Оборудование для очистки атмосферного воздуха. Расчет циклона ЦН-24

 

 Питание электрофильтров осуществляется выпрямленным током высокого напряжения (60-80 кВ), Для преобразования переменного тока обычной частоты (50 Гц) и низкого напряжения (380 В) используют электрические агрегаты сравнительно небольшой мощности (20-150 кВт). Каждый электроагрегат состоит из повысительного трансформатора, выпрямителя, регулятора напряжения и пульта управления [3].

Рис. 4. Принципиальная схема двухзонного электрофильтра: 
а — ионизатор; б — осадитель.

1,2 — положительные и  отрицательные 
электроды ионизатора;

3,4 — положительные и  отрицательные электроды 
осадителя

 

2. 4. Абсорбционные методы

Суть абсорбции заключается в поглощении удаляемых компонентов жидкостью. В зависимости от особенностей взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газовой смеси компонента абсорбционные методы подразделяются на методы физической абсорбции и химической (хемосорбция), сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе. Для физической абсорбции применяют поглотители - воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом. При хемосорбционной очистке выделяемые из газов компоненты вступают в химические реакции с хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жидкости. Абсорбционные методы используют для очистки газов от СО, NxOy, SO2, H2S, HCl, CO2 [4].

В зависимости от способа создания поверхности соприкосновения фаз различают поверхностные, барботажные и распыливающие абсорбционные аппараты.

В первой группе аппаратов поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости или поверхность текучей пленки жидкости. Сюда же относят насадочные абсорбенты, в которых жидкость стекает по поверхности, загруженной в них насадки из тел различной формы.

Во второй группе абсорбентов поверхность контакта увеличивается благодаря распределению потоков газа в жидкость в виде пузырьков и струй. Барботаж осуществляют путем пропускания газа через заполненный жидкостью аппарат либо в аппаратах колонного типа с тарелками различной формы.

В третьей группе поверхность контакта создается путем распыления жидкости в массе газа. Поверхность контакта и эффективность процесса в целом определяется дисперсностью распыленной жидкости.

Наибольшее распространение получили насадочные (поверхностные) и барботажные тарельчатые абсорберы. Для эффективного применения водных абсорбционных сред удаляемый компонент должен хорошо растворяться в абсорбционной среде и часто химически взаимодействовать с водой, как, например, при очистке газов от HCl, HF, NH3, NO2. Общими недостатками абсорбционных методов является образование жидких стоков и громоздкость аппаратурного оформления [5].

Среди поверхностных абсорберов привлекают внимание и получают широкое применение пленочные абсорберы. Конструктивной особенностью пленочных контактных устройств с фиксированной поверхностью контакта фаз являются каналы круглого, прямоугольного, треугольного и других сечений, по внутренней поверхности которых движется тонкая жидкостная пленка, взаимодействуя с газовым потоком. Взаимодействие фаз на контактной ступени может быть как прямоточным, так и противоточным. Обычно используют принцип прямоточного взаимодействия фаз на каждой ступени с обеспечением противотока в аппарате в целом.

С целью интенсификации процесса абсорбции и улучшения сепарации фаз в каналах круглого сечения устанавливают завихрители (закручиватели). Дополнительное вращательное движение, сообщаемое двухфазному потоку, увеличивает эффективность массопереноса в 1,5-2 раза  и позволяет использовать возникающую центробежную силу для разделения фаз после выхода из контактной зоны. В контактной зоне жидкость под действием этой силы образует на внутренней поверхности канала винтообразную движущуюся вверх пленку. Это явилось стимулом для использования закрученного движения в зоне контакта при разработке высокоскоростных абсорбционных аппаратов (рис. 5.) [6].

Рис. 5. Высокоскоростной абсорбер с прямоточным

взаимодействием газа и жидкости в восходящем закрученном потоке

Каждая ступень состоит из параллельно работающих трубчатых элементов АЕ с многолопастными винтовыми осевыми завихрителями CD. Поднимающийся по аппарату газовый поток входит в контактную зону BE и захватывает жидкость, вытекающую из распылителя В. Газовый поток, несущий капельки жидкости, проходит зону распыления ВС и поступает в осевой завихритель CD. Наличие перед завихрителем зоны распыления с развитой межфазной поверхностью повышает эффективность массообмена. После завихрителя закрученный поток проходит пленочную зону DE, из которой жидкость через сепарационный зазор ЕА выбрасывается на стенку сепарационного патрубка и стекает вниз, а газовый поток поднимается на следующую ступень. Жидкость по межэлементному пространству, радиальным переточным трубам и центральной переточной трубе поступает в распылитель нижерасположенной ступени. Массообмен между газом и жидкостью происходит в трех зонах: распыления, закручивания и пленочной[7].

Наиболее представительна по конструктивному оформлению группа барботажных абсорберов (рис. 6.). В результате взаимодействия фаз (жидкость является сплошной фазой, а газ — дисперсной) на тарелках образуется газожидкостный слой, состоящий из относительно чистой жидкости и вспененной жидкости. Полная высота слоя на тарелке и ее составляющие зависят от конструктивного оформления тарелки, от соотношения материальных потоков и физико-химических свойств системы. Среди барботажных контактных устройств особое место занимают ситчатые и колпачковые тарелки, нашедшие широкое применение в промышленности. Одной из новых конструкций барботажных абсорберов является колонна с ситчатыми тарелками и пакетом извилистых пластин, расположенных между тарелками. Пакет извилистых пластин способствует созданию дополнительной зоны массообмена, улавливанию брызг жидкости, получающихся в процессе барботажа на ситчатой тарелке, и возвращению их в слой жидкости на ту же тарелку. Переливное устройство обеспечивает переток жидкости с тарелки на тарелку по высоте колонны. Переток может осуществляться при отсутствии или наличии приемного кармана в переливном устройстве. Переливные устройства без приемного кармана позволяют увеличить рабочую площадь тарелки и, следовательно, повысить производительность колонны. В тех случаях, когда диапазон работы переливного устройства лимитирует работу тарелки в целом, целесообразно устанавливать регулирующие переливные устройства, например с кольцевыми щелями, поочередно вступающими в работу, или с поворотными заслонками, регулирующими проходное сечение переливного устройства. Провальные тарелки не имеют переливных устройств, что позволяет более полно использовать площадь тарелок и значительно упрощает их в конструктивном отношении. Газ и жидкость движутся противотоком. Один из недостатков таких тарелок — сравнительно узкий диапазон работы в отношении нагрузок по газу.

Рис. 6. Абсорбер с ситчатыми тарелками:

1—тарелка; 2 — переливное  устройство

3 — сепарационная зона

Интенсификация процесса абсорбции в аппаратах с провальными тарелками в последнее время проводится по пути создания тарелок с упорядоченным перетоком жидкости и постоянным свободным сечением, с укрупненной перфорацией и с саморегулируемым свободным сечением тарелок [7].

2. 5. Адсорбционные методы

Адсорбционные методы очистки газов основаны на поглощении газообразных и парообразных примесей твердыми телами с развитой поверхностью - адсорбентами. Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела силами Ван-дер-Ваальса (физическая адсорбция) либо химическими силами (хемосорбция).

Процесс адсорбции осуществляется в несколько стадий: перенос молекул газа к внешней поверхности твердого тела; проникновение молекул газа в поры твердого тела; собственно адсорбция. Самая медленная стадия лимитирует процесс в целом.

Адсорбция рекомендуется для очистки газов с невысокой концентрацией вредных компонентов. Адсорбированные вещества удаляются из адсорбентов десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят термическую регенерацию. Процесс осуществляется в адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента, в установках периодического и непрерывного действия.

В качестве адсорбентов используют материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью. Адсорбенты могут быть как природного, так и синтетического происхождения. К основным типам промышленных адсорбентов относятся активированные угли, силикагели (SiO2∙nН2О), алюмогели (активный оксид алюминия А12О3∙nН2О), цеолиты и иониты [4].

Можно выделить следующие основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки:

1) После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования.

2) После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей.

3) После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемосорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов.

Для проведения процессов адсорбции разработана разнообразная аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента (рис. 7.). Непрерывность процессов адсорбции и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем [8].

Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. Их применение позволяет вернуть в производство ряд ценных соединений. При концентрациях примесей в газах более 2-5 мг/м³, очистка оказывается даже рентабельной. Основной недостаток адсорбционного метода заключается в большой энергоемкости стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет его применение для многокомпонентных смесей [5].

Рис. 7. Адсорбер полочного многосекционного

типа с неподвижными слоями адсорбента:

1 — корпус аппарата; 2 — слой адсорбента

2. 6. Каталитический метод

Этим методом превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом на твердых катализаторах. Действие катализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном) химическом взаимодействии катализатора с реагирующими соединениями, в результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный катализатор.

Методы подбора катализаторов отличаются большим разнообразием, но все они базируются в основном на эмпирических или полуэмпирических способах. Об активности катализаторов судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по скорости каталитических процессов, при которых обеспечивается требуемая степень превращения.

В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы или их соединения (платина и металлы платинового ряда, оксиды меди и марганца и т.д.). Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль. Катализатор может состоять из смеси неблагородных металлов с добавкой платины и палладия (сотые доли % к массе катализатора), нанесенных в виде активной пленки на нихромовую проволоку, свитую в спираль [9].

Объем катализаторной массы определяется исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая в свою очередь зависит от природы и концентрации вредных веществ в отходящем газе, температуры и давления каталитического процесса и активности катализатора. Допустимая скорость обезвреживания находится в пределах 2000-60000 объемов газа на объем каталитической массы в час. На катализаторах, разработанных в Дзержинском филиале НИИОГАЗа, при скорости обезвреживания 30000-60000 объемов обезвреживаемого газа на объем катализаторной массы в час и температуре 350-420°С практически полностью окисляются примеси этилена, пропилена, бутана, пропана, ацетальдегида, спиртов (метилового, этилового, пропилового, аллилового и др.), ацетона, этилацетона, бензола, толуола, ксилола, оксида углерода и др. [9].

Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса оказывает температура газа. Для каждой реакции, протекающей в потоке газа, характерна так называемая минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор не проявляет активности. Температура начала реакции зависит от природы и концентрации улавливаемых вредностей, скорости потока и типа катализатора. С повышением температуры эффективность каталитического процесса увеличивается. Например, метан начинает окисляться на поверхности катализатора, состоящего из 60% диоксида марганца и 40% оксида меди, только при температуре 320°С, а 97%-ное реагирование наблюдается при t=450°С. Следует, однако, иметь в виду, что для каждого катализатора существует предельный температурный уровень. Повышение этого уровня приводит к снижению активности, а затем к разрушению катализатора.

Для поддержания необходимой температуры газа иногда к нему подмешивают (особенно в пусковой период) продукты сгорания от вспомогательной горелки, работающей на каком-либо высококалорийном топливе. На рис. 8 представлен каталитический реактор, предназначенный для окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содержащий примеси толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника - рекуператора 1, откуда по переходным каналам он поступает в подогреватель 4. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелках 5, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250-350°С, т. е. до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора 3, размещенного в контактном устройстве 2. В качестве катализатора применена природная марганцевая руда (пиромзит) в виде гранул размером 2-5 мм, промотированных азотнокислым палладием. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: оксид углерода и водяные пары. Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350-450°С направляется в рекуператор 1, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на очистку, и затем через выходной патрубок выводится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 95-98% при расходе вспомогательного топлива (природного газа) 3,5-4,0 м3 на 1000 м3 очищаемого воздуха. Гидравлическое сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800-900 м3/ч) не превышает 150-180 Па. Скорость процесса находится в пределах от 8000 до 10000 объемов на объем катализаторной массы в 1 ч [10].

Рис. 8. Каталитический реактор

2. 7. Термический метод

Достаточно большое развитие в практике нейтрализации вредных примесей, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, имеет высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Для осуществления дожигания (реакций окисления) необходимо поддержание высоких температур очищаемого газа и наличие достаточного количества кислорода. Выбор схемы дожигания зависит от температуры и количества выбросов, а также от содержания в них вредных примесей, кислорода и других компонентов. Если выбросные газы имеют высокую температуру, процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и СxНy) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха [10].

Если температура выбросов недостаточна для протекания окислительных процессов, то в потоке отходящих газов сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ. Одним из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов, является горелка, предназначенная для сжигания природного газа (рис. 9). Обезвреживаемые выбросы в этом случае подаются в канал 1, где они омывают горелку 2. Из коллектора 3 газ, служащий топливом, поступает в сопла, при истечении из которых инжектируется первичный воздух из окружающей среды. Горение смеси газа с первичным воздухом осуществляется в V-образной полости коллектора. Процесс догорания происходит на выходе из полости, где хвостовая часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их истечении из кольцевой щели между корпусом горелки и коллектора [11].