Батарейные циклоны

Таблица 5.3 - Типовые размеры конических циклонов НИИОГАЗ (в долях внутреннего диаметра D)

Геометрический размер	Марка циклона
СКД-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦМ-34м
Высота цилиндрической части циклона Нц и Высота выхлопной трубы, hт	0,535	0,515	0,4
Высота конической части, Нк	3,0	2,11	2,6
Внутренний диаметр выхлопной трубы, d	0,334	0,340	0,22
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия, d1	0,334	0,229	0,18
Ширина входного патрубка, b	0,264	0,214	0,18
Высота внешней части выхлопной трубы, hв	0,2-0,3	0,515	0,3
Высота установки фланца, hфл	0,1	0,1	0,1
Высота входного патрубка, hн	0,535	0,2-0,3	0,4
Длина входного патрубка, l	0,6	0,6	0,6
Текущий радиус улитки, ρ

Расчет циклонов ведется методом последовательных приближений в следующем порядке.

1. Выбор типа циклона производится в зависимости от физико-химических свойств пыли (табл. 5.4).

Таблица 5.4 – Зависимость типа циклона от вида пыли

Тип циклона	Вид пыли
Цилиндрические серии ЦН	Зола из дымовых газов котельных, сухая пыль помольных сушильных установок, горелая земля литейных цехов
Конические серии С	Пыль каталитического крекинга нефтепродуктов, угольная пыль, сажа
СИОТ, ЛИОТ	Сухая несминающаяся, неволокнистая пыль
ВЦНИИОТ с обратным конусом	Абразивная пыль, слипающаяся пыль типа сажи и талька
Гипродрева	Древесные щепа и стружка, влажные опилки
Гипродревпрома серии Ц Клайпедского ОЭКДМ	Сухие опилки, шлифовальная древесная пыль

2. Выбор марки циклона осуществляется по заданному расходу очищаемого воздуха, а также с учетом высоты циклона, его ориентировочной стоимости и др. Марки циклонов, применяемых в угольной отрасли, приведены в каталоге «Основные схемы и оборудование для очистки отходящих газов на предприятиях угольной промышленности». Характеристика некоторых цилиндрических циклонов приведена для примера в табл. 5.5.

Таблица 5.5 - Основные технические характеристики циклонов типа ЦН

Показатели	ЦН-11с диаметром, мм	ЦН-24с диаметром, мм	ЦН-15у с диаметром, мм
Производительность, м3/ч
Общая эффективность пылеулавливания, %	86-99	65-98	41-97	30-96	70-97	40-97
Высота, мм

3. Определение оптимальной скорости воздуха в сечении циклона D=500 мм (Vc, м/с). Значения скоростей приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6 - Оптимальные скорости движения воздуха в сечении диаметром D=500 мм (данный циклон испытан в стандартных условиях)

Марка циклона	ЦН-24	ЦН-15у	ЦЦ-15	ЦН-11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦН-34
Скорость воздуха, м/с	4,5	3,5	3,5	3,5	2,0	1,7	2,0

4. Определение диаметра проектируемого циклона (D, м).

Для этого необходимо:

а) вычислить диаметр (D, м) по формуле:

. (5.10)

При n=1:

. (5.11)

б) принять ближайший больший диаметр циклона (из ряда внутренних диаметров циклона согласно ГОСТ 9617-67).

5. Вычисление действительной скорости движения воздуха в сечении циклона (V, м/с):

. (5.12)

6. Определение отклонения действительной скорости воздуха в циклоне от оптимальной (ΔV,%):

. (5.13)

Действительная скорость воздуха в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15% (ΔV≤15%).

7. Определение гидравлического сопротивления циклона (∆Р_ц):

, (5.14)

где ξ_ц - коэффициент гидравличесого сопротивления циклонов.

ξ_ц=К₁·К₂·ξ₅₀₀+∆ξ₀, (5.15)

где К₁ – поправочный коэффициент на диаметр проектируемого циклона; для значений D_n≤500 мм величина К₁ выбирается по таблицам справочной литературы, для значений D_n>500 мм величина К₁=1;

К₂ – поправочный коэффициент на запыленность воздуха;

ξ₅₀₀ – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром D=500 мм;

∆ξ₀ - коэффициент, зависящий от принятой компоновки группы циклонов; для одиночных циклонов с выбросом воздуха в атмосферу ∆ξ₀=0.

Значения К₁, К₂ и ξ₅₀₀, ∆ξ₀ выбираются по таблицам справочной литературы.

8. Определение коэффициента фракционной эффективности очистки проектируемого циклона (η, %) и сравнение его с требуемым.

Для выполнения этой операции необходимо:

а) установить для выбранной марки циклона медианную тонкость очистки (d₅₀) типового циклона диаметром D=500 мм и типовых условий испытания циклона:

- оптимальной скорости воздуха V₀ (см. табл. 5.5);

- плотности пыли ρ_п=2670 кг/м³;

- динамической вязкости воздуха при данной температуре μ_в=17,75·10-6 Па·с.

Медианная тонкость очистки (d₅₀) – это такой размер частиц, для которого коэффициент фракционной очистки составляет 50%. Для определения d₅₀ необходимо воспользоваться рис. 5.11, где в координатах η (фракционная эффективность очистки) и d – размер частиц пыли приведены искомые значения параметров для различных циклонов: 1 – ЦН-11; 2 – ЦН-15; 3 – ЦН-15у; 4 – ЦН-24; 5 – СДК-ЦН-33; 6 – СК-ЦН-34; 7 – особый случай.

б) вычислить медианную тонкость очистки проектируемого циклона с учетом влияния отклонений условий работы от типовых (d₅₀, мкм):

. (5.16)

в) построить на рис. 5.11 график функций η=f(d) проектируемого циклона: найти точку с координатами η=50% и d₅₀; из найденной точки провести линию параллельную графику η=f(d) для выбранной марки циклона;

г) по заданному медианному диаметру пыли d_m определить с помощью построенного графика η=f(d) коэффициент фракционной эффективности очистки проектируемого циклона;

д) сравнить расчетный коэффициент фракционной эффективности очистки проектируемого циклона с требуемым; при этом должно соблюдаться условие
η≥[ η].

Если расчетное значение η окажется меньше требуемого по условиям допустимого выброса пыли в атмосферу, то нужно выбрать другую марку циклона с большим значение коэффициента гидравлического сопротивления. В этом заключается метод последовательных приближений.

9. Определение основных размеров проектируемого циклона. Это завершающее действие производится лишь при соблюдении условия η≥[ η].

Основные размеры циклона определяют в долях от внутреннего диаметра D_n, приведенных в табл. 5.2 и 5.3.

Средняя эффективность обеспыливания воздушных потоков в циклонах составляет 90 % при размере частиц 30-40 мкм, 80 % - при 10 мкм и 60 % - при 4-5 мкм. Значительно большей эффективностью обладают циклоны малого диаметра. Так, если циклоны диаметром 2,5-3 м имеют к.п.д. пылеулавливания 60-70 %, то циклоны диаметром 0,3-0,4 м – 92-95 %. Это объясняется тем, что в циклонах малого диаметра развивается большая центробежная сила. Чем выше скорость газа в циклоне, тем выше эффективность работы аппарата, тем меньше его габариты. Но с увеличением скорости возрастает аэродинамическое сопротивление. Поэтому выпускаемые промышленностью одиночные циклоны рассчитаны на оптимальную скорость входящего потока порядка 15 м/с.

Циклоны нецелесообразно применять в установках с непостоянным режимом работы, так как их эффективность резко изменяется вместе с колебаниями расхода газа. Этот недостаток устраняется в батарейных циклонах - мультициклонах (рис. 5.12), в которых газовый поток распределяется по параллельно включенным циклонам, объединенным в единой конструкции. В зависимости от расхода, газа включается в работу то или иное число циклонов.

Рис.5.12. Батарейный циклон – мультициклон: 1 – газораспределительная коробка; 2 – выходные патрубки циклонов; 3 – сборная камера; 4 – подводящий патрубок; 5 – отвод золы.

Циклоны между собой соединяются подводящими патрубками 4 и сборными камерами 3. К недостаткам батарейных циклонов следует отнести подверженность сильному золовому износу, особенно патрубков 4 и 5 и расположенных в газораспределительном коробе 1 участков выходных парубков 2 первых циклонов. Повышенный износ этих элементов батареи приводит к возрастанию присосов, перетока запыленного газа и снижению эффективности газа и снижению эффективности работы циклонов.

Обычно батарейные циклоны состоят из элементов диаметром 100, 150 и 250 мм. Оптимальная скорость газов находится в диапазоне от 3,5 до 4,75 м/с.

Расчет батарейного циклона (методика Руденко К.Г.). При расчете батарейных циклонов определяют: производительность батарейного циклона, число циклонных элементов n, аэродинамическое сопротивление h, необходимое число батарейных циклонов для данной установки. Заданными величинами являются: диаметр циклонного элемента d (м), температура газа t (^оС), давление в распределительной камере В, необходимая производительность V₀ (м³/ч) при t = 0^оС.

Рабочий объем газа (V_р, м³/ч) составит:

. (5.17)

Число элементов циклона:

. (5.18)

Аэродинамическое сопротивление:

, (5.19)

где φ – коэффициент сопротивления батарейного циклона, отнесенный к условной скорости v газа, определяемой по формуле:

, (5.20)

где n – число элементов.

Плотность (γ_r, кг/м³) рабочих газов определяется по формуле:

, (5.21)

где γ_r` - плотность газа при t = 0 <sup>о</sup>С, кг/м<sup>3</sup>; для воздуха γ<sub>r</sub>` = 1,293 кг/м³.

Скорость (ν_bx, м/с) газа в распределительной камере:

. (5.22)

Ширина батареи (В_δ, м) и ее длина (L, м) определяются по формулам:

B_δ=0,280n₁+0,279m₁, (5.23)

L=0,280n₂+0,279m₂, (5.24)

где n₁ – число элементов в ряду по ширине, шт.;

n₂ – число элементов в ряду по длине, шт.;

m₁ – число проходов для чистки по ширине;

m₂ – число проходов для чистки по длине.

Высота (H, м) входа в распределительную камеру:

. (5.25)

Длина выхлопной трубы:

L=H+K+0.625, (5.26)

где К – конструктивный размер, принимаемый обычно 0,2м.

К.п.д. циклонов зависит от концентрации пыли и размеров ее частиц, резко снижаясь при уменьшении этих показателей.

Опыт показывает следующее:

- при одинаковом диаметре циклонов и циклонных элементов отдельные циклоны имеют большую степень очистки по сравнению с батарейными циклонами;

- при улавливании пыли размером 15 мкм циклоны диаметром 800 мм имеют к.п.д. 98 %, а батарейные циклоны этот же к.п.д. имеют с элементами диаметром 250 мм;

- коэффициент аэродинамического сопротивления у батарейных циклонов ниже, чем у одиночных циклонов;

- тонкая пыль (<5 мкм) лучше улавливается в батарейных циклонах, составленных из циклонов малого диаметра.

Таким образом, для улавливания пыли размером >10 мкм следует устанавливать циклоны, а для более мелкой пыли – батарейные циклоны. Так как батарейные циклоны забиваются при наличии влажной пыли, их следует устанавливать только для улавливания сухой пыли.

Основной недостаток циклонов – большой абразивный износ частей аппарата пылью. Вследствие этого наиболее уязвимые его части покрывают синтетическими материалами или высокопрочными сплавами, но это усложняет и удорожает конструкцию аппаратов.

Сухие пылеуловители ротационного и вихревого типов. Помимо циклонов, среди аппаратов центробежного действия можно выделить также пылеуловители: ротационного типа (ротоклоны); вихревого типа.

Компоновка простейшего пылеуловителя ротационного типа представлена на рис. 5.13. При вращении вентилятора колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении выхлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу 4. Для повышения эффективности пылеуловителей такой конструкции необходимо увеличивать скорость очищаемого потока в специальном кожухе. Однако следует помнить, что это ведет к резкому повышению аэродинамического сопротивления аппарата. Повысить эффективность можно уменьшением радиуса кривизны спирали кожуха, но это снижает его производительность. Достаточно высокая эффективность (97 %) очистки воздуха такими аппаратами достигается лишь при улавливании сравнительно крупных частиц пыли (свыше 20…40 мкм). Кроме того, для повышения эффективности ротоклонов в их газодинамический тракт вводят воду.

Рис. 5.13. Пылеуловитель ротационного типа

В мировой практике очистки воздуха от твердых фракций центробежным методом получили распространение вихревые пылеуловители (ВПУ). Например, в США, Германии и ряде других стран разработано несколько типов ВПУ, имеющих диаметр корпуса от 2 до 40 м, что позволяет повысить пропускную способность ВПУ от 20 до 315000 м3/ч.

Существует две конструктивные разновидности ВПУ: сопловые (рис. 5.14а) и лопаточные (рис.5.14б).

Рис. 5.14. Вихревой пылеуловитель соплового (а) и лопаточного (б) типа

Основным отличием вихревых пылеуловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока. Запыленный воздух поступает в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного закручивания запыленного газа в камеру 5 встроен лопаточный завихритель типа «розетки» 2. При движении вверх к выхлопному патрубку 6 газовый поток подвергается действию вытекающих из завихрителя 1 струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное движение. В качестве завихрителя в ВПУ соплового типа используются наклонные сопла, а в ВПУ лопаточного типа – наклонные лопатки.

Под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, частицы пыли устремляются к его периферии, откуда спиральными струями вторичного потока перемещаются к низу аппарата. Безвозвратный спуск пыли в бункер обеспечивается подпорной шайбой 3.

В качестве вторичного газа в вихревых пылеуловителях может быть использован свежий атмосферный воздух, часть очищенного газа или запыленные газы. Наиболее выгодным в экономическом отношении является использование в качестве вторичного газа запыленных газов. В этом случае производительность аппарата повышается на 40-65% без заметного снижения эффективности очистки. Это достоинство ВПУ.

Как и у циклонов, эффективность вихревых аппаратов с увеличением диаметра падает. Оптимальный расход вторичного газа составляет 30-35% от первичного. Могут быть батарейные установки, состоящие из отдельных мультиэлементов диаметром 40 мм.