Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

пылеулавливание циклон коксовый химический

Длительное время локальные загрязнения атмосферы сравнительно быстро разбавлялись массами чистого воздуха. Пыль, дым, газы рассеивались воздушными потоками и выпадали на землю с дождем и снегом, нейтрализовались, вступая в реакции с природными соединениями. Сейчас объемы и скорость выбросов превосходят возможности природы к их разбавлению и нейтрализации. На земном шаре практически невозможно найти место, где бы ни присутствовали в той или иной степени загрязняющие вещества. Кемеровская область, по данным статистики, сегодня находится в числе самых загрязненных регионов России.

Проблема загрязнения атмосферного воздуха в Кемеровской области одна из наиболее острых экологических проблем, так как основная часть населения проживает в районах, где концентрации загрязняющих веществ регулярно превышают предельно допустимые уровни. Наиболее загрязненными городами являются Новокузнецк и Белово.

Развитие угольной, металлургической, химической, машиностроительной, энергетической и других отраслей промышленности обусловливает качественный и количественный состав промышленных выбросов, поступающих в атмосферу. Исследования воздуха в городах показали, что наряду с присутствием в нем некоторых общих ингредиентов каждому присущи особенности.

Загрязнение атмосферы в Кемеровской области является результатом чрезвычайно высокой концентрации различных производств. На небольшой территории в 95,7тыс. км² из 1509 предприятий, контролируемых комитетом по выбросам загрязняющих веществ, расположены:

-30 предприятий черной и цветной металлургии;

-127 предприятий угледобычи и углепереработки;

-19 объектов теплоэнергетики;

-14 предприятий химии;

-88 предприятий машиностроения и металлообработки;

-194 предприятия стройиндустрии;

-300 предприятий железнодорожного, автомобильного транспорта и дорожного хозяйства;

-предприятия сельского хозяйства, пищевой, легкой, мебельной промышленности, большое количество котельных и др.

Основная часть валового выброса в атмосферу вредных веществ берет начало от сгорания различных видов топлива.

Загрязнение атмосферного воздуха происходит в процессе угледобычи на угольных разрезах и шахтах, при транспортировке угля, а также при переработке его на углеобогатительных фабриках.

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха при добыче угля в шахтах - отвалы пустой породы, угольные склады и главные вентиляционные стволы шахт. Большое количество породы, поступаемой из шахт, со значительным содержанием угля приводит к самовозгоранию терриконов.

Химическая промышленность почти на 85% сконцентрирована в областном центре. Химические предприятия оснащены устаревшей технологией, что затрудняет осуществление мероприятий по охране внешней среды.

Все электростанции и котельные в качестве топлива сжигают кузнецкий каменный уголь (в основном отходы обогащения). Уголь обладает высокой зольностью и низкой теплотворной способностью, что увеличивает расход его и соответственно приводит к увеличению валовых выбросов в атмосферу пыли, сажи и сернистых соединений.

Характерная особенность крупных металлургических заводов - стабильность загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, а также незначительное снижение их концентраций по мере удаления от источников выброса.

Металлургические заводы являются промышленными предприятиями с технологическим комплексом, в котором применяются механические, термические и химические процессы, сопровождающиеся выделением в дымовые газы и окружающую среду твердых или жидких частиц.

Технологические процессы металлургического производства происходят при высокой температуре. В результате термических реакций твердое топливо и другие сыпучие материалы растрескиваются и разрушаются, а получающиеся при этом мельчайшие частицы в виде пыли уносятся дымовыми газами. При воздействии высокой температуры одновременно может происходить испарение металлов, флюсов и других материалов. Пары этих веществ попадают в дымовые газы и после их охлаждения образуют взвешенные в газе мельчайшие твердые или жидкие частицы.

Процессы обработки и транспортировки коксовых материалов при производстве анодной массы сопровождаются интенсивным выделением коксовой пыли в атмосферу. Это обусловлено низкой эффективностью очистки воздуха пылеулавливающими аппаратами. Выделившиеся вредные газы и твердые отходы оказывают сильное влияние на окружающую среду.

Для устранения проблемы с вредными выбросами, необходимо искать решения в различных направлениях. Одним из таких направлений является модернизация существующего газоочистного оборудования предприятия.

Цель работы - повышение эффективности работы систем пылеулавливания прокалочных печей ОАО «РУСАЛ Новокузнецк».

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

-определить основные физико-химические свойства пыли;

-оценить степень пылеулавливания существующего батарейного циклона БЦ_250Р_64_64 после модернизации;

-определить метод обеспыливания газов для обеспечения эффективного улавливания, используя физико-химические свойства коксовой пыли;

Для решения поставленных задач предлагается повысить до 70% эффективность улавливания частиц пыли размерами более 1 мкм за счет модернизации батарейного циклона БЦ_250Р_64_64 путем применения комплекса пыле- и золоудаления конструкции ООО «Томскгазоочистка», а также обеспечить эффективное (до 90%) улавливание частиц размерами менее 1 мкм за счет введения дополнительной ступени очистки на базе скруббера с трубой вентури.

Модернизация систем пылеулавливания позволит снизить объемы вредных выбросов и улучшить экологическую обстановку.

1. Общие сведения

1.1Общие сведения о предприятии

Новокузнецкий алюминиевый завод (сокращенно ОАО «РУСАЛ Новокузнецк») входит в состав компании «РУСАЛ», объединяющей пятнадцать алюминиевых заводов из которых заводов: двенадцать - в России, остальные на Украине, в Нигерии и Швеции. На долю ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» приходится 7,5% всего производимого в России алюминия и около 2% мирового производства. Проектная мощность завода составляет 350 тысяч тонн. В 2011 году Новокузнецкий алюминиевый завод произвел более 326 тысяч тонн первичного алюминия.

Основным видом деятельности предприятия является производство и реализация:

-алюминия первичного и на его основе сплавов, полуфабрикатов из металлов и сплавов;

-анодной массы, подовой массы, фтористых солей.

В состав предприятия входят следующие основные производства и цеха:

-электролизное производство, в т. ч. участок производства фтористых солей, участок транспортировки глинозема и фтористых солей;

-литейное производство;

-анодное производство.

Кроме того, в состав завода входят: энергоцех, ремонтно-механический цех, железнодорожный цех, шламовые поля, очистные сооружения, полигон твердых отходов производства, станция водозабора.

Сложная экологическая обстановка во многих субъектах Российской Федерации - не столько результат кризисных явлений в экономике страны, сколько следствие накопленных за многие десятилетия структурных деформаций хозяйства, приведших к доминированию ресурсо- и энергоемких технологий, сырьевой ориентации экспорта, падению технологической дисциплины, а также к чрезмерной концентрации производства в экономически развитых регионах страны. Это напрямую касается и г. Новокузнецка, в котором на небольшой территории сконцентрировано значительное количество экологически опасных производств, одним из которых является завод по производству алюминия. В городах области зарегистрирован высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха. Загрязнение атмосферного воздуха в Новокузнецке обусловлено выбросами бенз(а)пирена, фторида водорода, диоксида азота, оксида углерода, ПДК которых представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - ПДК некоторых веществ в воздухе

Химическое вещество	Формула	Суточная доза ПДК мг/м3 / ppm	Разовая доза ПДК мг/м3	Молярная масса г/моль
Водород фтористый	HF	0,1 / 0.12	0,5	20,007
Диоксид азота	NO2	2 / 1,6	10	44,01
Углерода оксид	CO	20 / 17.18	100 / 85,9	28,01
Углерода диоксид	CO2	9000 / 4923	27000	44,01

Cреднегодовая концентрация оксида углерода составляет 1,4 ПДК, оксида азота - 1,2 ПДК. Средний уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Новокузнецке бенз(а)пиреном выше ПДК в 1,4…6,3 раза.

Технологический процесс алюминия включают 4 этапа: 1) получение чистого глинозема; 2) получение криолита и фторида алюминия; 3) изготовление малозольных угольных электродов; 4) электролиз криолино-глиноземных расплавов. На первых этапах в атмосферу выбрасывается бокситная пыль, на последнем - пыль кальцинированной руды. Во время кальцинации глинозема, спекания и выжигания вынос пыли глинозема достигает 150…200% от полученной продукции. В процессе получения фторида алюминия и криолита атмосфера загрязняется газообразным HF, который преобразуется в едкую плавиковую кислоту (фтороводородная кислота). В атмосферном воздухе в районе расположения алюминиевых предприятий концентрация фторида натрия (NaF) колеблется от 0,1 до 19,5 мг/м³, фторид кальция (CaF₂) - до 24,2 мг/м³. В выбросах алюминиевых производств содержатся также полициклические ароматические углеводороды, в частности: бенз(а)пирен (C₂₀H₁₂), бенз(а)антрацен, дибенз(а)антрацен (C₁₈H₁₂) - сильнейшие канцерогены.

Многочисленные исследования, проводившиеся экологами и врачами города, существующего алюминиевого завода, свидетельствуют о том, что пары наносят катастрофический урон здоровью человека и его потомства. В структуре заболеваемости населения крупных городов Кузбасса отмечаются неблагоприятные тенденции: рост новообразований, болезней эндокринной системы, психических расстройств. По данным статистического отдела областного комитета по здравоохранению по уровню общей заболеваемости взрослого населения 1 место занимают болезни органов дыхания - 18%. На 2 месте в структуре общей заболеваемости взрослого населения находятся болезни нервной системы. На 3 месте находятся болезни системы кровообращения - 12.8%.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются электролизное и анодное производство (табл. 1.2.).

Таблица 1.2 - Перечень основных загрязнителей производств

Загрязнитель	Основное действие на здоровье
Оксид углерода (CO)	Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. Превращает гемоглобин в метгемоглобин, нарушая перенос кислорода кровью, вступает в соединение с цитохромом, с железосодержащим ферментом тканевого дыхания, прерывая цепь окислительно-восстановительных реакций.
Диоксид серы (SO2)	Образуется при сжигании серы в воздухе или кислороде. Действует раздражающе на слизистые оболочки дыхательных путей и слизистую глаз. Хроническое воздействие приводит к возникновению бронхитов и др. респираторных заболеваний, тем самым снижая иммунитет
Диоксид азота (NO2)	Оксиды азота образуются, в основном, в процессе сгорания органического топлива при высоких температурах и затем в атмосфере трансформируются в NO2. Взаимодействует с водой с образованием азотной кислоты и окиси азота: 3NO2 + Н2О = 2HNO3 + NO; со щелочами образует нитраты и нитриты. Ухудшает показатели крови и дыхательной функции, вызывает повышенную респираторную заболеваемость.
Фтористый водород (HF)	Проникая в организм ингаляционным путем, поражает верхние дыхательные пути. При остром отравлении возникает токсический ларингит, бронхит, в более тяжелых случаях - отек легких, пневмония.
Бенз(а)пирен(С20Н12)	Полициклический ароматический углеводород, токсичное вещество первого класса опасности, обладающее канцерогенными свойствами, образуется при сгорании углеводородного жидкого, твердого и газообразного топлива. Обладает канцерогенной активностью, которая усиливается в присутствии диоксида серы и азота. Влияет на частоту онкологических заболеваний (кожи, легких, желудочно-кишечного тракта).
Пыль	Наибольшую опасность представляет пыль с размерами частиц 0,25 до 5 мкм, глубоко проникающая в дыхательные пути и достигающая авеол. Более крупные частицы задерживаются слизистой оболочкой верхних дыхательных путей. Пыль органического происхождения, становясь аллергеном, вызывает ринит, бронхит, бронхиальную астму. Наличие пыли микроорганизмов и вирусов может приводить к инфекционным заболеваниям (бронхит, пневмония). Пыль, содержащая химические вещества может стать причиной лучевых поражений. Смесь пыли и сажи в виде аэрозоля приводит к развитию онкологических заболеваний.

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32...60% глинозема Al₂O₃. Алюминий получают из оксида алюминия Al₂O₃ электролитическим методом.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050°C), поэтому требуется слишком много энергии.

Глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите - минерале состава AlF₃·3(NaF). Этот расплав и подвергают электролизу при температуре всего около 950°C на алюминиевых производствах. Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na₃ (AlF₆) и оксида алюминия, что возможно при 950°C.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO₂.

Для производства анодной массы применяют малозольные углеродистые материалы, а также (в незначительных количествах) отходы электродного и электролизного производств. Из анодной массы формируют аноды для алюминиевых электролизеров, служащие для подвода тока к криолит-глиноземному расплаву.

Рисунок 1.1 - Нефтянной кокс

Нефтяной кокс - это твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья. Элементный состав сырого, или непрокаленного, К. н. (в %): 91...99,5 С, 0,035...4 Н, 0,5...8 S, 1,3...3,8 (N + О), остальное - металлы.

Целью процесса прокалки кокса для производства анодной массы является удаление из него влаги, летучих веществ и улучшение физико-химических свойств.

В прокалочном отделении расположены четыре технологические линии прокаливания кокса. Процесс прокалки осуществляется в трубчатых вращающихся печах диаметром 3 метра и длиной 45 метров. Производительность печи до 17,5 т/час в зависимости от вида прокаливаемых коксов. Термообработка коксов производится в противотоке материала и газового потока, который образуется в результате сгорания топлива (мазута), части летучих и углерода кокса. Для обеспечения процесса сгорания топлива осуществляется организованная подача воздуха в топку с помощью дутьевых вентиляторов. Питание прокалочных печей производится с помощью ленточных весовых дозаторов непрерывного действия, управляемых в дистанционном или автоматическом режиме.

Рисунок 1.2 - Прокалочная печь

Утилизация отходящих с прокалочных печей газов осуществляется в котельном отделении, где расположены 4 котельных агрегата БГМ-35М (по одному на каждую прокалочную печь). Котлы могут работать как в чисто утилизационном режиме, т. е. только на отходящих газах, так и в режиме утилизации с подсветкой мазутом.

В состав объекта входит следующее технологическое оборудование: прокалочные печи, холодильники, вентиляторы, дымососы, питатели, ленточные весовые дозаторы, задвижки, насосы, питательные электронасосы, редукционно-охладительные установки и т. д.

Эффективность работы существующего оборудования газоочистки батарейных циклонов низкая - около 40% (по проекту 85%). Требуется достичь эффективности улавливания коксовой пыли ГОУ?90%. Приоритетом обладают сухие методы пылеулавливания, т. к. уловленная коксовая пыль является сырьем для производства анодной массы.

На предприятии необходимо установить новое пылеулавливающее и газоочистное оборудование или модернизировать старое, в целях уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

1.2Методы обеспыливания газов

Для решения задач пылеулавливания в настоящее время широко используются различные аппараты: инерционные пылеотделители «сухой» очистки газов (батарейные и групповые циклоны); инерционные пыле отделители «мокрой» очистки газов (скруббер); а также электрофильтры и рукавные фильтры. Выбор конкретной конструкции пылеуловителя и способа очистки газа определяется технологическими условиями, экономической целесообразностью, физико-химическими свойствами и дисперсным составом улавливаемой пыли, физико-химическими свойствами газа и т. д.

1.2.1Мокрые пылеуловители

При мокром пылеулавливании достигается контакт запыленного потока с жидкостью в виде капель или пленки. Пыль, имеющая связывающую воду свойство, прилипает к поверхности жидкости и удаляется с ней. Недостаток мокрого пылеулавливания - образование загрязненных стоков, которые необходимо очищать. Однако при мокром пылеулавливании достигается высокая степень очистки (улавливаются частицы размером до 0,1 мкм). Мокрые пылеуловители целесообразно использовать для одновременного с пылеулавливанием охлаждения или увлажнения газа, улавливания вместе с пылью брызг и тумана, абсорбции газовых примесей.

К недостаткам мокрых пылеуловителей относятся также наличие отложений частиц пыли на оборудовании и трубопроводах и их забивание шламом; повышенный расход жидкости, обычно воды, вследствие брызгоуноса; необходимость защиты оборудования и трубопроводов от коррозии, особенно в случае агрессивных газов; невозможность работы при температурах ниже 0^оС - вода замерзает; необходимость установки дополнительных каплеуловителей для скоростных газопромывателей.

Мокрые пылеуловители классифицируются:

-по типу поверхности контакта фаз: полые оросительные, насадочные с подвижной и неподвижной насадкой, тарельчатые (барботажные и пенные) и пленочные (циклоны, вихревые аппараты с водяной пленкой);

-по способу действия: гравитационные (оросительные), проточные (насадочные, тарельчатые), центробежные (пленочные циклоны, вихревые аппараты), ударно-инерционные (ротоклоны), струйные (трубы Вентури, эжекторы) и механические (механические и динамические скрубберы) газопромыватели. К мокрым пылеуловителям можно отнести также мокрые электрофильтры, орошаемые волокнистые фильтры, воздушные масляные фильтры, аппараты конденсационного принципа действия.

По затратам энергии мокрые пылеуловители разделяют на три группы: низконапорные - с гидравлическим сопротивлением до 1500 Па (оросительные, тарельчатые, центробежные и др.), средненапорные с сопротивлением от 1500 до 3000 Па (насадочные, механические, ударно-инерционные, эжекторы) и высоконапорные (трубы Вентури и дезинтеграторы).

В мокрых пылеуловителях применяют распределительные устройства потока жидкости. Для этого в основном используют форсунки и оросители. Первые предназначены для тонкого распыления жидкости, а также для увеличения поверхности контакта фаз; вторые - для равномерного распределения жидкости по стенке или всему сечению аппарата.

В аппаратах мокрой пылеочистки применяют механические (центробежные, ультразвуковые), пневматические, где распыление осуществляют подачей газа, и электрические форсунки. Наиболее распространены механические форсунки. Они относительно просты, стоимость их незначительна, надежны в эксплуатации, энергозатраты на распыление 1 т жидкости 24…20 кВт, размеры капель от 0,001 до 3,5 мм.

Оросители отличаются конструктивно в зависимости от типа орошения (точечное, зональное и сплошное). Их изготавливают в виде желобов с боковыми прорезями или отверстиями, перфорированных труб, стаканов, дисков, торов и т. д. [2].

Трубы Вентури- эффективные высоконапорные мокрые пылеуловители струйного действия. Часто конструкции их геометрически различны, однако все они имеют трубы-распылители, где запыленный поток газа движется со скоростью до 150 м/с, распыляя при этом поток жидкости. Труба-распылитель имеет сужение, куда подают жидкость и где наиболее интенсивно она распыляется и взаимодействует с потоком газа (рис. 1.3). Орошение жидкостью может быть форсуночным с центральной форсункой (рис. 1.3 а), периферийным (рис. 1.3 б), пленочным с подачей жидкости в виде пленки в центральную зону (рис. 1.3 в) и бесфорсуночным (рис. 1.3 г). Последнее предпочтительно при использовании сильнозагрязненной, оборотной жидкости.

Возможно совместное пленочное и форсуночное орошение. Однако следует отметить, что форсуночное орошение обеспечивает более тонкое диспергирование капель и более высокую степень пылеулавливания по сравнению с пленочным. Имеется конструкция трубы Вентури с центральным регулирующим конусом, который перемещают вдоль оси трубы в диффузорной части [3]. Задвигая конус в сужение, уменьшают кольцевой зазор и повышают скорость потока газа. Типоразмеры трубы Вентури обеспечивают производительность по газу в диапазоне 2 - 500 тыс. м³/ч. Промышленность выпускает трубу Вентури, скомпонованную с циклоном типа ЦВП (газопромыватель КМП). Расход запыленного газа составляет от 7 до 140 тыс. м³/ч. После трубы Вентури часто устанавливают каплеуловитель [3].

Рисунок 1.3 - Конструкции трубы Вентури

1.2.2Электрические пылеуловители

В электрофильтре очистка газов от твердых и жидких частиц происходит под действием электрических сил. Частицам сообщается электрический заряд, и они под действием электрического поля осаждаются из газового потока. Общий вид электрофильтра приведен на рисунке 1.4.

1 - осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 - рама; 4 - высоковольтный изолятор; 5 - встряхивающее устройство; 6 - верхняя камера; 7 - сборник пыли.

Рисунок 1.4 - Электрофильтр

Процесс обеспыливания в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа через электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах.

Зарядка частиц - первый основной шаг процесса электростатического осаждения. Большинство частиц, с которыми приходится иметь дело при промышленной газоочистке, сами по себе несут некоторый заряд, приобретенный в процессе их образования, однако эти заряды слишком малы, чтобы обеспечить эффективное осаждение. На практике зарядка частиц достигается пропусканием частиц через корону постоянного тока между электродами электрофильтра. Можно использовать и положительную и отрицательную корону, но для промышленной газоочистки предпочтительнее отрицательная корона из-за большей стабильности и возможности применения больших рабочих значений напряжения и тока. При очистке воздуха используют только положительную корону, так как она дает меньше озона.

Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды. Первый электрод в простейшем виде представляет собой проволоку, натянутую в трубке или между пластинами, второй - представляет собой поверхность трубки или пластины, окружающей коронирующий электрод (рис. 1.5).

На коронирующие электроды подается постоянный ток высокого напряжения 30 - 60 кВ. Коронирующий электрод обычно имеет отрицательную полярность, осадительный электрод заземлен. Это объясняется тем, что корона при такой полярности более устойчива, подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Последнее обстоятельство связано с ускорением зарядки пылевых частиц.

а б в

а) процесс электрического осаждения частиц; б) электрофильтр с трубчатым электродом, в) электрофильтр с пластинчатым электродом, 1 - коронирующий электрод; 2 - осадительный электрод; 3 - агрегат электропитания; 4 - электрон, 5 - молекула газа; 6 - осаждаемая частица

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема работы электрофильтра

После распределительных устройств обрабатываемые газы попадают в проходы, образованные коронирующими и осадительными электродами, называемые межэлектродными промежутками. Сходящие с поверхности коронируюших электродов электроны разгоняются в электрическом поле высокой напряженности и приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Сталкивающиеся с электронами молекулы газов ионизируются и начинают ускоренно двигаться в направлении электродов противоположного заряда, при соударении с которыми выбивают новые порции электронов. В результате между электродами появляется электрический ток, а при некоторой величине напряжения образуется коронный разряд, интенсифицирующий процесс ионизации газов. Взвешенные частицы, перемещаясь в зоне ионизации и сорбируя на своей поверхности ионы, приобретают в конечном итоге положительный или отрицательный заряд и начинают под влиянием электрических сил двигаться к электроду противоположного знака. Частицы сильно заряжаются на первых 100…200 мм пути и смещаются к заземленным осадительным электродам под воздействием интенсивного поля короны. Процесс в целом протекает очень быстро, на полное осаждение частиц требуется всего несколько секунд. По мере накопления частиц на электродах их стряхивают или смывают.

Коронный разряд характерен для неоднородных электрических полей. Для их создания в электрофильтрах применяют системы электродов типа точка (острие) - плоскость, линия (острая кромка, тонкая проволока) - плоскость или цилиндр. В поле короны электрофильтра реализуются два различных механизма зарядки частиц. Наиболее важна зарядка ионами, которые движутся к частицам под действием внешнего электрического поля. Вторичный процесс зарядки обусловлен диффузией ионов, скорость которой зависит от энергии теплового движения ионов, но не от электрического поля. Зарядка в поле преобладает для частиц диаметром более 0,5 мкм, а диффузионная - для частиц мельче 0,2 мкм; в промежуточном диапазоне (0,2…0,5 мкм) важны оба механизма.

Основными элементами электрофильтров являются: газоплотный корпус с размещенными в нем коронирующими электродами, к которым подводится выпрямленный ток высокого напряжения, и осадительными заземленными электродами, изоляторы электродов, устройства для равномерного распределения потока по сечению электрофильтра, бункера для сбора уловленных частиц, системы регенерации электродов и электропитания.

Конструктивно электрофильтры могут быть с корпусом прямоугольной или цилиндрической формы. Внутри корпусов смонтированы осадительные и коронирующие электроды, а также механизмы встряхивания электродов, изоляторные узлы, газораспределительные устройства.

Часть электрофильтра, в которой размещены электроды, называют активной зоной (реже - активным объемом). В зависимости от числа активных зон известны электрофильтры однозонные и двухзонные. В однозонных электрофильтрах коронирующие и осадительные электроды в пространственном отношении, конструктивно не разделены, В двухзонных электрофильтрах имеется четкое разделение. Для санитарной очистки запыленных выбросов используют однозонные конструкции с размещением коронирующих и осадительных электродов в одном рабочем объеме. Двухзонные электрофильтры с раздельными зонами для ионизации и осаждения взвешенных частиц применяют в основном при очистке приточного воздуха. Связано это с тем, что в ионизационной зоне происходит выделение озона, поступление которого не допускается в воздух, подаваемый в помещения.

В зависимости от направления движения газа электрофильтры подразделяют на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные аппараты занимают в плане значительно меньше места, но при прочих равных условиях коэффициенты очистки в них ниже. Активная длина поля вертикального электрофильтра совпадает с активной высотой его электродов.

По мере осаждения пыли на электродах понижается эффективность пылеулавливания. Во избежание этого явления и поддержания оптимальной эффективности электрофильтров электроды периодически очищают от пыли встряхиванием или промывкой. Соответственно электрофильтры подразделяются на сухие и мокрые.

К мокрым относят аппараты, улавливающие жидкие или значительно увлажненные твердые частицы, а также электрофильтры, электроды которых очищаются самотеком (конденсатом уловленного жидкого аэрозоля) или посредством смывки осевших частиц жидкостью. К сухим относят электрофильтры, улавливающие сухие твердые частицы, которые удаляют с электродов посредством встряхивания через определенные промежутки времени.

Все мокрые электрофильтры, нашедшие применение в промышленности, имеют вертикальную компоновку. Сухие аппараты могут быть как вертикальными, так и горизонтальными. Преимущественное применение среди сухих электрофильтров имеют аппараты с горизонтальным ходом газа - горизонтальные многопольные аппараты, в которых очищаемый газ проходит последовательно через несколько электрических полей.

В зависимости от формы осадительных электродов известны электрофильтры трубчатые и пластинчатые. Трубчатые электрофильтры состоят из большого числа элементов, имеющих круглое или сотообразное сечение. По оси трубчатого элемента расположен коронирующий электрод. В пластинчатом электрофильтре имеется большое количество параллельных пластин. Между ними находятся натянутые коронирующие электроды.

Формы осадительных и коронирующих электродов могут быть самыми разнообразными. Коронирующие электроды могут набираться из тонких круглых или толстых шестигранных стержней, стальных пилообразных полос, профилированных лент с игольчатой выштамповкой. Иногда применяются и другие формы. Осадительные электроды сухих фильтров выполняют в виде профилированных пластин, желобов, реже - коробок с круглыми или сложными вырезами для лучшего удержания осажденной пыли от вторичного уноса. В мокрых электрофильтрах проблема вторичного уноса несущественна, поэтому электроды выполняют в виде наборов прутков и гладких пластин, что позволяет легко смывать осадок.

Электроды сухих фильтров встряхивают соударением или при помощи специальных ударно-молотковых механизмов. Соударения применяют в основном для встряхивания коробчатых электродов. Остальные типы коронирующих и осадительных электродов встряхивают ударами вращающихся молотковых механизмов по наковальням, прикрепленным к этим электродам.

Промывка электродов в мокрых электрофильтрах может производиться периодически или непрерывно. Для периодической промывки подают большое количество воды или другой промывной жидкости на электроды (в активную зону) при отключенном напряжении. На время промывки секции подачу газа прекращают.

Переток неочищенного газа мимо активной зоны даже в небольшом количестве может заметно ухудшить степень очистки. В горизонтальных фильтрах неактивные зоны расположены над и под электродной системой (включая бункера), а также в промежутках между крайними осадительными электродами и корпусом. В вертикальных пластинчатых фильтрах неактивны промежутки между осадительными электродами и корпусом. В вертикальных трубчатых аппаратах неактивные зоны можно устранить полностью. В пластинчатых конструкциях зазоры необходимы для встряхивания электродов и соблюдения пробойных промежутков. Поэтому в таких электрофильтрах предусматривают клапаны (щитки), создающие лабиринтное уплотнение и снижающие перетоки газа.

Скорость очищаемого газа в активной зоне является одной из основных характеристик электрофильтра. Наибольшую величину электрического заряда частицы размером до 1 мкм получают за время нахождения в электрическом поле около 1 с. Скорость принимают в зависимости от конструкции электрофильтра. Так, в сухих электрофильтрах ее значение находится обычно в пределах 0,8 - 1,7 м/с. Должно быть обеспечено равномерное распределение скорости очищаемого газа по сечению аппарата. Для выравнивания скоростного поля в электрофильтре устанавливают решетки, направляющие лопатки, перфорированные пластины.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) пыли является фактором, который существенно влияет на процесс пылеулавливания, может затруднять или даже исключать возможность высокоэффективного пылеулавливания.

В зависимости от УЭС пыли принято делить на три группы:

1Пыли первой группы с УЭС менее 10² Омм (сажа) - низкоомные пыли.

2Пыли второй группы с УЭС 102 - 10⁸ Омм.

3Пыли третьей группы с УЭС более 10⁸ Омм - высокоомные пыли.

Улавливанию в электрофильтре подлежат пыли второй группы. Пыли первой группы мгновенно разряжаются, попадая на осадительный электрод. Пыли третьей группы образуют пористый изолирующий слой, препятствующий работе электрофильтра.

Широкое применение электрофильтров для улавливания твердых и жидких частиц обусловлено их универсальностью и высокой степенью очистки газов при сравнительно низких энергозатратах. Эффективность установок электрической очистки газов достигает 99%, а в ряде случаев и 99,9%. Такие фильтры способны улавливать частицы различных размеров, в том числе и субмикронные, при концентрации частиц в газе до 50 г/м³ и выше.

Промышленные электрофильтры широко применяют в диапазоне температур до 400 - 450° С и более, а также в условиях воздействия коррозийных сред.

Электрофильтры могут работать при разрежении и под давлением очищаемых газов. Они отличаются относительно низкими эксплуатационными затратами, однако капитальные затраты на сооружение электрофильтров довольно высоки, так как эти аппараты металлоемки и занимают большую площадь, а также снабжаются специальными агрегатами для электропитания. При этом с уменьшением производительности установок по газу удельные капитальные затраты сильно возрастают.

Преимущественной областью применения электрофильтров с точки зрения экономической целесообразности является очистка больших объемов газа.

К недостаткам электрофильтров наряду с их высокой стоимостью следует отнести высокую чувствительность процесса электрической очистки газов к отклонениям от заданного технологического режима, а также к механическим дефектам внутреннего оборудования.

Иногда свойства газопылевого потока являются серьезным препятствием для осуществления процесса электрогазоочистки (например, при высоком удельном электрическом сопротивлении пыли или когда очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь).

Улавливание пыли в электрофильтрах основано на известной способности разноименно заряженных тел притягиваться друг к другу. Пылевидным частицам сначала сообщается электрический заряд, после чего они осаждаются на противоположно заряженном электроде.

Преимущества электрического пылеулавливания:

- возможность работы при высоких температурах до 425° С;

- работа установки в среде перенасыщенной влагой;

- возможность работы электрофильтра в агрессивных средах;

- возможность продолжительной работы установки за пределами технологических параметров, предусмотренными картой эксплуатации;

- низкое гидравлическое сопротивление установки ~200 Па;

- низкие эксплуатационные расходы;

- простота в обслуживании;

- высокая надежность узлов и механизмов.

1.2.3Инерционные пылеуловители

В настоящее время существует огромное количество конструкций инерционных пылеотделителей. Но до сих пор нет четких рекомендаций по выбору конкретных конструкций инерционных пылеотделителей в зависимости от условий эксплуатации аппарата, отсутствуют объяснения причин снижения эффективности сепарации частиц при переходе от лабораторных условий к реальным производственным процессам.

Проведем обзор результатов исследований и эксплутационных показателей различных типов инерционных пылеотделителей.

К прямоточным циклонным пылеотделителям - концентраторам, относятся устройства с преимущественно прямоточным движением закрученного потока.

Принцип действия. В прямоточных циклонных концентраторах закрутка проводится либо лопаточным, либо боковым (тангенциальным, улиточным) вводом. Концентрат пыли транспортируется газом к щели, сообщающейся с приемником. Пыль попадает в приемник через щель путем инерционного заброса крупных частиц при обтекании щели потоком или путем транспортированием частиц малой долей потока. Очищенный поток выходит в центральный патрубок. На рисунке 1.6 представлена схема прямоточного циклонного батарейного пылеконцентратора с отсосом и рециркуляцией газа.

Рисунок 1.6 - Схема прямоточного циклонного батарейного пылеконцентратора

При малых крутках потока окружная компонента скорости на оси равна нулю, увеличивается с увеличением радиуса до максимального значения и далее незначительно уменьшается, осевая компонента деформирована также незначительно. При сильных крутках основной поток движется в периферийной области; за счет эжекционных эффектов формируется обратный кольцевой поток, который разворачивается в сторону газовыводящего патрубка, в приосевой области также возникают возвратные течения.

Структура закрученного потока, распространяющегося в осевом направлении, определяется числом крутки, представляющего собой отношение аксиального потока момента количества движения к аксиальному полному количеству движения в произвольном сечении струи или трубы.

Было обнаружено, что в образце с диметром 0,18 м часть периферийного потока огибает циркуляционную зону, делает зигзаг, разворачиваясь в объёме камеры, присоединяется к центральной струе и выходит наружу.

Приведём сведения об аэродинамической структуре потоков в камерах с тангенциальным вводом среды в верхней части с разными конструктивными соотношениями, шероховатостью стенок. Потоки направлены сверху вниз к выходной амбразуре. В объёме циклона выделяется пять характерных кольцевых зон (рис. 1.7). Имеются два главных нисходящих несущих основную массу потока: пристенный - 1 и приосевой - 3. В этих потоках сочетаются максимумы аксиальной и тангенциальной скоростей. Потоки 1 и 3 разделены промежуточной зоной 2, заполненной подъёмными турбулентными вихрями, ответвляющимися от потоков 1 и 3, при движении и смешивании которых образуется в целом обратный ток 2. В зоне 2 образуется провал окружных скоростей и формирование отрицательных (обратных) аксиальных скоростей. Поэтому они имеют седлообразную изменяющуюся по высоте структуру. Вблизи сопл в зоне 4 газ течет в сторону глухого торца, тогда как на оси в зоне 5 в сторону выходной амбразуры; в большей части циклона на оси газ движется внутрь циклона. Существенное влияние на аэродинамику оказывает параметр типа числа Россби, представленный как отношение площади входных сопл к площади сечения камеры. С увеличением этого параметра в профилях аксиальных скоростей исчезают провалы и обратные токи в зонах 4 и 5, а на их месте появляется один мощный опускной поток. Конфигурация сопл (отношение ширины к высоте сопла) не влияет на структуру потока, положение сопл относительно свода и пережима изменяют соотношение мощностей подъёмного и опускного токов.

При удалении сопла от свода обратный поток 2 исчезает (рис. 1.8). Перемещение сопл к середине приводит к увеличению значений коэффициентов сохранения тангенциальных скоростей. По мере уменьшения выходного диаметра доля подъёмного газа возрастает и при относительном выходном диаметре меньше 0,5 она становится больше опускного. При относительных длинах камер больше 2,5 обратные токи и провалы профилей аксиальных скоростей в зонах 4 и 5 отсутствуют.

Рисунок 1.7 - Принципиальная схема движения и структура газовых потоков в циклонной камере с двумя тангенциальными вводами

Рисунок 1.8 - Принципиальная схема движения и структура газовых потоков в циклонной камере при одном тангенциальном вводе

Эффективность обеспыливания прямоточных аппаратов по пылеулавливающей способности не выдерживают сравнения с противоточными циклонами из-за меньшей эффективности обеспыливания. Тем не менее, они нашли широкое применение в качестве первых ступеней очистки в системах обеспыливания. Основные требования, которые предъявляются к первой ступени - минимальное гидравлическое сопротивление, простота конструкции, малые габариты и удобство компоновки. Этим требованиям отвечают прямоточные циклоны с закручивающими аппаратами типа винтовой розетки и с пылеотбивной шайбой. Исследовались элементы батарейного циклона, а также блок циклонов. Диаметр элемента 350 мм, диаметр газовыводного патрубка 245 мм, длина с закручивателем 545 мм, круговая щель между отбойной шайбой и корпусом варьировалась в пределах 10ч16 мм. В зависимости от величины принудительного отсоса или эжекционного самоотсоса. Коэффициент гидравлического сопротивления равен 7 без отсоса, равен 6 при 10 %-ом отсосе и равен 8 при эжекционном самоотсосе. Результаты фракционной эффективности в зависимости от величины отсоса в процентах представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Фракционная эффективность пылеулавливания при различных величинах отвода пылеконцентрата

Диаметр частиц, мкм	10	20	30
Относительная величина отсоса, %	0	3	17	30
	4	20	70	92
	6	27	80	98
	8	40	85	99

Коэффициент разделения резко возрастает с увеличением степени отсоса до 10 % и слабо возрастает при дальнейшем увеличении степени отсоса. Промежуточный противоточный циклон или другой пылеуловитель значительно повышает общую эффективность очистки. Оптимальная среднерасходная скорость в циклоне равна 7 м/с.

В делителях-концентраторах пыли, устанавливаемых в напорном тракте мельниц [5], количество сбрасываемого сушильного агента с минимальным содержанием пыли в горелки верхнего яруса составляет 35 %. Концентрат пыли через четыре отвода распределяется по горелкам. При угле установки лопаток закручивателя от осевого направления 20 градусов доля пыли в сбросном воздухе составляла 7,5 %; при увеличении закрутки потока содержание пыли в сбросном воздухе уменьшилось до 3 %. Повышение крутки потока приводит к уменьшению неравномерности раздачи, которая возникает из-за образования жгутов пыли. Для разрушения жгутов и увеличения равномерности раздачи пыли по отводам были выполнены пережимы корпуса на различных расстояниях от завихрителя. Подбором этого расстояния удалось снизить неравномерность раздачи в 5 раз [5].

В [5] проведен расчет турбулентного течения аэрозоля в прямоточном циклоне. При феноменологическом подходе к исследованию дисперсного потока в циклоне с малой концентрацией частиц используется идея условного континиума компонент среды, что позволило применить аппарат механики сплошных сред. Для осесимметричного течения аэрозоля уравнение движения и неразрывности среды из частиц записаны в предположении, что диффузионные потоки частиц в тангенциальном и аксиальном направлениях много меньше потоков частиц в осредненном движении в тех же направлениях. Турбулентные напряжения в газе и турбулентная вязкость определяются инерционными эффектами, которые зависят от интенсивности переноса количества движения или момента количества движения в градиентных потоках. Течение условно разбивается на три зоны: течение вблизи стенки, течение в центральной области, в которой радиальная скорость приравнивается нулю, и течение между этими областями, где радиальная скорость принимает отрицательное значение. Полагается для этой области, что компоненты скоростей газа в среднем определяются течением по конической поверхности. Для такого схематизированного течения коэффициент турбулентной вязкости был определён интенсивностью радиального переноса закрученного газа вдоль конической поверхности и выражен через характерные геометрические соотношения, размера аппарата, скорости потока. Процесс сепарации представляется следующим образом. При движении аэрозоля частицы переходят с одной линии тока газа на другую к периферии, попадают в поток с высокой концентрацией частиц и выходят из циклона с этим потоком. Периферийная и центральная области связаны за счёт диффузионного переноса частиц. Интенсивность разделения аэрозоля определяется соотношением потоков частиц за счёт центробежных сил и турбулентного переноса в каждом сечении циклона.

1.2.4Противочные циклонные осадители-пылеуловители

К данным аппаратам относятся устройства с преимущественно возвратным переносом закрученного потока.

Принцип действия

В этих аппаратах зона разделения частиц по крупности реализуется по высоте. Существует большое разнообразие конструкций аппаратов - циклонных обеспыливателей с противоточным движением аэрозоля. В циклоне НИИОГАЗ (ЦН) (рис. 1.9) газовый поток с взвешенными в нём частицами со скоростью 15 - 25 м/c вводится через тангенциально расположенный патрубок в корпус с винтовой крышкой. Огибая выхлопную трубу, поток в виде вращающейся нисходящей спирали направляется по цилиндрической, а затем конической поверхности вниз к пылевому отверстию, большая часть потока под влиянием разности давлений направляется к выхлопной трубе. Основная часть взвешенных в газе частиц отбрасывается к стенке циклона, собирается в жгуты и вместе с частью газового потока движется вниз, проходя через пылевыпускное отверстие в бункер циклона. В бункере завихренный поток меняет своё направление и теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение сгустков частиц. Освобождённые от частиц газы, присоединяя к себе части потока, отделяющиеся от нисходящей спирали, движутся по восходящей (внутренней) спирали к выхлопной трубе. Существенное влияние на процесс очистки оказывает турбулентность, которая во многом определяет степень очистки. Поток, поступающий в выхлопную трубу, продолжает интенсивно вращаться. Затухание этого вращательного движения, связанного с невосполнимыми потерями энергии, происходит сравнительно медленно. Для устранения вращательного движения на выходе из циклона и уменьшения гидравлических потерь иногда применяют устройства - раскручиватели с диффузорным эффектом. Для обеспечения эффективности следует обращать внимание на герметичность пылевого затвора. В случае возникновения подсосов потоки в бункере усиливаются, уменьшается поток с отсепарированными частицами в бункер и увеличивается вынос частиц из циклона. Допускаемая концентрация пыли в очищаемых газах зависит от свойств пыли и диаметра циклона. При очистке газов от неслипающейся пыли в циклонах диаметром 800 мм и более её содержание в газах не должно превышать 2,5 кг/м³, для циклонов меньшего диаметра концентрация пыли в газах должна быть еще меньше. При больших концентрациях пыли, а также в случае улавливания слипающейся пыли, возможно забивание пыле выводного отверстия, что приводит к нарушению нормальной работы аппарата.

При осесимметричном вводе кольцевая струя распространяется по стенке вниз, постепенно размывается за счёт радиального оттока жидкости к центру: примерно на половине длины камеры аксиальная скорость в два раза меньше, чем у завихрителя. При этом струя имеет меньшую ширину, чем у завихрителя и прижата к стенке камеры. Движущийся в радиальном направлении поток испытывает последовательные изменения знака осевой компоненты скорости, которые обусловлены отражениями от торцевых стенок камеры первоначальной струи, вышедшей из завихрителя. По достижении границы отверстия осевая скорость резко возрастает, достигает максимального значения, после чего резко уменьшается и на оси она имеет отрицательные значения примерно до половины камеры.



Рисунок 1.9 - Циклон НИИОГАЗ (ЦН)

В значительной мере характер движения частиц определяется концентрацией твёрдой фазы. Часть материала входит в соприкосновение со стенками камеры сразу же на начальных участках, а весь дальнейший процесс определяется законами скольжения и перекатывания твёрдых частиц по сухой стенке. Условия движения материала в жгуте отличны от условий движения отдельной частицы, так как происходит взаимодействие частиц, которое способствует образованию жгута. В результате обработки экспериментальных исследований получено уравнение для расчёта критической концентрации, соответствующей моменту образования жгута в зависимости от чисел Рейнольдса и Фруда, относящимся к размерам и характерным скоростям потока в камере. Для малых концентраций, при которых жгуты транспортируются потоком при любом пространственном расположении циклона, можно сделать оценки скорости, радиуса жгута, исходя из распределений скоростей газа в области жгутов и имеющихся сведений о сопротивлении нитевидных, волокнистых тел. Трение жгута о поверхность определяется аналогично оценке трения взвесей в трубах. Вводится понятие минимальной скорости переноса, при которой на поверхности нет накапливания проскальзывающих частиц. При этом динамическая скорость (скорость трения) выражается через напряжение сдвига и плотность смеси.

1.2.5Особенности обеспыливания дымовых газов в групповых и батарейных циклонных газоочистителях

Попытка использовать циклонные аппараты для очистки газов больших объемов тонкодисперсных пылей привела к созданию групповых и батарейных газоочистителей. Батарейные циклоны треста «Газоочистка» и в настоящее время используются во многих отраслях промышленности, в том числе и в качестве золоуловителей на тепловых электростанциях. Их широкому распространению во многом способствовала весьма высокая степень очистки газа в элементе и удачное компоновочное решение. Однако высокая стендовая эффективность элемента не подтвердилась для батарейного газоочистителя в промышленных условиях вследствие гидродинамических перекосов-перетоков между элементами.

Объяснение причин этих явлений в разверке гидравлических сопротивлений завихрителей [2]. Один процент перетекаемого газа в элемент снижает эффективность последнего на 4ч6%. Трудность устранения гидравлических разверок - в невозможности выполнить входные участки элементов одинаковыми. Кроме того, в газоочистителях данной конструкции завихрители циклонных элементов подвержены локальному абразивному износу, в результате чего разверка увеличивается. Подверженность элементов забиваниям пылью исключает возможность их применения для очистки газов от угольной пыли и сильнослипающейся золы. Эксплутационная степень очистки не превышает 80%. В связи с этим разработаны и находятся в эксплуатации газоочистители других конструкций.

1.2.6Анализ процессов сепарации в противоточных циклонах

Сравнительные испытания противоточных циклонов в различном конструктивном исполнении приводятся в [12]. Работы проводились на моделях циклонов с тангенциальным и осевым подводом запыленного воздуха. Проводились исследования по изучению зависимости эффективности сепарации пыли в циклоне в зависимости от количества отводимого воздуха. Сравнительным испытаниям подверглись циклоны с диаметрами 200, 300 и 500 мм. Типы испытанных розеток показаны на рисунке 1.10. Типы испытанных циклонов показаны на рисунке 1.11. Опыты проводились на золе, уловленной электрофильтром ГЭС, сжигающей печорский уголь в пылевидном состоянии.