Промышленная очистка газов. Газопромыватели и абсорберы.

Промышленная очистка газов.

Промышленная очистка газов актуальная задача на производстве. Одним из видов газоочистного оборудования является газопромыватель. Термин «газопромыватель», с точки зрения морфемного разбора, представляет собой «сплав» двух независимых корней. И если под «газом» понимается непосредственно газообразная или воздушная среда, (воздух тоже является неоднородной смесью), то корень «промывать» в русском языке подразумевает применение воды или жидкости.

Таким образом, из самого названия становится понятно, что «газопромыватель» – аппарат мокрой газо- или воздухоочистки.

К данному классу продукции относятся все агрегаты, реализующие очищение воздушных или газовых потоков путем механического или межфазового взаимодействия последних с водой или жидкостным активным реагентом. Среди наиболее значимых стоит выделить скрубберы, скоростные центробежные установки Вентури, абсорберы, мокрые циклоны.

Историческая справка

Заглядывая назад, можно проследить, что газоочистка – как технология – зародилась в эпоху т.н. промышленной революции18-19 веков – эры стремительной урбанизации, развития добычи и переработки углеводородного сырья. Изобретение первых воздухоочистных машин было продиктовано серьезным возрастанием количества вредных выбросов фабрик и питающих их электростанций, работающих на дровах, угле и других полезных ископаемых.

Промышленная революция

Именно тогда англичанами и было введено в международный промышленный лексикон понятие «flue gas treatment», которое максимально точно можно соотнести с русским «очищение, фильтрация, промывка газов (от сгорания)».

Даже недальновидным промышленникам стало очевидно, что неочищенные выхлопы от сгорания углеводородов, сажа и зола оказывали ужасающее воздействие на обширные площади, водный (защелачивание водоемов) и воздушный бассейн прилегающих территорий.

Основными загрязнителями, против которых и была разработана методика, являлись оксиды серы (десульфуризация), окись углерода и ртуть. О других составляющих углеводородных выбросов – таких как бензпирен, оксид ванадия, арены, сернокислый натрий, аммиак, фенолы – тогда попросту не знали или не придавали их нейтрализации должного значения.

Первым государством, официально принявшим закон о регуляции промышленных выхлопов, было Соединенное Королевство Великобритании (Clean Air Act 1952 года). Остальные страны последовали «королевскому» примеру позже, а некоторые – значительно позже, лишь в 80-90 годах прошлого века.

По мере течения времени аппараты совершенствовались, и сегодня газопромыватели представляют собой обширную группу устройств различных типов и принципов действия, каждый из которых нацелен на решение определенных задач в газоочистке.

Типы, виды, названия и особенности газопромывателей

Рассмотрим виды и типы оборудования данного направления. В целом, схема очистки, реализуемая газопромывочными агрегатами, вне зависимости от названия, представляет собой задержание нежелательных пылевых, газопылевых (центробежные, мокрые пылеуловители ударно-инерционного действия) и химических включений (пенные, барботажные или тарельчатые) с помощью водяной (жидкостной) завесы.

Завеса эта может быть образована с помощью различных конструктивных элементов – опорных тарелок, форсуночных блоков, насадок с кипящим слоем, абсорбирующей пены.

Полые газопромыватели

Когда говорят о полых газопромывателях, то имеют в виду т.н. центробежную безнасадочную конструкцию. Агрегаты представляют собой металлические, (реже – неметаллические), промывные колонны, обычно круглого сечения.

Таблица зависимости сопротивления аппаратов от типа впрыска жидкости и подвода среды

Центробежные и ударно-инерционные газопромывающие установки

С технической точки зрения «традиционный» распылительный скруббер и орошаемый циклон можно отнести как к газопромывателям центробежного, так и ударно-инерционного типа. Общая схема реализуемой ими газоочистки такова:

1. загрязненный поток нагнетается в главную колонну вентилятором (в скрубберах модели Вентури и Дойля он дополнительно разгоняется благодаря эффекту Бернулли);
2. турбулентно закрученная газовоздушная струя сталкивается с капельной или пенной завесой;
3. происходит ударное взаимодействие, которое разбивает капли (исходящие из сопел форсунок) на более мелкие (или выбивает их из пены), образуя микротуман, захватывающий частички загрязнителя;
4. хаотично движущиеся микро-капли ударяются о внутренние радиальные стенки колонны и адгезируют с ними или конденсируются в более крупные (как в промывателе СИОТ) и – под силой тяжести – спускаются в шламоприемник (бункер для отходов);
5. оставшиеся микроскопические капли, преодолевшие мокрую завесу, поднимаются вверх, где перед выходным патрубком задерживаются предусмотренным для этого туманоуловителем.

В некоторых случаях системы оснащаются дополнительным коагуляционным блоком, увеличивающим степень конденсации микро капель.

Работа центробежных и ударно-инерционных газопромывателей сильно зависит от скорости подаваемой газовоздушной струи: чем выше разница скоростей ΔV, тем меньше диаметр образуемых микро капель и эффективнее очистка.

Форсунки могут располагаться как по периметру корпуса, так и по центру. Возможно комбинированное размещение форсуночных распылителей.

Пенный газопромыватель

Для химической, мелкодисперсной пылевой или комплексной химико-пылевой очистки обычно используются пенные насадочные и безнасадочные газопромыватели: барботажные абсорберы и тарельчатые скрубберы, обеспечивающие более высокую, (чем ударно-инерционные), степень извлекаемости поллютанта.

Пенные газопромыватели во внешних чертах повторяют конструкцию полых – форма корпуса, форсуночный блок, способ подачи потока – могут совпадать. Радикальным отличием тарельчатых промывателей являются т.н. барботеры (фр. barboteur) – ярусы с установленными перфорированными «тарелками».

пенный газопромыватель

На барботерах при взаимодействии воды или реагента с очищаемым потоком образуется активный межфазный псевдоожиженный слой, эффективно задерживающий частички загрязнителя. Такая особенность функционирования обычно подразумевает вертикальное конструкционное исполнение.

Мокрая промывка позволяет эффективно улавливать частицы с размерами от 0,5 до 500 микрометров.

Принцип осаждения нежелательных включений включает две стадии (в зависимости от скорости потока):

1. При небольшой скорости газовой струи контакт идет поверхностно, и основная масса нежелательных компонентов осаждается на внешней поверхности пузырьков;
2. При достижении определенного скоростного порога частички загрязнителя «пробивают» поверхность внешних пузырьков и задерживаются уже внутри пенистой массы.

Такой подход обеспечивает уровень очистки до 99% при захвате частиц крупной, средней и мелкой дисперсности.

Насадочный газопромыватель

Конструкции со стационарными или подвижными насадками представляют собой еще более продвинутую версию пенных абсорберов.

Опорные «этажи» насадочных скрубберов и абсорбционных колонн выложены т.н. насадочными телами – геометрическими элементами небольшого размера, обеспечивающими еще большую (по сравнению с другими типами) площадь контакта.

Насадки могут быть стационарными и подвижными (колеблющимися). Первые – достаточно тяжелы для того, чтобы подача газа или воздуха могла изменить их пространственное положение в колонне, вторые же – легки и под действием потока хаотично перемещаются в пределах яруса. Выбор использования подвижной или стационарной насадки зависит от характера, дисперсности и иных конкретных условий и задач газоочистки. Количество ярусов при этом может варьироваться.

виды насадок для абсорберов

Скоростные газопромыватели

Пожалуй, наиболее распространены среди скоростных газопромывочных установок пылеуловители, названные по именам своих изобретателей – Джованни Батиста Вентури (Giovanni Battista Venturi) и Гарольда Дойля (Harold Doyle).

Скруббер Дойля

Скруббер Дойля (Дойла) представляет собой «образцовый» инерционный газоочиститель. Запыленная газовоздушная струя подается в башню через верхний патрубок и, разгоняясь в конусной трубе со скоростью более 50 м/с, ударяется непосредственно о поверхность жидкости, образуя в колонне плотный туман.

скруббер Дойля

Обычно конструкция Дойля состоит из двух секций:

1. В первой секции происходит соударение сред, туманообразование и параллельное с этим осаждение конденсата, захватившего нежелательные компоненты, обратно в жидкость;
2. Во второе отделение через перегородку попадает очищенный газ/воздух, содержащий небольшое количество конденсата, который окончательно осаждается, а очищенный поток выходит через верхний патрубок второй секции.

Днище аппаратов обычно выполняется наклонным. Это сделано для того, чтобы шламовый конденсат из второй секции мог естественным путем стекать в первое отделение, а оттуда – в дренажный бункер.

Система Вентури

Пылеуловитель Вентури – центробежный газоочистительный агрегат, основной особенностью которого является использование т.н. эффекта Вентури, открытого итальянским ученым, жившим на рубеже 18-19 веков.

Основной элемент – полый корпус, образованный соединением двух конусных труб разных сечений. Благодаря перепаду диаметров – от большого к малому – происходит значительный разгон воздушной среды (иногда – до 400 м/с).

Скруббер Вентури

Разогнанная струя встречает на пути форсуночный блок и на огромной скорости разбивает распыляемые капли в микроскопический туман, который захватывает загрязнения и сразу конденсируется и опадает вниз за счет снижения скорости на стыке конфузора и диффузора.

Установки Вентури с закрытым контуром могут быть снабжены дополнительными сепараторами, которые отделяют воду из шлама и подают ее на рециркуляцию.

Горизонтальные и прямоточно-противоточные промыватели

Вертикальное исполнение не всегда оптимально. Создание устройства горизонтальной ориентации может быть обусловлено не только рациональностью размещения в тех или иных условиях производственного участка, но и возможностью имплементации конкретных методов очистки – например, прямоточно-противоточного метода, использование которого более эффективно именно в горизонтальной плоскости.

Газопромыватели, работающие по по принципу прямоточно-противоточного впрыска жидкости, иногда могут включать секции с насадками (см. фото), а также кассетные фильтры для дополнительного улавливания аэрозолей.

Такие системы часто используются для нейтрализации опасных газообразных соединений, отходящих от гальванических ванн, а также на других производствах, имеющих в технологическом цикле пары кислот, щелочей, летучие ароматические углеводороды (фенолы, ксилолы, бензол), спирты, нафталин, кетоны.

Ротоклон

Необычный подход к влажной пылеочистке использует устройство ротоклон (лат. roto – вращаться, кружиться). Основной элемент такой машины – вращающийся диск с лопастями специальной формы (импеллер или колесо с крыльчаткой), отдаленно напоминающий бытовой вентилятор.

Геометрическая форма лопастей разрабатывается так, чтобы образующаяся на них водяная пленка максимально интенсивно захватывала подающуюся пыль.

Принцип действия

Форсунка орошает крыльчатку, предотвращая налипание пыли на лопастях и исключая возникновение дисбаланса на колесе. Внутренняя колонна имеет канавки, через которые шлам стекает в отстойник. Недостатком ротоклона является очень высокое динамическое сопротивление, создаваемое прохождением воздуха через лопатки.

Ротоклоны используются на производствах, где имеется выброс высокоадгезионной пыли: на дробильных, молотильных, литейных, цементных производствах. Впрочем, их долю на рынке газопромывателей стремительно забирают современные устройства с меньшим динамическим сопротивлением и более высоким КПД.

Дезинтеграторы

Газопромыватель-дезинтегратор – еще одно необычное устройство, практически вытесненное из употребления современными фильтрами.

Дезинтегратор представляет собой агрегат, совмещающий в себе функции вентилятора (насоса) и влажного нейтрализатора пыли.

Дезинтегратор

Основа конструкции – роторный диск с металлическими шипами, которые при вращении с минимальным зазором проходят между таких же комплементарных шипов, установленных на внутренних стенках корпуса. Подающаяся жидкость разбивается (дезинтегрируется) стержнями до состояния микро-капель и связывается с пылью, после чего туман выводится из аппарата в туманоуловитель.

Циклон СИОТ

Прямоточный циклон промыватель Свердловского Института Охраны Труда (СИОТ) – мокрый циклонный пылеуловитель для осаждения средне- и крупнодисперсных частиц.

Особенность функционирования циклона СИОТ заключается в том, что помимо «мокро-пленочного» осаждения на стенках колонны, пылевая взвесь дополнительно промывается путем прямого водного распыления.

Промыватель СИОТ

В качестве первой ступени часто применяется сухой инерционный циклон. СИОТ не предназначен для обработки высоких концентраций загрязнителя, а также плохо справляется с волоконной и адгезионной воздушной взвесью.

ГФП

В рамках этой страницы также следует упомянуть газопромыватель ГФП, хоть он и не является промышленным устройством.

ГФП с прямым или изогнутым отводом – лабораторная посуда – трубка из стекла, обладающего высокой стойкостью к термическим и химически-агрессивным нагрузкам.

лабораторные трубки ГФП

Важным параметром ГФП является пористость фильтра (который тоже сделан из прессованного стекла). Пористость ГФП указывается в названии аббревиатурой «ПОР» и следующим за этим значением: 40, 100, 160. Изготавливается по ГОСТ 25336-82.

Материалы

Материал, из которого изготавливается газоочиститель, выбирается на основе строгого учета физических, химических и термических условий эксплуатации. Рассмотрим основные материалы и соответствующие им кондиции. Данные, приведенные в таблице, распространяются не только на корпуса/колонны, но и на форсуночные блоки, вспомогательные элементы и обвязку.

Сводная таблица эффективности и технологичности газопромывателей

Все газопромыватели входят в справочник наилучших доступных технологий (НДТ (22 раздел) Очистка вредных выбросов). ПОДОБРАТЬ ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЬ ВСЕ ВИДЫ СКРУББЕРОВ