ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА: «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ» Очистка и переработка технологических газов, дымовых отходов и вентиляционных выбросов. Лектор – кандидат технических наук доцент Смирнова С. В. 4 декабря 2007 г.

Газообразные промышленные отходы включают не вступившие в реакции газы (компоненты) исходного сырья; газообразные продукты; отработанный воздух окислительных процессов; сжатый (компрессорный) воздух для транспортировки порошко вых материалов, для сушки, нагрева, охлаждения и регенерации Катализаторов, для продувки осадков на фильтровальных тканях и Других элементах; индивидуальные газы (аммиак, водород, диоксид серы и др. ); смеси нескольких компонентов (азотоводородная смесь, аммиачно воздушная смесь, смесь диоксида серы и фосгена); газопылевые потоки разных технологий; отходящие дымовые Газы термических реакторов, топок и другие, а также отходы газов, образующиеся при вентиляции рабочих мест и помещений. Кроме этого, все порошковые технологии сопровождаются интенсивным выделением газопылевых отходов. Пылеобразование происходит в процессах измельчения, классификации, смешения, сушки и транспортирования порошковых и гранулированных сыпучих материалов [1, 2].

Виды оборудования для очистки газообразных и газопылевых выбросов «сухие» механические пылеуловители «сухие» пористые фильтры «мокрые» пыле и газоулавливающие аппараты «сухие» и «мокрые» электрофильтры комбинированные технологические схемы

1. 1 «Сухие» механические пылеуловители

«Сухие» механические пылеуловители Пылеосадительные камеры, принцип работы которых основан на действии силы тяжести (гравитационной силы) Циклоны, Инерционные батарейные циклоны, пылеуловители, принцип вращающиеся пылеуловители, работы которых принцип работы которых основан на действии силы инерции центробежной силы

Пылеосадительная камера представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости прямоугольный короб, в нижней части которого имеется отверстие или бункер для сбора пыли (рис. 1. 1). Скорость газа в камерах составляет 0, 2— 1, 5 м/с, гидравлическое сопротивление 50— 150 Па. Пылеосадительные камеры пригодны для улавливания крупных частиц (размером не менее 50 мкм). Степень очистки газа в камерах не превышает 40 — 50%. Продолжительность прохождения газами осадительной камеры при равномерном распределении газового потока по ее сечению, с: τ= (Vк / Vr) = (LBH/ Vr), (1. 1) где Vк — объем камеры, м 3; Vr — объемный расход газов, м 3/с; L — длина камеры, м; В — ширина камеры, м; Н — высота камеры, м.

Рис. 1. 1. Пылеосадительные камеры: а - полая; б - с горизонтальными полками; в, г - с вертикальными перегород ками; I запыленный газ; II очищенный газ; III пыль; 1 - корпус; 2 - бункер; 3 - штуцер для удаления; 4 - полки; 5 перегородки

Перегородки в инерционных пылеуловителях (рис. 1. 2) устанавливают для изменения направления движения газов. Газ в инерционный аппарат поступает со скоростью 5— 15 м/с. Пылевые частицы, стремясь сохранить направление движения после изменения направления движения потока газов, осаждаются в бункере. Эти аппараты отличаются от обычных пылеосадительных камер большим сопротивлением и высокой степенью очистки газа [3]. Большое внимание при проектировании пневмотранспортных и других устройств пылеочистки необходимо уделять узлам отделения материала от транспортирующего воздуха — разгрузочным и пылеулавливающим устройствам (циклонам, фильтрам и т. п. ). Предпочтение отдается центробежным циклонам, выполняющим одновременно и роль пылеулавливающего аппарата. Эффективность улавливания пыли в циклонах повышается с уменьшением диаметра корпуса, но при этом снижается их пропускная способность. Для обеспечения соответствующей производительности пневмотранспортной установки небольшие циклоны группируют в батарею, коэффициент пылеулавливания которой со ставляет 0, 76 — 0, 85 и несколько повышается с увеличением входной скорости (с 11 до 23 м/с). Использование вместо циклонов вихревых пылеуловителей обеспечивает улавливание частиц пыли размером 5 — 7 мкм. Воздух после разгрузочных устройств или циклонов, насыщен ный субмикронными частицами, должен направляться на доочистку в пылеуловители, характеризуемые: ü степенью пылеулавливания — отношением количества пыли, задержанной пылеуловителем, к количеству пыли в очищаемом запыленном воздухе; ü сопротивлением пылеуловителя, определяющим экономичность процесса пылеулавливания; ü габаритными размерами и массой, надежностью и простотой обслуживания.

Рис. 1. 2. Инерционные пылеуловители с разными способами подачи и распределения газового потока в камере с перегородкой (а), с расширя ющимся конусом(б), с заглубленным бункером (в)

Рис. 1. 3. Циклон типа ЦН 15 П: 1 — коническая часть циклона; 2 — цилиндрическая часть циклона; 3 — винтообразная крышка; 4 — камера очищенного газа; 5 — патрубок входа запыленного газа; 6 — выхлопная труба; 7 — бункер; 8 — люк; 9— опорный пояс; 10— пылевыпускное отверстие (основные размеры см. [4])

Циклоны (рис. 1. 3) рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами или электрофильтрами) очистки. Основные элементы циклонов — корпус, выхлопная труба 6 и бункер 7. Газ поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок 5, приваренный к корпусу тангенциально. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопной трубой. Уловленная пыль ссыпается в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопную трубу (см. рис. 1. 3). В зависимости от производительности циклоны можно устанавливать по одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из двух, четырех, шести или восьми (групповые циклоны). Конструктивной особенностью батарейных циклонов является то, что закручивание газового потока и улавливание пыли в них обеспечивается размещенными в корпусе аппарата циклонными элементами [4].

Характеристика наиболее распространенного на производстве циклона ЦН 15 § § § Допустимая запыленность газа, г/м: слабослипающимися пылями. . . среднеслипающимися пылями. . . Температура очищаемого газа, "С. . . . . Давление (разрежение), к. Па. . . Коэффициент гидравлического сопротивления: одного циклона. . . . . группы циклонов. . . . . Эффективность очистки (от пыли с = 20 мкм частицами при скорости газопылевого потока 3, 5 м/с и диаметре циклона 100 мм), %. . . . <1000 250 <400 <5(500) 147 175— 182 78

Для расчетов режимов и выбора марки (конструкции) цикло на необходимы исходные данные: Vг — количество очищаемого газа при рабочих условиях, м 3/с; ρг— плотность газа при рабочих условиях, кг/м 3; µ — динамическая вязкость газа при рабочей температуре, Па • с; дисперсный состав пыли, задаваемый двумя параметрами dт и lgσг; запыленность газа Свх, г/м 3; ρч — плотность частиц, кг/м 3; ŋ — требуемая эффективность очистки газа. Конструкцию и режимные параметры циклона рассчитывают методом последовательных приближений [3 — 5] или используя более современный математический аппарат [9]. Технические характеристики современных аппаратов, выпускаемых в России (ОАО «СФ НИИОГАЗ» и ЗАО «Кондор Эко» ), представлены в прил. 5 — 7.

1. 2 «Сухие» пористые фильтры

Классификация рукавных фильтров возможна по форме фильтровальных элементов и наличию в них опорных устройств по месту расположения вентилятора относительно фильтра по способу регенерации ткани по наличию и форме корпуса для размещения ткани рукавные, плоские, клиновые и др. ; каркасные, рамные всасывающие, работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под давлением встряхиваемые, с обратной, с импульсной продувкой и др прямоугольные, цилиндрические, открытые (бескамерные); по числу секций в установке одно и многокамерные по виду используемой ткани Природные и синтетические волокна, стеклоткани

Для очистки запыленных газов все большее распространение получает на последних ступенях сухая очистка рукавными фильтрами. Степень очистки газов в них при соблюдении правил техни ческой эксплуатации достигает 99, 9 %. В качестве фильтровальных материалов применяют ткани из природных волокон (шерстяные, редко хлопчатобумажные), из синтетических (нитроновые, лавсановые, полипропиленовые и др. ), а также стеклоткани. Наиболее распространены лавсан, терилен, дакрон, нитрон, орлон, оксалон, сульфон. Последние два материала представляют полиамидную группу волокон, обладаю щих термостойкостью при 250 — 280ºС. Для фильтровальных тканей наиболее характерно саржевое переплетение. Применяют также нетканые материалы — фетры, изготовленные свойлочиванием шерсти и синтетических волокон.

Разработка и промышленное изготовление дешевых фильтровальных материалов, обладающих высокой эффективностью при Достаточной механической прочности и стойкости в кислых и Щелочных средах, например, при химическом полировании хрусталя, открывают пути для более широкого их применения. Фильтрующий материал Beckinox (Великобритания) изготавливают как в виде штапеля, так и в виде длинных нитей разного диаметра из нержавеющей стали. Этот материал при скорости фильтрации 180 м 3/(м 2 ч) имеет сопротивление 1200 Па и ту же эффективность, что и текстильные ткани, высокую абразивную устойчи вость, температуростойкость (до ~ 500 °С), регенерируется любым известным способом и хорошо фильтрует газы, содержащие SО 2. Во Франции при очистке отходящих газов с 400 — 500 °С применяют рукавные фильтры из металлического фетра, основа ко торого — металлическая сетка, нарощенная слоем тонкой металлической нити. По скорости фильтрации, аэродинамическому со противлению, количеству потребляемой энергии фильтр идентичен рукавному фильтру из полиэфирного волокна. Для случая, когда высокая фильтрующая способность должна сочетаться с высокой теплостойкостью и стойкостью к агрессив ной химической среде, фирма Du Pont (США) предлагает три вида материалов (войлок и ткани) для фильтрации сухих частиц: номекс (арамидное волокно), тефлон (фторуглерод) и тефэр (войлок, выполненный из смеси тефлона (85 %) со стекловолокном (15 %). Эти материалы выдерживают рабочую температуру 100 — 250 °С.

Небольшое количество тонких стеклянных волокон в тефлоне уменьшает его пористость и повышает улавливающую способность. Тефлоновые волокна, стойкие к истиранию, защищают стекловолокно от механических повреждений. Высокие эксплуатационные характеристики тефэра объясняются противоположными трибоэлектрическими свойствами обоих волокон смеси, которые создают электростатические заряды в ходе работы. Это способствует высокой эффективности улавливания войлоком субмикронных частиц. Однако, по данным фирмы, если фтористоводородная кислота, например, при химическом полировании хрусталя полностью не нейтрализуется, то в дымовых газах рекомендуется использовать 100% й тефлон. Отечественной промышленностью выпускаются фильтры рукавные: с импульсной продувкой (ФРИ), каркасные импульсные (ФРКИ), заводы изготовители ОАО «СФ НИИОГАЗ» , ЗАО «Кондор Эко» (см. прил. 10, И); циклонные РЦИЭ, РЦИРЭ и РЦИЭК, завод изготовитель ОАО «Дзержинскхиммаш» (см. прил. 12) и другие, например, ФРЦИ 30, ФРИА 900 по спецзаказу. В справочнике [6] подробно рассмотрены фильтры общепромышленного назначения. Преимущественное развитие получили ФРКИ (рис. 1. 4). Скорость фильтрования в них на 20 — 30 % выше, чем в фильтрах с механической регенерацией и обратной продувкой. При эффективной регенерации короткими (0, 1 — 0, 2 с) импульсами меньше изнашиваются рукава, гидравлическое сопротивление поддерживается на уровне 1, 0— 1, 5 к. Па. В условном обозначении типоразмера фильтра число после букв — активная поверхность фильтрации.

рис. 1. 4. Фильтр ФРКИ (ФРИ): 1— бункер; 2 — корпус; 3 — диффузор сопло; 4— крышка; 5— труба раздающая; 6 — секция клапанов; 7 — коллектор сжатого воздуха; 8 — секция рукавов

Фильтры рукавные состоят из корпуса с раздельной рукавной плитой, фильтровальных элементов, клапанных секций с раздающими трубами для обеспечения регенерации рукавов импульсами сжатого воздуха. В процессе фильтрации запыленный газ проходит через ткань закрытых снизу рукавов внутрь, выходит через верхний коллек тор и удаляется из аппарата. Каждый рукав в фильтре натянут на жесткий каркас и закреплен на верхней решетке (плите). Фильтры могут быть с входом газа: центральным; боковым; через бункер; со щелевым и с пирамидальными бункерами. Окончательную сборку, наладку, испытание, доводку фильтров выполняют на месте эксплуатации в составе конкретного производственного объекта.

Схема обозначения фильтра рукавного типа ФРИ:

Расчет рукавных тканевых фильтров сводится к определению общей поверхности фильтрации F и числа фильтров или секций. Нормальная нагрузка на 1 м 2 фильтрующей поверхности для ру кавных фильтров 150 — 200 м 3/ч. Сопротивление фильтров Рф=ВQвⁿ, (1. 2) где В = 0, 13÷ 0, 15 — коэффициент (большее значение — для более дисперсной пыли); Qв — расход воздуха на 1 м 2 ткани рукавов, м 3/ч; n = 1, 2÷ 1, 3 (меньшее значение — для более дисперсной пыли). При работе в нормальном режиме сопротивление нагнетатель ных фильтров до 200 Па, всасывающих — до 600 Па. Общая поверхность фильтрации, м 2, [3] (1. 3) F=Fраб + Fрег = (V+Vпр)/qф + Fрег , где Fраб — поверхность фильтрации в одновременно работающих секциях, м 2; Fрег — поверхность фильтрации в регенерируемой секции, м 2; V— объемный расход очищаемых газов (воздуха) с учетом подсоса воздуха в фильтр, м 3/мин; Vпр— объемный расход продувочного воздуха, м 3/мин; qф — удельная газовая нагрузка, м 3/(м 2*мин). Число необходимых фильтров или секций n=F/F 1 , (1. 4) где F 1 — поверхность фильтрации всех рукавов в фильтре или секции, м 2.

Гидравлическое сопротивление тканевого фильтра, Па, (1. 5) где µг — динамический коэффициент вязкости газа, Па • с; εп — пористость слоя пыли; dт — средний размер частиц пыли, м; εт — пористость ткани; Свх — начальная запыленность газа, кг/м 3; ρп — плотность пыли, кг/м 3, / — время, мин. Периоды работы фильтра между регенерацией, встряхиванием или продувкой в зависимости от входной запыленности газов: Входная запыленность, г/м 3. . . . 5 10 Периоды между регенерацией, мин. . . . . 10— 12 8 — 9 Иная методика расчета рукавного фильтра предложена в НИИОГАЗ [11]. 20 4— 7

Рис. 1. 5. Зернистый фильтр: ] — корпус; 2 — фильтрующие ячейки; 3 — система импульсной регенерации; 4 — фильтрующие элементы; 5 — бункер.

Зернистый фильтр (рис. 1. 5) имеет корпус 7, фильтрующие элементы 4, бункер 5, системы импульсной регенерации 3. Фильтрующий элемент содержит четыре пары вертикально размещенных фильтрующих ячеек 2. Ячейка содержит наклонные непроницаемые перегородки, верхние и нижние сетки. Между сетками насыпают 150 мм слой 3 — 5 мм частиц дробленого материала — магнезита, доломита, гравия и т. д. Перегородки и сетки образуют каналы треугольного сечения, по которым очищенные газы через отверстия в боковине проходят в короб, в каналах устанавливают перфорированные трубки для циклической подачи сжатого воздуха из коллектора. Фильтрующие ячейки разделены перегородками на три равные части. При импульсной продувке нижние ячейки работают в режиме фильтрации, верхние — регенерации. Наряду с очисткой газовых потоков от пыли важной является очистка и обезвреживание дымовых газов от продуктов сгорания, топлива, для которых часто применяют метод адсорбции. В сухом способе очистки дымовых газов фильтрация очищаемых выбросов происходит через неподвижный (адсорберы периодического дей ствия) или движущийся слой адсорбента. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым поглотителем чередуется с периодом его регенерации. Адсорберы (рис. 1. 6) выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом. Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы применяют при небольших объемах очищаемого газа, а горизонтальные и кольцевые — при десятках и сотнях кубометров газа в час. При проектировании или выборе конструкции адсорбера учитывают: объемный расход очищаемого газа, м 3/с, концентрацию удаляемой примеси, мг/м 3, и давление отходящих газов, Па, по которым определяют необходимую массу адсорбента, конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время защитного действия адсорбера.

Рис. 1. 6. Схемы вертикального (а), горизонтального (б) и кольцевого (в) адсорберов: 1 — корпус; 2 — слой активированного угля; 3 — центральная труба для подачи паровоздушной смеси при адсорбции; 4 — барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 и 6 — соответственно трубы для выхода инертных по отношению к поглотителю газов при адсорбции и при десорбции пара

1. 3 Электрофильтры «сухие» и «мокрые»

Метод электроосаждения (улавливания пыли в электрическом поле) заключается в следующем. Частицы пыли (или капельки влаги) сначала получают заряд от ионов газа, которые образуются в электрическом поле высокого напряжения, а затем движутся к заземленному осадительному электроду. Попав на заземленный уловитель, частицы прилипают и разряжаются. Когда осадительный электрод обрастает слоем частиц, они стряхиваются под воздействием вибрации и собираются в бункере. Схема электрического осаждения пыли представлена на рис. 1. 7 [2].

Рис. 1. 7. Схема электрического осаждения пыли: 1 — источник электропитания; 2, 3 — коронирующий и осадительный электроды; 4 — ион газа; 5 — частица пыли

Эффективность очистки запыленного газа в электрофильтрах определяют по формуле η=exp 1(-wэ. Fуд) (1. 6) где wэ— скорость движения частицы в электрическом поле, м/с; Fуд — удельная поверхность осадительных электродов, равная отношению поверхности осадительных элементов к расходу очищаемых газов, м 2/(м 3/с). Эффективность очистки газов зависит от показателя степени wэ. Fуд в (1. 6): wэ. Fуд --------------- 3, 0 3, 7 3, 9 4, 6 η------------------0, 95 0, 975 0, 98 0, 99 Электрофильтры (рис. 1. 8) применяются там, где необходимо очищать очень большие объемы газа и отсутствует опасность взрыва: для улавливания летучей золы на современных электростанциях, пыли в цементной промышленности, дыма, в системах кондиционирования воздуха, в металлургии и других отраслях [7]. Существует несколько типовых конструкций сухих (ЭГА, УГМ, УГТ, ОГП, УВ, ЭВТ и др. ) и мокрых (С, ПГ, ДМ, БВК, ШМК и др. ) электрофильтров [4, б, 12], см. прил. 13.

Рис. 1. 8. Электрофильтр типа ЭГВ: 1— механизм встряхивания осадительных электродов; 2 — люк обслуживания; 3 — газораспределительная решетка; 4 — защитная коробка для подвода тока; 5 — механизм встряхивания коронирующих электродов; 6, 7 — осадительный электрод; 8 — корпус; 9 — токопровод (стрелками показано движение воздуха)

1. 4 Аппараты «мокрого» пыле- и газоулавливания

При очистке газов от частиц пыли и переработке газообразных отходов успешно применяют мокрое пылеулавливание, сухую и последующую мокрую очистку (последняя может сочетаться с адсорбционной доочисткой). Развитая поверхность контакта фаз способствует увеличению эффективности пылеулавливания. В промышленности используют мокрые пылеуловители (промыватели) капельного, пленочного и барботажного типов. Конструктивно аппараты могут быть полыми, тарельчатыми, механического и ударно инерционного действия (ротоклоны), а также скоростного типа (трубки Вентури и другие инжекторы). Необходимо стремиться к созданию мокрых промывателей с минимальным гидравлическим сопротивлением, работоспособных при низких расходах воды. Эффективность очистки пыли зависит от размеров улавливаемых частиц и от других свойств пыли. Необходимость концентрирования системы жидкость — твердое тело с возвратом очищенной воды на пылеулавливание, накопление в орошаемой жидкости растворимых компонентов пыли, усложняет систему мокрого пылеулавливания. Процесс улавливания пыли мокрым методом можно представить как перенос твердой фазы из газовой среды в жидкую и удаление последней из аппарата вместе с твердой фазой [2, 3]. В зависимости от формы контактирования фаз способы мокрой пылеочистки можно разделить на улавливание: в объеме (слое) жидкости (рис. 1. 9, а), пленками жидкости (рис. 1. 9, б) и распыленной жидкостью в объеме газа (рис. 1. 9, в)

Рис. 1. 9. Способы мокрого пылеулавливания: ; а — в объеме (слое) жидкости; б — пленками жидкости; в —распыленной жидкостью в объеме газа; 1 — капли жидкости; 2 — твердые частицы; 3 — пузырьки газа; Г — газ; Ж — жидкость

Приложения

Список литературы: 1. Калыгин В. Г. , Попов Ю. П. Порошковые технологии: экологическая безопасность и ресурсосбережение. М. : Изд во МГАХМ, 1996. – 212 с. 2. Бондарева Т. И. Экология химических производств. –М. : Изд во МИХМ, 1986. 92 с. 3. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов / А. И. Родионов, Ю. П. Кузнецов, В. В. Зенков, Г. С. Соловьев. – М. : Химия, 1985. – 352 с. 4. Газоочистные аппараты сухого и мокрого типов. Каталог: М. : Изд во ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. – 92 с. 5. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации циклонов НИИОГАЗ. – Ярославль: ЦГТ, 1971. – 74 с. 6. Алиев Г. М. – А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с. 7. Страус В. Промышленная очистка газов. М. : Химия, 1981. – 616 с. 8. Очистка промышленных газов от пыли / В. Н. Ужов, А. Ю. Вальдберг, Б. И. Мягков и др. – М. : Химия, 1981. – 392 с. 9. Стпанов Г. Ю. , Зицер И. М. Инерционные воздухоочистители. – М. : Машиностроение, 1986. – 184 с. 10. Александров В. П. , Соломонов В. А. , Вальдберг А. Ю. Применение рукавных фильтров для очистки от золы дымовых газов котельных установок // Обз. инф. «Научные и технические аспекты охраны окружающей среды» . 1999. № 2. –С. 75 102. 11. Очистка технологических газов в цветной металлургии / И. Г. Бородин, А. Ю. Вальдберг и др. – М. : Металлургия, 1992. 342 с. 12. Чичев А. Н. Промышленная экология в производствах энергонасыщенных конденсированных систем. – М. : Изд во МГУИЭ, 2000. 114 с.