Методы расчета степени газоочистки

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки газов от пыли считается достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом обеспыливания.

Скрубберы - мокрые пылеуловители с корпусом в виде вертикальной колонны, полые или с насадкой. Через скруббер проходит запыленный поток, и в аппарат вводится жидкость.

В мокрых скрубберах реализуется тесный, бурный контакт газа и жидкости, сопровождающийся генерацией жидких капель. Захват капель газом может привести к уносу жидкости из скруббера в перегреватель, канал, вентилятор, дымовую трубу, а затем в атмосферу. Если не принять мер к отделению захваченной потоком жидкости то это может вызвать коррозию, эрозию, забивание повреждение вентиляторов и выбросы загрязнителя.

Загрязнитель, накапливающийся в жидкости, используемой для орошения скрубберов, следует удалять из системы.

В мокрых скрубберах, предназначенных для пылезолоулавливания, в качестве орошающей жидкости чаще всего применяют воду. Расход воды для разных типов аппаратов может изменяться от 0,1 до 10 м³ на 1000 м³ обрабатываемых газов. При совместном решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) определяется условиями процесса абсорбции.

Мокрые пылеуловители имеют ряд преимуществ перед аппаратами других типов:

– отличаются сравнительно небольшой стоимостью и более высокой эффективностью улавливания взвешенных частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

– могут быть применены для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм (например, скрубберы Вентури);

– могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры и электрофильтры, но и использоваться в тех случаях, когда эти аппараты обычно не применяются, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрывов очищенных газов, в качестве теплообменников смешения.

Перечисленные преимущества аппаратов мокрого пылеулавливания позволяют широко их применять в системах пылеочистки сушильных установок, особенно во вторых ступенях очистки.

Однако метод мокрого обеспыливания имеет и ряд недостатков:

– улавливаемый продукт выделяется в виде шлама, что связано с не­обходимостью обработки сточных вод и, следовательно, с удорожанием процесса очистки;

– при охлаждении очищаемых газов до температуры, близкой к точке росы, а также при механическом уносе из газоочистного аппарата газовым потоком капель жидкости пыль может осаждаться в газопроводах, системах вентиляции, дымососах. Кроме того, брызгоунос приводит к безвозвратным потерям орошающей жидкости;

– в случае очистки агрессивных газов аппаратуру и коммуникации необходимо защищать антикоррозионными материалами.

Сравнение мокрой очистки с сухой показывает, что мокрая очистка имеет меньшую стоимость (без шламового хозяйства) и, как правило, является более эффективной, чем сухая. Большинство мокрых пылеуловителей может применяться для улавливания самых мелких частиц, даже менее 1 мкм.

Мокрые пылеуловители по эффективности и другим показателям не уступают рукавным фильтрам и электрофильтрам, а по ряду показателей их превосходят (возможность очистки газов с высокой температурой и повышенной влажностью, безопасность при улавливании пожаро- и взрывоопасных пылей).

В скрубберах любого типа частицы удаляют по одному или нескольким основным механизмам улавливания: гравитационной седиментации, центробежному осаждению, инерции и касанию, броуновской диффузии, термофорезу, диффузиофорезу, электростатическому осаждению. Скорость осаждения может быть увеличена благодаря укрупнению частиц вследствие агломерации и конденсационного роста.

Распознавание механизмов процессов позволяет создать рациональный метод анализа и предсказать рабочие характеристики скруббера.

Существуют следующие аппаратные механизмы процессов мокрого улавливания аэрозолей:

1) улавливание каплями жидкости, двигающимися через газ;

2) улавливание цилиндрами (обычно твердыми, типа проволок);

3) улавливание пленками жидкости (обычно текущими по твердым поверхностям);

4) улавливание в пузырях газа (обычно поднимающихся в жидкости);

5) улавливание при ударе газовых струй о жидкие или твердые поверхности.

В зависимости от способа организации поверхности контакта фаз и принципа действия мокрые пылеуловители можно подразделить на следующие группы:

– полые газопромыватели (полые скрубберы и др.);

– насадочные скрубберы;

– барботажные и пенные аппараты;

– аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны);

– аппараты центробежного действия;

– скоростные аппараты (СПУ Вентури).

Иногда мокрые пылеуловители подразделяются по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па (полые газопромыватели. мокрые аппараты центробежного действия). К средненапорным относятся аппараты с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па (насадочные скрубберы, тарельчатые газопромыватели, газопромыватели с подвижной насадкой). К высоконапорным аппаратам относятся пылеуло-вители, гидравлическое сопротивление которых выше 3000 Па (аппараты ударно-инерционного действия, механические и скоростные газопромыватели).

Так как основным недостатком мокрых способов обезвреживания явля­ется необходимость обработки загрязненных стоков, образовавшихся в процессе очистки газов, то приемлемыми могут быть лишь способы с минимальным водопотреблением. До принятия решения о применении мокрого способа очистки необходимо тщательно проанализировать свойства обрабатываемых выбросов. Необходимо учитывать растворимость, реакционную спо­собность (возможность образования взрывоопасных, коррозионно-активных веществ и вторичных загрязнителей), коррозионную активность компонентов загрязнителя и газа-носителя. Для твердых загрязнителей важны также смачиваемость, схватываемость, слипаемость, для жидких - смачиваемость, плотность, параметры фазовых переходов.

Для общепромышленного применения рекомендованы следующие аппараты:

1) циклоны с водяной пленкой типа ЦВП, скоростные промыватели СИОТ;

2) низконапорные скрубберы Вентури типа КМП;

3) скрубберы Вентури с кольцевым регулируемым сечением;

4) ударно-инерционные пылеуловители;

5) пенные аппараты со стабилизатором пены.

Степень очистки газовых выбросов в мокрых скрубберах может быть найдена только на основе эмпирических сведений по конкретным конструкциям аппаратов. Методы расчетов, нашедшие применение в практике проектирования, основаны на допущении о возможности линейной аппроксимации зависимости степени очистки от диаметра частиц в вероятностно-логарифмической системе координат. Расчеты по вероятностному методу выполняются по той же схеме, что и для аппаратов сухой очистки газов, но имеют еще меньшую сходимость.

Использование метода диаметра отсекания для предсказания рабочих характеристик скруббера основано на представлении о том, что единственным и наиболее важным параметром, определяющим и трудность удаления частиц из газа и рабочие характеристики скруббера, является диаметр частиц, эффективность улавливания которых составляет 50 %, т. е. диаметр отсекания d₅₀. При анализе диапазона размеров общая эффективность улавливания устройства зависит от доли каждой фракции и от эффективности улавливания частиц каждого размера.

Проскок для устройств многих типов, улавливание в которых происходит по инерционному механизму, может быть выражен так:

(1.1)

где А _е – константа;

d _i – размер частиц i -й фракции;

В _е – константа;

ε; – эффективность, доля.

Иногда расчеты выполняют по так называемому "энергетическому" методу, исходящему из предположения, что количество энергии, необходимое для улавливания частиц загрязнителя, пропорционально степени очистки выбросов независимо от типа очистного устройства.

В энергетических методах расчета предполагается, что зависимость фрак­ционных коэффициентов захвата от энергозатрат А можно выразить логарифмиче­ски нормальным законом и аппроксимировать график зависимости ε; = f(A) в вероятностно-лога-рифмичской системе координат прямой (или близкой к прямой) линией.

Полному коэффициенту осаждения частиц в аппаратах придается вид экспоненциальной функции энергозатрат:

(1.2)

где А - удельные энергозатраты на осаждение частиц загрязнителя, Дж/м³;

В и k - эмпирические величины.

Степень очистки связывают с числом единиц переноса (параметром, характеризующим процессы в массообменных аппаратах) следующим соотношением:

(1.3)

В табл. 6.1 приведены числа единиц переноса для некоторых значений коэффициентов очистки, вычисленные по соотношению (6.3).

Таблица 1.1.

Зависимость числа единиц переноса N от требуемой степени очистки газов ε; %

η,%	N	η,%	N	η,%	N	η,%	N
	2,303	99,0	4,605	99,90	6,908	99,990	9,210
	2,996	99,1	4,710	99,91	7,013	99,991
95,5	3,101	99,2	4,828	99,92	7,131	99,992	9,433
	3,219	99,3	4,962	99,93	7,264	99,993	9,567
96,5		99,4	5,116	99,94	7,419	99,994	9,721
	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
	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

 

С учетом соотношения (6.3) зависимость (6.2) в расчетах обычно используют в виде:

(6.4)

 

Значения B и k приведены в таблице 1.2.

 

 

Таблица 1.2.

Значения В и k для некоторых видов дисперсных загрязнителей

Наименование загрязнителя	В	k
Аэрозоль из известковых печей: - сульфата меди - свинца и цинка из шахтных печей - фосфорной кислоты	5,53∙10-5 2,14∙10-4 6,74∙10-3 1,34∙10-2	1,2295 1,068 0,478 0,631
Унос золы, пылевидное сжигание углей	4,34∙10-3	0,3
пыль ваграночная: - доменная - колошниковая - конверторов при продувке кислородом сверху -- томассовских - печей известковых -- карбидных (в дымовых газах) -- мартеновских на воздушном дутье --- на обогащенном кислородом дутье -- плавильных (для латуни) с оксидами цинка --- закрытых (для феррохрома) ---- электрических (для ферросилиция) ---- электрических ферросплавных (для силикомарганца)		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
-- производства калийных удобрений --- целлюлозы - производства каолина -- мыла (дурнопахнущие вещества) -- черного щелока, обработка сухих газов -- черного щелока, обработка предварительно увлажненных газов -- фосфорных удобрений (после циклона) - тальковая		2,92 1,05 1,15 1,415 0,861 0,861   0,454 0,351
Сажа процессов электрокрекинга метана		1,36
Соли натрия в дымовых газах печей термообработки сточных вод		1,515

 

Для получения достоверных результатов требуется и очень корректный подход к определению доли энергии, затрачиваемой непосредственно на улавливание загрязнителя. Точное теоретическое определение этой величины невозможно. В практике проведения расчетов величину А составляют из нескольких позиций энергозатрат индивидуально для каждого типа газоочистного устройства. Для рассмотренных конструкций газопромывателей принимают, что доля энергии, непосредственно обеспечивающая очистку газового потока, складывается из энергии газового потока, затрачиваемой на создание газожидкостной смеси и энергии жидкого потока, затрачиваемой на диспергирование жидкости. Потери энергии на трение и местные сопротивления, возникающие при движении потоков к области контакта фаз, должны быть исключены из затрат на очистку.

Степень очистки, определенная по энергетическому методу, оказывается близкой к реальности для таких типов аппаратов, в которых осаждение загрязнителей обеспечивается преимущественно за счет одной из энергетических составляющих, а вкладом остальных составляющих допустимо пренебречь в пределах точности инженерных расчетов. Так, например, для газопромывателей с трубами Вентури, центробежных сепараторов ЦВП, скрубберов ударно-инерционного дей­ствия можно без значительной погрешности принять, что осаждение частиц в них происходит за счет энергии газового потока. Поэтому сопротивление этих аппаратов по газу может быть приравнено к величине удельных энергозатрат А в формуле (1.4).

Список перечисленных выше аппаратов может быть дополнен пенным абсорбером при условии, что в качестве удельной энергозатраты на очистку газов принимается сопротивление не всего аппарата, а только тарелок со слоем пены (и при наличии - каплеуловителей и стабилизирующих решеток). Сопротивление же конструктивных элементов на входе и выходе пенного аппарата (отводов, тройников, расширения и сужения потока) учитываться не должно.

В насадочных скрубберах и центробежных аппаратах с форсуночным распылением жидкости следует учитывать потери энергии и газового, и жидкого потоков.

Для полых газопромывателей основные затраты энергии на очистку газов связаны с распылом орошающей жидкости. Удельные затраты энергии на распыливание жидкости, при условии использования совершенных конструкций распылителей, можно подсчитать по соотношению:

A = Δ p ^.(V _ж; / V _г), Дж/м³, (1.5)

где Δр – давление жидкости перед форсункой, Па;

V _ж, V _г – расходы орошающей жидкости и очищаемого газа, м³/с.

Расчеты мокрых скрубберов по энергетическому методу выполняют в следующем порядке.

1. По расходу, составу и свойствам выбросов, требуемой степени их очистки выбирают подходящий тип аппарата.

2. Из уравнения (6.3) или из таблицы 1.1 находят необходимое число единиц переноса.

3. Принимают значения В и k, используя данные таблицы 1.2, если заданного вида пыли нет в таблице, желательно провести поиск сведений по другим источникам. При полном отсутствии необходимых сведений остается принимать значения В и k для сходных видов пыли, промышленного оборудования, технологических процессов и т.д.

4. Находят из уравнения (1.4) долю энергозатрат А, необходимую для обеспечения требуемого числа единиц переноса.

5. Распределяют найденную величину энергозатрат А между элементами аппарата, создающими контакт газов с жидкостью, учитывая их конструктивные особенности и избегая шаблонности.

6. Рассчитывают сопротивления указанных элементов, приводя расходы и другие характеристики потоков к условиям обработки в аппарате.

7. Оценивают приемлемость полученных значений сопротивлений аппарата для имеющихся в наличии или намеченных к установке тягодутьевых устройств. Решение об использовании аппарата следует принимать с учетом величины материальных и энергетических затрат, количества образующихся стоков и т.д.

8. Если принято решение об использовании рассматриваемого типа аппарата, определяют по величине сопротивления скорости газового потока и жидкости в соответствующих элементах, а по ним - требуемые размеры элементов.

9. Уточняют размеры элементов, принимая типовые или стандартные изделия, выписывают их характеристики и подбирают тягодутьевые устройства, насосы, другое вспомогательное оборудование; производят расчет коммуникаций.