Способ очистки высокотемпературных аэрозолей
METHOD OF PURIFYING HIGH-TEMPERATURE AEROSOLS

Изобретение относится к очистке высокотемпературных аэрозолей от вредных веществ промышленных производств, например, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, в частности, в процессах очистки высокотемпературных аэрозолей, образующихся в каталитических процессах, и может быть использован в любых других технологических процессах, в которых необходимо очистить от вредных веществ и дисперсных фаз высокотемпературные аэрозоли.
Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество вредных веществ. Примеси атмосферного воздуха, поступающие в окружающую среду с промышленными выбросами, неблагоприятно действуют на организм человека, растений, животных и биогеоценозы в целом. Поэтому необходимо ограничивать поступление вредных веществ в биосферу. Эта задача решается в условиях производства за счет совершенствования технологических процессов, внедрения систем пылегазоочистки, то есть устройств, реализующих те или иные способы очистки от дисперсных фаз, содержащихся в аэрозолях.
Отходящие газы промышленности, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в этих системах являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости.
Такие аэродисперсные системы называются аэрозолями. Аэрозоли разделяют на пыли, дымы и туманы. Пыли содержат твердые частицы размером от 5 до 50 мкм, а дымы - от 0,1 до 5 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости размером 0,3-5 мкм и образуются в результате конденсации паров или при распылении жидкости в газе.
Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из твердых частиц, если они не выпадают в осадок, говорят о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсном аэрозоле).
Размеры частиц в аэрозолях изменяются от долей микрометров до нескольких миллиметров.
Наиболее существенные затруднения возникают в случае, когда требуется очистка от твердых частиц высокотемпературных аэрозолей, состоящих по крайней мере из свободнодисперсного и грубодисперсного аэрозолей, одновременно выбрасываемых в атмосферу.
Эти трудности обусловлены тем, что:
• Аэрозоль имеет высокую температуру.
• Аэрозоль состоит из смеси свободнодисперсного и грубодисперсного аэрозолей (то есть имеют существенно неоднородный состав по размерам твердых частиц, содержащихся в газовой среде (воздухе)).
• Высокий расход количества аэрозоля в единицу времени Различные варианты данного способа отличаются использованием конкретных сил, под действием которых осуществляют осаждение твердых частиц.
Известно, что используют:
• Гравитационные силы
• Силы инерции
• Силу Кориолиса
• Центробежные силы
• Электростатические силы
• Силы механического сдерживания
Разделение двухфазных систем обычно связана с увеличением (или регулированием) относительной скорости движения фаз и может осуществляться одним из трех основных способов или их сочетанием:
- увеличение относительной скорости движения фаз в консервативных полях (например, потенциальных) - наиболее часто используются гравитационные (седиментация) и центробежные поля (центрифугирование, осаждение в циклонах и прямоточных центробежных сепараторах);
- уменьшение скорости движения дисперсной фазы до нуля при сохранении скорости сплошной фазы (фильтрация);
- сепарация при соударении частиц, орошении или абсорбции, при этом скорость частиц дисперсной фазы приводится к скорости укрупненных частиц, выделить которые менее сложно.
Аппараты, использующие только один из механизмов сепарации (пылеосадительные камеры, ротационные пылеотделители, циклоны, насадочные, пенные и полые скрубберы), применяются в основном для улавливания сравнительно крупных частиц. Для улавливания тонкокодисперсной пыли (или золы) обычно используются электростатические, тканевые, волокнистые и бумажные фильтры, а также скоростные промыватели.
Процесс осаждения - это удаление из газа пыли и других частиц, которые в нем находятся. Коэффициент пылеулавливания η - мера качества удаления частиц из газа. Данный параметр определяется как снижение концентрации частиц в газе и исходной концентрации этих частиц.
Степень улавливания:
η=[(с0-с1)/с0]-100%
Обеспыливание
0
1
С → Пылеосадитель →C, где
0
С - концентрация до обеспыливания;
1
C - концентрация после обеспыливания.
Чем меньше размер пыли, тем хуже происходит процесс ее осаждения. Следовательно, при осаждении крупнозернистой пыли пылеулавливание имеет более высокие коэффициенты. В то же время для тонкой пыли данные показатели всегда ниже.
Диапазон очистки аэрозолей от содержащихся в нем твердых частиц (пыли) (так называемый диапазон обеспыливания) не зависит от способа очистки, а определяется конструктивными особенностями устройств, реализующих способы очистки аэрозолей от содержащихся в них твердых частиц.
Диапазон очистки для различных устройств, реализующих механический способ очистки аэрозолей от содержащихся в нем твердых частиц (пыли)
Предположим, что твердые частицы в аэрозоле имеют размер от 0,01 мкм до 1000 мкм. В этом случае многостадийная очистка такого аэрозоля может быть осуществлена последовательностью устройств: Циклон диаметром 1-2 м (уменьшает на выходе самую крупную фракцию до 20 мкм) - Волокнистый фильтр (уменьшает на выходе самую крупную фракцию до 0,05 мкм) - Электрофильтр (уменьшает на выходе самую крупную фракцию до 0,01 мкм).
Каждая предыдущая стадия очищает входной аэрозоль от твердых частиц таким образом, что аэрозоль на выходе является допустимым по размеру самой крупной фракции для реализации следующей стадии.
Частицы промышленной пыли, содержащиеся в аэрозолях, имеют различную форму (шарики, палочки, пластинки, иглы, чешуйки, волокна и т.д.). Частицы пыли могут коагулироваться и объединяться в агломераты, поэтому понятие размера частицы условно. При очистке аэрозолей от содержащихся в ней твердых частиц принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения. Такой величиной служит так называемый седиментационный диаметр - диаметр шара, скорость осаждения и плотность которого равны скорости осаждения и плотности частицы. При этом сама частица может иметь произвольную форму. Пылевые частицы различной формы при одной и той же массе оседают с разной скоростью. Чем ближе их форма к сферической, тем быстрее они оседают.
Наибольший и наименьший размеры частиц характеризуют диапазон дисперсности данной пыли. Для характеристики дисперсного состава пыли разбивают всю массу пылинок на некоторые фракции, ограниченные частицами определенного размера, с указанием, какую долю в процентах по массе (или по числу частиц) они составляют.
Дисперсный состав пыли изображается в виде интегральных кривых. Большинство промышленной пыли подчиняется нормально-логарифмическому закону распределения частиц по размерам.
При широкой дисперсности твердых частиц, содержащихся в аэрозоле техническая реализация одностадийного способа механической очистки аэрозолей становится либо затруднительной, либо неоправданно дорогой, либо вообще невозможной.
В таких условиях используют способ многостадийной очистки аэрозолей от содержащихся в ней твердых частиц. Стадии очистки реализуют последовательно. Каждая стадия реализуется своим техническим устройством.
При многостадийной очистке принципиальным является последовательность стадий и устройств, реализующих каждую стадию. Как правило, сначала осуществляют очистку от более крупных фракций, а затем мелкие фракции.
Рассмотрим способ очистки грубодисперсных аэрозолей, состоящий в осаждении твердых частиц под действием силы тяжести (гравитационное осаждение), который основан на следующем:
A
G
W
A
A
На твердые частицы, которые находятся в газе, действуют такие силы, как выталкивающая сила F, а также сила тяжести F. А в процессе оседания частицы возникает еще и сила сопротивления потока, которая обозначается как F. Когда образовывается результирующая сила Fr, то между тремя этими силами возникает равновесие. Результирующая сила имеет направление действия вниз и приводит к тому, что пыль оседает со скоростью V, гравитационное осаждение отражено на фиг. 1: действующие силы - 1; частицы пыли - 2; скорость оседания частиц - V.
Скорость частиц осаждения частиц прямо пропорциональна их размеру. К тому же частицы, размер которых меньше 0,1 мкм не осаждаются вовсе из-за того, что в таких частицах тепловое движение преобладает над силой тяжести.
В том случае, если для осаждения частиц необходимо использовать силу тяжести, то есть следует выбирать такой режим подачи аэрозоля, чтобы у частиц было достаточное время на осаждение. Данный процесс достигается в очистном газовом канале. Газовый канал представляет собой резервуар довольно большого размера, в который направляют аэрозоль.
В этот момент скорость течения потока уменьшается, а поперечное сечение потока, напротив, увеличивается, потому что газ определенное время находится в газоходе.
При этом некоторая часть частиц опускается в пылесборник, из которого пыль удаляется по мере накопления. Те частицы, которые не ушли с траектории течения и опустились вниз, не осаждаются вовсе.
На фиг. 2 отражено гравитационное осаждение в газовом канале, где под позицией 3 обозначен направляющий щиток.
Размеры частиц, которые поддаются осаждению, называются крупностью разделения. Чем меньше скорость течения потока и высока траектория течения, тем меньше крупность разделения.
В пылеулавливающем кармане можно заметить самые низкие траектории течения. В кармане поперечное сечение потока разделяется при помощи горизонтальных хордовых насадок.
Таким образом, скорость оседания частиц пыли совсем небольшая. Частицы попадают на хордовые насадки и образуют крупные хлопья. А благодаря вибратору хлопья спускают по наклоненным поверхностям в цилиндрический сборник (см. фиг. 3 с принятыми обозначениями позиций: 4 - ходовые насадки; 5 - движение газа в камере; 6 - пылесборник; 7 - вибратор).
Заметим, что гравитационное осаждение в газовом канале подходит исключительно для удаления частиц пыли размером около 100 мкм. А для удаления мелкой пыли применяется поток газа-носителя.
Аналогично работают другие механические способы очистки аэрозолей, состоящие в осаждении твердых частиц под действием иных сил.
Эти способы реализуются так называемыми сухими пылеуловителями, которые разделяются на типы в зависимости от используемой силы, под воздействием которой происходит осаждение частиц:
• гравитационные;
• инерционные;
• центробежные;
Механический способ выделения твердых частиц из аэрозолей (в первую очередь грубодисперсных аэрозолей), состоящий в том, что механическое выделение твердых частиц из аэрозолей осуществляют путем осаждения твердых частиц под действием центробежных сил реализуют так называемые центробежные пылеуловители. В различных модификациях этого способа и устройств, его реализующих, использует дополнительные действия, увеличивающие эффективность выделения твердых частиц из аэрозолей. В частности:
• орошают жидкостью (водой)
• закручивают в вихри
• используют действие инециальных сил
• создают используют силу Кориолиса
Устройством, реализующим способ очистки аэрозолей путем механического выделения твердых частиц из аэрозоля на основе действия центробежной силы, является так называемый центробежный пылеуловитель - самый распространенный вид механических пылеуловителей, который применяется в пищевой, химической, горнодобывающей и многих других отраслях промышленности.
Основным преимуществом таких пылеуловителей является их дешевизна, высокая производительность, простата механизма, а также достаточно простая и не затратная эксплуатация.
Если сравнивать центробежные пылеуловители с другими типами, то они обладают такими преимуществами, как надежная работа при высокой температуре и давлении, отсутствие частей, которые двигаются, простота ремонта и изготовления, а также возможность использования для улавливания абразивных частиц, содержащихся в аэрозолях.
Самыми популярными центробежными пылеуловителями являются циклоны с мокрой пленкой. В таких аппаратах осаждения частиц происходит при помощи действия центробежного сил и инерциальных сил.
Следовательно, эффективность таких аппаратов намного выше, чем циклонов, потому что благодаря наличию мокрой пленки не происходит вторичный унос твердых частиц. К тому же такие аппараты эффективнее скрубберов за счет того, что скорость капель и потока газа в них намного выше благодаря центробежной силе.
В мокрых циклонах используют орошение жидкостью.
В мокрые циклоны жидкость подводится вдоль внутренних стенок аппарата и в приосевую его зону.
Самым эффективным мокрым пылеуловителем является скруббер Вентури (см. фиг. 4), который относится к скоростным аппаратам: 8 - корпус; 9 - конфузор; 10 - диффузор; 11 - распределительное устройство; 12 - тангенциальный вход; 13 - смеситель; 14 - отстойник. Такие установки можно разделить по области использования на:
• Низконапорные, используемые для концентрирования и очищения аэрозоля (аспирационного воздуха). Гидравлическое сопротивление таких аппаратов находится в пределах от 3000 до 500 Па.
• Высоконапорные аппараты используются для очищения аэрозолей от субмикронной и микронной пыли. Их сопротивление достигает 20000-30000 Па.
Работа таких аппаратов основана на движении аэрозоля с высокой скоростью (газовом потоке высокой скорости), который выполняет интенсивное дробление жидкости, которая его орошает. А благодаря турбулентности газового потока, а также достаточно большой разницы между скоростью каплями жидкости и частицами, происходит осаждения частиц пыли на каплях жидкости, которая ее орошает.
Для того чтобы снизить гидравлическое сопротивление, основная часть скруббера изготавливается в виде трубы Вентури, которая плавно сужается на входе аэрозольного потока и расширяется на их выходе. Вход и выход аэрозольных потоков соединяются при помощи сопла.
Для стабильной работы аппарата очень важно, чтобы было полное и равномерное орошение сечения горловины жидкости. Именно поэтому выбор способа орошения является очень важным и влияет на конструкцию аппарата.
Чаще всего используется три способа орошения горловины:
1. Периферийное. При таком способе орошения форсунки или сопла монтируются по периметру горловины или конфузора.
2. Центральное. Орошающая жидкость попадает на горловину из форсунок, которые установлены в конфузоре или перед ним.
3. Пленочное. Используется чаще всего для того, чтобы предотвратить образование на стенках отложений.
Еще одним устройством, реализующим способ очистки аэрозолей путем механического выделения твердых частиц из аэрозоля на основе действия центробежной силы является так называемые циклоны.
В циклонах в качестве дополнительных действий используют закручивание вихрей
Аэрозоль (загрязненный газ), как правило, на скорости от 20 до 25 м/сек поступает в корпус циклона. Поток газа движется по касательной, в результате чего приобретает вращательное движение. Частицы пыли откидываются центробежной силой и попадают в крайние слои загрязненного газа, которые перемещаются по спирали вниз вдоль стенок циклона.
Взвешенные твердые частицы, содержащиеся в аэрозоли, выводятся из установки через специальный отводящий патрубок. Аэрозоль вращается и поднимается вверх, в результате чего образуется вихрь. Данный вихрь двигается по направлению оси установки к выхлопной трубе и захватывает с собой часть аэрозоля, из внутренних слоев, перемещающихся вниз. Данный слой аэрозоля характеризуются невысоким содержанием твердых частиц. Он перемещается по конической части корпуса до нижнего края выхлопной трубы. По достижении нижнего края выхлопной трубы, поток разворачивается к оси циклона.
Все чаще в промышленности используются вихревые пылеуловители (см. фиг. 5 с принятыми обозначениями позиций: 8 - корпус; 15 - обтекатель; 16 - улиточный вход верхнего потока газа; 17 - аксиально-лопаточные завихрители; 18 - отбойная шайба; 19 - вход нижнего потока газа). Такой аппарат напоминает циклон, однако его особенностью является наличие в нем дополнительного закручивающего газового потока. В мире выпускаются различные модели таких пылеуловителей, имеющие производительность 300-40000 м3/час. Производительность вихревых пылеуловителей увеличивается при уменьшении диаметра.
В вихревых пылеуловителях атмосферный воздух, аэрозоли (запыленные газы), а также периферийная часть потока чистого газа применяются как вторичный газ.
Если сравнивать вихревые пылеуловители с противоточными циклонами, то первые имеют такие преимущества, как работа с газами высокой температуры, хорошая степень очистки, регулировка процесса очищения газа от пыли за счет регулировки расхода вторичного воздуха.
Среди недостатков вихревых пылеуловителей следует выделить высокое гидравлическое сопротивление, необходимость в мощном тягодутьевом устройстве, а также сложную эксплуатацию и установку.
В таком аппарате аэрозоль (неочищенный поток газа) попадает в аппарат через патрубки, закручивается, а после этого поступает в рабочую зону вихревого пылеуловителя. Под воздействием центробежной силы частицы пыли из газа направляются к стенкам аппарата. А под воздействием силы тяжести они направляются вниз. После этого они попадают в специальный бункер. При этом очищенный воздух удается через выхлопной патрубок.
Еще одним видом устройств, реализующих механический способ очистки аэрозолей, являются так называемые динамические пылеуловители (см. фиг. 6 с принятыми обозначениями позиций: 20 динамический пылеуловитель; 21 - циклон).
Особенностью динамических пылеуловителей является то, что в таких аппаратах очищение газов от пыли происходит не только при помощи центробежной силы, но и за счет силы Кориолиса, которая возникает в процессе вращения рабочего колеса. В таких пылеуловителях кроме осаждения частиц выполняется еще и функция тягодутьевого устройства.
Пылеуловитель такого типа использует большее количество электроэнергии, чем вентилятор при таком же напоре и производительности. Однако этот расход энергии все равно меньше, чем необходимый расход при раздельном функционировании центробежного пылеуловителя и вентилятора.
Конструкция простейших динамических пылеуловителей состоит из кожуха и рабочего колеса. При этом рабочее колесо приводит в движение аэрозоль (неочищенный газ). А под воздействием силы Кориолиса и центробежной силы из аэрозоля выделяются частицы пыли.
Динамические пылеуловители делятся на две группы. Аппараты первой группы работают так, что газовый поток с пылью подается на центральную часть колеса, а частицы пыли, которые отделяются в процессе очищения, двигаются в направлении подачи аэрозоля. Пылеуловители второй группы частицы пыли перемещаются в направлении, обратном движению аэрозоля. При этом аэрозоль (неочищенный газ) всасывается в отверстия барабанов, которые находятся на его боковой поверхности.
Самыми популярными динамическими пылеуловителями являются дымосос-пылеуловители. Такие аппараты используются для первоначального очищения газов для асфальтобетонных заводов, линейного производства. Такие динамические пылеуловители способны задерживать частицы пыли, размер которых не меньше 15 мкм. Рабочее колесо на валу создает разность давления, с помощью которой и выполняется перемещение газов. А под воздействием центробежных сил частицы пыли отбрасываются в периферии, а после этого выводятся из аппарата с некоторым количеством газа.
Механический способ выделения твердых частиц из аэрозолей (в первую очередь грубодисперсных аэрозолей), состоящий в том, что механическое выделение твердых частиц из аэрозолей осуществляют путем осаждения твердых частиц под действием гравитационных и инерционных сил реализуют так называемые пылеосадители.
Принцип действия данных аппаратов заключается в том, что твердые частицы, содержащиеся в аэрозоле, удаляются из аэрозоля под действием инерционных сил. В таких установках аэрозоль резко изменяет направление движения и одновременно теряет скорость перемещения, в результате чего, взвешенные частицы, стремясь сохранить уровень своей скорости, выделяются из аэрозоля.
Одним из видов данных установок является жалюзийный золоуловитель. Конструктивно такой аппарат представляет собой трубу, оснащенную решеткой из наклонных перегородок. Функцией перегородок является своего рода фильтрация твердых частиц. Так, взвешенные частицы золы проходят по трубе с потоком газа и ударяются о перегородки. Такой контакт частиц с поверхностью решеток отбрасывает их в противоположную сторону движения общего газового потока.
Таким образом, с одной стороны решетки скапливается аэрозоль с большим содержанием в нем в нем твердых частиц (примерно 10% от общего потока), а по другую аэрозоль с малым содержанием в нем в нем твердых частиц (очищенный аэрозоль).
Обычно аэрозоль выводится в золоуловители, а затем подвергается дополнительной очистке в циклонах. Это так называемая последовательная очистка аэрозоля.
Гравитационные и инерциальные пылеуловители позволяют очищать газовые потоки от крупных и тяжелых частиц, минимальные размеры которых составляют 50 мкм. Такие установки используются только для предварительной очистки аэрозолей, в том числе имеющих высокую концентрацию твердых частиц (пыли).
Наиболее простой по конструкции является пылевая (осадительная) камера. Осаждение твердых частиц в камере происходит при медленном движении потока аэрозоля (запыленного газа).
Пылевые камеры отличаются большими размерами и низкой эффективностью работы. Тем не менее, они находят широкое применение в таких областях промышленности, как химическая, горнообогатительная и металлургическая. Достоинства этих устройств в том, что они просты и надежны в эксплуатации, обладают низким гидравлическим сопротивлением.
На фиг. 7 изображена пылевая камера. Учитывая огромные размеры камеры, наиболее часто для ее изготовления применяют кирпич или бетон. Осаждение частиц происходит при ламинарном движении воздушного потока, скорость которого должна составлять до 1-2 м/с. При более высокой скорости возможен вторичный унос частиц.
Эффективность работы пылевой камеры возрастает с увеличением ее площади и уменьшением высоты. Поэтому для большей производительности камеру оснащают горизонтальными или наклонными полками на расстоянии 100-300 мм друг от друга по вертикали. Таким образом, при установке n полок эффективность пылевой камеры возрастает в n раз.
Многополочная осадительная камера с горизонтальными полками (осадительными полками 22) показана на фиг. 8, а многополочная осадительная камера с наклонными полками 23 - на фиг. 9.
В пылевых камерах осаждение твердых частиц из аэрозолей возможно не только из горизонтальных потоков, но также и вертикальных.
Для работы с вертикально движущимся аэрозолем применяются устройства рефлекторного типа (или отражатели). Их основным компонентом является кольцевой коллектор, установленный на дымовую трубу, в котором осаждаются частицы.
Чтобы повысить эффективность очистки в пылевой камере и уменьшить ее размеры, гравитационное осаждение совмещают с инерционным.
В частности, проектируют такую конструкцию, в которой резко меняется направление движения аэрозоля. При этом на твердые частицы, находящиеся в аэрозоле начинают действовать инерционные силы, заставляющие их стремиться двигаться в прежнем направлении. В результате твердые частицы легко отделяются от газового потока (выделяются из аэрозоля). По такому принципу работают многие инерционные пылеуловители. В качестве примера можно привести конструкцию «пылевых мешков», которые являются типичными в этом классе.
Для снижения вторичного уноса конструкция инерционных пылеуловителей предусматривает более глубокий бункер и цилиндрическую часть корпуса.
Механический способ выделения твердых частиц из аэрозолей (в первую очередь грубодисперсных аэрозолей), состоящий в том, что механическое выделение твердых частиц из аэрозолей осуществляют путем осаждения твердых частиц под действием гравитационных реализуют так называемые пылеосадительные камеры (фиг. 10 с принятыми обозначениями позиций: 24 - камера; 25 - внутренние перегородки).
Принцип действия пылеосадительной камеры заключается в том, что внутри данной установки газ движется настолько медленно, что загрязняющие частицы успевают осесть в результате действия силы тяжести. Чем меньше высота камеры, тем быстрее осаждаются частицы.
По этой причине, внутри таких камер устанавливаются горизонтальные перегородки (параллельные или наклонные). Расстояние между перегородками находится в диапазоне от 400 до 1000 мм. Таким образом, поверхность осаждения увеличивается, а газ распределяется более равномерно по ширине камеры. Данный тип аппаратов характеризуется невысокой эффективностью и большими габаритами.
Такие установки используют только для первичной грубой очистки газов.
Камера имеет следующее устройство. Корпус оснащен горизонтальными полками. Полки расположены на расстоянии 100-300 мм друг от друга и образуют при этом каналы. Поступая в корпус камеры, запыленный газ проходит между полок, а твердые частицы осаждаются на их поверхности. В корпусе также установлена вертикальная отражательная перегородка, которая обеспечивает равномерное распределение газа по каналам. После того, как газ пройдет полки, он огибает эту перегородку и выводится из камеры. Когда газ огибает перегородку, из него удаляется часть пыли под действием силы инерции. Удаление твердой фазы из камеры осуществляется через люки при помощи скребков или смывается водой.
Пылеосадительные камеры позволяют устанавливать большое число полок, тем самым увеличивая площадь поверхности для осаждения пыли. Однако, несмотря на это, они способны сделать газ чище не более чем на 30-40%. При этом осаждаются только крупные частицы размером более 5 мкм. По этой причине пылеосадительные камеры применяются для грубой очистки грубодисперсных аэрозолей (сильно запыленных газов), в которых имеются относительно крупные твердые частицы.
Разновидность инерционной установки - жалюзийный пылеуловитель. В его конструкции предусмотрена решетка из наклонных пластин, которая меняет направление движения газового потока. Жалюзийный пылеуловитель позволяет выделять частицы размером более 20 мкм и применяется в тех случаях, когда необходима предварительная очистка газов. После чего газ проходит дальнейшую очистку в циклонах или рукавных фильтрах.
Еще одним видом устройств, реализующих механический способ очистки аэрозолей, являются так называемые жалюзийные золоуловители (см. фиг. 11 с принятыми обозначениями позиций: 21 - циклон; 26 - наклонные перегородки).
В инерционном пылеуловителе конического типа (фиг. 12) с фильтрующей решеткой 27 аэрозоль движется сверху вниз, сквозь решетку. Решетка представлена набором перекрывающих друг друга колец, которые расположены на расстоянии 2-3 мм. Пыль и часть исходного аэрозоля (запыленного воздуха) отбрасывается к оси пылеуловителя. Очищенный аэрозоль проходит сквозь решетку и удаляется из кожуха. Запыленный воздух выходит через узкое нижнее отверстие аппарата.
К достоинствам инерционных пылеуловителей принято относить небольшие габариты и простоту конструкции (в том числе отсутствие подвижных частей).
Рассмотрим также, так называемые Ротационные пылеуловители.
Механические вращающиеся пылеуловители (ротационные) представляют собой установки, которые одновременно перемещают и очищают воздух. Типичная схема ротационной пылеулавливающей установки представлена на фиг. 13, имеющая следующие обозначения позиций: 28 - кольцевой приемник; 29 - рабочее колесо; 30 - пылеприемник; 31 - бункер для сбора пыли.
Вращающееся колесо выполнено в форме вогнутого диска, на котором размещены лопатки. Данная конструкция помещена в улиткообразный корпус. Загрязненный газ подается посредством патрубка по оси колеса. В результате действия инерционных сил, газ заполняет пространство в узких каналах между лопатками колеса. Твердые пылевые частицы, обладая большим весом, по сравнению с газом, подвержены воздействию центробежных сил. Пыль прижимается к диску и лопаткам, скользит по ним от центра к периферии и попадает в пространство между кожухом и диском. После чего частицы выводятся в пылеприемник. Из пылеприемника газовая смесь, содержащая до 5% газа, поступает в бункер, где она оседает. Чистый газ выводится посредством выходного патрубка.
К преимуществам данных установок принято относить: высокую производительность, небольшие габариты, несложность в эксплуатации, качественную очистку от мелких пылевых частиц.
Рассмотрим теперь пористые фильтры
Пористые фильтры реализуют способ механической очистки аэрозолей при котором твердые частицы механически выделяют из аэрозолей в несколько последовательных стадий путем осаждения твердых частиц под действием инерционных и электростатических сил
В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации аэрозоля через пористую перегородку, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее.
Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы:
• гибкие пористые перегородки - тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон; нетканые волокнистые материалы (войлоки, клеенные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты); ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры);
• полужесткие пористые материалы - слои волокон, стружка, вязанные сетки, расположенные на упорных устройствах или зажатые между ними;
• жесткие пористые перегородки - зернистые материалы (пористая керамика или пластмасса, спеченые или спресованные порошки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.); волокнистые материалы (сформированные слои из стеклянных и металлических волокон); металлические сетки и перфорированные листы.
В процессе очистки аэрозоля частицы приближаются к волокнам или к поверхности зерен материала, сталкиваются с ними и осаждаются главным образом в результате сил инерции и электростатического притяжения. Проходя через фильтрующую перегородку, поток разделяется на тонкие непрерывно разъединяющиеся и смыкающиеся струйки. Частицы, обладая инерцией, стремятся перемещаться прямолинейно, сталкиваются с волокнами, зернами и удерживаются ими.
Такой механизм характерен для захвата крупных частиц и проявляется сильнее при увеличении скорости фильтрации. Электростатический механизм захвата пылинок проявляется в том случае, когда волокна несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем.
В фильтрах уловленные частицы накапливаются в порах или образуют пылевой слой на поверхности перегородки, и таким образом сами становятся для вновь поступающих пылинок частью фильтрующей среды. По мере накопления пыли пористость перегородки уменьшается, а сопротивление возрастает.
Поэтому возникает необходимость удаления пыли и регенерации фильтра.
В зависимости от назначения и величины входной и выходной концентрации фильтры условно разделяют на три класса:
• фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильтры) - предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (>99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов с низкой входной концентрацией (<1 мг/м3) и скоростью фильтрования <10 см/с. Фильтры применяют для улавливания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологических процессов, не допускающих присутствия пыли. Фильтры тонкой очистки не подвергаются регенерации;
• воздушные фильтры - используют в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Работают при концентрации пыли менее 50 мг/м3, при высокой скорости фильтрации - до 2,5-3,0 м/с. Фильтры могут быть нерегенерируемые и регенерируемые;
• промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) применяются для очистки промышленных газов с концентрацией пыли до 60 г/м3.
Фильтры регенерируются.
Отдельно остановимся на тканевых фильтрах
Тканевые фильтры имеют наибольшее распространение. Возможности их использования расширяются в связи с созданием новых температуростойких и устойчивых к воздействию агрессивных газов тканей.
Наибольшее распространение имеют рукавные фильтры.
Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены к раме, соединенной со встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер для пыли со шнеком для ее выгрузки. Встряхивание рукавов в каждой из секций производится поочередно.
В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках и войлоки, получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом. В типичных фильтровальных тканях размер сквозных пор между нитями достигает 100-200 мкм.
К тканям предъявляются следующие требования:
• высокая пылеемкость при фильтровании и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которое достаточно для обеспечения высокой эффективности очистки газов от тонкодисперсных твердых частиц;
• сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;
• высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при многократных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, находящихся в сухих и насыщенных влагой газах;
• способность к легкому удалению накопленной пыли;
• низкая стоимость.
Существующие ткани обладают не всеми указанными свойствами и их выбирают в зависимости от конкретных условий очистки. Например, хлопчатобумажные ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами и имеют низкую стоимость, но обладают недостаточной химической и термической стойкостью, высокой горючестью и влагоемкостью.
2
Шерстяные ткани характеризуются высокой воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и регенерацию, но стойкость к кислым газам, особенно к SO и туману серной кислоты, низкая. Стоимость их выше, чем хлопчатобумажных. При длительном воздействии высокой температуры волокна становятся хрупкими. Работают при температуре газов до 90°С.
Синтетические материалы вытесняют материалы из хлопка и шерсти благодаря более высокой прочности, стойкости к повышенным температурам и агрессивным воздействиям, более низкой стоимости. Среди них нитроновые ткани, которые используют при температуре 120-130°С в химической промышленности и цветной металлургии. Лавсановые ткани используются для очистки горячих сухих газов в цементной, металлургической и химической промышленности.
В кислых средах стойкость их высокая, в щелочных - резко снижается.
Стеклянные ткани стойки при 150-350°С. Их изготовляют из алюмоборосиликатного бесщелочного или магнезиального стекла.
Аэродинамические свойства чистых фильтровальных тканей характеризуются воздухопроницаемостью - расходом воздуха при определенном перепаде давления. Сопротивление незапыленных тканей при нагрузках 0,3-2,0 м3/(м2⋅мин) обычно составляет 5-40 Па. По мере запыления аэродинамическое сопротивление ткани возрастает, а расход газа через фильтр уменьшается.
Ткань регенерируют путем продувки в обратном направлении, механического встряхивания или другими методами.
После нескольких циклов фильтрации-регенерации остаточное количество пыли в ткани стабилизируется; оно соответствует так называемому равновесному пылесодержанию ткани и остаточному сопротивлению равновесно запыленной ткани. Значения этих величин зависят от типа фильтрующего материала, размеров и свойств пылевых частиц, относительной влажности газов, метода регенерации и других факторов.
Наибольшее распространение получили так называемые рукавные фильтры.
Рукавные фильтры используют для полного осаждения тонкодисперсной пыли. Степень очистки запыленного воздуха рукавными фильтрами составляет 98…99,6% - Аэродинамическое сопротивление фильтров находится в пределах 0,6…1,2 кПа. Эффективными являются рукавные фильтры с импульсной продувкой типа ФРКИ. Эти аппараты имеют низкий удельный расход сжатого воздуха на очистку рукавов в период их продувки, надежны в эксплуатации и удобны при обслуживании.
Рукавный фильтр (фиг. 14) состоит из металлического корпуса 32, снабженного входным 33 и выходным патрубками, смотровыми люками 36, бункером 31 для сбора пыли и крышками 37, фильтровальных рукавов 38, камерой 24, трубопроводом сжатого воздуха 43, диффузором 10, и устройства для импульсной продувки рукавов в период их очистки от слоя пыли.
Рукава снабжены жесткими каркасами, закрыты снизу, а сверху соединены с диффузорами 10. Устройство для импульсной продувки рукавов включает воздухораспределительные трубы 40 с соплами 39, клапанные секции 41 с мембранными электромагнитными клапанами 42 и программатор электрических импульсов, управляющий клапанами 42.
Рукавный фильтр работает следующим образом. Аэрозоль (запыленный воздух) через патрубок 33 поступает в камеру 24 под действием разрежения, создаваемого вентилятором. Пройдя фильтровальные рукава 38, аэрозоль очищается от пыли и через отверстия (диффузоры 10) в верхней части рукавов поступает в камеру 24. Очищенный аэрозоль (очищенный воздух) удаляется из рукавного фильтра через выходной патрубок 34 и выбрасывается вентилятором в атмосферу.
По мере накопления пыли на поверхности рукавов увеличивается аэродинамическое сопротивление фильтра. Очистка (регенерация) рукавов от пыли осуществляется без отключения аппарата раздельно для каждого ряда рукавов и длится в течение 0,2…0,3 с путем подачи импульса сжатого воздуха через сопла 39 в диффузорную часть каждого рукава. Поступая в рукав через диффузор 10, струя воздуха засасывает (инжектирует) из камеры 24 очищенный воздух и создает в рукаве повышенное давление. При этом рукав раздувается, разрушая пылевой слой, который отделяется от ткани обратным импульсным потоком воздуха и ссыпается в бункер 31. Из бункера пыль периодически выгружается через шлюзовой затвор винтовым конвейером.
Подача импульсов сжатого воздуха осуществляется путем кратковременного открытия мембранного электромагнитного клапана 42, разделяющего трубопровод 43 с воздухом, находящимся под давлением 0,3…0,4 МПа, и воздухораспределительные трубки 40. Клапан 42 открывается при поступлении электрических импульсов от программатора. Программатор снабжен ручками настройки, с помощью которых можно изменять как продолжительность импульсов, так и время между импульсами. Это позволяет выбрать необходимый режим регенерации рукавов фильтра в зависимости от свойств пыли и тина применяемого фильтровального материала.
Техническая характеристика рукавного фильтра типа ФРКИ - 60: количество рукавов 72 шт.; размеры рукавов: диаметр 135 мм, длина 2 м; фильтрующая поверхность 60 м2; максимальная температура воздуха 130°С; максимальная запыленность воздуха 50 г/м3; расход сжатого воздуха на 1000 м3 запыленного воздуха 1…2 м3. В качестве материала рукавов используется лавсан, войлок и др.
Многостадийная очистка реализуется, как правило, как последовательность устройств, каждое из которых выполняет одностадийную очистку аэрозолей от содержащихся в нем твердых частиц (пыли). Например, на фиг. 15 показана многостадийная очистка при производстве фосфорной муки (каскадная пылеочистка), где
44 - печь; 45- пылеосадительная камера; 46 - электрофильтр; 47 - дымосос; 48 - пенный аппарат.
Стадии очистки выполняются последовательно. При этом стадии могут быть согласованными или не согласованными.
Например, согласованными стадии будут тогда, когда каждая предыдущая стадия очищает входной аэрозоль от твердых частиц таким образом, что аэрозоль на выходе является допустимым по размеру самой крупной фракции для реализации следующей стадии.
Многостадийная очистка аэрозолей от содержащихся в нем твердых частиц (пыли) может быть реализована, как последовательность устройств, каждое из которых выполняет одностадийную очистку аэрозолей от содержащихся в нем твердых частиц (пыли), так и одним техническим устройством.
На фиг. 16 показан пылеуловитель-классификатор и обозначено:
53 - I, II, III - три ступени очистки газа; 8 - корпус; 33 - входной патрубок; 49 - патрубок отвода крупной фракции пыли; 50 - наклонное днище; 51 - патрубок отвода средней фракции пыли; 52 - приемный цилиндр второй ступени очистки газа; 54 - экран; 55 - приемный цилиндр третьей ступени очистки газа; 56 - неподвижные лопасти; 34 - выходной патрубок; 57 - коническое днище; 58 - патрубок отвода мелкой фракции пыли
В пылеуловителе-классификаторе очистка газа осуществляется на нескольких ступенях, в которых осаждение осуществляется за счет силы инерции и центробежной силы.
Данное устройство предназначено для использования, когда требуется решить несколько задач: эффективно выделить пыль из аэрозоля, а также классифицировать ее по фракциям, так как частицы определенного размера являются целевым продуктом.
Остановимся на электрофильтрах.
Электрофильтры являются эффективными аппаратами, предназначенными для очистки аэрозолей от пылевых частиц.
Электрофильтры широко применяются почти во всех отраслях промышленности: теплоэнергетике, черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, в строительной индустрии, при производстве удобрений и утилизации бытовых отходов.
Сущность процесса механической очистки, при которой осаждение твердых частиц (пыли) осуществляется на основе электростатических сил заключается в следующем.
Аэрозоль, содержащий твердые частицы, проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов, к которым подводится постоянный электрический ток высокого напряжения. При достаточно большом напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку у поверхности коронирующего электрода, происходит интенсивная ударная ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны), который на весь межэлектродный промежуток не распространяется и затухает о мере уменьшения напряженности электрического поля в направлении осадительного электрода.
На фиг. 17 отражен механизм зарядки и осаждения в электрофильтре и обозначено: 59 - коронирующий электрод; 60 - электроны; 61 - ионы; 62 - твердые частицы (частицы пыли); 63 - осадительный электрод;
Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны под действием сил электрического поля, движутся к разноименным электродам, вследствие чего в межэлектродном промежутке возникает электрический ток, называемый током короны.
Улавливаемые частицы 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.
На фиг. 18, 19 отражен электрофильтр, где под позициями обозначено:
64 - выпрямитель; 65 - распределительная решетка;66 - система электроснабжения фильтра.
2
2
3
2
2
3
6
6
Основными загрязняющими веществами, содержание которых в атмосфере регламентируется стандартами качества воздуха, являются диоксид серы SO, оксиды азота NO и NO, монооксид углерода СО и газообразные углеводороды НС и твердые частицы [1]. Среди других загрязнений, выбрасываемых в атмосферу, обычно контролируется содержание триоксида серы SO, соединений восстановленной серы (сероводорода HS и сероуглерода CS), аммиака NH, бензола СН.
2
3
Оксиды азота. Экологическая опасность NO в несколько раз превосходит NO. Это газ красно-бурого цвета с удушливым и резким, раздражающим запахом, хорошо растворяется в воде образуя красно-бурую жидкость, которая при температуре -10,2°С твердеет и образует бесцветные кристаллы. Диоксид азота отрицательно влияет на здоровье людей, поражается дыхательная система, легкие. Крайне опасным для жизни может оказаться даже временное вдыхание воздуха с концентрацией диоксида азота 200-500 мг/м. Большую опасность для живых организмов представляет образование еще более вредных, канцерогенных веществ в реакциях с участием NO. Например: проверенной, надежной и высокоэффективной технологией выделения вредных соединений азота из газов - является селективное каталитическое восстановление (СКВ) NOx с аммиаком в качестве реагента.
Одной из наиболее острых проблем в современном мире является сокращение влияния на окружающую среду выбросов в пересчете на диоксид углерода.
Поскольку полнота сжигания органических веществ характеризуется содержанием диоксида углерода и воды (в большей степени), то наиболее актуально рассмотреть методы очистки газов в том числе и от диоксида углерода. Кратко, основные методы очистки аэрозолей от диоксида представлены ниже:
- Абсорбция водой. Способ прост и дешев, однако эффективность очистки мала, так как максимальная поглотительная способность воды низкая.
- Поглощение растворами этаноламинов: в качестве поглотителя обычно применяют моноэтаноламин, хотя триэтаноламин обладает большей реакционной способностью, с последующей регенерацией абсорбента при различном давлении и дальнейшего компремирования углекислоты.
2
- Холодный метанол является хорошим поглотителем СО при 35°с.
2
2
- Очистка цеолитами типа СаА. Молекулы СО очень малы: 3,1А, поэтому для извлечения СО из газа используются молекулярные сита.
Анализ используемых методов очистки отходящих промышленных газов от вредных химических соединений, основными из которых являются абсорбционный, адсорбционный, каталитический и термический, показывает, что для очистки промышленных газов от вредных химических соединений наиболее приемлем абсорбционный («мокрый») способ очистки. Использование мокрой очистки требует минимальной предварительной подготовки газа и использования дорогостоящих катализаторов или абсорбентов, позволяет одновременно проводить очистку от газообразных и механических компонентов при мягком температурном режиме.
Известны различные способы многостадийной очистки от твердых частиц аэрозолей, состоящей в том, что в несколько стадий осуществляют механическое выделение твердых частиц из аэрозоля путем осаждения твердых частиц под действием одной или нескольких сил - гравитационных, сил инерции, силы Кориолиса, центробежных сил, электростатических сил, прилагаемых к осаждаемым частицам одновременно или последовательно, причем каждая предыдущая стадия очищает входной аэрозоль от твердых частиц таким образом, что аэрозоль на выходе является допустимым по размеру самой крупной фракции для реализации следующей стадии.
Недостатком данных способов является то, что их реализация для высокотемпературных аэрозолей, состоящих по крайней мере из свободнодисперсного и грубодисперсного аэрозолей, одновременно выбрасываемых в атмосферу не обеспечивает согласование по температуре с последующей стадией, либо крайне технически затруднена, либо необоснованно дорогая, либо невозможна.
Из уровня техники известны способы и устройства мокрой очистки и охлаждения газа (US 6042636, 28.03.2000; SU 1638482, 30.03.1991; SU 1533740, 07.01.1990; JPH 06212174, 02.08.1994; US 9504951, 29.11.2016) и способы и устройства сухой очистки газов с охлаждением потока газа и отводом осадка (AT 412533, 25.04.2005; WO 2016/182441, 17.11.2016; US 4305909, 15.12.1981; WO 2009/108983, 11.09.2009; CN 1033508, 28.06.1989).
Однако в указанных источниках не раскрывается многостадийная очистка от дисперсных фаз высокотемпературных аэрозолей, в которой очистка происходит не только механическая, но и химическая, при этом для каждой последующей стадии очистки согласуется температурный режим и размер частиц дисперсных фаз, в связи с чем не достигается должная очистка высокотемпературных аэрозолей.
Техническая проблема, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в расширении арсенала способов очистки от дисперсных фаз высокотемпературных аэрозолей, параметры, характеристики которых обеспечивают высокую очистку высокотемпературных аэрозолей при снижении затрат на очистку, уменьшении выбросов дисперсных фаз в атмосферу, их контролируемый сбор и вывод, при этом непрерывность процесса очистки не нарушается.
Технический результат, достигаемый при практической реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности способа и качества очистки аэрозолей путем достижения глубокой степени очистки за счет согласования между стадиями очистки температурных режимов, объема и размера твердых частиц между стадиями, что приводит к снижению затрат на очистку, уменьшению выбросов дисперсных фаз в атмосферу и их сбора, а также непрерывности очистки и создании необходимых условий для осуществления эффективной очистки аэрозоля от вредных химических соединений.
Указанный технический результат достигается в способе очистки высокотемпературных аэрозолей от вредных веществ (в т.ч. твердых частиц и веществ опасных для окружающей среды и человека) в выбросах промышленных производств, при котором осуществляют многостадийную очистку высокотемпературных аэрозолей, при которой производят, по меньшей мере, одну стадию очистки грубодисперсного аэрозоля от дисперсной фазы с одновременным контролируемым выводом осажденных твердых частиц из области их выделения, рекуперацией или утилизацией тепла и согласованным одностадийным или многостадийным понижением высокой температуры аэрозоля до рабочей температуры для изменения на последующих стадиях химического состава аэрозоля и пропорций содержания в аэрозоле его компонентов в различном агрегатном состоянии, и для механической очистки аэрозолей от дисперсной фазы.
Высокотемпературные аэрозоли состоят по крайней мере из свободнодисперсного и грубодисперсного аэрозолей.
Производят понижение высокой температуры аэрозоля до рабочей температуры последующей стадии.
Стадию очистки грубодисперсного аэрозоля, рекуперации или утилизации тепла аэрозоля согласованное понижение высокой температуры аэрозоля, для последующей стадии проводят посредством аппарата тепло-массообменного принципа действия.
Стадию очистки грубодисперсного аэрозоля, согласованное понижение высокой температуры аэрозоля, для последующей стадии проводят посредством аппарата с функциями одновременной: фильтрации аэрозоля, охлаждения аэрозоля, теплоотведения и золо-шлакоотведения.
Охлаждение и рекуперацию тепла высокотемпературного аэрозоля на первой стадии проводят посредством аппарата тепло-массообменного принципа действия аппарата с функциями одновременной: фильтрации аэрозоля, охлаждения аэрозоля, теплоотведения и золо-шлакоотведения.
На каждой стадии используют по меньшей мере одно устройство очистки, а согласование по результату работы одного устройства очистки согласовывают по меньшей мере с несколькими стадиями.
Понижение высокой температуры аэрозоля производят до температуры ниже точки росы, в этом случае из аэрозоля выделяют вредные вещества, находящиеся по меньшей мере в жидкой фазе и состоящие по меньшей мере из твердых частиц.
Вывод выделенных вредных веществ осуществляют контролируемым перемещением за пределы зоны, в которой осуществляется выделение вредных веществ из аэрозоля для последующего хранения, или утилизации, или переработки.
На предыдущей стадии объемное количество выводимой фракции крупного диаметра выше, чем на последующей стадии. При заявленном способе очистки происходит (из-за сочетания различных устройств) ступенчатое отсеивание наиболее крупных фракций относительно частиц на последующих стадиях. Самые крупные частицы оседают на первой стадии интенсивно. На второй стадии можно регулировать очистку до конкретного диаметра частиц, например, используя рукавный фильтр с определенным диаметром ячеек больше которого частица не проскочит. При мокрой очистке доля проскакиваемых частиц совсем мала или сводится к нулю, таким образом на каждой предыдущей стадии выше доля частиц большего диаметра и массы, чем на последующей стадии.
Производят дополнительную утилизацию тепла уловленной горячей дисперсной фазы.
Так же, посредством аппарата тепло-массообменного принципа действия осуществляют согласованное понижение высокой температуры аэрозоля для последующей стадии, диапазон допустимых размеров дисперсной фазы, объемов дисперсной фазы в аэрозоле, температуру аэрозоля и поток аэрозоля задают на этапе проектирования технологической схемы и оборудования.
Стадию очистки грубодисперсного аэрозоля, согласованное понижение высокой температуры аэрозоля, для последующей стадии проводят посредством аппаратов, например: осадительной камеры с теплоотводящими поверхностями, котла-утилизатора, кожухотрубчатого теплообменного аппарата.
Охлаждение и использование тепла высокотемпературного аэрозоля на первой стадии проводят посредством аппарата тепломассообменного принципа действия или группы аппаратов: осадительной камеры с теплоотводящими поверхностями, котла-утилизатора, кожухотрубчатого теплообменного аппарата.
Вывод осажденных твердых частиц с первой и последующих стадий осуществляют контролируемым перемещением за пределы зоны, в которой осуществляется выделение твердых частиц из аэрозоля для последующего хранения, или утилизации, или переработки. Вывод осажденных твердых частиц осуществляют, например, ручной выгрузкой из бункера-накопителя, посредством пневмотранспортной системы, посредством шнекового транспортера или системы вакуумного отсоса.
Механическую очистку высокотемпературных аэрозолей от дисперсной фазы осуществляют одновременно с очисткой аэрозоля от вредных веществ, вступающих в химическую реакцию с водным конденсатом, образованным за счет снижения температуры аэрозоля, в результате чего получают смесь из осажденных твердых частиц и веществ, образующихся в результате химической реакции с последующим отводом образовавшейся смеси.
Изменение химического состава аэрозоля и пропорций содержания в аэрозоле его компонентов в различном агрегатном состоянии осуществляют за счет снижения доли вредных веществ в аэрозоле, а также за счет снижения температуры аэрозоля до температуры образования конденсата.
КПД способа может быть увеличен, для этого применяют рекуперацию тепла уловленной высокотемпературной дисперсной фазы, а выделенное тепло используют с целью удешевления Способа или в иных целях. При этом величина на которую увеличивается КПД напрямую зависит от температуры уловленной дисперсной фазы и количества уловленной дисперсной фазы.
Согласованность по размеру фракций твердых частиц, допустимому объему твердых частиц в аэрозоле на каждой стадии, температуре потока аэрозоля на каждой стадии и степени очистки аэрозоля в целом осуществляют на этапе проектирования устройства, реализующего Способ.
При химической очистке аэрозоля не исключают использование дополнительных устройств, реагентов и/или катализаторы.
Создают необходимые рабочие условия для выделения вредных химических веществ.
Производят утилизацию тепла уловленной дисперсной фазы и понижение высокой температуры аэрозоля до температуры ниже точки росы.
Контроль объема дисперсных фаз, а также вредных химических соединений осуществляют, к примеру, приборами периодического действия по точечным замерам в определенной зоне технологической схемы, но наиболее предпочтительнее использовать стационарные системы «он-лайн» мониторинга состава аэрозолей после каждой стадии или на выходе из дымовой трубы.
Реализация для высокотемпературных аэрозолей, состоящих, по крайней мере из свободнодисперсного и грубодисперсного аэрозолей, одновременно выбрасываемых в атмосферу либо крайне технически затруднена, либо необоснованно дорогая, либо невозможна. Такие аэрозоли характерны, например, для нефтехимических или нефтеперерабатывающих производств, в частности в каталитических процессах. Для таких аэрозолей согласование стадий очистки, когда каждая предыдущая стадия очищает входной аэрозоль от твердых частиц таким образом, что аэрозоль на выходе является допустимым по размеру самой крупной фракции для реализации следующей стадии, является недостаточной именно ввиду того, что аэрозоль высокотемпературный и не каждый способ очистки, имеющий ограничение по рабочей температуре, подойдет.
Реализация очистки высокотемпературных аэрозолей тем дороже и ресурсоемка, чем выше температура аэрозоля. Поэтому, в данном случае, для устранения отмеченного недостатка необходимо снизить температуру аэрозоля до допустимых значений. В технологическом процессе каталитических производств температура аэрозоля снижается с помощью, например, радиационных воздухоподогревателей, поверхностных (газовых) холодильников (кулерах), котла-утилизатора основная функция которых состоит в утилизации избыточного тепла нагреванием теплоносителя в интересах его использования в других технологических процессах. Тем самым снижается себестоимость готовой продукции.
Вышеописанные способы охлаждения аэрозолей обладают ограничениями, например, в классическом котле-утилизаторе в качестве побочного эффекта (по отношению к основной его функции утилизации избыточного тепла) образуется слой осажденных твердых частиц, содержащихся в исходном (горячем) аэрозоле, которые скапливаются на его нагревательных поверхностях и в донной части, достигая критических объемов, которые препятствуют его дальнейшей эффективной работе впоследствии. В результате с определенного момента времени осажденные частицы вновь уносятся с потоком проходящего аэрозоля, если не предусмотрена функция очистки внутренней поверхности и функция контролируемого вывода осажденных частиц. В результате, на последующих стадиях механической очистке подвергается аэрозоль с пониженной температурой, но по-прежнему содержащий частицы крупной фракции, что может быть неприемлемо для данной последующей стадии.
Заявляемый способ отличается тем, что для уменьшения выбросов дисперсных фаз в атмосферу и их сбора, а также непрерывности отчистки на первом этапе очистки дисперсную фазу, в т.ч. твердые частицы выделяют из грубодисперсного аэрозоля одновременно с понижением температуры аэрозоля, рекуперацией или утилизацией тепла аэрозоля, и выводом уловленной дисперсной фазы за пределы рабочей зоны аппарата, выделенные из аэрозоля твердые частицы на каждой стадии контролируемо собирают и перемещают за пределы зоны, в которой выделяют твердые частицы из аэрозоля и создают необходимые условия для последующей очистки от вредных химических веществ, при которой производят механическую очистку высокотемпературных аэрозолей от мелкодисперсной фазы с одновременной очисткой аэрозоля от вредных веществ, вступающих в химическую реакцию с водным конденсатом, образованным за счет снижения температуры аэрозоля, в результате чего получают смесь из осажденных твердых частиц и веществ, образующихся в результате химической реакции с последующим отводом образовавшейся смеси, то есть на данной стадии очистки происходит связывание веществ, которые необходимо удалить из аэрозоля, посредством той или иной химической реакции (далее химической очистки). Традиционно для химической очистки используются вещества, которые до этого этапа очистки в аэрозоле не присутствовали. Отличительная особенность заявляемого способа очистки состоит в том, что при снижении температуры аэрозоля ниже точки росы каких-либо дополнительных веществ для химической очистки не требуется. Химическая очистка аэрозоля осуществляется за счет и благодаря появлению конденсата при охлаждении аэрозоля. Конденсат формируется с момента достижения точки росы. Возникший конденсат вступает в химическую реакцию с вредными веществами (вредные (реагирующие) вещества находятся в одном и том же объеме (перемешаны, то есть происходит перемешивание вредных веществ, находящихся в газообразном состоянии, и водного конденсата). Результат данной реакции выводится из зоны реакции. Все реагенты содержатся в самом аэрозоле, а химическая реакция начинается с момента достижения точки росы, из-за которой изменяется агрегатное состояние аэрозоля и получают газ с примесями и водный конденсат (жидкость). Вступая в химическую реакцию с водным конденсатом, вредное вещество «связывается» и становится частью нового вещества (в жидком состоянии). Вывод этого нового вещества (безотносительно от его полезности или вредности) означает вывод из исходного аэрозоля вредного вещества, ранее содержащегося в исходном аэрозоле в газообразном состоянии. Таким образом конкретный состав аэрозоля не имеет значения, так как принципиально для заявленного способа то, что в аэрозоле есть твердые частицы, которые удаляются механически, и химические соединения, которые удаляются по результатам химической реакции с участием конденсата и этих примесей. Достигается это путем согласования стадий очистки по размеру частиц и по температуре.
По причине согласованности рабочих условий между стадиями удешевляется процесс очистки исходного аэрозоля и выходной аэрозоль содержит существенно меньший объем дисперсных фаз.
Сущность изобретения поясняется примерами осуществления заявленного способа очистки от твердых частиц высокотемпературных аэрозолей и чертежами, где на фиг. 1-19 отражен предшествующий уровень техники: фиг. 1 - гравитационное осаждение; фиг. 2 - гравитационное осаждение в газовом канале; фиг. 3 - гравитационное осаждение в цилиндрический сборник; фиг. 4 - скруббер Вентури; фиг. 5 - вихревой пылеуловитель; фиг. 6 - динамический пылеуловитель; фиг. 7-9 - пылевая камера; фиг. 10 - пылеосадительная камера; фиг. 11 - жалюзийный золоуловитель; фиг. 12 - инерционный пылеуловитель конического типа; фиг. 13 - ротационная пылеулавливающая установка; фиг. 14 - рукавный фильтр; фиг. 15 - установка многостадийной очистки; фиг. 16 - пылеуловитель-классификатор; фиг. 17 - механизм зарядки и осаждения в электрофильтре; фиг. 18, 19 - электрофильтр, а на фиг. 20-23 - сущность заявленного изобретения: фиг. 20 - типы методов, применяемых в зависимости от размера дисперсной фазы аэрозоля; фиг. 21 - котел-утилизатор для гибкого ведения технологического процесса; фиг. 22 - котел-утилизатор с пароперегревателем; фиг. 23 - принципиальная схема рукавного фильтра.
Указанные на фиг. 20 методы позволяют достигнуть необходимой степени очистки аэрозоля от твердых частиц, но они могут иметь ограничения по рабочей температуре, т.е. требуется согласование данной стадии очистки по температуре аэрозоля. Для обеспечения необходимой температуры перед данной стадией, выбирают метод снижения температуры путем установки аппарата с функцией охлаждения аэрозоля сухого или мокрого типа, прямого, контактного типа или через промежуточную поверхность. Вышеперечисленным путем производится согласование стадий по необходимым условиям для корректного выполнения своих функций на каждой стадии.
Ниже, в таблице 1, указаны примеры различных методов для использования при разных значениях температуры аэрозоля на конкретной стадии. Приведены примеры реализации способа путем компоновки методов очистки, охлаждения высокотемпературных аэрозолей, утилизации и рекуперации тепла аэрозолей и вывода уловленных веществ за пределы зоны очистки. При этом для каждой стадии выбирают как одно, так и несколько устройств; а согласование по результату работы одного устройства происходит как с одной, так и с несколькими стадиями.
В описанных ниже примерах, не рассматривается стадия финальной осушки от влаги охлажденного и очищенного аэрозоля перед выбросом в атмосферу поскольку данная стадия не является целью данной работы и может быть реализована в зависимости от потребностей любым способом.
Пример 1. Исходные данные: Исходный аэрозоль может быть образован в результате сгорания горючих веществ, например, жидкого топлива; кокса в регенераторе каталитических процессов, металлургических печах; или в процессах обжига и сушки в цементном производстве, а также иных высокотемпературных процессах.
Для определенности рассмотрим случай, когда аэрозоль образуется, в результате горения продуктов коксования на поверхности отработанных катализаторов в регенераторе каталитического процесса. Аэрозоль состоит из грубодисперсного и тонкодисперсного аэрозолей с содержанием твердых частиц до 1100 мг/нм3. Температура исходного аэрозоля достигает 650°С на выходе из регенератора.
Требуется охладить аэрозоль до температуры 220-2500 С, утилизировать тепло охлажденного аэрозоля и снизить содержание твердых частиц до значения не более 10 мг/нм3.
Для решения поставленных задач:
на первой стадии используют два, параллельно стоящих котла-утилизатора для гибкого ведения технологического процесса, см. Фиг. 21. Они содержат тепло-обменную поверхность 67, отбойные пластины 68 и камеру воздухоразбавление 69 и выполняют функцию: тепло-массообменных аппаратов для охлаждения аэрозоля с 650 до 250-220°С; функцию утилизации тепла аэрозоля и выработки пара; функцию выделения грубодисперсных частиц и отвода уловленных частиц из зоны выделения. Характеристики котлов-утилизаторов рассчитывают в соответствии с известными методиками расчета (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Тепловой расчет котлов» (нормативный метод) изд. 3 переработанное, дополненное. АО ВТИ и АО НПО ЦКТИ им. Ползунова., Санкт-Петербург 1998 г.).
На первой стадии, помимо охлаждения аэрозоля, происходит интенсивное осаждение наиболее крупных дисперсных частиц, в т.ч. фрагментов отработанных катализаторов с продуктами неполного сгорания кокса со сложным химическим составом.
На последующей стадии (механической очистки высокотемпературных аэрозолей от мелкодисперсной фазы) применяют устройство тонкой очистки аэрозоля в виде рукавных фильтров с функциями: очистки аэрозоля от твердых частиц с 1100 до 10 мг/нм3; вывода уловленных частиц с зоны очистки. Рабочая температура рукавных фильтров ограничена не более 270°С. Характеристики рукавного фильтра выбираются и рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Методы и системы очистки газов», Баркан М.Ш., Пашкевич М.А., Домпальм Е.И., Бурмистрова М.М., Изд-во: Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова, 2006 г.).
Все уловленные частицы выводятся из зоны очистки, тем самым минимизируется повторный унос осажденных частиц, при этом температуру аэрозоля не понижают ниже точки росы. Твердые частицы выводят за пределы зоны очистки посредством пневмотранспортной системы, характеристики которой рассчитываются, согласно известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой Волошина А.И. «Механика пневмотранспортирования сыпучих материалов», НАУКОВА ДУМКА, 2001 г.).
После двух стадий в аэрозоле изменяется соотношение твердых и газообразных-компонентов, т.е. компонентов с разным агрегатным состоянием и химическим составом.
Охлажденный и очищенный аэрозоль поступает в дымовую трубу с температурой 220°С и содержанием твердых частиц до 10 мг/нм3.
Пример 2 Исходные данные: Исходный аэрозоль образуется, например, в процессе регенерации катализатора в регенераторе установки каталитического крекинга. В результате, аэрозоль состоит из продуктов неполного сгорания отложений, в числе которых присутствуют вредные оксиды серы, а также дисперсную фазу из твердых частиц с размерами от долей микрометра до 160 мкм и количеством до 600 мг/нм3. Температура аэрозоля 700°С.
Требуется снизить содержание дисперсной фазы до значения ниже 5 мг/нм3. Кроме того, требуется снизить температуру ниже температуры точки росы и преобразовать полученную энергию в пар, помимо этого требуется уловить и вывести за пределы зоны очистки аэрозоля коррозионноактивные оксиды серы.
Для решения поставленных задач:
на первой стадии будем использовать котел-утилизатор, см. Фиг. 21. Он выполняет функцию тепло-массообменного аппарата для снижения температуры аэрозоля и получения высокоэнергетического пара. Кроме этого, котел-утилизатор выполняет функцию очистки аэрозоля от твердых частиц при помощи входящих в его состав отбойных устройств, которые интенсифицируют отбивание твердых частиц. Эти устройства имеют вид пластин, установленных внутри котла-утилизатора. К примеру, известна плотность частиц, пористость и пр. характеристики, то можем рассчитать, что частицы менее 30 микрон имеют низкую массу, низкую скорость гравитационного оседания и способны проскакивать с потоком аэрозоля на следующую стадию, а частицы более 100 микрон имеют массу в несколько раз больше и этого достаточно для их осаждения под действием силы тяжести и силы инерции которая создается в процессе инерционного отскока от внутренних поверхностей котла-утилизатора. Тем самым, зная процент фракций с диаметром более 100 микрон, можно рассчитать степень очистки аэрозоля в котле-утилизаторе от грубодисперсной фракции. Кроме того, для повышения эффективности осаждения твердых частиц из аэрозоля может использоваться дополнительная поверхность в виде ошиповки и оребрения на теплообменной поверхности, что дополнительно увеличивает эффективность теплосъема. При этом, очистку осажденных частиц с внутренних поверхностей производят газоимпульсной системой очистки путем периодического встряхивания. Характеристики котла-утилизатора рассчитываются в соответствии с известными методиками расчета (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Тепловой расчет котлов» (нормативный метод) изд. 3 переработанное, дополненное. АО ВТИ и АО НПО ЦКТИ им. Ползунова., Санкт-Петербург 1998 г.). Снижение температуры до рабочего значения для последующей стадии очистки, в нашем случае, до 200°С, обеспечивают либо в самом котле-утилизаторе, либо в отдельном котле-утилизаторе, который реализует отдельную стадию очистки. Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по температуре аэрозоля. При этом, указанная методика позволяет рассчитать оба варианта. Выберем наиболее экономически более выгодный вариант. Объем твердых частиц в донной части котла-утилизатора контролируют уровнемером. Грубодисперсная фракция, с большой массой и размерами частиц, достаточными для естественного осаждения под действием сил тяжести и инерции отбиваются от отбойных поверхностей и падают в донную часть котла-утилизатора.
Тепло осажденных твердых веществ в донной части котла-утилизатора рекуперируют за счет установки, например, дополнительной теплообменной поверхности, см. Фиг. 21, в виде полой пластинчатой или трубчатой конструкции, которая соприкасается внешней поверхностью с твердыми частицами, а по внутреннему пространству течет теплагент, снимающий тепло от твердых частиц.
Осажденные твердые частицы выводят за пределы котла-утилизатора посредством пневмотранспортной системы, характеристики которой рассчитываются, согласно известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой Волошина А.И. «Механика пневмотранспортирования сыпучих материалов», НАУКОВА ДУМКА, 2001 г.). Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по размеру частиц и объему грубодисперсной фракции;
На второй стадии будем использовать 2 устройства: электрофильтр для очистки аэрозоля и секцию экономайзера для охлаждения аэрозоля. Принцип электрической очистки газов основан на ионизации газа, пропускаемого в электродном пространстве с неоднородным электрическим полем высокой напряженности, вызывающим ионизацию газовой среды. Находясь в ионизированном пространстве, частицы пыли (тумана) приобретают электрический заряд (как правило, избыточный отрицательный) и осаждаются на электроде противоположного знака. Характеристики электрофильтров рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Расчет систем золоулавливания и шлакозолоулавливания», Виленский Т.В., Изд-во: ЭНЕРГИЯ, 1964 г.). Степень очистки аэрозоля после электрофильтра достигает до 90%. Для согласования со следующей стадией по температуре используем секцию экономайзера выполненную в виде трубных пучков, внутри которых пускают теплагент в виде воды, которая охлаждает аэрозоль, вся конструкция исполнена в стальном корпусе. При этом, секция экономайзера связана с котлом утилизатором и выполняет функцию первичного подогрева котловой воды. Характеристики экономайзера рассчитываются, используя аналогичные методики для расчета котлов-утилизаторов, ссылки на которые приведены в данном примере. При этом температура аэрозоля на выходе данной стадии составляет ниже 150°С;
На третьей стадии используем конденсационное оборудование, выполненное в виде теплообменника моно- или многоблочного типа с функцией вывода шлама за пределы теплообменника. При конденсации пары жидкости обволакивают и захватывают с собой наиболее маленькие дисперсные частицы. При этом дисперсные частицы пыли, покрытые пленкой конденсата, обладают хорошей адгезивной способностью, благодаря чему повышается эффективность коагуляции таких частиц между собой. Контактная теплообменная поверхность может быть выполнена в виде полых пластин, внутри которых движется хладагент, снимающий тепло аэрозоля, а снаружи теплообменных пластин происходит конденсация вредных веществ при температуре ниже точки росы. Характеристики конденсационного теплообменника рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Теплообменные аппараты и конденсационные устройства», Берман С.С, Изд-во: МАШГИЗ, 1959 г.). Кроме того, поверхность контакта пластин с аэрозолем покрывается защитными покрытиями для защиты от агрессивной среды. В качестве защитных покрытий используются покрытия на основе оксидов кремния, толщиной до 100 микрон, произведенные по золь-гель технологии, которые образуют прочную и относительно, эластичную матрицу которая выдерживает температурные расширения в широких температурных диапазонах и имеют хорошую теплопроводность, а в качестве дисперсной фазы применяют оксиды металлов. Покрытия образуют прочный, газонепроницаемый слой на теплообменной поверхности. При температурах ниже, чем 150°С парообразная вода и оксиды серы вступают в реакцию с конденсацией кислот. Кислый конденсат собирается и выводится в отдельную приемную емкость для повторного орошения в рециркуляционном контуре, а излишки выводятся в транспортную магистраль для отвода кислого шлама. Для улавливания капель после конденсационного оборудования используют каплеуловители. Характеристики транспортных систем для вывода шлама (т.е. смеси из сыпучих и жидких компонентов) рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Расчет систем золоулавливания и шлакозолоулавливания», Виленский Т.В., Изд-во: ЭНЕРГИЯ, 1964 г.).
При этом, аэрозоль охлаждается до температуры ниже 100°С, например, до 40°С, в зависимости от требований. Таким образом, на каждой стадии достигается согласование по рабочей температуре, размеру фракций и объему дисперсной фазы в аэрозоле.
3
Пример 3. Исходные данные: Исходный аэрозоль может быть образован в результате процесса возгонки элементов шихты и металла, и механического уноса капель расплава и твердых частиц шихты в мартеновских печах металлургической промышленности. Состав аэрозоля: вредные химические вещества, например, SOx, NOx, СОх, а также дисперсная фаза из твердых частиц, на 85% из оксидов железа, с размерами частиц от долей микрометра до конгломератов с размерами до 100 мкм и общим количеством пыли до 10000 мг/нм. Температура аэрозоля 600°С в борове печи перед очисткой.
3
Требуется снизить температуру аэрозоля до 100-80°С, утилизировать тепло аэрозоля, снизить содержание дисперсной фазы до значения не выше 10 мг/нм, при этом требуется выделить из аэрозоля вредные и коррозионноактивные соединения.
Для решения поставленных задач: на первой стадии будем использовать котел-утилизатор, см. Фиг.22. Он содержит теплообменную поверхность 67, отбойные пластины 68 и камеру воздухоразбавление 69 и выполняет функцию тепло-массообменного аппарата для снижения температуры аэрозоля и получения высокоэнергетического пара. Кроме этого, котел-утилизатор выполняет функцию очистки аэрозоля от твердых частиц. Функцию очистки грубодисперсных твердых частиц на входе в котле-утилизаторе реализуем установкой, по ходу движения аэрозоля, вертикальной отбойной секции, в которой проходные отверстия расположены в шахматном порядке за счет чего происходит интенсивное отбивание твердых частиц в процессе турбулизации потока аэрозоля и многократного изменения движения потоков аэрозоля, что приводит к интенсивному инерционному отскоку частиц и их осаждению. За счет установки отбойной секции перед теплообменными трубами количество осажденных частиц на трубах сокращается и паровыработка котла-утилизатора происходит эффективнее продлевается срок службы труб, т.к. снижается эрозионное воздействие твердыми частицами на трубы. При этом, очистку осажденных частиц с внутренних поверхностей производят газоимпульсной системой очистки путем периодического встряхивания. Характеристики котла-утилизатора рассчитываются в соответствии с известными методиками расчета, с учетом установленных отбойных устройств (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Теплоэнергетическое оборудование и теплоснабжение» Методические указания. Сост. Герасименко Т.Е., изд-во «ТЕРЕК», 2014 г.). Снижение температуры до рабочего значения для последующей стадии очистки, в нашем случае, до 240°С, обеспечивают в самом котле-утилизаторе. Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по температуре аэрозоля. Грубодисперсная фракция, с относительно большой массой и размерами частиц, достаточными для естественного осаждения под действием сил тяжести и инерции падает в донную часть котла-утилизатора.
Тепло осажденных твердых веществ в донной части котла-утилизатора рекуперируют за счет установки, например, дополнительной теплообменной поверхности, см. Фиг. 21, в виде полой пластинчатой или трубчатой конструкции, которая соприкасается внешней поверхностью с твердыми частицами, а по внутреннему пространству течет теплагент, снимающий тепло от твердых частиц.
Осажденные твердые частицы выводят за пределы котла-утилизатора посредством пневмотранспортной системы, характеристики которой рассчитываются, согласно известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой Волошина А.И. «Механика пневмотранспортирования сыпучих материалов», НАУКОВА ДУМКА, 2001 г.). Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по размеру частиц и объему грубодисперсной фракции;
На второй стадии будем использовать 2 устройства. Циклон для пылеулавливания и секцию экономайзера для охлаждения аэрозоля и рекуперации тепла. Циклон, аппарат, улавливающий пыль под действием центробежных сил, возникающих во вращающемся потоке запыленных газов. Относительно крупные пылевые частицы отбрасываются потоком к стенке циклона, затормаживают свое движение за счет сил трения и постепенно осаждаются в нижнюю часть аппарата. Конструктивной особенностью циклона является поступление в него газа по касательной к цилиндру; вращение газов происходит сверху вниз (в цилиндрической части), а в конической части циклона образуется внешний вращающийся вихрь. Степень очистки в циклоне достигает до 90%. Характеристики циклона рассчитываются в соответствии с известными методиками расчета (к примеру, воспользуемся методикой из издания Методические указания «Пылеулавливающие аппараты для очистки выбросов в атмосферу. Расчет циклонов» по дисциплине «Основы экологии» для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / Сост. В.В. Севриков, А.А. Никитин. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2008.). Характеристики экономайзера рассчитываются, используя аналогичные методики для расчета котлов-утилизаторов, ссылки на которые приведены в данном примере. При этом температура аэрозоля на выходе данной стадии составляет ниже 140°С.
Выполняя условия 2 стадии, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по размеру твердых частиц, объему дисперсной фракции и температуре аэрозоля;
На третьей стадии используем высоконапорный скруббер Вентури. Это один из наиболее эффективных устройств для мокрой очистки аэрозоля от твердых частиц и абсорбции газообразных примесей при пониженных температурах. Поскольку на данной стадии температура аэрозоля ниже точки росы, то исполнение внутренних элементов конструкции должно быть в защищенном от воздействия химических агрессивных сред виде. Скруббер Вентури оснащается каплеулавливающим устройством. Характеристики скруббера Вентури рассчитываются в соответствии с известными методиками расчета (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Проектирование аппаратов пылегазоочистки. / Зиганшин М.Г., Колесник А.А, Посохин В.Н. / М.: "Экопресс - 3М", 1998 - 505 с.) Степень очистки от твердых частиц после всех стадий составляет до 99%.
Таким образом, на каждой стадии достигается согласование по основным необходимым рабочим условиям, таким как температуре, размеру фракций и объему дисперсной фазы в аэрозоле для реализации последующей стадии и достижении наилучшего результата.
3
Пример 4. Исходные данные: Аэрозоль образуется в результате кислородной продувки чугуна конвертерного производства. В результате, пыль аэрозоля преимущественно состоит из окислов железа, кремния, алюминия, марганца, с размерами от долей микрометра до 5 мкм и количеством до 250 мг/нм. Кроме того, аэрозоль состоит из оксидов углерода и серы, сероводорода и фтора с хлором. Температура аэрозоля перед очисткой составляет 1300°С.
3
Требуется снизить содержание дисперсной фазы до значения ниже 5 мг/нм. Кроме того, требуется снизить температуру ниже температуры точки росы и преобразовать полученную энергию в пар. Так же требуется уловить и вывести за пределы зоны очистки аэрозоля коррозионноактивные оксиды серы, снизить содержание, например, NOx до 95%.
Для решения поставленных задач: на первой стадии будем использовать предустановленный пароперегреватель для выработки острого пара и котел-утилизатор, см. Фиг. 22. и описание приведено на 1 стадии, в примере 3, см. выше. Снижение температуры до рабочего значения для последующей стадии очистки, в нашем случае, до 300°С, обеспечивают 2-мя устройствами. Характеристики котла-утилизатора рассчитываются в соответствии с известными методиками расчета, с учетом установленных отбойных устройств (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Тепловой расчет котлов» (нормативный метод) изд. 3 переработанное, дополненное. АО ВТИ и АО НПО ЦКТИ им. Ползунова., Санкт-Петербург 1998 г.). Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по температуре аэрозоля. Объем твердых частиц в донной части котла-утилизатора контролируют уровнемером. Грубодисперсная фракция, с большой массой и размерами частиц, достаточными для естественного осаждения под действием сил тяжести и инерции падает в донную часть котла-утилизатора.
Тепло осажденных твердых веществ в донной части котла-утилизатора рекуперируют за счет установки, например, дополнительной теплообменной поверхности, см. Фиг. 21, в виде полой пластинчатой или трубчатой конструкции, которая соприкасается внешней поверхностью с твердыми частицами, а по внутреннему пространству течет теплагент, снимающий тепло от твердых частиц. Осажденные твердые частицы выводят за пределы котла-утилизатора посредством пневмотранспортной системы, характеристики которой рассчитываются, согласно известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой Волошина А.И. «Механика пневмотранспортирования сыпучих материалов», НАУКОВА ДУМКА, 2001 г.)., Выполняя вышеперечисленные пункты, мы обеспечиваем согласование с последующей стадией по размеру частиц и объему грубодисперсной фракции;
На второй стадии будем использовать 2 устройства: устройство комплексной очистки от вредных веществ и экономайзер для охлаждения аэрозоля., Устройство по технологии комплексной очистки аэрозоля от твердых частиц и NOx, в нашем случае, по технологии CERCAT фирмы Maguin (Официальный сайт компании http://maquin.com/en/activities/environment/cercat-filter/; подробное описание технологии представлено по ссылке https://tri-mer.com/pdf-files/ceramic-filter-systems.pdf). Данная конструкция имеет ограничения по рабочей температуре для эффективной очистки. Рабочие значения температуры составляют в пределах от 230 до 370°С. Вся установка очистки аэрозоля на данной стадии может быть выполнена в стандартной конструкции для рукавных фильтров, где в качестве фильтр-элементов используют насадки из пористой проницаемой высокотемпературной керамики с нанесенным слоем катализатора для восстановления оксидов азота из аэрозоля, принципиальная схема представлена на фиг. 23, на которой под позицией 70 отражен рукавный фильтр, под 71 - бункер с добавками; под 72 - золо-шлакотранспортная магистраль.
2
Для осуществления реакции восстановления оксидов азота в поток аэрозоля до фильтра инжектируют реагенты в определенном количестве, которые перемешиваются с аэрозолем и в виде смеси проходят сквозь керамические фильтр-элементы. В присутствии катализатора на фильтр-элементах происходит реакция восстановления до N. При этом, содержащиеся твердые частицы в аэрозоле задерживаются на поверхности фильтр-элементов, а стряхивание пыли с поверхности производится газо-импульсной установкой. Таким образом на данной стадии реализуется очистка аэрозоля от вредных примесей NOx в аэрозоле на 98% и от твердых частиц до значения ниже 10 мг/нм3.
Характеристики экономайзера рассчитываются, используя аналогичные методики для расчета котлов-утилизаторов, ссылки на которые приведены в данном примере. При этом температура аэрозоля на выходе данной стадии составляет ниже 140°С.
Температура аэрозоля на выходе стадии превышает температуру точки росы и соответствует рабочему значению для последующей стадии; На третьей стадии используем конденсационное оборудование, выполненное в виде теплообменника моно- или многоблочного типа с функцией вывода шлама за пределы теплообменника. При конденсации пары жидкости обволакивают и захватывают с собой наиболее маленькие дисперсные частицы. При этом дисперсные частицы пыли, покрытые пленкой конденсата, обладают хорошей адгезивной способностью, благодаря чему повышается эффективность коагуляции таких частиц между собой. Контактная теплообменная поверхность может быть выполнена в виде полых пластин, внутри которых движется хладагент, снимающий тепло аэрозоля, а снаружи теплообменных пластин происходит конденсация вредных веществ при температуре ниже точки росы. Характеристики конденсационного теплообменника рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Теплообменные аппараты и конденсационные устройства», Берман С.С, Изд-во: МАШГИ3.1959 г.). Кроме того, поверхность контакта пластин с аэрозолем покрывается защитными покрытиями для защиты от агрессивной среды. В качестве защитных покрытий используются покрытия на основе оксидов кремния, толщиной до 100 микрон, произведенные по золь-гель технологии, которые образуют прочную и относительно, эластичную матрицу которая выдерживает температурные расширения в широких температурных диапазонах и имеют хорошую теплопроводность, а в качестве дисперсной фазы применяют оксиды металлов. Покрытия образуют прочный, газонепроницаемый слой на тепло-обменной поверхности. При температурах ниже, чем 150°С парообразная вода и оксиды серы вступают в реакцию с конденсацией кислот. Кислый конденсат собирается и выводится в отдельную приемную емкость для повторного орошения в рециркуляционном контуре, а излишки выводятся в транспортную магистраль для отвода кислого шлама. Для улавливания капель после конденсационного оборудования используют каплеуловители. Характеристики транспортных систем для вывода шлама (т.е. смеси из сыпучих и жидких компонентов) рассчитываются по известным методикам (к примеру, воспользуемся методикой из издания «Расчет систем золоулавливания и шлакозолоулавливания», Виленский Т.В., Изд-во: ЭНЕРГИЯ, 1964 г.).
При этом, аэрозоль охлаждается до температуры ниже 100°С, например, до 40°С, в зависимости от требований. Степень очистки аэрозоля после всех стадий составляет более 99%.
Таким образом, на каждой стадии достигается согласование по рабочей температуре, размеру фракций и объему дисперсной фазы в аэрозоле.