней тарелкой).

НИИОГазом разработан двухярусный аппарат с подвижной шаровой насадкой для одновременного улавливания пыли и фтора (он дает степень очистки от пыли d_m>2 мкм – 96-99,2% и от фтора – 97-99%).