5.2 Разработка мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
5.2.1 Подбор пылегазоочистного оборудования
Снижение загрязнения окружающей среды токсичными продуктами сгорания органических топлив является одной из важных проблем развития российской теплоэнергетики.
В настоящее время действуют довольно жесткие нормативы, регламентирующие выбросы в атмосферу.
Вредные выбросы по параметрам котельной находятся в пределах нормы.
В процессе сгорания твердого топлива, как известно, образуется остаток – зола в виде мелких (порошкообразных) частиц и крупных кусков – шлака.
При слоевом сжигании топлива различных видов основная масса золы (примерно 75÷90%) остается в топке и газоходах котла, а остальная часть (более мелкая) уносится дымовыми газами в атмосферу.
Поэтому дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах – золоуловителях, которыми оборудуются почти все современные котельные, работающие на твердом топливе.
По принципу действия золоуловители разделяются на механические, в которых твердые частицы отделяются от газов под влиянием сил инерции при изменении направления движения газов; электрофильтры, принцип работы которых основан на ионизации газовой среды и притяжении заряженных твердых частиц золы с последующим их уносом к электродам; мокрые, в которых летучая зола из газов улавливается и удаляется водой.
Проектируемая котельна – малой производительности, поэтому, как и в большинстве случаев, предлагается применять механическое золоулавливание циклонного типа – циклоны батарейные (циклоны ЦБ (или циклоны БЦ)).
Циклонные золоуловители выполняются в виде блоков (блоки-циклоны) или в виде батарей (батарейные циклоны) — мультициклонов.
Отдельный циклонный элемент (циклон батарейный) работает следующим образом.
Дымовые газы с повышенной скоростью (20÷25 м/с) тангенциально подаются в циклон, где совершают спирально-вращательное движение.
В результате этого частицы золы прижимаются к внутренней поверхности корпуса циклона и, теряя скорость движения, по конической части выпадают в бункер.
Очищенные газы через внутреннюю трубу батарейного циклона проходят вверх и удаляются из циклона.
Чем меньше диаметр циклона D, тем более полно им улавливаются твердые частицы (пыль).
Поэтому золоуловители циклонного типа изготовляют не из циклонов большого диаметра, а компонуются из отдельных циклонов небольшого диаметра в блоки и батареи (отсюда и название – циклон батарейный) (рис. 5.1) – это пустотелая цилиндрическая или прямоугольная башня, выполненная из металла или кирпича, железобетона и других материалов.
В случае необходимости внутреннюю поверхность футеруют или покрывают антикоррозионными составами.
Циклоны – наиболее распространенные аппараты пылеочистки.
Применяются на предприятиях металлургии, химической и нефтяной промышленности, в энергетике, деревообработке и других отраслях.
При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны в зависимости от характеристик улавливаемой пыли, типа и режима работы циклона обеспечивают эффективность очистки газов 80-95% частиц пыли размером более 10 мкм.
Циклоны рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными пылеулавливающими агрегатами (например, фильтрами и электрофильтрами).
Рисунок 5.1. Батарейный циклон
В ряде случаев достигаемая эффективность циклонов оказывается достаточной для выброса газов или воздуха в атмосферу.
Циклоны выбирают в зависимости от:
объема воздуха, необходимого для аспирации,
размера частиц продукта,
требуемой степени очистки,
условий выгрузки осажденного продукта.
Преимущества предлагаемых пылеулавливающих агрегатов:
эффективная очистка воздуха в помещениях;
экономия энергии на подогрев наружного воздуха;
локализация отходов в бункер-накопитель (пыли, стружки и др.).
Циклоны могут использоваться как для предварительной очистки газов и устанавливаться перед тканевыми фильтрами или электрофильтрами, так и самостоятельно.
В зависимости от расхода очищаемого газа циклоны могут устанавливаться по одному (одиночные циклоны) или объединяться в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны). Циклоны могут применяться для очистки газов от нескольких сотен до сотен тысяч кубометров в час.
Циклоны могут изготавливаться с «левым» и «правым» вращением газового потока.
Обычно «правым» принято называть вращение потока в циклоне по часовой стрелке (если смотреть со стороны выхлопного патрубка), «левым» – вращение потока против часовой стрелки.
Направление вращения выбирают исходя из условий компоновки циклона в схеме, а также расположения циклонов в группе.
Эффективность очистки газа в циклоне в основном определяется его типом, размером, дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа.
С уменьшением диаметра циклона и повышением до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки возрастает.
Особенностью работы циклонов является то, что эффективность очистки газа резко снижается при подсосе атмосферного воздуха внутрь циклона, особенно через бункер.
Экспериментальные исследования показали, что 1 % подсоса воздуха снижает эффективность очистки на величину от 1 до 4 %, поэтому подсос должен быть сведен к минимуму.
Важной величиной, характеризующей энергетические затраты на очистку газа циклоном, является его коэффициент гидравлического сопротивления.
Коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов, приведенные в специальном каталоге, отнесены к средней скорости газов в поперечном сечении цилиндрической части корпуса циклонов.
Другой, весьма важной характеристикой циклона, является его стойкость к абразивному износу, которая определяет долговечность работы аппарата.
Абразивный износ возникает вследствие концентрации частиц у стенок циклона и динамического воздействия частиц со стенками.
Исследования характера износа различных элементов циклона показывают, что наибольший износ наблюдается в верхней части корпуса циклона на участке входа запыленного газа в циклон и внизу конической части циклона.
Интенсивность абразивного износа циклонов в зависимости от конкретных условий эксплуатации может достигать 12-20 мм в год.
Циклоны пылеуловители состоят из вертикального цилиндрического корпуса с коническим днищем и крышкой.
Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью (20÷30 м/с) через патрубок прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона.
В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона.
При таком вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем частицы газа, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенкам аппарата, и переносятся потоком в пылесборник.
Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубу.
Движение частиц пыли в циклоне обусловлено в основном вращательным движением потока газа по направлению к пылесборнику (влияние сил тяжести частиц имеет в данном случае значительно меньшее значение). Поэтому циклоны можно устанавливать не только вертикально, но также наклонно или горизонтально.
Степень очистки газов определяют по нормалям и номограммам, составленным на основе опытных данных, в зависимости от фракционного состава пыли и ее плотности, начальной запыленности газов, допускаемого гидравлического сопротивления и т. д.
Циклоны из углеродистой стали (нормализованные) применяются для очистки газов, имеющих температуру не более 673 К (400 °С).
Газы с более высокими температурами очищают в циклонах, изготовленных из жаропрочных материалов; в этих случаях корпус циклона часто футеруют изнутри термостойкими материалами (шамотным кирпичом, огнеупорными плитками и др.).
Наиболее низкая температура газов, поступающих на очистку в циклон, должна быть не менее чем на 15–20 оС выше их точки росы, чтобы не происходили конденсация паров влаги и образование шлама, что вызывает резкое ухудшение очистки.
Степень очистки газа в циклонах может быть повышена либо путем уменьшения радиуса вращения потока запыленного газа, либо путем увеличения скорости газа.
Однако повышение скорости газа вызывает значительное возрастание гидравлического сопротивления циклона и увеличение турбулентности газового потока, ухудшающей очистку газа от пыли.
Уменьшение радиуса циклона приводит к снижению его производительности.
Поэтому часто для очистки больших количеств запыленных газов вместо циклона большого диаметра применяют несколько циклонных элементов значительно меньшего диаметра (их монтируют в одном корпусе). Такие циклоны называются батарейными циклонами, или мультициклонами.
На рис. 5.1 показан батарейный циклон, состоящий из параллельно работающих циклонных элементов, смонтированных в общем корпусе.
Запыленный газ через входной патрубок попадает в газораспределительную камеру, ограниченную трубными решетками, в которых герметично закреплены циклонные элементы.
Газ равномерно распределяется по отдельным элементам, действие которых основано на том же принципе, что и работа обычных циклонов.
Очищенный газ выходит из элементов в общую камеру и удаляется через патрубок.
Пыль собирается в коническом днище (бункере).
Газ поступает в элементы не тангенциально, а сверху через кольцевое пространство между корпусом и выхлопной трубой.
В кольцевом зазоре установлено закручивающее лопастное устройство в виде «винта», имеющего две лопасти, наклоненные под углом 25°, или «розетки» с восемью лопатками, расположенными под углом 25° или 30°.
При помощи такого устройства обеспечивается вращение газового потока.
Пыль из элемента ссыпается через пылеотводящий патрубок в общую пылесборную камеру аппарата.
Степень очистки газа в батарейных циклонах несколько отличается от степени очистки его в обычных циклонах и составляет 65÷85% (для частиц диаметром 5 мкм), 85÷90% (для частиц диаметром 10 мкм) и 90÷95% (для частиц диаметром 20 мкм).
Для нормальной работы батарейного циклона необходимо, чтобы все его элементы имели одинаковые размеры, а очищаемый газ – равномерно распределялся между элементами.
В этих условиях гидравлическое сопротивление элементов будет одинаковым.
Батарейные циклоны обычно используют, когда расходы запыленного газа велики и применение нескольких обычных циклонов менее экономично.
Циклоны всех видов отличаются простотой конструкции (не имеют движущихся частей) и могут быть использованы для очистки химически активных газов при высоких температурах. По сравнению с аппаратами, в которых отделение пыли осуществляется под действием сил тяжести или инерционных сил, циклоны обеспечивают более высокую степень очистки газа, более компактны и требуют меньших капитальных затрат.
К недостаткам циклонов относятся: сравнительно высокое гидравлическое сопротивление (400÷700 Н/м2,, или 40÷70 мм вод. ст.), невысокая степень улавливания. частиц размером менее 10 мкм (70÷95%), механическое истирание корпуса аппарата частицами пыли, чувствительность к колебаниям нагрузки по газу.
В циклонах рекомендуется улавливать частицы пыли размером более 10 мкм.