УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЫЛЕГАЗОЗОЛОУЛАВЛИВАНИЯ ИЗ ДЫМОВЫХ И АГРЕССИВНЫХ ГАЗОВ
DEVICE FOR DUST AND GAS CATCHING FROM SMOKE AND AGGRESSIVE GASES

Изобретение относится к области борьбы с загрязнением атмосферного воздуха, а именно к устройствам для пылегазозолоулавливания.
Известно, что при «гравитационном осаждении» твердых частиц из горизонтального газового потока, осуществляемом в пылеосадительных камерах (М.И.Биргер, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А.Русанова. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983. с.52), частицы загрязнителя выделяются из потока в основном под действием силы тяжести, а также за счет импакции (соударения) со специальными препятствиями в виде вертикальных вкладышей-экранов. Основным достоинством этих аппаратов является простота конструкции, определяющая возможность их изготовления на неспециализированных предприятиях, а также минимальное из известных конструкций аэродинамическое сопротивление в газовом тракте (менее 100-200 Па).
Однако эффективность очистки газов, достижимая в «гравитационных» аппаратах, часто оказывается недостаточной (до 50%). Для получения приемлемой эффективности очистки необходимо, чтобы частицы находились в объеме камеры возможно более продолжительное время. Поэтому пылеосадительные камеры, рассчитанные на осаждение даже относительно крупных частиц (более 100 мкм), являются громоздкими сооружениями и применяются главным образом в качестве первой ступени очистки газов перед более эффективными пыле- и золоуловителями. Существенным недостатком устройств является невозможность очистки при высокой температуре и повышенной влажности газов. Они не позволяют решать вопросы очистки дымовых газов от химических примесей.
Известно, что при «сухой инерционной очистке» газов, осуществляемой путем придания запыленному потоку закрученного или вращательного движения в границах пылеосадительного аппарата (циклона) с вертикальными цилиндрическими стенками (М.И.Биргер, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А.Русанова. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983. с.61), запыленные газы подаются в циклон через тангенциальный патрубок и совершают внутри цилиндрической и конической частей аппарата сложное вращательно-поступательное движение. На частицы, взвешенные в потоке внутри циклона, действует сила инерции (центробежная сила), которая смещает их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят вниз и попадают в пылеприемник (бункер).
Поскольку инерционная сила пропорциональна массе, то крупные частицы практически полностью выделяются из потока. Степень очистки аэрозолей с размерами частиц свыше 50 мкм находится в пределах 80-95%.
Основным недостатком известных конструкций циклонов является низкая эффективность улавливания частиц размером менее 5 мкм. Такие частицы не достигают стенок аппарата, продолжают движение по криволинейным линиям тока и выносятся из циклона газовым потоком. Другим недостатком можно считать формирование центрального вихревого выходного потока, который захватывает значительное количество частиц, осевших в бункере циклона. Увеличение эффекта осаждения частиц за счет уменьшения диаметра циклона и повышения скорости потока возможно до некоторых пределов, ограниченных техническими и экономическими факторами. К ним можно отнести рост энергетических затрат (увеличение аэродинамического сопротивления до 1000-2000 Па), ухудшение очистки вследствие интенсивного повторного захвата отсепарированных частиц, абразивный износ, увеличение металлоемкости и другие.
Также известно, что при «мокром пылеулавливании» механизм очистки основан на контакте запыленного газового потока с пленкой или каплями жидкости, которые захватывают взвешенные частицы и уносят их из аппарата в виде шлама (М.И.Биргер, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков и др. Справочник по пыле- и золоулавливаниюю. Под общ. ред. А.А.Русанова. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983. с.109). «Мокрое пылеулавливание» осуществляется в скрубберах - аппаратах с корпусом в виде вертикальной колонны, полых или с насадкой, в которые вводится закрученный поток очищаемого газа и орошающая жидкость. Вращение газового потока задается за счет направляющих лопаток или тангенциальным подводом газов к корпусу скруббера. Орошающая жидкость подается встречно или поперек газового потока, разбрызгивается чаще всего с помощью гидравлических форсунок или центробежными механическими распылителями, устанавливаемыми в центральной части аппарата или вдоль его стенок.
Большинство мокрых пылеуловителей может применяться для улавливания частиц менее 5 мкм. Эффективность улавливания таких частиц составляет 99% и близка к эффективности рукавных и электрофильтров, а конструкция полых аппаратов характеризуются минимальным аэродинамическим сопротивлением в 220-250 Па. Скрубберы эффективно используются и в тех случаях, когда сухие аппараты обычно не применяются, например при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрывов очищенных газов. Аппараты для «мокрой очистки» позволяют совместно решать вопросы пылеулавливания и химической очистки дымовых газов, при этом выбор орошающей жидкости (абсорбента) определяется условиями процесса абсорбции.
Основной недостаток скрубберов состоит в том, что при больших объемах очищаемых газов и габаритах аппаратов капли воды и частицы пыли не успевают достигнуть стенок, прежде чем газовый поток покинет аппарат. Чтобы унос жидкости из зоны контакта был незначительным, размер капель должен быть не менее 500 мкм, а скорость газового потока не должна превосходить 0,8÷1,2 м/с.
Известны вихревые пылеуловители, осуществляющие способ «сухого инерционного осаждения во вспомогательном закрученном потоке» (Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. с.62). В вихревом пылеуловителе, как и в циклоне, сепарация пыли основана на использовании центробежных сил. Основным их отличием от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.
В вихревом пылеуловителе соплового типа запыленный газ поступает в вертикальную цилиндрическую камеру через нижний входной патрубок с лопаточным завихрителем типа «розетка» и обтекателем. Поток закручивается лопаточным завихрителем и двигается вверх, подвергаясь при этом воздействию вытекающих из сопел высокоскоростных струй вторичного газового потока (сжатого воздуха). Сопла для подачи сжатого воздуха располагают тангенциально вдоль верхней части цилиндрического корпуса по нисходящим спиралям под углом наклона 30° навстречу к очищаемому газу.
Под действием центробежной силы взвешенные в потоке частицы отбрасываются к периферии центрального восходящего потока, а оттуда - в зону действия встречных струй из сопел. Там пылевые частицы захватываются спиральным потоком вторичного воздуха и вместе с ним движутся вниз в бункер. В бункере частицы пыли выделяются из потока, а очищенный воздух снова нагнетается компрессором к соплам.
3
В вихревых пылеуловителях достигается весьма высокая для аппаратов, основанных на использовании центробежных сил, эффективность очистки. Она составляет 98-99% и выше. На эффективность очистки оказывает незначительное влияние изменение нагрузки (в пределах от 50 до 115%) и содержания пыли в очищаемом газе - от 1 до 500 г/м. Аппарат может применяться для очистки газов с температурой до 300°С, а также в случае если очистке подвергается горячий газ, который необходимо охладить. В вихревом пылеуловителе не наблюдается износа внутренних стенок аппарата, что связано с особенностями его воздушного режима.
Основной недостаток известной конструкции состоит в значительном аэродинамическом сопротивлении, сравнимом с затратами в циклонных аппаратах. Это связано с тем, что в объеме устройства создаются два встречно направленных потока, взаимодействующих друг с другом по значительной глубине разделяющего их пограничного слоя. Кроме того, закручивание центрального потока осуществляется с помощью завихрителя, на котором теряется существенная часть давления, развиваемого дымососом или вентилятором. Недостатками известной конструкции можно считать небольшую производительность, затруднительность проведения пылеулавливания при повышенной влажности газов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для пылегазозолоулавливания из дымовых и агрессивных газов по патенту RU 20034633 (кл. B01D 45/00, 1995), содержащее корпус с подводящими и отводящими патрубками, бункеры для отвода осажденных частиц и шлама, устройства для подачи высокоскоростной струи воздуха.
Недостатками известного устройства являются низкая производительность, значительное сопротивление по газовому тракту и невозможность химической очистки и обезвреживания агрессивных дымовых газов.
Изобретение направлено на повышение эффективности очистки дымовых и агрессивных газов путем комплексного проведения пылегазозолоулавливания в аппаратах большого диаметра, а следовательно, большой производительности, с одновременным снижением энергетических затрат за счет уменьшения аэродинамического сопротивления на газовом тракте.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для пылегазозолоулавливания из дымовых и агрессивных газов, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, бункеры для отвода осажденных частиц и шлама, устройства для подачи сжатого воздуха, согласно изобретения корпус выполнен цилиндрическим, устройства для подачи сжатого воздуха расположены тангенциально к корпусу под углом 20-25° к вертикали в направлении движения потока очищаемого газа и выполнены в виде гидродинамических ускорителей, имеющих осевой патрубок для подачи сжатого воздуха, тангенциальный патрубок подачи жидкости, при этом выходное отверстие ускорителя выполнено в форме сопла Лаваля.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство снабжено регуляторами расхода жидкости и сжатого воздуха для гидродинамических ускорителей-смесителей, а также емкостью для химических растворов.
На чертеже схематично представлено устройство для пылегазозолоулавливания (фиг.1, фиг.2). Устройство включает цилиндрический корпус 1 (в виде горизонтальной или вертикальной пылеосадительной камеры) (на фиг.1 показан горизонтальный корпус), входной 2 и выходной 3 патрубки для подачи в камеру и удаления из камеры дымовых и агрессивных газов, бункеры 4 для сбора пыли, сепаратор 5, безнапорную емкость 6 для химических реагентов, тангенциально установленные гидродинамические ускорители 7, регуляторы расхода воды 8 и сжатого воздуха 9.
Гидродинамический ускоритель (показан на фиг.2) состоит из корпуса 10 и двух патрубков: осевого 11 для сжатого воздуха и тангенциального 12 для эжектируемой воды. Выходное отверстие ускорителя выполнено в форме сопла Лаваля 13 с фланцем 14.
Гидродинамические ускорители 7 установлены в цилиндрическом корпусе тангенциально под углом 20-25° к вертикали. Отклонение от вертикали истекающих из ускорителей 7 высокоскоростных струй способствует созданию закрученного (вихревого) потока, внутри которого образуется разрежение (тяга). Действительная скорость и устойчивость вихревого потока обеспечивается углом подъема гидродинамической струи. Отклонение гидродинамической струи от вертикали на угол менее 20° не позволяет образовать разрежение, а при увеличении угла наклона более чем на 25° для достижения поставленной задачи необходимо увеличить длину пылеосадительной камеры.
Устройство работает следующим образом. Высокотемпературные дымовые газы поступают по патрубку 2 в пылеосадительную цилиндрическую камеру большого диаметра 1, при этом поток резко теряет скорость и из него выпадают крупные частицы пыли в бункеры 4 первого ряда. Горизонтальный поток газов со скоростью 0,8÷2,5 м/с продолжает перемещаться в зону действия гидродинамических ускорителей 7 (см. разрез II на фиг.1), где холодные высокоскоростные потоки сжатого воздуха внедряются в дымовые или агрессивные газы тангенциально под углом 20÷25° к вертикали. Суммарный поток приобретает поступательно-вращательное движение. При этом возникают интенсивные инерционные силы, воздействующие на пылевые частицы и выделяющие их из потока. Для увеличения эффективности инерционного осаждения мелких частиц и нейтрализации газообразных примесей в струю сжатого воздуха эжектируют дозированное количество воды или химических растворов. Гидродинамическую струю подают спутно, по ходу движения очищаемого газа, при этом создается дополнительная тяга в корпусе цилиндрической камеры.
Введение за счет эжекции во вспомогательную струю химических реагентов позволяет осуществлять нейтрализацию органических газовых примесей. Дополнительный впрыск воды способствует конденсации и изменению точки росы потока, увлажняя и утяжеляя мелкие частицы пыли, что существенно увеличивает эффективность очистки. Кроме того, конденсируясь, водяные пары захватывают из продуктов сгорания диоксид углерода, растворимость которого повышается со снижением температуры.
Таким образом, осуществление пылегазозолоулавливания с использованием спутного вспомогательного высокоскоростного потока сжатого воздуха, применение в полом аппарате цилиндрического корпуса большого диаметра, а также обеспечение возможности диспергирования воды или других жидкостей и химреагентов позволяет совместить процессы сухого, конденсационного и мокрого пылегазозолоулавливания, повысить эффективность очистки, а также снизить аэродинамические потери на газовом тракте.
Конструкция устройства, состоящего из цилиндра большого диаметра, расположенного горизонтально или вертикально, с установленными на нем гидродинамическими ускорителями (фиг.2) позволяет интенсифицировать процессы пылегазозолоулавливания до уровня многоступенчатых установок.
Реализация изобретения позволит повысить эффективность очистки дымовых и агрессивных газов, обеспечит полноту улавливания пыли, золы и нейтрализации газов в одном аппарате в широких пределах дисперсности и концентраций с одновременным снижаем энергозатрат за счет уменьшения аэродинамического сопротивления на газовом тракте, значительно снизит степень загрязнения атмосферы, уменьшит затраты на строительство и обслуживание очистных сооружений.