ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ (ЧАСТЬ 2. ВЗВЕШЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ)

В.С.Галустов, д.т.н, профессор, генеральный директор ГП НПО «Политехника» Л.А.Розенберг, инженер, директор УП «Юмиран».

Введение.

Взвешенные частицы в газовых выбросах, независимо от источника образования, условно можно разделить на твёрдые и капельные. Методы очистки, физика явлений и аппаратурное оформление для частиц обоих типов одинаковы и достаточно подробно описаны в работах [1—5].

Все известные методы являются либо «сухими» (гравитационное, инерционное и центробежное осаждение, фильтрование через пористые слои различных материалов, осаждение в электростатическом поле, в псевдоожиженном слое), либо «мокрыми» (улавливание взвешенных частиц в мокрых скрубберах самых различных типов и конструкций). Выбор того или иного метода и аппарата обуславливают многие факторы: расход, температура и влагосодержание газа, концентрация улавливаемых частиц, их физико-химические свойства, дисперсный состав и т.д. — а также, безусловно, ожидаемые капитальные и эксплуатационные затраты при заданной степени очистки, в т.ч. с учётом дополнительных процессов (напр., переработка или захоронение извлекаемого материала, шламов, одновременная утилизация теплоты).

Отметим некоторые общие положения.

Все «сухие» методы отличает довольно высокое гидравлическое сопротивление. Известна за­кономерность, согласно которой чем оно ниже, тем ниже эффективность очистки (максимальная — у механических фильтров), однако на электрофильтры и магнитные осаждатели это правило не распространяется. Впрочем, использование магнитных осаждателей ограничено узким спектром свойств частиц, а электрофильтры — самые сложные и дорогостоящие устройства, к тому же требующие значительного количества электроэнергии.

«Мокрые» пылеуловители позволяют обеспечивать достаточно гибкую очистку и одновременно охлаждать газы (при необходимости — и утилизировать их теплоту). Хотя при этом приходится заниматься переработкой шламов, «мокрые» методы сравнительно недороги. Им и посвящается сегодняшняя публикация.

Кое-что о взвешенных частицах и их улавливании.

Основным показателем, характеризующим работу газоочистной установки, является коэффициент (КПД) очистки:

n[%] = 100х(Мвх-Мвых)/Мвх =
= 100 х (Свх х Qвх – Свых х Qвых) / (Свх х Qвх),

где Мвх, Мвых — масса взвешенных веществ, содержащихся в газе до и после очистного аппарата; Свх, Свых — средняя концентрация частиц в газе до и после аппарата; Qвх, Qвых — количество газа, поступающего в аппарат и выходящего из него. Если Qвых = Qвх, то n= 1 – Свых / Свх

Для оценки эффективности улавливания частиц различных размеров используют понятие фракционного КПД — в формулу подставляют массу и/или концентрацию определённой фракции.

Как и абсорбционные аппараты, «мокрые» пылеуловители могут быть противоточными и прямоточными, обладая всеми достоинствами и недостатками, связанными со взаимным направлением движения фаз, а по конструктивному оформлению полностью аналогичны абсорбционным аппаратам.

Сразу отметим, что при пылеулавливании у противотока перед прямотоком преимуществ в движущей силе процесса нет. Наиболее перспективными представляются прямоточные распылительные газопромыватели (подробней о них см. в «ЭиМ» №1-2005, стр. 21, и в [1]).

Многочисленные исследования процесса улавливания взвешенных частиц в ПРА показали: снижение их содержания в газовом потоке происходит, главным образом, в результате осаждения на каплях диспергированной промывной жидкости. Есть и другие факторы, способствующие очистке газов: выпадение частиц на стенки аппарата, коагуляция, осаждение на поверхности жидкостной струи (в корне факела), — однако все они в ПРА не играют сколько-нибудь значимой роли.

В настоящее время исследователями выделяются три основных механизма осаждения взвешен-ных частиц на каплях: 1) инерционное столкновение; 2) перехват; 3) диффузия.

Суть инерционного столкновения (а — см. рис.) заключается в следующем. Газовый поток, содержащий взвешенные частицы, движется параллельными линиями тока до встречи с каплей. Вблизи неё линии тока отклоняются, огибая каплю. Частицы, обладающие достаточной массой (она определяется размером частиц и плотностью материала), обладают и достаточным моментом инерции, чтобы двигаться прямолинейно по направлению к капле, прорываясь сквозь линии тока.

В представлении о механизме перехвата (б) принято, что частицы — сравнительно крупные (диаметром d4), но из материала малой плотности — следуют по линиям тока газа вокруг капли. Ежели линия тока, на которой находится центр частицы, приблизится к капле на расстояние меньше d4/2, то частица коснётся капли и будет перехвачена.

Очень мелкие частицы, размеры которых лежат в субмикронной области, не только следуют по линиям тока газа, но и беспорядочно пересекают их под действием броуновских сил, что и интерпретируется как диффузия, вследствие которой частицы могут сталкиваться с каплями и оседать на них. В отношении этого механизма Ленгмюр [3] предложил считать, что улавливание частиц будет происходить из поверхностного слоя толщиной х0 в течение времени движения потока от точки 1 до точки 2 (в).

Приведённые здесь описания механизмов осаждения значительно упрощены, однако их правомерность подтверждена многочисленными экспериментами. С опорой на неё построены расчётные модели и методики разработки аппаратов.

Анализ процесса осаждения взвешенных частиц в ПРА.

Наличие адекватного математического описания, учитывающего все основные явления, позволило автору [1] методом численного эксперимента всесторонне проанализировать влияние главных параметров ПРА на эффективность очистки.

Напомним (см. «ЭиМ» №1-2005, стр. 22), что прямоточные распылительные газопромыватели выполняются с прямыми стенками либо в виде расходомерной трубы Вентури. Последние обладают меньшим аэродинамическим сопротивлением, однако при больших производительностях (тысяча и более кубометров промываемого газа в час) и, соответственно, значительных габаритах аппарата указанное различие становится пренебрежимо малым. А эффективность осаждения в аппаратах с прямыми стенками несколько выше при больших производительностях.

Установлено:

А) эффективность очистки возрастает с увеличением размеров аппарата, что обусловлено соответствующей зависимостью выпадения жидкости на его стенки;

Б) эффективность очистки резко возрастает с увеличением размера улавливаемых частиц до 5 мкм. Далее рост её замедляется и при размере частиц более 15 мкм становится вообще малозаметным; В) уменьшение размера капель (т.е. увеличение поверхности взаимодействия) также сопровождается ростом эффективности осаждения. Вместе с тем следует помнить, что чрезмерное уменьшение диаметра капель чревато другой проблемой — уносом их и, соответственно, снижением эффективности улавливания.

Одним из основных параметров пылеулавливания в «мокрых» аппаратах является удельный расход орошающей жидкости М0. Выполненные расчёты позволили установить: зависимость КПД очистки от М0 фактически экспоненциальна. Для модельного (наиболее типичного) случая при росте М0 до 5 л/м3 эффективность круто возрастает до 70%, достигает 98% при дальнейшем росте М0 до 15 л/м3, а после того увеличение М0 сопровождается малозаметным приращением степени улавливания.

Уменьшение скорости газа, хотя и оборачивается ростом габаритов аппарата, значительно повышает эффективность улавливания микронных частиц либо позволяет снизить М0 (напр., для 90%-ного улавливания при v = 10 м/с требуется М0 = 10,5 л/м3, а при v = 5 м/с — только 5,8 л/м3).

Очевидно: чем меньше расход промывающей жидкости, тем экономичней очистка газа. Следовательно, целесообразно (а прямоточные распылительные скрубберы это легко допускают) систему орошения проектировать с запасом и с большим диапазоном регулирования М0, для того чтобы отыскивать оптимальные значения при практической наладке установки, ибо теоретический расчёт их затруднителен в связи с большим числом факторов, влияющих на процесс. Некоторое удорожание аппарата быстро окупится.

На эффективность осаждения частиц заметное влияние (10% и более) может оказывать и сопровождающий очистку тепломассообмен, в т.ч. конденсация влаги на поверхностях улавливаемых частиц. Игнорировать это нельзя, иначе возможны существенные ошибки в расчётах и/или неверный выбор режимных условий работы аппарата.

Выводы.

На эффективность улавливания взвешенных частиц влияет значительное число параметров, причём многие из них связаны между собой (взаимно обусловлены). Поэтому главным критерием в поиске оптимального варианта становятся удельные энергозатраты при заданной степени очистки с обязательным учётом всей технологической цепочки как по газовому тракту, так и по жидкостному.

Литература:

1. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике.— М.: Энергоатомиздат, 1989.

2. Русанов А.А., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике.— М.: Энергия, 1969.

3. Страус В. Промышленная очистка газов.— М.: Химия, 1981.

4. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под общ. ред. А.А.Русанова.— М. Энергоатомиздат, 1983.

5. Галустов B.C. и др. Справочник по распыли-вающим, оросительным и каплеулавливающим устройствам.— М.: Энергоатомиздат, 2002.