Мокрая очистка газов и область ее применения
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОКРОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
Пылеуловители мокрого типа получили широкое распространение в технике. Отличительной их особенностью является захват улавливаемых частиц жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама.
Мокрые аппараты имеют следующие достоинства: простоту конструкции и сравнительно невысокую стоимость; более высокую эффективность по сравнению с сухими механическими пылеуловителями инерционного типа; меньшие габариты по сравнению с тканевыми фильтрами и электрофильтрами; возможность использования при высокой температуре и повышенной влажности газов; работы на взрывоопасных газах; улавливания вместе с взвешенными твердыми частицами паров и газообразных компонентов.
Однако мокрым пылеуловителям свойствен и ряд недостатков:
- значительные затраты энергии при высоких степенях очистки;
- получение уловленного продукта в виде шлама, что часто затрудняет и удорожает его последующее использование;
|
|
- необходимость организации оборотного цикла водоснабжения (отстойники, перекачивающие насосные, охладители и т. п.), что значительно увеличивает стоимость системы газоочистки;
- образование отложений в оборудовании и газопроводах при охлаждении газов до температуры точки росы или капельном уносе влаги из пылеуловителя;
- коррозионный износ оборудования и газопроводов при очистке газов, содержащих агрессивные компоненты;
- вредное влияние капельной влаги, содержащейся в газах, на стенки дымовых труб;
- ухудшение условий рассеивания пыли и вредных газов, выбрасываемых через дымовые трубы в воздушный бассейн.
Несмотря на эти недостатки, мокрые аппараты широко применяют в металлургии, особенно в случаях, когда наряду с очисткой требуется охлаждение и увлажнение газа. Мокрые аппараты устанавливают также в случае отсутствия места для размещения электрофильтров или тканевых фильтров. Рентабельность мокрой очистки газов значительно повышается в случае возможности присоединения ее к существующему водному хозяйству.
Для улавливания пыли с использованием жидкости применяют два основных способа захвата частиц пыли: каплями жидкости и пленкой жидкости. Для осуществления первого способа запыленный поток промывают диспергированной жидкостью. Во время промывки частицы пыли захватываются каплями жидкости и выводятся из газового потока. В зависимости от режима температур, давлений и влажности газа в процессе промывки может происходить испарение капель или конденсация паров из газового потока. При известных условиях частицы пыли могут служить ядрами такой конденсации. Использование конденсационного эффекта может значительно улучшить осаждение пыли.
|
|
Второй способ осаждения пыли осуществляют, направляя поток частиц пыли на поверхность жидкости, смоченную жидкостью стенку или пленку специально полученных газовых пузырей.
В соответствии со способом захвата мокрые пылеулавливающие аппараты можно разделить на две группы: 1) с промывкой газа жидкостью; 2) с осаждением пыли на пленку жидкости.
Механизмы захвата частиц пыли жидкостью те же, что и при захвате пыли элементами фильтрующего слоя.
Захват частиц пыли каплями жидкости. При движении капли в пространстве, заполненном запыленным газом, осаждение пыли на ней происходит в основном вследствие кинематической коагуляции. Как показывают расчеты и подтверждает практика, при чисто гравитационной коагуляции захват частиц пыли плотностью rч = 2000 кг/м3 распыленной водой возможен только при размере частиц dч>1 мкм. Частицы меньше 1 мкм на каплях не осаждаются.
Если механизм осаждения частиц на капле можно рассматривать как чисто инерционный, то коэффициент захвата определяется числом Стокса Stk и количество захваченных частиц в единицу времени Nt будет равно
, (7.1)
а количество частиц, захваченных на единицу длины пути,
, (7.2)
Следовательно, количество частиц, захваченных 1 см3 распыленной воды на том же участке пути, равно
, (7.3)
Как видно из формулы (7.3), эффективность улавливания при прочих равных условиях возрастает с уменьшением диаметра капли и может достичь высоких значений даже для мелких частиц.
Захват частиц пыли пленкой жидкости. При ударе частицы о твердую стенку возможны либо отскок частицы, либо прилипание к стенке за счет сил адгезии Р ад. Отскок частицы возникает, если кинетическая энергия отражающейся частицы больше энергии адгезии Е ад:
, (7.4)
где m — масса частицы диаметром d и плотностью rч; m=pd3rч/6; w — скорость отскока в предположении отсутствия сил адгезии (приближенно равна 0,8 от скорости при ударе). Ориентировочно можно принять
и , (7.5)
где h — зазор между поверхностью стенки и частицей.
В результате приближенного интегрирования выражения (7.5) можно найти граничное значение скорости удара, при котором еще возможно прилипание частиц:
w = 0,249/d, (7.6)
где d — размер частицы, мкм.
При наличии на поверхности пленки жидкости условия прилипания существенно улучшаются (схема захвата дана на рис. 7.1,а). В этом случае сила адгезии может быть определена по формуле
, (7.7)
где α — угол, определяющий смоченную часть поверхности частицы; φ — краевой угол смачивания, зависящий от физико-химических свойств и дисперсности пыли (рис. 7.1,б).
Для хорошо смачиваемых материалов (φ≈0) при точечном контакте (α≈0) величина силы адгезии равна
, (7.8)
Рис. 7.1. Захват частиц пыли пленкой жидкости.
Для минеральных масел при толщине пленки δ = 0,5d
Pад =157 d (7.9)
Сравнивая выражения (7.5) и (7.9), можно сделать вывод, что сила адгезии при поверхности, покрытой маслом, во много раз больше, чем при сухой поверхности.
С теми же допущениями можно определить предельную скорость удара, см/с, обеспечивающую осаждение частиц:
ω =7350/ d. (7.10)
При одинаковой скорости ω смоченной поверхностью будут удерживаться значительно более крупные частицы, чем сухой.
Вследствие того, что смачиваемость материалов ухудшается с уменьшением размеров, в технике пылеулавливания часто приходится иметь дело с гидрофобными частицами. Для улавливания таких частиц необходимо, чтобы их кинетическая энергия превышала работу погружения частицы в жидкость, т. е. работу преодоления сил поверхностного натяжения. Из этих условий получено, что предельная скорость удара частицы, обеспечивающая ее погружение в жидкость, равна
|
|
(7.11)
где ψ — угол между направлением движения частицы и нормалью к поверхности жидкости в точке удара.
При ψ = 0, т. е. движении частицы по нормали к поверхности жидкости,
(7.12)
При больших углах ψ частицы рикошетируют от поверхности и улавливание возможно только при высоких скоростях удара. Частицы при Re<5 в момент удара погружаются в пленку жидкости не полностью и могут быть легко сорваны газовым потоком, так как поверхность жидкости после удара быстро выпрямляется, а удерживающие частицы силы адгезии (а в случае горизонтальной поверхности, то и силы тяжести) незначительны.