СУХИЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ

 

5.1. Основные положения

 

При сжигании твердого топлива в котле зольность является причиной образования таких продуктов горения, как летучая зола, выбрасываемая в дымовую трубу, и шлак, удаляемый через систему твердого или жидкого шлакоудаления. Оба вида загрязнения относятся к вредным выбросам. Однако шлак, в отличие от летучей золы, концентрируется в одном месте и его подача на золоотвалы контролируется. Зола и шлак из золоотвала могут использоваться во вторичном производстве.

Летучая зола, выходя из дымовой трубы, рассеивается на большой территории; она не может быть собрана в одном месте. Ее локальная концентрация зависит от природных и погодных условий и не поддается регулированию. Именно эта часть золы чаще всего рассматривается как опасная для окружающей среды и жизнедеятельности человека. Летучая зола может стать источником различных заболеваний растительного и животного мира, а также неблагоприятных явлений (например, парникового эффекта, смога и др.). Шлак и зола золоотвала также вредны, но они локально зарегулированы и, если ими постоянно заниматься, т.е. культивировать, не представляют какой либо угрозы окружающей среде.

Борьба с вредными выбросами может проводиться активными и пассивными методами и средствами.

К активным методам относится все, что предотвращает образование вредных выбросов и сбросов, в данном случае летучей золы и шлака. К этим методам относится:

- обогащение топлива – уменьшение в нем содержания зольных составляющих до количества, которое в процессе горения образует выбросы, удовлетворяющие предельно допустимым нормам;

- освоение новых прогрессивных технологий сжигания топлива, позволяющих уменьшить или полностью предотвратить выбросы летучей золы до ПДВ, а контролируемую часть золы и шлака включить в технологические линии (схемы) переработки с целью получения полезных продуктов вторичного производства.

В настоящее время на ТЭС наиболее распространены пассивные методы борьбы с выбросами летучей золы:

- улавливание твердых частиц в сухих пылеуловителях – различные пылеосадительные камеры, циклоны (в том числе и батарейные), тканевые фильтры и другие фильтрующие (пористые) материалы, динамические пылеочистители;

- улавливание в мокрых золоуловителях – скрубберы (например, центробежные, Вентури) и другие газопромывательные камеры;

- очистка уходящих газов в электрофильтрах.

Исторически сложилось так, что на первом этапе осваивались только процессы сжигания топлива в печах, котлах и производственных установках и не обращалось должного внимания на вредные отходы. С возрастанием мощностей установок совершенствовались традиционные методы использования топлива. И только на определенном этапе развития котельного производства возникла необходимость в очистке выбросов от вредных веществ. Этот путь развития энергетики предопределил направление на использование, в основном, пассивных методов очистки уходящих газов от вредных выбросов.

Более предпочтительными являются активные методы очистки газов. Однако они на первом же этапе потребуют больших затрат на разработку и освоение новых технологических схем безотходного и многоцелевого использования топлива.

 

5.2. Свойства пылевых частиц, влияющие на выбор схем улавливания

 

Частички пыли, находящиеся в уходящих газах, обладают теми или иными свойствами, которые определяют выбор схем и технологий золоулавливания. К таким свойствам и характеристикам твердых частиц относятся: плотность, дисперсность, способность к слипанию, абразивность, смачиваемость, гигроскопичность, электрическая проводимость и заряженность частиц, способность к самовозгоранию.

Плотность и дисперсность характеризуют способность частиц к оседанию в пылеуловительных камерах. Скорость осаждения частиц тем больше, чем больше плотность частиц и чем больше они по форме приближаются к сфере. С другой стороны, чем больше в пылевом объеме будет одинаковых по размерам частиц (монодисперсность частиц), тем большей эффективности при улавливании их можно добиться.

Слипаемость частиц снижает эффективность пылеулавливания. Пыль, у которой основная масса частиц имеет диаметр меньше 10 мкм, склонна к слипанию. Слипаемость частиц пыли учитывается при выборе скатов (уклонов) поверхностей камер и бункеров. По склонности к слипанию пыль подразделяется на 4 группы:

1) неслипающаяся (например, сухой шлак, кварцевая зола);

2) слабо слипающаяся (коксовая пыль, летучая колосниковая зола с недожогом, сланцевая зола);

3) средне слипающаяся (цемент, летучая зола без недожога, торфяная зола, сажа и др.);

4) сильно слипающаяся (цементная пыль, гипсовая и алебастровая и др.).

Абразивность частиц характеризует интенсивность износа (истирания) металла и учитывается при определении скорости газов и толщины стенок элементов оборудования. При коэффициенте абразивности золы > 1,0 износ материала на стенках каналов наблюдается уже при скоростях движения потока больше 8 м/с. Таким образом, при организации движения газа с летучей золой в каналах существуют жесткие условия по выбору характеристик потока. При скоростях движения смеси меньше 25…30 м/с в горизонтальных газоходах возникают отложения золы, а при скоростях больше 8 м/с появляется абразивный износ.

Смачиваемость и гигроскопичность характеризуют эффективность работы мокрых золоуловителей. По характеристикам смачивания все твердые частицы делятся на гидрофильные (хорошо смачиваемые) материалы (например, кальций, кварц, многие силикаты и др.), гидрофобные (плохо смачиваемые) материалы (графит, уголь, сера), абсолютно гидрофобные (парафин, тефлон, битум).

Электрическая проводимость летучей золы оказывает существенное влияние на работу электрофильтров. По электрическому сопротивлению пыль делится на три группы:

1) с низкоомным сопротивлением пыли (< Ом см); при осаждении на электродах электрофильтров такие твердые частички золы быстро разряжаются и могут вторично уноситься;

2) со среднеомным сопротивлением (=…Ом см); в этом случае пыль хорошо улавливается в электрофильтрах;

3) с сильноомным (> Ом см); такая пыль образует твердый изолирующий слой на электродах электрофильтров, что снижает эффективность золоулавливания.

Способностью к воспламенению обладает пыль с большим содержанием органических веществ и особенно газовых. Чем больше кислорода в газовой смеси, тем больше вероятность взрыва. Считается, что при содержании кислорода менее 16 % пылевая смесь не взрывается. При содержании летучих в твердом топливе более 10 % котельные установки должны иметь взрывные клапаны.

 

5.3. Улавливание пыли в сухих механических золоуловителях

Способы улавливания золы в сухих механических золоуловителях были одними из первых, освоенных в энергетике. На современных тепловых электростанциях, сжигающих твердое топливо, в системах золоулавливания они практически не применяются в связи с тем, что в настоящее время освоены более эффективные способы улавливания летучей золы. Однако основные механизмы сухой очистки газов от пыли, золы и других отходов в той или иной мере используются в комплексе с другими способами улавливания вредных веществ. Поэтому с этой точки зрения изучение данных методов представляет интерес. Сухие способы улавливания пыли и других твердых, летучих отходов применяются также во многих промышленных установках других отраслей производств.

В сухих уловителях твердых выбросов обычно используются следующие механизмы осаждения частиц золы: гравитационные, инерционные, центробежные, электростатического притяжения и диффузии сквозь пористый материал.

При использовании гравитационного способа улавливания частицы на нее действует весовая сила, которая зависит только от массы частицы в соответствии с уравнением

,

где – масса улавливаемой частицы, кг.

При инерционном и центробежном механизмах осаждения частиц, действующая на нее сила может возрастать не только за счет массы частицы, но и с увеличением значения векторного ускорения, вызванного поворотом потока. Инерционная и центробежная силы описываются уравнением

,

где r – радиус поворота частицы, м; при тангенциальном подводе запыленного газа в циклон это радиус стенки его цилиндрической части;

– угловая скорость поворота частицы в пылеуловителе, 1/с.

Если предположить, что масса частицы и радиус поворота в пространстве при полете в потоке постоянны, то последнее уравнение примет вид

, (5.1)

где – угол поворота потока и движущейся в нем частицы, рад.

Таким образом, действия инерционного и центробежного эффектов различаются только изменением во времени угла поворота частицы вокруг оси инерции. Естественно, в циклонах это изменение угла всегда будет больше, чем в простых инерционных камерах, где поворот запыленного потока происходит только по причине обтекания препятствия.

Инерционность твердой частицы всегда больше, чем такой же по объему газовой частицы, поскольку плотность твердых веществ в тысячи раз больше газа.

Улавливание золы и пыли выполняется по следующим конструктивным схемам: пылеосадительные (гравитационные) и инерционные камеры, центробежные циклоны различной конструкции, продувка запыленных газов через фильтрующий материал, динамические золоуловители. Наиболее эффективные пылеуловители используют сразу несколько механизмов осаждения частиц (например, гравитационный и инерционный или центробежный).

1. Пылеосадительные камеры (рис.5.1), работающие на гравитационном принципе, просты в изготовлении. Осаждение частиц золы в них происходит только под действием сил тяжести. Основным условием при расчете камер является то, что средняя скорость движения запыленного потока в ней должна быть сравнима со скоростью осаждения (дрейфа) частиц , м/с. Скорость дрейфа пылинки, называемая также скоростью витания частиц, определяется из соотношения

, (5.2)

где т_ч – масса средней частицы, кг;

– масса газа в объеме золовой частицы, кг;

– плотность газа, кг/;

– коэффициент гидравлического сопротивления частицы;

– характерная площадь частицы, .

Последнее уравнение показывает, что скорость гравитационного дрейфа пылинки определяется размерами частицы и ее плотностью. Размеры (длина и ширина) осадительной камеры выбираются так, чтобы при движении в камере осредненная частица успела упасть в бункер под действием гравитационных сил. Эффективность очистки (коэффициент полезного действия) камеры, как и для всех пылеуловителей, определяется по формуле

,

где – масса частиц, выпадающих в осадок, кг/с;

, – массовый расход частиц, поступающих в камеру и выходящих из нее, кг/с.

Рис. 5.1. Конструктивная схема пылеосадительной камеры:1 – запыленный газ;

2 – очищенный газ; 3 – отложения твердых частиц; 4 – выход отходов

 

Часто появляется необходимость определять степень очистки газов для различных фракций частиц:

,

где – массовое количество частиц определенной фракции на входе и выходе камеры, %.

Общая эффективность осадительной камеры может быть определена и по фракционной эффективности:

,

где – содержание отдельных фракций в газах на входе в осадительную камеру, %.

При последовательной установке нескольких золоуловителей общая степень очистки определяется по уравнению

,

где – коэффициенты полезного действия каждого из n-го количества аппаратов.

 

2. Инерционные пылеосадители (рис.5.2) строятся по принципу резкого изменения направления движения потока в камере. Однако при этом используется и гравитационный эффект. Частицы золы, обладая большей плотностью по отношению к плотности основного газа, не успевают изменить направление движения вместе с потоком и по своей траектории направляются в камеру осаждения. Такие пылеуловители рекомендуется применять для частиц размером более 20 мкм. Инерционные уловители имеют незначительную степень очистки = 65…80 %. Гидравлическое сопротивление таких камер 100…400 Па.

Рис. 5.2. Конструктивная схема инерционных пылеосадителей: 1 – запыленный газ;

2 – очищенный газ; 3 – осаждения твердых отходов;4 – выход отходов; 5 – перегородка

3. Циклоны и батарейные циклоны, использующие центробежный эффект, получили наибольшее распространение. Дополнительно в циклоне применяется и гравитационный и инерционный эффекты. Принцип действия циклона показан на рис. 5.3. Запыленный газ движется в циклоне по спирали сверху вниз. Частицы золы отбрасываются центробежной силой к стенке и по ней ссыпаются вниз. Очищенный газ из циклона уходит вверх по центральному каналу. Центробежное усилие в циклоне, действующее на частицу, в сотни раз больше силы тяжести. Поэтому даже самые маленькие частицы (> 5 мкм) улавливаются в устройстве.

Эффективность улавливания частиц в циклоне прямо пропорциональна скорости газов и обратно пропорциональна диаметру циклона в степени 1/2:

.

Поэтому целесообразно иметь в циклоне большую скорость газов (например, > 30 м/с) и небольшой диаметр (< 2…3 м). Однако при больших скоростях газа частицы могут подхватываться потоком и уноситься. Поэтому оптимальная скорость газов лежит в пределах =10…15 м/с. Конструктивные характеристики циклона рекомендуется выбирать в соотношении Н/= 2…3. Одиночные циклоны применяются на котлах малой мощности при =2,5…6,5 т/ч, где – паропроизводительность котла. При =6,5…500 т/ч на тепловых электростанциях применяются батарейные циклоны.

Батарейные циклоны выполнены из параллельно установленных в общем корпусе отдельных циклонов диаметром 100…250 мм (рис. 5.4). Оптимальная скорость газов в таком циклоне = 3,5…5 м/с. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов 500…700 Па. Степень очистки газов в батарейных циклонах достигает = 92 %. В то время как одиночных доходит до = 80 %.

 

 

Рис. 5.4. Конструктивная схема батарейного циклона: 1 – запыленный газ; 2 – очищенный газ; 3 – отложение твердых частиц; 4 – выход отходов; 5 – циклоны

 

Существуют и другие золоуловители, использующие центробежный эффект. К ним относятся центробежные камеры с: вихревой, осевой - розеточной, винтообразной закруткой запыленного потока и др.

4. Золоуловители, использующие фильтрующий материал могут выполняться из гибкого, полужесткого и жесткого пористого материалов. Осаждение частиц в фильтрах происходит в результате действия сил диффузии, инерции и электростатического притяжения. По назначению эти устройства делятся на фильтры: тонкой очистки, воздушные и промышленные.

Фильтры тонкой очистки имеют высокую степень пылеулавливания (до 99,99 %). Они способны улавливать субмикронные частицы из потока с низкой концентрацией (менее 1 мг/); скорость фильтрации меньше 0,1 м/с. Эти фильтры применяются при ультратонкой очистке и не подвергаются регенерации.

Воздушные фильтры используются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Они способны работать при концентрациях пыли до 50 мг/; скорость фильтрации до 2,5…3 м/с. Такие фильтры могут быть как регенерируемыми, так и нерегенерируемыми.

Промышленные фильтры – регенерируемые. Они используются при концентрациях золы и пыли в газовых потоках до 60 г/.

Наибольшее распространение получили промышленные, гибкие тканевые, рукавные фильтры (рис. 5.5).