Размещено на http://www.allbest.ru/

Улавливание твердых веществ из дымовых газов ТЭС

1. Характеристики летучей золы. Основы теории золоулавливания

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при температуре 800^О С (1073 К).

Фазово-минералогические исследования состава золы различных видов твердого топлива показывают, что основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнетика и различными силикатами кальция.

Характеристики золы (уноса), полученной в топках котлов несколько отличаются по физико-химическим свойствам и химическому составу от золы, полученной в лабораторных условиях. Такое отличие определяется температурными условиями и временем сжигания частиц топлива в топке. Где температура значительно выше 800^О С. Основными отличительными факторами является шлакование (расплавление) части минеральной составляющей топлива и наличие в золе частиц недогоревшего топлива (механического недожога).

Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.

Плотность частиц летучей золы для большинства углей лежит в пределах 1900…2500 кг/м³. Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений.

Для выбора и расчета золоуловителей большое значение имеет распределение частиц по размерам - дисперсный состав. О частицах судят по размеру наименьшего отверстия сита, через которое частица диаметром d проходит при просеивании. Просеивая золу через ряд сит с различным размером ячеек, получают кривую остатков на сите R_d (рис.1, а).

Ордината кривой (вертикальная ось) показывает количество пыли в процентах, частицы которых больше, чем размер ячейки сита. Можно вместо остатков на сите использовать обратную величину - проход через сито y_d, причем

y_d=100- R_d.

Наименьший размер отверстий в ситах, принятых в России, составляет 44 мкм, поэтому для определения дисперсного состава фракций меньше этого размера, представляющих наибольшие трудности при золоулавливании, используются другие методы - воздушной сепарации, жидкостной седиментации (всплывание или оседание частиц) и микроскопического анализа.

Расчет степени улавливания обычно ведется для каждой фракции частиц отдельно. Содержание той или иной фракции Ф_i можно найти из кривой остатков на сите вычитанием остатков па сите на концах заданного изменения диаметров частиц (рис.1, б). При расчете золоуловителей диаметр принимают постоянным, равным среднеарифметическому диаметру на его концах. Так, в диапазоне изменения диаметров от 10 до 20 мкм в расчетах принимают в качестве среднего значения 15 мкм. В табл. 1 приведен фракционный состав золы уноса некоторых топлив.

Таблица 1 Фракционный состав золы уноса некоторых топлив, %

Месторождение, бассейн	Марка топлива	Тип мельницы	Размер частиц*, мкм
			0…5 2,5	5…10 7,5	10…20 15	20…30 25	30…40 35	40…60 50	60…80 70	80…100 90	>100
Донецкий	АШ	ШБМ	8	9	14	11	11	20	17	5	5
Донецкий	Т	ШБМ	12	20	31	11	7	8	6	2	3
Кузнецкий	Т	ШБМ	12	19	31	9	6	10	5	3	5
Кемеровское	Т	ШБМ	8	13	22	17	10	14	8	3	5
Экибастузский	СС	ШБМ	6	9	46	21	8,3	6,7	-	-	-
Экибастузский	СС	ШБМ	9,5	15,5	20	11	7,5	9,5	-	-	-
Челябинский	Б	ШБМ	6,5	11,5	20	16	9	8	16	4	9
Подмосковный	Б	Быстрох.	24	21	16,5	10,2	8,5	9	6,5	1,8	2,5
Подмосковный	Б	ШБМ	11	18	22	14	18	12	8,1	2,1	2
Подмосковный	Б	ММТ	5	15	23	16,5	10	12,5	4	4	10
Канско-Ачинский	Б	ММТ	4	8	22	19	10	19	8	3	7
Фрезерный торф	-	ММТ	12	11	11	10	9	13	9	3	22

*) В числителе - предельные значения, в знаменателе - средний размер.

Рис.1. Дисперсионный состав золы уноса:

а - кривая остатков на сите; б - остатки на сите в вероятностно-логарифмической шкале координат; в - распределение частиц по фракциям

Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсионного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку.

Распределение частиц золы большинства углей соответствует логарифмическому закону. В этом случае зависимость R_d и d в специальной вероятностной шкале изображается прямой (рис.1, в), а все распределение частиц по фракциям можно характеризовать двумя величинами: d₅₀ - медианным диаметром, который соответствует остатку на сите R_d =50%, и средним квадратичным отклонением

= d₅₀/ d_15,9= d_84,1/ d₅₀,

где d_15,9; d₅₀; d_84,1 - диаметры частиц, которые соответствуют остаткам на ситах, равным 15,9; 50 и 84,1%.

Для определения дисперсного состава золы используют специальные устройства - импакторы. В настоящее время данные дисперсионных анализов получают в основном с помощью каскадных импакторов. Принцип действия каскадных импакторов (рис.2) основан на инерционной сепарации частиц по размерам при пропускании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл или сопловых решеток с расположенными под ними осадительными поверхностями (подложками). Диаметры одиночных сопл или диаметры и число сопл в сопловых решетках подбираются таким образом, чтобы размеры частиц, которые могут осесть в данном каскаде, были меньше размеров частиц. способных осесть в предыдущем. Таким образом, анализируемые частицы оказываются разделенными на фракции, число которых равно общему числу каскадов импактора, включая фильтр.

Для очистки газов в электрофильтрах существенное влияние на эффективность их работы оказывает удельное электрическое сопротивление . По этому признаку золу углей можно разделить на три группы.

I группа характеризуется < 10² Омм. Такими свойствами обладает зола, имеющая большое количество недогоревшего углерода, например зола донецкого АШ. Эта зола называется “низкоомной”.

II группа золы имеет электрическое сопротивление в пределах 10²< < 10⁸ Омм и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных утлей - донецкого Т, ГСШ и др.

III группа золы характеризуется >10⁸ Омм и является электрическим изолятором. Такая зола называется “высокоомной”. К золе третьей группы относится зола некоторых каменных углей, в частности экибастузского, кузнецкого и др.

Для инерционных золоуловителей существенное значение имеет свойство слипаемости золы. По слипаемости зола делится на четыре группы: не слипающаяся (I), слабо слипающаяся (II), среднеслипающаяся (III) и сильно слипающаяся (IV).

Рис.2. Импактор со сменными подложками (модели НИИОГАЗ):

1 и 2 - одиночные сопла; 3-6 - сопловые решетки; 7 - фильтр; 8 - крышка; 9 - отсосная труба; 10 - поджимной болт; 11 - корпус; 12 - сменная тарельчатая подложка; 13 - пробоотборный носик со сменным наконечником; 14 - сменный наконечник

Зола с высокой слипаемостью забивает циклоны и мокрые золоуловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ.

Для мокрых золоуловителей существенное значение имеет наличие в золе оксида кальция СаО. При большом содержании СаО их работа становится невозможной из-за цементации золы (сланец, КАУ).

При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать абразивность золы и ее смачиваемость.

Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Абразивность золы характеризуется коэффициентом а, который определяет утонение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа при концентрации частиц 1 г/м³ и скорости потока 1 м/с, при равномерном распределении поля скоростей и концентраций, при комнатной температуре в течение 1 ч. Значения коэффициента приводятся ниже в табл.2.

Таблица 2 Значения коэффициента а

Уголь	а109
Донецкий	5,4
Подмосковный	5,4
Челябинский	4
Кизеловский	3,5
Богословский	2,2
Волжские сланцы	3
Экибастузский	8,8
Куучекинский	6,9
Черемховский	1,83

Смачиваемость частиц водой оказывает влияние на работу мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость, тем выше эффективность золоулавливания.

Основным показателем работы золоуловителя является степень улавливания золы:

,

где G_ВХ - количество золы, поступающей в золоуловитель в единицу времени, кг/с;

G_ВЫХ - количество выходящей (не уловленной) из золоуловителя в единицу времени золы, кг/с;

С_ВХ - концентрация золы в газе на входе в золоуловитель, кг/м³;

С_ВЫХ - то же на выходе, кг/м³.

Для проведения расчетов удобна другая величина - проскок (унос) золы через золоуловитель :

.

Между степенью улавливания и проскоком имеет место следующее соотношение для оценки экологического совершенства золоуловителей:

=1-.

Вместе с тем в теории золоулавливания используется параметр золоулавливания П:

,

где - скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения);

А - площадь поверхности канала золоулавливания, м²;

V - расход газа, м³/с.

Ниже предлагается рассмотрение двух предельных случаев движения частиц в потоке.

Если поток газов движется турбулентно, а частицы достаточно мелки (менее 30 мкм) и активно участвуют в турбулентных пульсациях потока, то с известным допущением можно принять, что концентрация частиц у поверхности мало отличается от средней концентрации в рассматриваемом сечении золоуловителя. В этом случае выражение для определения степени проскока имеет вид

.

В табл. 3 приведена зависимость между параметром золоулавливания П и степенью уноса .

Таблица 3 Зависимость проскока (степени уноса ) золы через золоуловитель от параметра П

Параметр П	Параметр П
0,	1,0000	0,9048	0,8187	0,7408	0,6703	0,6065	0,5488	0,4966	0,4493	0,4066
1,	0,3679	,3329	,3012	,2725	,2466	,2231	,2019	,1827	,1653	,1496
2,	,1353	,1225	,1100	,1003	,0907	,0821	,0743	,0672	,0608	,0550
3,	,0498	,0450	,0407	,0369	,0334	,0302	,0273	,0247	,0224	,0202
4,	,0183	,0166	,0150	,0136	,0123	,0111	,0100	,00910	,00823	,00745
5,	,00674	,00610	,00552	,00500	,00452	,00409	,00370	,00335	,00303	,00274
6,	,00248	,00224	,00203	,00184	,00166	,00150	,00136	,00123	,00111	,00100
7,	,00091	,00082	,00075	,00068	,00061	,00055	,00050	,00045	,00041	,00037
8,	,00033	,00030	,00027	,00025	,00022	,00020	,00018	,00017	,00015	,00014
9,	,00012	,00011	,00010	,00009	,00008	,00007	,00006	,00006	,00005	,00004

Другим предельным случаем является случай, когда частицы не пульсируют в потоке и каждая движется по соответствующим линиям тока. Это имеет место, если поток движется ламинарно или частицы настолько крупны, что практически не участвуют в пульсациях потока. Последнее имеет место при размерах частиц, имеющих d₂30 мкм. В этом случае даже при турбулентном потоке газов частицы практически не пульсируют.

В этом случае

=1-П; =П

На рис.3 представлены кривые изменения степени улавливания при росте П. Из рисунка видно, что улавливание крупных частиц золы (отсутствие пульсаций) идет более интенсивно и полностью заканчивается при П=1. Для мелких частиц (турбулентная пульсация) улавливание идет менее интенсивно и полная очистка газов от золовых частиц происходит при П=.

Во всех случаях степень улавливания возрастает с ростом параметра золоулавливания П. Как следует из выражения, определяющего П, параметр золоулавливания возрастает с увеличением скорости дрейфа, поверхности осаждения и уменьшается с увеличением расхода очищаемого газа.

Если ввести понятие удельной площади поверхности осаждения на 1 м³/с очищаемого газа:

f=A/V,

тогда параметру золоулавливания можно придать следующий вид, используемый при расчете электрофильтров:

П=f.

Заменив секундный объем газов выражением

V=uF_r,

где u - скорость газа в сечении золоуловителя, м/с;

F_r - площадь поперечного сечения для прохода газа, м², параметр золоулавливания можно представить в виде произведения двух безразмерных параметров:

П=ФК,

где Ф=А/F_r - геометрический параметр (параметр формы) золоуловителя, представляющий собой отношение поверхности осаждения к поперечному сечению для прохода газов;

К=/u - кинематический параметр, являющийся отношением скорости дрейфа частиц золы на поверхность осаждения к средней скорости потока газов в золоуловителе.

Степень улавливания золоуловителя оказывается тем выше, чем больше произведение этих параметров. При этом следует иметь в виду, что кинематический параметр определяется характером сил, действующих па частицу, размерами частиц, физическими свойствами частиц и газов и аэродинамическими характеристиками потока.

Приведенные выше общие соотношения для степени улавливания в золоуловителях выведены при следующих условиях:

каждая частица золы, достигнув осаждающей поверхности, не может возвратиться обратно в поток (отсутствует вторичный унос);

все частицы имеют одинаковую скорость осаждения (дрейфа);

распределение скоростей газа по сечению потока является равномерным.

Теоретических формул, которые бы полностью учитывали все перечисленные допущения, не существует, поэтому при реальных расчетах золоуловителей приходится вводить эмпирические поправки, особенно это относится ко вторичному уносу.

2. Типы и характеристики золоуловителей

В зависимости от мощности ТЭС, зольности топлива, физико-химических свойств золы, санитарно-гигиеническнх условий в районе расположения электростанций выбирается тип золоуловителей. На выбор типа золоуловителей может повлиять и использование золы.

К основным требованиям, предъявляемым к системам золоулавливания, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность. золоуловитель фракционный топливо электрофильтр

Следует иметь в виду, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче подлежащие улавливанию частицы, тем большими оказываются удельные капитальные затраты на сооружение установок для улавливания золы и расходы на их эксплуатацию.

На ТЭС применяются три типа золоуловителей:

аппараты сухой инерционной очистки газов (жалюзийные золоуловители, циклоны, прямоточные циклоны, батарейные циклоны):

аппараты мокрой очистки газов:

электрофильтры.

Фильтры, в которых используются пористые среды для очистки газов от твердых частиц (волокнистые, тканевые или рукавные, зернистые), не нашли широкого распространения из-за очень больших габаритов и повышенной сложности в эксплуатации. Основная сложность заключается в накоплении золы в фильтрующем материале, что требует его периодической регенерации. Основное достоинство таких фильтров заключается в очень высокой степени очистки газов от пыли или золы, превышающей 99,9%.

Прежде чем приступить к проектированию системы газоочистки, необходимо изучить конструкционные и эксплуатационные особенности имеющихся типов золоуловителей.

Каждый тип золоуловителя рассчитан на определенные условия работы. К ним относятся допустимая температура уходящих газов, возможность размещения на открытом воздухе и восприятия нагрузок от подводящих газоходов и площадок обслуживания, наличие необходимого количества воды для мокрых золоуловителей, система транспорта и использования золы.

При выборе типа золоуловителя следует сделать наброски возможных схем газоочистки и провести вариантные расчеты для выбора оптимальной из них по ожидаемой эффективности, капитальным и эксплуатационным затратам, компоновке оборудования и т. д.

Золоуловители всегда устанавливают перед дымососами по ходу дымовых газов для предохранения последних от абразивного износа. При двухступенчатой системе золоулавливания возможна установка дымососов между золоуловителями (в рассечку).

Решение об установке золоуловителей внутри или вне зданий принимается в зависимости от климатических условий и типа аппаратов. Наиболее сложные по конструкционному оформлению газоочистные аппараты - электрофильтры - устанавливаются вне зданий. Для защиты изоляторных коробок от осадков и облегчения условий их обслуживания верх электрофильтра закрывается шатром или специальной кровлей. Подбункерное пространство электрофильтров также укрывается легкими материалами.

Степень улавливания золы в золоуловителях колеблется в зависимости от свойств золы и условий эксплуатации в широких пределах. Так, степень улавливания электрофильтров составляет 96…99,9; мокрых золоуловителей 92…96; батарейных циклонов 82…90%.

Газоочистительные установки, как правило, не дают прибыли. Возможность использовать уловленный продукт обычно лишь частично окупает их сооружение. Поэтому технико-экономическая оценка газоочистных сооружений строится в основном на базе сравнительных данных. Сравнение аналога с оцениваемым вариантом производится но капитальным вложениям, численности обслуживающего персонала, производительности груда, эксплуатационным затратам, уровню приведенных затрат.

3. Инерционные золоуловители (расчет инерционных золоуловителей)

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис.4, а) газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер.

Значение центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов u, м/с, можно определить по выражению

,

где --плотность частицы, кг/м³.

Движению частицы к поверхности осаждения препятствует сила лобового сопротивления F_С, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется но закону Стокса:

,

где - динамическая вязкость газа, Пас.

Приравнивая выражения для F и F_C, определяется скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения:

,

где - время релаксации, с.

Временем релаксации называется время разгона частицы от нулевого до заданного значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа ) при постоянном значении ускорения а (в рассматриваемом случае а=u²/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды.



Рис.4. Циклонные золоуловители:

а - принципиальная схема циклона; б - элемент батарейного циклона БЦУ типа “Энергоуголь”; в - батарейный циклон; 1 - входной патрубок запыленного газа; 2 - циклонный элемент; 3 - трубные доски; 4 - выходной патрубок очищенного газа; 5 - бункер для золы

Кинематический параметр для циклонных золоуловителей принимает вид

.

Параметр формы определяется исходя из рис.4, а:

,

где h - высота потока в циклоне, м, ;

D₀ - диаметр внутреннего цилиндра циклона,

u -число оборотов потока до выхода из циклона.

Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид

.

Вторая дробь в формуле определяется формой циклона - относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего к циклону патрубка.

Входящая в формулу времени релаксации динамическая вязкость для условии золоулавливания меняется мало, составляя при температуре газов 150^О С в среднем 2210^-6 Пас.

В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклопов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500…700 Па.

В качестве элемента батарейных циклопов используется большое число модификаций:

с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями;

с тангенциальным подводом газа;

прямоточные;

др.

Широко применяются для энергетических установок элементы с тангенциальным улиточным подводом газа типа “Энергоуголь” с внутренним диаметром 231 мм (рис.4, б). Нормальный ряд таких циклонов для колов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в табл.4.

В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например, 414m означает 4-ех секционный аппарат с 14-ю элементами в глубину с m элементами по ширине (их может быть от 7 до 24).

Расчет батарейного циклона

Расчет батарейного циклона рекомендуется проводить в следующей последовательности.

1. Определяется расход газов, м³/с, при котором обеспечиваются оптимальные условия работы циклонного элемента, по формуле

,

где _ОПТ - оптимальная скорость потока в элементе, м/с (табл.4);

D - внутренний диаметр элемента, м.

Таблица 4. Технические характеристики батарейных циклонов серийного изготовления

Тип циклона, завод изготовитель, ОСТ или ТУ	Число элементов в секции n, шт.	Оптимальная скорость газа в элементе , м/с	Производительность по газу одной секции Q, м3/с	Коэффициент сопротивления	Область промышленного применения
ЦБ-254Р, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77, ОСТ 26-14-2003-77	25, 30, 40, 50, 60, 80	4,5	5,6…16,2	90	Очистка газа при температуре до 400 ОС
ЦБ-23IV, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77	12, 16, 20, 25, 30, 42, 56, 63	4,5	2,2…11,7	110	То же
ЦБ-2, Кусинский машиностроительный завод, ОСТ 108-033 взамен ОСТ 24-03-001	20, 25, 30	4,5	4,84…13,6	70	Очистка газа при температуре до 150 ОС
ПЦБ, карагандинский машиностроительный завод №2, ТУ 12-44-21-038-75	24, 36, 48, 96	3,5	4,2…15,7	150	Очистка газа при температуре до 120 ОС. Аппараты выпускаются во взрывобезопасном исполнении

2. Число циклонных элементов, необходимое для оптимальной работы батарейного циклона, определяется как

,

где Q - общий расход газа, м³/с.

3. По табл.4 подбирают батарейный циклон с ближайшим к n_ОПТ количеством циклонных элементов n. Число элементов выбранного батарейного циклона n желательно выбрать таким, чтобы оно не более чем на 10% отличалось от n_ОПТ.

Далее определяют действительную скорость потока в элементе, , м/с:

.

4. Потери давления (аэродинамическое сопротивление) в батарейном циклоне, Па:

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления, принимается по табл.4.

5. Необходимая площадь сечения батарейного циклона определяется по выражению:

,

где Z - число батарейных циклонов на котел;

V - количество очищаемого газа при нормальной нагрузке котла, м³/с.

6. Параметр улавливания определяется по приближенному выражению:

,

где d_i - средний диаметр фракции, мкм;

u_Д - скорость газов м/с.

6. По параметру П_i определяется степень уноса каждой фракции (по выражению _i=exp(-П_i)), а затем общая степень уноса золоуловителя:

,

где k - число фракций.

Положительный опыт длительной эксплуатации батарейных циклонов на многих электростанциях позволяет рекомендовать их для ряда случаев, в частности для очистки:

дымовых газов от золы при сжигании малозольных топлив, главным образом - бурых углей;

рециркуляционых газов котлов от золы с целью защиты дымососов системы рециркуляции от износа;

сушильного агента от невзрывоопасной угольной пыли, например марок АШ, в системах подготовки топлива.

3.1 Прочие инерционные золоуловители

Не так широко, как циклоны или батарейные циклоны применяются на ТЭС другие типы инерционных золоуловителей. Однако, в промышленной теплоэнергетике, металлургии, нефтегазовой промышленности, деревообрабатывающем производстве и некоторых других семейство циклонных пылеуловители представлено достаточно разнообразно. К ним относят:

жалюзийные пылеуловители;

вихревые пылеуловители;

отражательные инерционные пылеуловители;

ротационные пылеуловители.

Кроме того, для улавливания частиц размером от 100 до 1000 мкм применяют также осадительные камеры.

Жалюзийные пылеуловители - это аппараты для очистки газов от пыли инерционного действия. Движущийся в газопроводе запыленный поток встречается с жалюзийной решеткой, состоящей из ряда наклонно установленных пластин, рис.5.



Огибая пластины, струи газа резко меняют направление движения, проходят на другую сторону решетки и движутся в прежнем направлении. Частицы пыли, встречаясь с пластинами решетки, стремятся по инерции сохранить первоначальное направление движения, не огибают пластину, а ударяются о ее поверхность и отражаются в сторону, противоположную движению газов. Затем опять поворачивают по направлению газового потока, ударяются о следующую по ходу газов пластину и т.д. В результате газы, прошедшие через решетку, очищаются, а газы, оставшиеся по другую сторону решетки, обогащаются пылью. Эта часть газового потока (около 10% газов) направляется для окончательной очистки в другой пылеуловитель - циклон.

Жалюзийный пылеуловитель применяют для улавливания пыли размером >20 мкм.

Рис. 5. Схема действия жалюзийного пылеуловителя

Вихревые пылеуловители

Вихревые пылеуловители (ВПУ) - это аппараты центробежного действия для очистки газов от пыли. Отличительная особенность ВПУ - высокая степень очистки газов от тончайших фракций (<3...5 мкм) пыли. Существует две основные разновидности ВПУ: сопловой (рис.6, а) и лопаточный (рис.6, б).



Рис.6. Вихревые пылеуловители: сопловой (а) и лопаточный (б)

Процесс обеспыливания в ВПУ происходит следующим образом: запыленный газ поступает в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного закручивания запыленного газа в камеру 5 встроен лопаточный завихритель типа розетки 2. Двигаясь вверх к выходному патрубку 6, газовый поток подвергается воздействию вытекающих из завихрителя 1 (наклонные сопла в ВПУ соплового типа, наклонные лопатки в ВПУ лопаточного типа) струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное движение. Под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, частицы пыли устремляются к периферии, откуда спиральными струями вторичного потока перемещаются вниз аппарата, в кольцевое межтрубное пространство. Безвозвратный спуск пыли в бункер обеспечивается подпорной шайбой 3. Вторичный воздух в ходе спирального обтекания потока очищаемого газа постепенно проникает в него.

Отражательные инерционные пылеуловители - это аппараты для выделения пыли из газового потока, в которых происходит изменение направления газового потока. Сталкиваясь с каким-нибудь телом, обтекая его, частицы пыли или капли, обладающие большей инерцией, ударяются о поверхность тела и оседают на ней. Некоторые типы отражательных пылеуловителей приведены на рис.7.



Рис.7. Отражательные инерционные пылеуловители:

а - с перегородкой; б - с плавным поворотом газового потока; в - с расширяющимся конусом; г - с боковым подводом газа;

Ротационные пылеуловители

Ротационные пылеуловители - это аппараты для очистки газов от пыли, центробежного действия, которые одновременно с перемещением газов очищают его от фракций пыли крупнее 5 мкм. Конструктивная схема простейшего пылеуловителя ротационного типа представлена на рис.8.

Рис.8. Пылеуловитель ротационного типа:

1 - вентиляторное колесо; 2 - кожух; 3 - пылеприемное отверстие; 4 - выхлопной патрубок

При работе вентиляторного колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и двигаются по ней в направлении выходного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в пылевую трубу 4.

4. Мокрые золоуловители

Простейшим типом мокрого золоуловителя является центробежный скруббер (рис.9, а). Главным отличием его от сухого инерционного золоуловителя является наличие на внутренней стенке стекающей пленки воды. Отсепарированная за счет центробежных сил зола лучше отводится из скруббера в бункер, при этом уменьшается вторичный захват зольных частиц со стенки газовым потоком. Характер зависимостей описывается такими же теоретическими формулами, как и для сухих инерционных золоуловителей.

Золоуловитель тина МП-ВТИ (мокропрутковый конструкции Всесоюзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского) во входном патрубке 1 (рис.9, а) имеет шахматный пучок горизонтальных прутков диаметром 20 мм. Прутковые решетки орошаются водой, распыливаемой механическими форсунками, установленными но ходу очищаемых газов перед решетками. Улавливание золы в аппарате МП-ВТИ проходит две ступени: на орошаемых решетках за счет осаждения частиц золы и на внутренней орошаемой поверхности скруббера. Эффективность золоулавливания составляет 88...90%.

Недостатками золоуловителей МП-ВТИ кроме низкой эффективности золоулавливания являются следующие:

возникновение отложений золы в прутковых пучках, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и снижению нагрузки котла;

повышенный расход воды для обеспечения нормального функционирования золоуловителя.

Уральским отделением Союзтехэнерго совместно с ВТИ разработаны и внедрены на многих электростанциях более эффективные мокрые золоуловители с коагуляторами Вентури (рис.9, б). Основными достоинствами этих аппаратов являются стабильная степень очистки газов от золы, составляющая 94...96% при умеренном аэродинамическом сопротивлении (1100 -1300 Па), относительно небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, а также возможность работы на оборотной воде. Попытки осуществить питание аппаратов типа МП-ВТИ оборотной осветленной водой с золоотвала, чтобы избежать ее сброса в водоемы общего пользования, приводили к образованию в прутковых пучках трудноудаляемых минеральных отложений, серьезно нарушающих работу золоуловителя. При этом наблюдалось:

падение степени очистки газов;

возрастание аэродинамического сопротивления;

появление интенсивного брызгоуноса.

Коагуляторы Вентури могут устанавливаться как вертикально, так и горизонтально с небольшим уклоном.

Принцип работы мокрого золоуловителя с коагулятором Вентури заключается в следующем, рис.9, б. В конфузор 3 коагулятора через форсунки подается орошающая вода, которая дополнительно диспергируется (распыляется) скоростным газовым потоком на мелкие капли. Летучая зола при прохождении с дымовыми газами через коагулятор частично осаждается на каплях и на его орошаемых стенках. Далее капли и неуловленные частицы золы поступают в корпус аппарата - центробежный скруббер, где дымовые газы освобождаются от капель и дополнительно очищаются от золы, после чего дымососом выбрасываются в атмосферу. Гидрозоловая пульпа сбрасывается через гидрозатвор в канал системы гидрозолоудаления (ГЗУ).



Рис.9. Мокрые золоуловители:

а - центробежный скруббер; 1 - входной патрубок запыленного газа; 2 - корпус золоуловителя; 3 - оросительные сопла; 4 - выход очищенного газа; 5 - бункер; б - золоуловитель с коагулятором Вентури; 1 - входной патрубок запыленного газа; 2 - подача воды через оросительные сопла; 3, 4, 5 - конфузор, горловина и диффузор коагулятора Вентури; 6 - скруббер-каплеуловитель

В конфузоре пылегазовый поток разгоняется от 4...7 до 50...70 м/с. Дополнительное дробление капель воды осуществляется в горловине 4. В диффузоре 5 происходит столкновение частиц золы с каплями воды (кинематическая коагуляция) и снижение скорости пылегазового потока, который, в свою очередь, тангенциально вводится в скруббер.

Размер капель тем меньше, чем больше скорость газа в горловине. Средний диаметр капель d_К, м, можно определить

,

где u_r - скорость газа в горловине, м/с.

Захват частиц золы каплями может происходить по двум причинам:

быстро несущиеся со скоростью газов частицы золы попадают в капли, которые еще не успели разогнаться потоком газа. Тогда они попадают в каплю за счет разности скоростей (u_r- u_К), где u_К - скорость движения капли;

за счет турбулентных пульсаций частиц золы, которые попадают в практически мало пульсирующие капли.

Если принять за основу коагуляции второй механизм, то параметр золоулавливания для трубы Вентури определяется из выражения

,

где _Т - степень турбулентных пульсаций, определяемая как отношение скорости дрейфа к скорости газа в горловине;

q_Ж - удельный расход орошающей жидкое на 1 м³ очищаемого газа, л/м³;

L - расстояние между горловиной трубы и скруббером.

В отличие от других золоуловителей для мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури в формулу () для расчета параметра золоулавливания не входит диаметр частиц d. В первом приближении можно принять, что все частицы от мелких до крупных улавливаются одинаково, и их дисперсный состав не учитывать.

В отечественной практике применение получили два тина мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури: МВ-УО ОРГРЭС и МС-ВТИ. Первый тип золоуловителя выполняется с вертикальным и горизонтальным расположением коагулятора Вентури круглого сечения, второй только с горизонтальным расположением трубы прямоугольного сечения.

Основные характеристики золоуловителя МС-ВТИ представлены в табл.5.

Таблица 5 Типоразмеры золоуловителей МС-ВТИ

Каплеуловитель	Горловина трубы Вентури
Диаметр, м	Высота, м	Активная площадь сечения, м2	Сечение входного патрубка, м2	Размеры, м	Площадь сечения, м2
2,8	9,66	5,72	1,37	0,391,17	0,455
3	10,32	6,6	1,67	0,431,23	0,53
3,2	10,98	7,54	1,95	0,481,4	0,644
3,6	12,2	9,62	2,41	0,451,8	0,81
4	13,61	11,93	3	0,502	1
4,5	15,25	15,2	3,88	0,572,28	1,3

Расчет золоуловителей подобного типа ведется в следующей последовательности.

1. Определяется диаметр каплеуловителя, м, причем скорость газов в его сечении принимается в среднем =5 м/с:

,

где Q - общий расход газа м³/с.

Затем по табл. 5 подбирают типоразмер аппарата.

2. В зависимости от принятой степени проскока находят по табл. 3 параметр золоулавливания П и выбирают q_Ж и u_r, таким образом, чтобы соблюдалось равенство

.

Обычно u_r=50...70 м/с, q_Ж=0,12...0,2 кг\м³.

3. Определяют площадь сечения горловины Вентури по выражению

.

По табл.5 подбирают сечение горловины и корректируют соответственно действительную скорость газов.

По выражению уточняют значение П и, затем, по табл.3 степень проскока .

4. Общее гидравлическое сопротивление коагулятора Вентури и каплеуловителя, Па, рассчитывается по формуле:

,

где - плотность газа перед золоуловителем, кг/м3;

u_ВХ - скорость газа при входе в каплеуловитель, равная

.

Обычно u_ВХ=20 м/с.

5. Конечная допустимая температура очищенных газов, ^ОС, принимается исходя из известной точки росы водяных паров t''_Р из соотношения:

t t''_Р +21.

Не рекомендуется применять мокрые золоуловители для топлив, содержащих в составе золы более 15...20% оксида кальция СаО. Приведенная сернистость топлива должна быть не более 0,3 %кг/МДж. Жесткость орошаемой воды не должна превышать 15 мг-экв/л.

В соответствии с п.5 температуру газов за мокрым золоуловителем следует поддерживать не менее чем на 21 ^ОС выше точки росы для предотвращения коррозии газоходов.

Обязательным условием нормальной работы мокрого золоуловителя является предотвращение отложений в его орошающих устройствах. Чтобы обеспечить это условие, прежде всего необходимо очистить орошающую воду от механических примесей, для чего применяются гравийные фильтры.

Основной причиной возникновения отложений является кристаллизация солей кальция из пересыщенной ими орошающей воды или пульпы, а также недостаточное по различным обстоятельствам орошение каких-либо участков стенок золоуловителя. Орошающая вода не должна быть пересыщена сернокислым кальцием (СаSO₄), что можно достигнуть, например, добавкой к оборотной воде некоторого количества свежей воды.

При проектировании мокрых золоуловителей следует учитывать, что SO₂ и SO₃ содержащиеся в дымовых газах, частично растворяются в пульпе. При этом если диоксид серы улавливается в мокром золоуловителе до 25%, то триоксид серы до 85%. В результате рН пульпы снижается до 3,5 и требуется защита стенок золоуловителя от коррозии. Улавливание SO₃ приводит также к изменению точки росы дымовых газов.

5. Электрофильтры

Одним из хорошо зарекомендовавших себя и перспективным типом золоуловителей для крупных ТЭС являются электрофильтры, которые могут обеспечить высокую степень очистки газов при аэродинамическом сопротивлении не более 150 Па практически без снижения температуры и без увлажнения дымовых газов.

Рис.10. Принцип работы электрофильтра:

1 - осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 - частицы золы; 4 - электрическое поле; 5 - слой осевшей золы; 6 - заряженная зола

В электрофильтрах запыленный газ движется в каналах, образованных осадительными электродами 1 (рис.10), между которыми расположены через определенное расстояние коронирующие электроды 2.

Сущность процесса электрической очистки газов заключается в следующем. Запыленный газ проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов 7 и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов 2, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком.

При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (ток короны).

Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток, который и представляет ток короны. Частицы золы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов.

Процесс электрогазоочистки можно разделить на следующие стадии:

зарядка взвешенных в газе частиц;

движение заряженных частиц к электродам;

осаждение частиц на электродах;

удаление этих частиц с электродов.

Коронный разряд возникает при достижении определенной напряженности и электрического ноля, называемой критической или начальной, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении н температуре 20 ^ОС составляет около 15 кВ/см. При дальнейшем повышении напряженности нарушается электрическая прочность газового промежутка между электродами, наступает искровой или дуговой электрический разряд.

К коронирующим электродам подводится отрицательный заряд, так как подвижность отрицательных ионов выше положительных. Кроме того, при отрицательной короне удается поддержать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами.

Рис.11. Электрофильтр типа УГ:

1 - корпус; 2 - электрод осадительный; 3 - электрод коронирующий; 4 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 - механизм встряхивания осадительных электродов; 6 - газораспределительная решетка; 7 - бункер для золы; 8 - изолятор

Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными.

На большинстве электростанций, оснащенных электрофильтрами, применены аппараты тина УГ (унифицированный горизонтальный). Запыленные газы после газораспределительной решетки 6 (рис.11) поступают в коридоры, образованные вертикально висящими широкополосными осадительными электродами С-образной формы. Коронирующие электроды представляют собой профильные ленточные элементы с штампованными иглами, укрепленные в специальной рамке. Для удаления осевшей на электродах золы предусмотрены встряхивающие устройства в виде молотков, ударяющих по наковальням электродов. Осевшая зола попадает в бункера и затем через гидравлические затворы направляется в систему ГЗУ. Расчетная температура газов до 250 ^ОС.

Электрические поля имеют самостоятельное питание и систему встряхивания. На рис.11 показан трехпольный электрофильтр типа УГ. В первом поле оседает наибольшее количество золы, в последнем - минимальное.

Важным условием, определяющим эффективность работы электрофильтра, является агрегат электрического питания. Каждый агрегат обслуживает одно поле (или половину поля), состоит из трех узлов:

повысительно-выпрямительного блока с высоковольтным распределительным устройством;

блока магнитных усилителей;

дросселей и пульта управления.

Для поддержания напряжения в любой момент работы электрофильтра на грани пробивного, когда обеспечивается наилучшая ионизация газов, применена автоматическая схема регулирования. Электрофильтры серии УГ имеют две разновидности: УГ2 - с высотой электрода 7,5 и активной длиной каждого поля 5 м и УГЗ - с высотой электрода 12,2 и длиной поля 4 м.

Число полей n в каждом электрофильтре может быть три и четыре. Поперечные сечения для прохода газов F_r, м², для электрофильтров УГ2 имеют следующие значения: 26, 37, 53, 74; для электрофильтров УГЗ: 88, 115, 177, 230, 265. Параметры золоулавливания электрофильтра рассчитываются по выражению

П=f,

где - скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения);

f=A/V - удельная площадь поверхности осаждения на 1 м³/с очищаемого газа. Здесь А - площадь поверхности канала золоулавливания, м²; V - расход газа, м³/с.

Степень осаждения определяется двумя факторами - скоростью дрейфа частиц золы и удельной поверхностью осаждения f . Увеличивая f, можно получить высокую степень улавливания, однако это связано с большими расходами металла и увеличением габаритов электрофильтров.

Скорость дрейфа , м/с, определяется в основном электрическими характеристиками электрофильтра и пылегазового потока и выражается как:

,

где ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы;

Е_З - напряженность электрического поля зарядки, В/м;

Е_ОС - напряженность электрического поля осаждения, В/м.

Из приведенного выражения следует, что скорость дрейфа пропорциональна произведению напряженностей полей зарядки и осаждения и диаметру частицы (влияние остальных факторов менее существенно). Однако определить теоретическим путем величины Е_З и Е_ОС затруднительно, из-за чего расчет но приведенному выражению возможен при наличии опытных данных но электрическим характеристикам.

Основными факторами, определяющими скорость дрейфа, являются электрические свойства пылегазового потока и в первую очередь электрическое сопротивление золы. На рис.12, а показана зависимость удельного сопротивления летучей золы , 0мм, при работе электрофильтра от температуры. Максимум электрического сопротивления золы соответствует температуре 100...130 ^ОС. Наибольшее имеет зола углей с малым содержанием горючих в уносе, низким содержанием серы и влаги в топливе. К углям, зола которых имеет наиболее высокое электрическое сопротивление, относятся экибастузский и кузнецкий каменные угли. На рис.12, б показано изменение скорости дрейфа от удельного сопротивления . В области =10⁸...10⁹ 0мм происходит резкое падение скорости дрейфа.

Рис.12. Влияние удельного сопротивления летучей золы на работу электрофильтра:

а - зависимость удельного сопротивления летучей золы при работе электрофильтра от температуры; б - зависимость скорости осаждения от удельного сопротивления пыли; 1 - цементная пыль; 2 - зола уноса котлов

Анализ работы электрофильтров на ТЭС показал, что основная причина менее эффективной очистки заключается в высоком удельном электрическом сопротивлении (УЭС) слоя золы, образующемся на осадительных электродах электрофильтра. Вследствие высокого УЭС проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению потенциала поверхности слоя, увеличению падения напряжения в слое при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные разряды. Это явление, вызывающее образование и выброс в межэлектродное пространство ионов со знаком, обратным знаку ионов, образующихся в основном процессе, принято называть обратной короной. Положительные ионы, образовавшиеся в зоне обратной короны, под действием электрического ноля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы, заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень очистки газов в электрофильтре. Устойчивая обратная корона характеризуется появлением в слое пыли точек локализованных разрядов голубого цвета.

Высокое УЭС летучей золы обусловлено как параметрами дымовых газов (концентрация серного ангидрида и зависящая от него кислотная точка росы, парциальное давление водяных паров, температура газов и др.), так и химическим составом самой золы, главным образом соотношением в ней алюмосиликатов (Al₂O₃+SiO₂) и щелочных металлов, в первую очередь натрия и лития. При определенной комбинации низких содержании серы, водорода и влаги в угле с низкими концентрациями щелочных металлов в золе при общепринятых в котельной практике температурах уходящих газов 120...150 ^ОС удельное электрическое сопротивление золы вырастает до 10¹⁰...10¹² 0мм. При таких параметрах обратная корона возникает и развивается в электрофильтре исключительно быстро.

На степень улавливания золы большое влияние также оказывает равномерность распределения поля скоростей дымовых газов по сечению электрофильтра. С целью создания достаточно равномерного поля скоростей газов на входе в электрофильтр устанавливают газораспределительные решетки.

Современные электрофильтры серии ЭГА - горизонтальные, модификации А, изготавливаются в широком диапазоне типоразмеров при глубокой унификации узлов и деталей. Такие фильтры рассчитаны на максимальную температуру газов до 330 ^ОС. Электродная система - система, составленная из широкополосных (ширина элемента 40 мм) элементов открытого профиля и рамных коронирующих электродов с игольчатыми элементами. Шаг между одноименными элементами составляет 300 мм. В электрофильтрах по ширине размещается от 10 до 88 газовых проходов. Номинальная высота электродов принимается из ряда 6; 7,5, 9; 12 м.

В связи с повышением мощности энергоблоков потребовалось создание двухъярусного фильтра. Для энергоблоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1 разработан и изготовлен на базе серии ЭГА электрофильтр типа ЭГД (горизонтальный, двухъярусный) (рис.13).

Электрофильтры серии УВ (рис.14) - унифицированные вертикальные пластинчатые сухие для очистки газов с температурой до 250 ^ОС, выпускаются взамен электрофильтров ДВП и ДВПН. Электрофильтры типа УВ имеют одно поле активной длины 7,4 м и разделены по газу на одну - три секции. Осадительные электроды - пластинчатые с нижним молотковым стряхиванием. Коронирующие электроды - рамные с верхним подвесом и молотковым встряхиванием.

Электрофильтры УВ рассчитаны на невысокую запыленность газов и скорость их в активном сечении до 1 м/с.

Расчет электрофильтра для ориентировочного определения его размеров ведется в следующем порядке.

Рис.13. Электрофильтр типа ЭГД:

1 - подводящие газоходы; 2 - газораспределительная решетка; 3 - коронирующий электрод; 4 - осадительный электрод; 5 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 6 - механизм встряхивания осадительных электродов; 7 - бункер для пересыпки золы из верхнего яруса

Рис.14. Электрофильтр УВ

1. Определяется активное сечение для прохода газов, м², эктрофильтра:

,

где Z - число параллельно включенных корпусов (рекомендуется устанавливать один-два корпуса на котел, обычно по числу выбранных дымососов);

u - скорость газов в активном сечении, принимается для золы с неблагоприятными характеристиками (>510⁹ 0мм) в пределах 1,3--1,5 м/с, для остальных топлив ((<510⁹ 0мм до 1,8 м/с).

Далее подбирается ближайшее поперечное сечение электрофильтра _Д, выбирается высота электрода и уточняется действительная скорость газов для подобранного сечения.

2. Принимается схема газораспределения электрофильтра и оценивается степень заполнения объема m. По заданной степени уноса определяется степень уноса при равномерном потоке _Р, по выражению

.

Степень заполнения m определяется экспериментально на моделях электрофильтра с примыкающими газоходами.

3. По табл.3 определяется по найденной степени уноса при равномерном поле параметр золоулавливания П.

4. Задаваясь скоростью дрейфа в зависимости от используемого на ТЭС топлива рассчитывается поверхность осаждения