Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Аппараты мокрой очистки газов

В мокрых пылеуловителях очистка газа происхо­дит при контакте газа с жидкостью. Частицы пыли, находящиеся во взвешенном состоянии в газовом потоке, смачиваются Жид­костью, инерционно проникают в капли жидкости или прили­пают к поверхности капель и таким образом выпадают из газо­вого потока и выводятся из аппарата в виде шлама.

Процессу улавливания пыли в аппаратах мокрой очистки спо­собствует также конденсация паров жидкости, находящихся в газе при его охлаждении, так как пылинки представляют собой центры спонтанной конденсации.

По принципу действия аппараты мокрой очистки можно раз­делить на несколько групп: аппараты статической промывки газа — полые и насадочные скрубберы; барботажно-пенные ап­
параты; пылеуловители ударно-инерционного типа; мокрые центробежные пылеуловители; скоростные пылеуловители (скруб­беры Вентури). Эти аппараты применяют в условиях, когда уловленная из газа пыль используется в мокром виде, а так­же при охлаждении газа независимо от степени его очистки.

При мокрой очистке технологических газов в жидкости могут растворяться газовые компоненты (С02, БОг, КЮ2 и др.), обра­зующие кислоты. В связи с этим необходимо предусматривать меры, предупреждающие коррозию. Кроме того, имеющиеся в пыли карбонаты и окись кальция обусловливают карбонатную жесткость оборотной воды, поэтому в случаях повышенной же­сткости требуется нейтрализация шламовых вод.

Создание теории расчета аппаратов мокрой очистки значи­тельно усложняется тем, что наряду с многофакторностью запы­ленного газового потока появляется полидисперсная структура распыленной в газе жидкости. На ее формирование влияют параметры жидкости, конструкция распыливающих устройств, взаимное расположение распылителей, определяющее уровень взаимодействия струй распыливаемой жидкости, конструкция пылеулавливающего аппарата [72, 79].

Рассмотрим наиболее часто используемые в различных отра­слях промышленности аппараты мокрой очистки технологиче­ских газов.

Скрубберы представляют собой вертикальные, обычно цилин­дрические колонны диаметром 6—9 м, высотой 25—35 м (рис. 14.1). Они орошаются водой, разбрызгиваемой форсунками. Технологический газ движется снизу вверх навстречу дождево­му потоку воды. При этом происходит интенсивное перемешива­ние газа с мелко разбрызгиваемой водой, что обеспечивает улав­ливание частиц пыли и эффективное охлаждение горячего газа при взаимодействии с водой-

Газ выводится из скруббера в верхней его части, а шлако­вая вода собирается в скруббере, откуда через затвор выводит­ся в шлаковую канализацию. Для поддержания заданного уров­ня шлака в бункере устанавливают поплавковую камеру. Скруб­беры с нормальным и повышенным давлением газа различают­ся в основном уровнем жесткости конструкции гидрозатвора и водоотводчика.

По характеру протекания процесса взаимодействия запылен­ного газового потока и распыленной жидкости можно схемати­чески выделить три зоны. В первой газ высокой температуры при соприкосновении с каплями жидкости обеспечивает испаре­ние до полного насыщения газа парами воды при заданной тем­пературе охлаждаемого газа. Протяженность этой зоны опреде­ляется плотностью орошения. В зоне конденсации водяных па­ров происходит увлажнение и коагуляция частиц пыли, а сле­довательно, и оседание их под действием тяжести. В третьей зоне коагулированные частицы пыли, поднимаемые газовым потоком, попадают в условия прямого контакта с капельками во­ды. Удельный расход воды в скруббере при охлаждении и гру­бой очистке, например, доменного газа составляет 3—10 кг/м3, зависит от температуры и начальной влажности газа.

Скорость газа в скрубберах низкого давления принимают равной не более 1,2—1,5 м/с, в скрубберах высокого давления — не более 3—5 м/с. При этом скорость газового потока и жид­кости увязаны по скорости витания капелек жидкости, так что­бы минимальный размер был не менее

8 = (14.6)

' 98

Определим количество тепла, отданное газом жидкости в скруббер:

<2 = V, (срг + хсрп) (Л — (2), (14.7)

Где 1/0 — объемный расход сухого газа; срг, ср„ — теплоемкость газа и водяного пара при температуре газа; t, (2— начальная и конечная температуры газа; х — влагосодержание газа в конце процесса.

Полагая, что процесс теплообмена происходит во всем объеме аппарата, записываем

Я = КУск М. (14.8)

Здесь К — обп>емный коэффициент теплоотдачи в скруббере (табл. 14.1); 1/ск — полезный объем скруббера; М — среднелога­рифмический температурный напор,

Д/ = Г ~ ^ ~ >Н1 (14.9)

2-3’аТ^Т

(^н. и — начальная и конечная температуры воды).

Из уравнения (14.8) определим полезный объем скруббера Уск. При заданном объемном расходе газа (бг/рг) в зависимости от скорости газового потока шг выбирается необходимый диаметр скруббера И. Тогда по найденным значениям Кс Д - не пред­ставляет труда получить высоту скруббера Н. Наиболее распро­страненное соотношение между диаметром и высотой скруббера ИЮ =2,5.

Из условий баланса тепла определим количество жидкости, необходимое для охлаждения газа в скруббере:

С*Ч(<!-<п)+(1 -?)('к-) (14Л1)

(? — коэффициент испарения воды—табл. 14.1).

Коэффициент фракционной очистки в полом газопромывателе (скруббере) получаем, используя соотношение [87]

30ЖТ| + <о )//р 1

= — ехр о, (14.12)

Г' Ж И М I

Где шк—.скорость охлаждения капли; йк — диаметр капли; Н — высота скруббера; тдэ — эффективность захвата пыли каплями (табл. 14.2).

Зная фракционный состав пыли, определяем остаточную не-

Т

Полноту очистки газа за аппаратом: 1 —V = 5](1 —?);) Ф», Ско-

1=1

Ростные пылеуловители с трубами Вентури начали использоваться в технике газоочистки в 50-х годах. Благодаря простоте изго­товления и монтажа, небольшим габаритным размерам и воз­можности обеспечить очистку газа до любой концентрации улавливаемого компонента скрубберы Вентури широко приме­няются при мокрой очистке газа. Такой пылеуловитель кон­структивно выполняется в виде орошаемой водой трубы Вентури и сепаратора (рис. 14.2).

В зависимости от физических свойств улавливаемой пыли и эффективности очистки газоз выбирается режим работы скруб­бера Вентури. Скорость газа в горловине трубы Вентури 30— 200 м/с, удельная плотность орошения 0,1—6 кг/м3.

Минимальные гидравлические сопротивления обеспечивают­ся при следующих соотношениях размеров трубы Вентури: угол раскрытия конфузора а] = 25-^28°; угол раскрытия диффузора а2 = 6-^70; длина горловины / = 0,15 £/Экв-

Пылеуловители этого типа классифицируются по количеству энергии — низконапорные и высоконапорные; форме канала — круглые, щелевые; компоновке — одиночные, групповые, бата­рейные; способу подвода орошающей жидкости — с центральным подводом в конфузор, с периферийным подводом в конфузоре, горловине, диффузоре, с пленочным орошением, с эжекционным подводом жидкости, с предварительным дроблением капель (форсуночное орошение).

Наиболее полные и всеобъемлющие исследования скоростных пылеуловителей с трубой Вентури, выполненные в последние годы Л. И. Кроппом и А. И. Акбурутом [41], позволяют рекомен­довать разработанную ими методику расчета.

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури определяется как сумма сопротивлений при течении сухого газа и сопротив­ления течения жидкости и газа:

ДЛ-р = (?сух + £усл) (14.13)

Рис, 14.1. Полый скруббер:

/ — патрубок для ъыхода газа; 2 — конфузор; 3 — установка форсунки; 4—коллектор орошення; 5 — корпус скруббера; б — продувочный патрубок; 7 — клапан для продувки коллектора орошення; 8 —Патрубок для входа газа; 9 — бункер! /0— патрубок для удале­ния шлака; II— гидравлический чатвор; 12 — поплавковая камера

Рис. 14.2. Скоростной пылеуловитель:

А — турбулентный промыеатель; Б — инерционный пыле-н брыэгоуловитель; В — центро­бежный прямоточный скруббер (циклон)

Здесь коэффициент гидравлического сопротивления $усл опре­деляется по кривым, обобщающим результаты экспериментов (рис. 14.3), Значения £су>, можно вычислить по уравнению

I / I Ш

?су> =0,165 + 0,034 у 0,06+ 0,028 (14.14)

Которое справедливо для > /г > 0,15, где /г—длина горло­вины трубы Вентури; — эквивалентный диаметр горловины.

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя

= (14.15)

Где ивх — скорость газа на входе в каплеуловитель; Ек — коэф­фициент гидравлического сопротивления каплеуловителя (рис. 14.4).

V. -■ -

0,2

0,1

Теплообмен между потоком газа и жидкостью происходит на поверхности капель жидкости. Количество тепла, переданное жидкости, определяем по формуле

О, = а/’Д/х. (14.16)

Здесь а — коэффициент теплоотдачи на поверхности фазового взаимодействия; ¥ — полная поверхность капель жидкости; Ы — среднелогарифмический температурный напор [см. уравне­ние (14.9)]; т — время пребывания капель в аппарате. Значения коэффициента теплоотдачи определяем эмпирически (рис. 14.5) в зависимости от плотности орошения я и скорости газового потока Юг.

Поверхность капель жидкости в объеме аппарата

^ = 69Уг.0/4, (14.17)

Где — средний диаметр капли; т/г.0 — объемный расход газа при нормальных условиях; <7 — удельный расход жидкости.

Для определения среднего диаметра капель наиболее досто­верно уравнение

- 4810 + 28,9? (14.18)

(®р-*к)

>(шг, — скорости газа и капли).

Используя уравнения (14.17), (14.18), (14.9) и числовое зна­чение комплекса ах, найденное по рис. 14.5, определяем коли­чество тепла, переданное жидкости, по уравнению (14.16). Если количество тепла, отданное газом, можно представить в виде

Я = Утлср(Ь-12), (14.19)

То на основании, данных о количестве тепла, воспринятого жид­костью, можно скорректировать выходную температуру газа 1 из уравнения (14.19).

Расчет степени очистки газов в скруббере Вентури требует решения уравнения

(14.20)

Ср

Где И0 — средний диаметр капель; <?— плотность орошения; Ь— длина трубы Вентури; Э<—коэффициент осаждения 1-й фракции;

— среднескоростное число; гюп, шк — скорости пыли

Ср

И капель. Значение среднескоростного числа в формуле (14.20) определяется интерполированием данных по табл. 14.3.

Рис. 14.5. Зависимость ат от удельного расхода воды на скорость газа в гор­ловине (qwr. cn)

14.3. Среднескоростное число

Рии. Значения коэффициента осаждения Эе определяем по габл. 14.4. Для фракций раз­мером больше 10 мкм коэффи­циент инерционного осаждения может быть принят равным 1.

Определив неполноту улав­ливания каждой фракции по уравнению (14.20) и распола­гая дисперсным составом пыли, вычисляем общую неполноту улавливания

(14.21)

1=1

Пример. Рассчитать скоростной пылеуловитель системы очистки дымовых газов при следующих исходных данных. Объемный расход дымовых газов У0=

= 120 104 м3/ч; дисперсный состав летучей золы 0—'10 мкм (31,5%), 10 —

20 мкм (21 20 — 30 мкм (8,2%), 30 — 40 мкм (10,8%), 40 — 50 мкм (6,8%),

50 — 60 мкм (4,6 %), больше 60 мкм (17 %); плотность газа при температуре 140 °С рг = 0,87 кг/мэ; начальная температура газа = 140 °С; начальная тем­пература воды / = 20 °С; минимально допустимая температура газа^2=63°С.

Примем первоначально для расчета скорость газа в горловине трубы Вен­тури (£)р = 70 м/с и удельный расход орошающей жидкости 9= 0,16 кг/м3 при нормальных условиях. Тогда дш1р= 11,2, по рис. 14.3 определим £усл = 0,18. По формуле (14.14) найдем £сух = 0,2. Гидравлическое сопротивление трубы

Вентури АР = (0.2 4- 0.18) 7°2 °'87 =810 Па. Из условий удобства компо-

2

Новки примем шесть параллельно работающих аппаратов, тогда расход газа на один аппарат Ур 0 = 20 1 04 мэ/ч.

Выберем каплеуловитель диаметром 4 м, тогда потери давления в капле-

202 о 87

Уловителе согласно уравнению (14.15) составят &РК у = 2,25------------------- -—’— =

= 392 Па. Здесь 5К = 2,25; №вх = 20 м/с. Общее сопротивление установки

АР = ДРтр + ДЯк. у = 1202 Па.

Для теплового расчета аппарата по графику (рис. 14.5) определим пара­метр а- = 72 • 10 3. Примем температуру пульпы (температура воды на выхо­де) /к = 46 °С.

По уравнению (14.9) получим М = 55 °С. По формуле (14.1 С) средний ди. аметр капель Оа = 165 • 10—6 м. Вычислим поверхность капель в объеме Вен­тури по уравнению (14.17): Р = 6 ' 20 1р4 ' °116 ’ 1С|3 273 - 0,77 109 м*/ч.

165-10-® (273 + 140)

Количество тепла, переданное газом, найдем по формуле (14.16): <2 = 72 X X Ю—3 • 0,77 106 • 55 = 3,07 106 Вт ч. Температуру газа на выходе из ап­

Парата определим с помощью уравнения (14.19):

I = 140 —_______ ^51__ 12-6_ 273_____ = 68 °С.

20 104 • 0,32 (273 + 140)

Так как расчетное значение превышает минимально допустимое, повто­рять расчет не следует.

Рассчитать степень очистки газов. Значение скоростного числа в уравне­нии (14.20) для каждой фракции золы определим по табл. 14.3 интерполиро­ванием искомого комплекса по параметрам шг, Уг 0.

Результаты расчета для фракций целесообразно представить в сводной таблице (табл. 14.5). Принимая длину трубы Вентури по рекомендациям [41] равной Л = 6075 мм, а также используя таблицы коэффициента инерционного осаждения Э(, вычисляем для каждой фракции комплекс

I.

Ср.

14.5. Расчетная таблица

По формулам (14.20), (14.21) определяем неполноту улавливания каждой фракции и общую неполноту улавливания пыли. Тогда общая неполнота улав­ливания пыли

Т

П-■!')= Е (1 — ^£) Ф, = 0,258,

1=1

Где значение Ф, находим из табл. 14.6.