Улавливание твердых веществ из дымовых газов

Другим предельным случаем является случай, когда частицы не пульсируют в потоке и каждая движется по соответствующим линиям тока. Это имеет место, если поток движется ламинарно или частицы настолько крупны, что практически не участвуют в пульсациях потока. Последнее имеет место при размерах частиц, имеющих d₂>>30 мкм. В этом случае даже при турбулентном потоке газов частицы практически не пульсируют.

В этом случае

e=1-П; h=П

На рис.3 представлены кривые изменения степени улавливания при росте П. Из рисунка видно, что улавливание крупных частиц золы (отсутствие пульсаций) идет более интенсивно и полностью заканчивается при П=1. Для мелких частиц (турбулентная пульсация) улавливание идет менее интенсивно и полная очистка газов от золовых частиц происходит при П=µ.

Во всех случаях степень улавливания  возрастает с ростом параметра золоулавливания П. Как следует из выражения, определяющего П, параметр золоулавливания возрастает с увеличением скорости дрейфа, поверхности осаждения и уменьшается с увеличением расхода очищаемого газа.

Если ввести понятие удельной площади  поверхности осаждения на 1 м³/с очищаемого газа:

f=A/V,

тогда параметру золоулавливания  можно придать следующий вид, используемый при расчете электрофильтров:

П=J×f.

Заменив секундный объем газов выражением

V=u×F_r,

где u - скорость газа в сечении золоуловителя, м/с;

F_r - площадь поперечного сечения для прохода газа, м²,

параметр золоулавливания можно  представить в виде произведения двух безразмерных параметров:

П=ФК,

где Ф=А/F_r -  геометрический параметр (параметр формы) золоуловителя, представляющий собой отношение поверхности осаждения к поперечному сечению для прохода газов;

К=J/u - кинематический параметр, являющийся отношением скорости дрейфа частиц золы на поверхность осаждения к средней скорости потока газов в золоуловителе.

Степень улавливания золоуловителя  оказывается тем выше, чем больше произведение этих параметров. При  этом следует иметь в виду, что  кинематический параметр определяется характером сил, действующих па частицу, размерами частиц, физическими свойствами частиц и газов и аэродинамическими характеристиками потока.

Приведенные выше общие соотношения  для степени улавливания в  золоуловителях выведены при следующих условиях:

• каждая частица золы, достигнув осаждающей поверхности, не может возвратиться обратно в поток (отсутствует вторичный унос);
• все частицы имеют одинаковую скорость осаждения (дрейфа);
• распределение скоростей газа по сечению потока является равномерным.

Теоретических формул, которые бы полностью учитывали все перечисленные допущения, не существует, поэтому при реальных расчетах золоуловителей приходится вводить эмпирические поправки, особенно это относится ко вторичному уносу.

2. Типы и характеристики  золоуловителей

В зависимости от мощности ТЭС, зольности  топлива, физико-химических свойств  золы, санитарно-гигиеническнх условий  в районе расположения электростанций выбирается тип золоуловителей. На выбор типа золоуловителей может повлиять и использование золы.

К основным требованиям, предъявляемым  к системам золоулавливания, относятся  высокая эффективность и эксплуатационная надежность.

Следует иметь в виду, что чем  выше требуемая степень очистки  газов и чем мельче подлежащие улавливанию частицы, тем большими оказываются удельные капитальные затраты на сооружение установок для улавливания золы и расходы на их эксплуатацию.

На ТЭС применяются три типа золоуловителей:

• аппараты сухой инерционной очистки газов (жалюзийные золоуловители, циклоны, прямоточные циклоны, батарейные циклоны):
• аппараты мокрой очистки газов:
• электрофильтры.

Фильтры, в которых используются пористые среды для очистки газов  от твердых частиц (волокнистые, тканевые или рукавные, зернистые), не нашли  широкого распространения из-за очень  больших габаритов и повышенной сложности в эксплуатации. Основная сложность заключается в накоплении золы в фильтрующем материале, что требует его периодической регенерации. Основное достоинство таких фильтров заключается в очень высокой степени очистки газов от пыли или золы, превышающей 99,9%.

Прежде чем приступить к проектированию системы газоочистки, необходимо изучить конструкционные и эксплуатационные особенности имеющихся типов золоуловителей.

Каждый тип золоуловителя  рассчитан на определенные условия  работы. К ним относятся допустимая температура уходящих газов, возможность размещения на открытом воздухе и восприятия нагрузок от подводящих газоходов и площадок обслуживания, наличие необходимого количества воды для мокрых золоуловителей, система транспорта и использования золы.

При выборе типа золоуловителя  следует сделать наброски возможных  схем газоочистки и провести вариантные расчеты для выбора оптимальной  из них по ожидаемой эффективности, капитальным и эксплуатационным затратам, компоновке оборудования и т. д.

Золоуловители всегда устанавливают  перед дымососами по ходу дымовых газов для предохранения последних от абразивного износа. При двухступенчатой системе золоулавливания возможна установка дымососов между золоуловителями (в рассечку).

Решение об установке золоуловителей внутри или вне зданий принимается в зависимости от климатических условий и типа аппаратов. Наиболее сложные по конструкционному оформлению газоочистные аппараты - электрофильтры - устанавливаются вне зданий. Для защиты изоляторных коробок от осадков и облегчения условий их обслуживания верх электрофильтра закрывается шатром или специальной кровлей. Подбункерное пространство электрофильтров также укрывается легкими материалами.

Степень улавливания золы в золоуловителях колеблется в зависимости от свойств золы и условий эксплуатации в широких пределах. Так, степень улавливания h электрофильтров составляет 96…99,9; мокрых золоуловителей 92…96; батарейных циклонов 82…90%.

Газоочистительные установки, как правило, не дают прибыли. Возможность использовать уловленный продукт обычно лишь частично окупает их сооружение. Поэтому технико-экономическая оценка газоочистных сооружений строится в основном на базе сравнительных данных. Сравнение аналога с оцениваемым вариантом производится но капитальным вложениям, численности обслуживающего персонала, производительности груда, эксплуатационным затратам, уровню приведенных затрат.

3. Инерционные золоуловители (расчет инерционных золоуловителей)

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис.4, а) газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер.

Значение центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов u, м/с, можно определить по выражению

,

где r —плотность частицы, кг/м³.

Движению частицы к поверхности  осаждения препятствует сила лобового сопротивления F_С, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется но закону Стокса:

,

где m - динамическая вязкость газа, Па×с.

Приравнивая выражения для F и F_C, определяется скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения:

,

где - время релаксации, с.

Временем релаксации называется время  разгона частицы от нулевого до заданного  значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа J) при постоянном значении ускорения а (в рассматриваемом случае а=u²/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды.

 

Рис.4. Циклонные  золоуловители:

а – принципиальная схема циклона; б – элемент батарейного циклона БЦУ типа “Энергоуголь”; в – батарейный циклон; 1 – входной патрубок запыленного газа; 2 – циклонный элемент; 3 – трубные доски; 4 – выходной патрубок очищенного газа; 5 – бункер для золы

Кинематический параметр для циклонных  золоуловителей принимает вид

.

Параметр формы определяется исходя из рис.4, а:

,

где h – высота потока в циклоне, м, ;

D₀ - диаметр внутреннего цилиндра циклона,

u -число оборотов потока до выхода из циклона.

Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид

.

Вторая дробь в формуле определяется формой циклона - относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего к циклону патрубка.

Входящая в формулу времени  релаксации динамическая вязкость m для условии золоулавливания меняется мало, составляя   при   температуре   газов   150^О С   в среднем 22×10^-6 Па×с.

В настоящее время циклоны устанавливаются  на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклопов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500…700 Па.

В качестве элемента батарейных циклопов используется большое число модификаций:

• с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями;
• с тангенциальным подводом газа;
• прямоточные;
• др.

Широко применяются для энергетических установок элементы с тангенциальным улиточным подводом газа типа “Энергоуголь” с внутренним диаметром 231 мм (рис.4, б). Нормальный ряд таких циклонов для колов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в табл.4.

В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например, 4´14´m означает 4-ех секционный аппарат с 14-ю элементами в глубину с m элементами по ширине (их может быть от 7 до 24).

Расчет батарейного циклона

Расчет батарейного циклона рекомендуется проводить в следующей последовательности.

1. Определяется расход газов,  м³/с, при котором обеспечиваются оптимальные условия работы циклонного элемента, по формуле

,

где w_ОПТ – оптимальная скорость потока в элементе, м/с (табл.4);

D – внутренний диаметр элемента, м.

Технические характеристики батарейных

циклонов серийного изготовления     Таблица 4

Тип циклона, завод изготовитель, ОСТ или ТУ	Число элементов в секции n, шт.	Оптимальная скорость газа в элементе w, м/с	Производительность по газу одной секции Q, м3/с	Коэффициент сопротивления x	Область промышленного применения
ЦБ-254Р, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77, ОСТ 26-14-2003-77	25, 30, 40, 50, 60, 80	4,5	5,6…16,2	90	Очистка газа при температуре до 400 ОС
ЦБ-23IV, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77	12, 16, 20, 25, 30, 42, 56, 63	4,5	2,2…11,7	110	То же
ЦБ-2, Кусинский машиностроительный завод, ОСТ 108-033 взамен ОСТ 24-03-001	20, 25, 30	4,5	4,84…13,6	70	Очистка газа при температуре до 150 ОС
ПЦБ, карагандинский машиностроительный завод №2, ТУ 12-44-21-038-75	24, 36, 48, 96	3,5	4,2…15,7	150	Очистка газа при температуре до 120 ОС. Аппараты выпускаются во взрывобезопасном исполнении

2. Число циклонных элементов,  необходимое для оптимальной  работы батарейного циклона, определяется как

,

где Q – общий расход газа, м³/с.

3. По табл.4 подбирают батарейный  циклон с ближайшим к n_ОПТ количеством циклонных элементов n. Число элементов выбранного батарейного циклона n желательно выбрать таким, чтобы оно не более чем на 10% отличалось от n_ОПТ.

Далее определяют действительную скорость потока в элементе, w, м/с:

.