Глава 4. Физические основы очистки газов

4.1. «Сухие» и «мокрые» методы очистки газов

«Сухими» методаминазывают методы, которые исключают использование воды, водных растворов и других жидкостей в качестве промывных или поглотительных средств. Однако «сухие» методы не исключают использование жидкостей (в основном – воды) для кондиционирования (подготовки) летучих промышленных выбросов перед их подачей в газоочистительные аппараты. Например: часто практикуется подача некоторого расчетного количества тонкораспыленной воды в пылегазовый поток с целью снижения его температуры и уменьшения удельного, электрического сопротивления пыли. Вода при этом полностью испаряется, поэтому никаких промывных или поглотительных функций не выполняет.

«Мокрыми» методаминазывают методы, основанные на использовании воды или других жидкостей. При этом жидкость может использоваться: во-первых,в качестве промывного или поглотительного агента; во-вторых, существуют такие методы очистки, в которых жидкость, не промывая выбросов и не поглощая их компонентов, в то же время выполняет важную технологическую функцию (например, у «мокрых электрофильтров» удаление с электродов уловленной пыли производится не отряхиванием, а смывом).

Области применения «сухих» и «мокрых» методов не разграничивают однозначно, поскольку нередко оба метода технологически пригодны для решения одинаковых задач, а выбор метода диктуется технико-экономическими соображениями или спецификой конкретного предприятия, для которого разрабатывается технология очистки газа.

4.2. Достоинства и недостатки «сухих» методов очистки газов

Достоинства:

1. Температура остаточного выброса после сухой очистки определяется только конструктивными элементами очистного оборудования и может достигать 400…450 ⁰С (при наличии теплозащитной футировки – еще больших значений). Это даёт технологическую возможность утилизировать теплоту газов после очистки.

2. При выбросе в атмосферу сухих и относительно горячих газов значительно улучшаются условия их рассеивания.

3. Отсутствует потребление воды, которая является ценным, а в ряде регионов – дефицитным природным ресурсом.

4. Нет вторичных стоков загрязненных жидкостей, которые необходимо либо очистить перед сбросом, либо подвергать специальной обработке для вторичного использования в замкнутом цикле орошения.

5. Если температура смеси в тракте газоочистки устойчиво превышает температуру конденсации содержащихся в ней паров, тогда газоочистительное оборудование не подвергается коррозии.

6. Если улавливается пыль, она выгружается из пылеуловителей в виде сухого порошка, который может быть сравнительно просто утилизирован.

Недостатки:

1. В системах пылетранспорта уловленного порошкообразного продукта существует опасность вторичного образования аэрозолей. Поэтому указанные системы подлежат герметизации, а в некоторых случаях – снабжаются собственными аспирационными (т.е. местными) отсосами.

2. «Сухие» системы очистки резко отрицательно реагируют на конденсацию паров кислых жидкостей как во всем объеме, так и в ограниченной части пылегазового подсоса (например, местный подсос холодного наружного воздуха). В результате образующаяся конденсация паров вызывает общую или местную коррозию, а также способствует образованию трудноудаляемых отложений пыли, особенно если она гидрофильна и способна схватываться в присутствии влаги (например, цемент).

4.3. Достоинства и недостатки «мокрых» методов очистки газов

Достоинства:

1. Аппараты мокрой очистки, как правило, обладают более высокой степенью очистки газов от примесей по сравнению с аппаратами «сухой» очис­тки.

2. Аппараты мокрой очистки в общем конструктивно проще аппаратов «сухой» очистки, так как они практически не имеют движущихся механических частей.

3. Транспорт уловленного продукта также конструктивно прост и практически не требует предохранительных мер против вторичного образования аэрозолей.

Недостатки:

1. Аппараты мокрой очистки потребляют воду, которая является ценным и нередко дефицитным природным ресурсом (даже в случае замкнутого цикла орошения, потери воды неизбежны и требуют возмещения, например, за счет испарения с уловленным продуктом).

2. Имеет место вторичный сток загрязненных жидкостей, которые требуют дополнительной очистки или регенерации растворов.

3. Остаточный выброс после мокрой очистки – холодный влажный, из-за чего ухудшаются условия его рассеивания. Если очистке подвергаются горячие выбросы, то основное количество содержащейся в ней теплоты переходит в жидкость, из-за чего утилизация теплоты делается более сложной и менее эффективной.

4. В большинстве случаев в выбросах присутствует коррозийно-активные вещества, агрессивные свойства которых резко усиливаются в присутствии влаги. Поэтому при использовании «мокрых» методов необходимо решать комплекс вопросов противокоррозийной защиты.

5. Некоторые ядовитые газовые компоненты выбросов, поглощенные водой, могут в системе рециркуляции вторично выделяться, создавая опасность для персонала.

6. Утилизация условленного продукта (кроме шлама, пульпы или растворов) требует создания дополнительных сложных технологических систем, которые соизмеримы с основным газоочистительным оборудованием.

4.4. Основные механизмы осаждения частиц

Работа любого пылеулавливающего аппарата основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения взвешенных в газах частиц.

Гравитационное осаждение (седиментация) происходит в результате вертикального оседания частиц под действием силы тяжести при прохождении их через газоочистной аппарат.

Центробежное осаждение – осаждение под действием центробежной силы отмечается при криволинейном движении дисперсного потока газа (воздуха), когда развиваются центробежные силы, под действием которых взвешенные частицы отбрасываются на поверхность осаждения.

Инерционное осаждение происходит в том случае, когда масса частицы или скорость ее движения настолько значительны, что она не может следовать вместе с газом по линии тока, огибающей препятствие, а, стремясь по инерции продолжить свое движение, сталкивается с препятствием и осаждается на нем.

Зацепление (эффект касания) наблюдается, когда расстояние от частицы, движущейся с газовым потоком, до обтекаемого тела (препятствия) равно или меньше ее радиуса.

Диффузионное осаждение. Мелкие частицы испытывают непрерывное воздействие молекул газа, находящихся в броуновском движении, в результате которого возможно осаждение этих частиц на поверхности обтекаемых тел или стенок аппарата.

Электрическое осаждение. В процессе ионизации газовых молекул электрическим разрядом происходит заряд частиц, содержащихся в газах, а затем под действием электрического поля они осаждаются на электродах. Электрическое осаждение возможно и при взаимодействии частиц с каплями (или пузырями), причем электрические заряды могут быть подведены как к частицам, так и к каплям орошающей жидкости или одновременно и к частицам, и жидкости. Электрическое осаждение частиц может происходить и при прохождении взвешенных частиц аэрозоля через фильтрующие перегородки.

Помимо указанных выше основных механизмов осаждения, можно перечислить и ряд других: термофорез, диффузиофорез, фотофорез, воздействие магнитного поля и др.

Влияние того или иного механизма на осаждение частиц определяется целым рядом факторов, в первую очередь их размером.

Обычно при расчете промышленных газоочистных аппаратов используются методы теории подобия. Согласно этой теории, эффективность осаждения частиц за счет определенного механизма их осаждения может быть качественно охарактеризована соответствующим безразмерным параметром, а общая эффективность улавливания частиц в аппарате η является функцией этих параметров и критерия Re(число Рейнольдса), определяющего характер движения газовой среды, а также безразмерных параметров осаждения частиц за счет эффектов седиментации (G), центробежной силы (ω), инерции (Stk), касания (R), диффузии (D) и электрических сил (K_E). Значения этих параметров будут раскрыты ниже.

4.5. Закон Стокса

Твердые частицы аэрозоля постоянно движутся относительно среды и друг друга. В зависимости от размеров частиц, которые составляют этот полидисперсный аэрозоль, меняются законы, определяющие сопротивление движению этих частиц. Например, движение микронных (d _э > 1 мкм) и субмикронных (d _э < 1 мкм) частиц не нарушает распределения скоростей молекул воздуха
(газа среды) и не создает в нем никаких течений. В этом случае сопротивление движению обусловливается только тем, что движущаяся частица подвергается спереди большему числу столкновения, чем сзади. Соответственно этому сила сопротивления движению частиц пропорциональна скорости частиц и площади поперечного сечения. В этом случае для частиц размером около 1 мкм и более наиболее характерно аэродинамическое сопротивление среды, которое можно выразить формулой

, (4.1)

где ξ_ч – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы;

S _ч – площадь сечения частицы, перпендикулярного направлению движения (м²);

v _ч – скорость движения частицы (м/с);

ρ_г – плотность газа, в среде которого движутся частицы (кг/м³).

Принимая форму частицы в виде шара: , где d _ч – эквивалентный диаметр частицы (м), формулу (4.1) можно переписать в виде

. (4.2)

Коэффициент аэродинамического сопротивления частицы ξ_ч зависит от безразмерного критерия Рейнольдса для частицы, который может быть записан в виде

, (4.3)

где μ_г – динамическая вязкость газов (для воздуха μ_г = 1,82 ^. 10^-5 Па ∙ с).

Для достаточно малых и постоянных скоростей движения частиц размером более 1 мкм (d _ч > 1 мкм) справедливо условие

0 < Re < 1, (4.4)

для которого коэффициент аэродинамического сопротивления ξ_ч равен

ξ_ч = 24/Re. (4.5)

В этом случае сила сопротивления среды F _сопр движению частицы, определяемая по формуле (4.2), подчиняется закону Стокса:

F _сопр = F_с = F _Stk = 3 p ^.m_г ^. d _ч ^. v _ч. (4.6)

Закон Стокса широко используется также для исследования движения аэрозольных частиц с большими числами Рейнольдса, поскольку этот закон может быть распространен и на те частицы, которые наиболее эффективно сепарируются из потока под действием различных сил. Это обусловливает широкое применение закона Стокса в вопросах очистки газа (воздуха) от аэрозольных частиц (пыли).

Формула Стокса (4.6), для определения сопротивления среды F _с, получена в предположении, что силы инерции объема газа, вытесненного частицей, пренебрежимо малы. В случае учета этих сил инерции используют формулу Озеена:

,

которая справедлива при Re < 5.

При исследовании движения частиц с заведомо большими числами Рейнольдса (Re = 1…3000) используют формулу Клячко:

.

Для очень больших значений числа Рейнольдса сопротивление определяется формулой Ньютона:

,

что соответствует значению ξ_ч = 0,44.

4.6. Гравитационное осаждение частиц. Скорость витания частиц

В аппаратах, использующих этот принцип улавливания пыли, осаждение взвешенных частиц происходит под действием силы тяжести. В общем случаемеханизм гравитационного осаждения частиц оценивают по скорости её осаждения – падающие аэрозольные частицы довольно быстро достигают некоторой постоянной скорости осаждения, называемой скоростью витания v _s, при которой аэродинамическое сопротивление среды F _сопр, действующее на частицу, становится равным ее эффективному весу (силе тяжести частицы F _т), или архимедовой силевыталкивания: F _арх = m _ч^. g. В этом случае уравнение равновесия равномерно движущейся частицы будет (рис. 4.1)

F _сопр = F _арх. (4.7)

Принимая, что закон движения частицы лежит в области применимости закона Стокса, можно записать следующее:

,

откуда скорость осаждения v _ч (или скорость витания v_s) частицы будет

. (4.8)

Пренебрегая плотностью газа r_г, которая намного меньше плотности частицы r_ч (r_ч >> r_r), скорость витания частицы можно записать в следующем виде:

, (4.9)

где τ_р – время релаксации частицы (т.е. время, за которое частица достигает постоянной скорости витания),

. (4.10)

Из формулы (4.10) следует, что скорость осаждения взвешенных частиц в газоочистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, прямо пропорциональна квадрату диаметра частицы.

Необходимо отметить, что эффект гравитационного осаждения всегда присутствует в газоочистных аппаратах. Поэтому, для сравнения эффекта гравитационного осаждения с другими механизмами осаждения частиц, вводят параметр гравитационного осаждения G, который равен отношению силы тяжести F _т, действующей на частицу, к силе сопротивления среды и может быть выражен отношением скорости витания частицы v_s к скорости газового потока v _г:

. (4.11)

Выражение (4.11) может быть представлено также в виде отношения двух безразмерных критериев:

, (4.12)

где Stk – безразмерный критерий Стокса,

; (4.13)

Fr – безразмерный критерий Фруда,

,

здесь L – некоторый характерный линейный параметр, характеризующий процесс гравитационного осаждения в аппарате (высота, диаметр и т.д.).

С учетом выражения (4.13) определяется коэффициент осаждения частиц η _G под действием гравитационных сил в геометрически подобных системах в виде зависимости:

. (4.14)