Процессы и аппараты защиты окружающей среды : аппараты очистки газов


№ 1597

         МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ
                       Технологический университет


            МИСиС



Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства







ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Раздел: Аппараты очистки газов

Учебное пособие для практических занятий студентов специальностей 1103, 3302, 3301; всех специальностей направления 65.1300

Рекомендовано редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия












МОСКВА 2001

УДК 669.015.7.074 П78

Авторы: Ю. М. Кочнов, И. В. Барышева, Л. А. Мирошкина, Н. Н. Козлова.

Процессы и аппараты защиты окружающей среды: Аппараты очистки газов: Учеб. пособие/ Ю. М. Кочнов, И. В. Барышева, Л. А. Мирошкина, Н. Н. Козлова - М.: МИСиС, 2001. - 161 с.

       Пособие предназначено для самостоятельного выполнения расчетов газоочистных аппаратов при выполнении домашних заданий, курсовых работ по курсам «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Защита водного и воздушного бассейнов» и другим для студентов специальностей 1103, 3302,3301, а также всех специальностей металлургического направления 65.1300. Может быть использовано в дипломном проектировании при выполнении разделов «Охрана окружающей среды».
       Пособие содержит краткое описание конструкций газоочистных и пылеулавливающих аппаратов металлургического производства, особенностей их эксплуатации. Даны примеры расчета аппаратов и систем газоочистки и задачи для самостоятельного решения. В приложениях приведены справочные материалы, необходимые для самостоятельного решения задач.




                              © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС) 2001

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.........................................5
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ...............................6
1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТНЫХ И
  ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ УСТАНОВОК........................8
  1.1. Примеры расчета эффективности очистки газов.13
2. СУХИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ................16
  2.1. Осаждение частиц пыли в камерах и газоходах. Пылеосадительные камеры...........................16
  2.2. Пример расчета пылеосадительной камеры......18
  2.3. Сухие центробежные пылеуловители. Циклоны. Батарейные циклоны................................19
  2.4. Пример расчета циклона......................29
  2.5. Пример расчета батарейного циклона..........31
3. АППАРАТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ..................33
  3.1. Тканевые рукавные фильтры...................36
  3.2. Расчеттканевого рукавного фильтра...........37
  3.3. Зернистые фильтры...........................42
  3.4. Пример расчета рукавного фильтра............44
  3.5. Пример расчета зернистого фильтра...........47
4. АППАРАТЫ МОКРОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ...........49
  4.1. Тепло- и массообмен в мокрых пылеуловителях.50
  4.2. Энергетический метод расчета эффективности мокрых пылеуловителей....................................52
  4.3. Конструкции и особенности расчетов мокрых пылеуловителей....................................53
  4.4. Пример расчета форсуночного скруббера.......62
  4.5. Пример выбора и расчета скруббера Вентури...65
  4.6. Пример расчета трубы Вентури................68
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ.....................70
  5.1. Общие положения.............................70
  5.2. Расчет электрофильтра.......................73
  5.3. Примеры расчета электрофильтров.............77
6. СОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ...................83
  6.1. Основы процесса физической абсорбции........83
  6.2. Устройство и расчет абсорбционных аппаратов.88

3

  6.3. Пример расчета абсорбера.......................91
  6.4. Основы процесса физической адсорбции...........94
  6.5. Устройство адсорберов и их расчет.............100
  6.6. Примеры расчета адсорберов....................102
7. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГАЗООТВОДЯЩЕГО ТРАКТА И ВЫБОР ДЫМОСОСОВ И ВЕНТИЛЯТОРОВ............105
  7.1. Аэродинамический расчет газоотводящего тракта.105
  7.2. Выбор дымососов и вентиляторов................108
  7.3. Пример аэродинамического расчета газоотводящего тракта...........................................109
8. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ...............112
  8.1. Оценка эффективности газоочистных и пылеулавливающих установок.......................112
  8.2. Сухие механические пылеуловители..............114
  8.3. Аппараты фильтрующего действия................118
  8.4. Аппараты мокрой очистки газа..................121
  8.5. Электрофильтры................................126
  8.6. Аппараты сорбционной очистки газов............131
  8.7. Аэродинамический расчет газоотводящего тракта и
     выбор дымососов и вентиляторов..................134
ЛИТЕРАТУРА..........................................140
ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................141

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ


       Учебное пособие предназначено для самостоятельного выполнения студентами расчетов газоочистных аппаратов при выполнении домашних заданий, курсовых и дипломных проектов. Пособие поможет студентам в закреплении и углублении теоретических знаний, полученных в процессе обучения; ознакомлении с основными методами расчетов газоочистных аппаратов; приобретении навыков при проведении расчетов, выполняемых при курсовом и дипломном проектировании.
       В пособии рассмотрены основные аппараты очистки газов, используемые в металлургическом производстве. Каждый раздел включает краткое теоретическое введение и примеры расчета. Для индивидуальной работы приведены задачи для самостоятельного решения и справочные материалы, необходимые для их решения.
       Все расчеты должны производится с учетом требований международной системы единиц (СИ). В пособии дано абсолютное давление, а объемные расходы газов отнесены к нормальным условиям.

5

        ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


      Термин                    Определение [1,2]              
        1                               2                      
Охрана атмосферы   Система государственных мероприятий по за-  
                   щите атмосферы от загрязняющих веществ      
Загрязняющее воз-  Примесь в атмосфере, оказывающая неблаго-   
дух вещество (ЗВ)  приятное действие на окружающую среду и     
                   здоровье населения                          
Загрязнение атмо-  Изменение состава атмосферы в результате насферы              личия в ней примесей                        
Выброс вещества    Вещество, поступающее в атмосферу из источ- 
                   ника примеси                                
Предельно допус-   Научно-технический норматив, устанавливае-  
тимый выброс       мый из условия, чтобы содержание загрязняю- 
(ПДВ)              щих веществ в приземном слое воздуха от ис- 
                   точника или их совокупности не превышало    
                   нормативов качества воздуха для населения,  
                   животного и растительного мира              
Предельно допус-   Максимальная концентрация примеси в атмо-   
тимая концентрация сфере, отнесенная к определенному времени   
примеси в атмосфе- осреднения, которая при периодическом воз-  
ре (пдк)           действии или на протяжении всей жизни чело- 
                   века не оказывает вредного действия на него 
                   (включая отдаленные последствия) и на окру- 
                   жающую среду в целом                        
Инвентаризация     Систематизация сведений о распределении ис- 
выбросов           точников на территории, количестве и составе
                   выбросов                                    
Организованный     Промышленный выброс, поступающий в атмо-    
промышленный вы-   сферу через специально сооруженные газохо-  
брос               ды, воздуховоды, трубы                      
Неорганизованный   Промышленный выброс, поступающий в атмо-    
промышленный вы-   сферу в виде ненаправленных потоков газа в  
брос               результате нарушения герметичности оборудо- 
                   вания, отсутствия или неудовлетворительной  
                   работы оборудования по отсосу газа в местах 
                   загрузки, выгрузки или хранения продукта    

6

Продолжение таблицы

        1                               2                       
Очистка газа      Отделение от газа или превращение в безвред-  
Источник выброса  ное состояние загрязняющего вещества, посту-  
загрязняющих ве-  пающего от промышленного источника            
ществ             Специальное устройство (труба, аэрационный    
Установка очистки фонарь, вентиляционная шахта и т. п.), посредгаза (ГОУ)        ством которого осуществляется выброс загряз-  
Аппарат очистки   няющих веществ в атмосферу                    
газов             Комплекс сооружений, оборудования и аппара-   
                  туры, предназначенной для отделения от по-    
                  ступающего из промышленного источника газа    
                  или превращения в безвредное состояние ве-    
                  ществ, загрязняющих атмосферу                 
                  Элемент установки очистки газов, в котором    
                  непосредственно осуществляется избиратель-    
                  ный процесс улавливания или обезвреживания    
                  веществ, загрязняющих атмосферу               

7

        1. ОЦЕНКАЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТНЫХ И ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ УСТАНОВОК


       Работа аппаратов очистки газов характеризуется степенью очистки (эффективностью очистки) р, под которой понимают отношение количества уловленного (обезвреженного) загрязняющего вещества ДМ (г) к количеству загрязняющего вещества, поступающего в пылегазоочистной аппарат М₁(г):


ДМ  м, - м, ,  м,
р _ --_ -!--С _ 1---С,
М₁    М₁       М₁


(1-1)

где М₂ - масса загрязняющих веществ, выходящих из аппарата очистки.
       Величина, дополняющая степень очистки до единицы, получила название степени, или коэффициента проскока


£, = 1-р

(1-2)

       Чаще всего эффективность аппаратов очистки газов определяют на основании замера концентрации загрязняющего вещества на входе в аппарат C/₁ (г/м³) и на выходе из него Cᵢ₂ (г/м³):


Р =

уса - V₂Cᵢ₂ _ ₁ К₂С<₂
VCₐ         VC ’


(1-3)

где V₁ и V₂ - объемные расходы газов соответственно на входе и выходе из аппарата очистки, м³/с.
       Для определения эффективности пылеулавливающих аппаратов производят замеры концентрации пыли (запыленности) на входе в пылеуловитель Z₁ (г/м³) и на выходе из него Z₂ (г/м³):


⁷ ⁻ V2Z2             Z
II                   J-        ⁻
V₁z₁            V₁Z₁


(1-4)

где Z₁ и Z₂ - концентрация пыли (запыленность) соответственно на входе в пылеуловитель и выходе из него, г/м³       Как следует из выражения (1.4), абсолютные значения расходов газа V₁ и V₂ находить не обязательно, достаточно знать их отно

8

шение Vi/V\, которое можно определить по изменению концентрации какого-либо z-го компонента, не вступающего в пределах пылеуловителя в реакции. Заменяя отношения объемов обратным ему отношением концентраций, получаем

Ц = 1
С 7 ег2^2
       •
Сг1⁷1

(1.5)

       При последовательном соединении нескольких аппаратов очистки газов коэффициенты проскока через первый, второй и третий аппараты будут соответственно равны

М ₃ ₁ М ₄
—- = 1-П2; —⁴
М ₂      М з

М 2 ,
—=¹⁻Пь М₁

= 1- Цз •

(1.6)

       Следовательно, общий коэффициент очистки трех последовательно включенных аппаратов:

М ₄     .................
Цз = ¹⁻ — = ¹⁻⁽¹ ⁻ Ц1⁾⁽¹ ⁻ Ц2⁾⁽¹ ⁻ Цз)                 М1

(1.7)

       Аналогично рассуждая, можно определить общий коэффициент очистки для п последовательно включенных аппаратов
           Цп = ¹⁻⁽¹ ⁻Ц1⁾⁽¹⁻Ц2⁾⁽¹⁻Цз⁾^⁽¹⁻Цп⁾^           (¹-8⁾
       На эффективность работы пылеуловителей значительное влияние оказывает размер улавливаемых частиц. Большинство металлургических процессов сопровождается образованием полидис-персного аэрозоля. В зависимости от размера взвешенные частицы разделяют по фракциям. Фракцией называют массовую долю частиц, размеры которых находятся в интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов.
       Для определения фракционного (дисперсного) состава пыли можно воспользоваться несколькими методами, наиболее распространенным из которых является табличный. Фракционный состав некоторых пылей металлургического производства приведен в Приложении 1.
       Однако при расчете ряда пылеуловителей представление фракционного состава пылей в виде таблиц неудобно. Академик А.Н. Колмогоров доказал, что распределение частиц по размерам асимптотически стремится к логарифмически-нормальному, т. е. ин


9

тегральная кривая распределения частиц по размерам в вероятностно-логарифмических координатах имеет линейный график (рис. 1.1).


Рис. 1.1. График распределения частиц пыли по размерам

       Используя данный способ, фракционный состав пыли можно характеризовать с помощью двух параметров:
       dₘ - среднемедианного размера частиц, мкм, показывающего, начиная с какого размера доля частиц не превышает 50%;
       1g оч - среднеквадратического отклонения функции распределения и,,, которое можно определить из выражения

1g и ч = lg = 1g А-.                     (1.9)
®т     «15,9


      При работе пылеулавливающих аппаратов эффективность очистки от пыли с различными размерами частиц неодинакова. Эффективность улавливания частиц характеризует фракционный коэффициент очистки Цфр, который представляет собой долю частиц данной фракции (размера), осаждаемую в пылеулавливающем аппарате. Общий коэффициент очистки пылеулавливающего аппарата щ, при улавливании полидисперсных частиц можно определить, зная фракционный состав улавливаемой пыли Фг- и фракционный коэффициент очистки Цфр по формуле


10

     ц.-Ф/Ф +         +
- £Цфр,Ф,/100,
1=1

ПфрЯФ„ ₋
  100

(1-10)

где Пфр1,Пфр2, ПфрЗ,---,Пфр» “ фракционные коэффициенты очистки пыли фракций, 1, 2, 3,..., и;
   Ф1, Ф₂, Ф₃,...,Ф„ - доля частиц соответствующих фракций 1, 2, 3,...,и,%.
       При последовательной работе нескольких пылеулавливающих аппаратов следует учитывать изменение фракционного состава пыли при переходе от одного аппарата к другому. В этом случае изменение фракционного состава пыли можно определить по формуле
100 — Цф|
Ф-... Ф.. Ф-..       ¹фр¹ ,            (1-11)
¹⁰⁰ — П10
где Ф₁вх, Ф₁вых - содержание данной фракции на входе в первый аппарат и на выходе из него, %;
   Цфр₁ - фракционные коэффициенты очистки данной фракции в первом аппарате;
   ц₁₀ - общий коэффициент очистки первого аппарата.
       Если известны эффективность работы пылеулавливающего аппарата ц и концентрация пыли на входе в него Z₁, то запыленность после очистки

Z₂ = (1-n)Z1 V -                 (1-12)
V
       Если известны эффективность работы газоочистного аппарата ц и концентрация z-го загрязняющего вещества на входе в него C₁z, то концентрация после очистки

V
Сг^-(1-пюА -                      (1-13)
                                 V₂
       Зная Z₂ или C₂ᵢ, можно подсчитать валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу (г/с) после очистки Мв.в:
       Мвв - ZIV2, - пыли;
       Мв.в - C₂zIV₂, - z-го загрязняющего вещества.

11

       При проведении расчетов эффективности очистки газов следует учитывать тот факт, что реальные газы характеризуются высокими коэффициентами объемного расширения. В технических расчетах для ряда характеристик очищаемых газов (плотности, объемного расхода, запыленности или концентрации загрязняющих веществ) пользуются значениями этих величин при нормальных физических условиях (То =273 К, Ро = 101,3 кПа).
       Пересчет характеристик пылегазового потока, полученных при нормальных условиях, на рабочие условия в любой точке газоотводящего тракта производится по следующим формулам:
       •  Плотность сухих газов при нормальныхусловиях (кг/м³)
Р    М22,4;                     (1.14)


М = 0,01(а₁М₁ + а₂ М ₂ +... + апМп),           (1.15)


где М, М₁,М₂,...,Мп - молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов, кг/моль;
    а₁,а₂,...,ап - объемное содержание компонентов в смеси, %.
       •   Плотность сухих газов прирабочихусловиях (кг/м³)

Рс = Рос

273(Тбар ±рТ) 101,3(273 + Тг) ,

(1.16)

где р₀с - плотность сухих газов при нормальных условиях, кг/м³;
   Рбар, - барометрическое давление газов, кПа;
   То = 273- температура газов при нормальных условиях, К;
   р, - избыточное давление газа, кПа;
   Ро =101,3 - давление газов при нормальных условиях, кПа;
   Тг - температура газов при рабочих условиях, °C.
       •  Плотность влажных газов при нормальных условиях (кг/м³)

(р ос + d) • 0,804 (0,804 + d)

(1.17)

где d- содержание водяных паров в газах (влагосодержание), кг/м³;
    Р₀н,о = 0,804 - плотность водяных паров при нормальных условиях, кг/м³, определяемая по формуле
        Рон о = Мₙ о /22,4 = 18:22,4 = 0,804 кг/м³. к 0НэО    niU / ,         ,    ,

12