Очистка газов в Электросталеплавильном производстве

При работе в режиме тонкой очистки на высокодисперсных пылях  скорость газов в горловине должна поддерживаться в пределах 100—150 м/с, а удельный расход воды — в пределах 0,5— 1,2 дм3/м3. Это обусловливает необходимость большого перепада  давления (Ар — 10 4-20 кПа) и, следовательно, значительных затрат энергии на очистку газа.

В ряде случаев, когда труба  Вентури работает только как коагулятор перед последующей тонкой очисткой (например, в электрофильтрах) или на крупной пыли размером частиц более 5—

10 мкм, скорости в горловине могут быть снижены до 50—100 м/с, что значительно снижает энергозатраты.

 

6.2 Дробление жидкости и захват пыли каплями в трубе Вентури.

При введении жидкости в  газовый поток дробление крупных  капель на более мелкие за счет энергии турбулентного потока происходит, когда внешние силы, действующие на каплю, преодолевают силы поверхностного натяжения. Исходя из равновесия динамического давления на каплю и сил поверхностного натяжения, Прандтль получил следующее выражение для диаметра получающихся капель:

 

Наиболее точная и достоверная  формула для определения среднего диаметра капель предложена японскими исследователями Нукияма и Таназава на основе большого количества тщательно проведенных экспериментов:

где рж — плотность жидкости, кг/м3;

р,ж — динамический коэффициент вязкости жидкости, Н-с/м2;

Vr и 1/ж — объемные расходы газа и жидкости, м3/с.

 

Границу устойчивости капли  определяет критическое значение критерия Вебера We = , характеризующего отношение инерционных сил газового потока к силам поверхностного натяжения.

При We > WeKр капля теряет устойчивость и начинает дробиться, при We < WeKр дробления капли не происходит.

Данные о критическом  значении критерия We противоречивы; по-видимому, WeKр = 5 -12.

При подаче орошающей жидкости в трубу Вентури ее начальная скорость незначительна. За счет сил динамического давления газового потока капли одновременно с дроблением получают значительные ускорения и в конце горловины приобретают скорость, близкую к скорости газового потока. В диффузоре скорости газового потока и нацель падают, причем вследствие сил инерции скорость капель превышает скорость газового потока. Поэтому захват частиц пыли каплями наиболее интенсивно идет в конце конфузора и в горловине, где скорость газа относительно капли особенно значительна и кинематическая коагуляция протекает наиболее эффективно.

Огромная скорость протекания процессов дробления капель, изменение  скоростей капель и пыли, частичное  испарение капель и конденсаций  паров в весьма малом объеме трубы  Вентури (в основном, в горловине) и наложение их друг на друга чрезвычайно осложняют создание теории работы этого аппарата, которая до сих пор не разработана.

 

6.3 Теплообмен в трубе Вентури.

 Если газ охлаждается  в трубе Вентури, то, пренебрегая  потерями в окружающую среду,  не превышающими 3—5%, можно выразить  тепловой баланс следующим равенством.

 

где Qx — тепло, отдаваемое газом, кВт;

Qz — тепло, затрачиваемое на нагрев орошающей жидкости от начальной температуры Тн до конечной температуры Тк, кВт;

Q3 — тепло, затрачиваемое  на испарение частиц орошающей  жидкости, кВт.

Тепло, отдаваемое газом, равно:

 

где У0с — объемный расход сухих газов, м3/с;

ср — теплоемкость сухих газов, Дж/(м3 °С);

Т1 и Т2 — начальная и конечная температура газа, °С;

ух — начальное объемное влагосодержание газа, кг/м3; ix и i2 — начальная и конечная энтальпии водяного пара, Дж/кг.

Тепло, затрачиваемое на нагрев орошающей  воды, при усло¬вии, что она нагревается до температуры мокрого термометра Тм, Вт:

 

 

где у2 — конечное объемное влагосодержание, кг/м3;

m — удельный расход  воды, рассчитанный по условиям  выхода, кг/м3, in и *’м — начальная и конечная энтальпии воды, Дж/кг. Тепло, затрачиваемое на испарение части подаваемой воды, Вт:

где — энтальпия пара при условиях выхода.

 

 

Подставив развернутые выражения  в уравнение баланса, можно решить его подбором — методом последовательного  приближения относительно любой интересующей нас величины.

Температуру газов на выходе из трубы Вентури можно определить по следующей эмпирической зависимости, справедливой в пределах скоростей газов в горловине wz -= 50 4- 150 м/с, при удельных расходах воды т = 0,6-=-1,3 кг/м3 и начальной температуре газов Тх = 100 -900° С

НИИОгазом предложено оценивать эффективность теплообмена в трубах Вентури с помощью условного коэффициента теплопередачи, отнесенного к единице массового расхода газа:

 

где Q — количество отдаваемого  газом тепла, Вт;

АТ — средняя разность температур между газом и водой, °С;

М_Г — массовый расход газа, кг/с.

Величину условного коэффициента теплопередачи в пределах скоростей  газа w2 = 17 --160 м/с и удельных расходов воды m =

— 0,12-4,0 кг/м3 можно определять по следующей эмпирической формуле:

Численные значения коэффициентов А, В и С могут быть приближенно приняты равными: А — 0,05 -=-0,07; В = 0,51; С — 0,71.

 

6.4 Конструкции труб Вентури

Аэродинамический оптимальными являются следующие соотношения размеров труб Вентури круглого сечения, в соответствии с которыми эти трубы нормализованы (рис. 37, б):

длина горловины , где d2— диаметр горловины;

угол сужения конфузора °, длина  конфузора L= 

Угол расширения диффузора длина  диффузора

диаметры входного и выходного  отверстий

конфузора и диффузора  dx и d3 принимают равными диаметрам подводящего и отводящего трубопроводов.

Однако в промышленности при малых скоростях газа и  мелко-дисперсной пыли иногда применяют трубы Вентури с удлиненной горловиной L2 = (3 4-5) d2, дающие в этом случае повышенную эффективность.

При расходах газа до 3 м3/с  обычно применяют трубы Вентури  круглого сечения. При больших расходах газа и увеличении диаметра трубы возможности равномерного распределения орошения по сечению круглой трубы резко ухудшаются. Поэтому применяют несколько параллельно работающих труб, а при расходах газа более 10 м3/с рекомендуется придавать сечению трубы прямоугольную (щелевую) форму, при которой условия организации равномерного орошения значительно облегчаются.

По способу подачи жидкости трубы Вентури, применяемые в  металлургии, делят на три группы:

а) с форсуночным орошением (рис. 6, а)\

б) с пленочным орошением (рис. 6, б);

в) с периферийным орошением (рис. 6, б).

При центральной подаче воды (рис. 6, а) форсунку устанавливают на расстоянии (1—1,5) dx перед конфузором. Максимальный диаметр зоны орошения форсунки не должен превышать

 

Рисунок6

500 мм; при больших диаметрах газопровода  можно устанавли¬вать несколько форсунок. Расход воды на форсунку определяют по формуле

где n — число форсунок.

Диаметр отверстия форсунки находят  из выражения

 

 

где — коэффициент расхода  приближенно равен 0,73,;

р — давление воды перед форсункой (не менее 15 Н/см2); рв — плотность воды, кг/м3.

Более совершенной является периферийная подача жидкости, применяемая  в трубах Вентури, как круглого, так  и прямоугольного его сечения. Она позволяет организовать более равномерное орошение в трубах Вентури больших размеров, особенно прямоугольных, через отверстия с двух противоположных сторон, разложения в шахматном порядке. Необходимое число отверстий и ДЛЯ ввода воды (диаметром d0) может быть приближенно определено по следующей формуле:

 

где а — ширина горловины  прямоугольной трубы Вентури.

 

Вода чаще всего подается в начальный участок горловины. Периферийная подача допускает чистку отверстий без прекращения работы аппарата, значительно снижает абразивный износ и замедляет рост отложений на орошающих устройствах.

В последнее время начали применять пленочное орошение, при  котором подаваемая вода непрерывно стекает по стенкам конфузора, образуя возобновляющуюся пленку.

Дробление пленки на капли  происходит за счёт энергии высоко-скоростного потока газа.

Основным преимуществом  пленочного орошения является отсутствие мелких отверстий, склонных к зарастанию и засорению, а также возможность  подачи на орошение воды пониженного  качества, что очень важно в условиях оборотного водоснабжения газоочисток. Пленочное орошение полностью устраняет отложения пыли, образующиеся обычно на границе между сухой и смоченной поверхностями конфузора. Однако пленочное орошение ^обеспечивает равномерность распределения воды по сечению только при ширине или диаметре горловины не более 100 мм.

В некоторых конструкциях применяют комбинированные способы орошения, например, центральную подачу совмещают с плёночной.

Представляют интерес  так называемые электронные скрубберы, в которых газ поступает в трубу Вентури за счет инжектирующего действия орошающей жидкости или водяного пара, подаваемых под давлением до 120 Н/см2 (рис. 7). При этом гидравлическое сопротивление трубы Вентури резко уменьшается, а в отдельных случаях может создаваться даже положительный напор, позволяющий отказаться от установки дымососа, что особенно важно при отсутствии для него места и при очистке агрессивных газов.

Для установок с изменяющимся по времени расходом газа применяют  трубы Вентури с регулируемым сечением горловины, позволяющие сохранять  в горловине трубы оптимальную  скорость, несмотря на колебания расхода газа. Институтом «ВНИПИчер метэнергоочистка» разработана конструкция такой трубы с поворотными лопастями (рис. 8, а). За рубежом предложена конструкция, в которой изменение сечения горловины осуществляется с помощью возвратно-поступательного движения конической вставки (рис. 8, б). Существуют и другие конструкции, не получившие, однако, широкого распространения.

6.5 Конструкции каплеуловителей

 В качестве каплеуловителей  в турбулентных газопромывателях  применяют преимущественно прямоточные  циклоны (см. § 10). Рекомендуемая  скорость газа в свободном  сечении циклона составляет 2,5—4,5 м/с. При более высоких скоростях  газа начинается вынос капельной влаги и общая эффективность циклона снижается.

В качестве каплеуловителей  часто применяют и центробежные скрубберы ВТИ (см. § 29), работающие без  подачи воды на орошение. При двухступенчатой компоновке труб Вентури в качестве промежуточного каплеуловителя используют угловые сепараторы, не требующие специального места.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8

Рисунок 7

6.6 Компоновка  скрубберов Вентури

 Ограниченная пропускная способность трубы Вентури круглого сечения вызывает необходимость создания групповых компоновок, состоящих из нескольких параллельно работающих труб.

Целесообразнее представляется групповая компоновка из 6—8 более  крупных труб Вентури, позволяющая  вести наблюдение за каждой трубой и регулировать ее работу. Иногда применяют  и батарейные компоновки из труб диаметром 90 мм каждая с общим орошением для всей батареи.

Трубы Вентури с регулируемой прямоугольной горловиной большого сечения достаточно хорошо зарекомендовали  себя на практике. Во избежание излишне  больших размеров и в целях  некоторого резервирования в большинстве  случаев устанавливают две трубы, работающие параллельно с не полностью открытой горловиной. При выходе из строя одной трубы другая может работать с повышенной пропускной способностью. 

При улавливании высокодисперсных пылей применяют компоновки с  последовательным включением двух труб с прямоугольной регулируемой горловиной. При этом первая по ходу газов труба  работает с малым перепадом давления, осуществляя подготовку газов к очистке, а вторая в режиме тонкой очистки. Такие схемы широко применяют при очистке газов конверторного и ферросплавного производства.

Интересна батарейная компоновка труб Вентури системы «Со-ливор», работающая с использованием конденсационного эффекта, предложенная французской фирмой «Ирсид—Кафл» (рис. 9, а).

 

 

 

Рисунок 9

Соливор состоит из четырех ступеней (рис. 9, б), расположенных друг за другом, в каждой из которых размещено несколько низконапорных труб Вентури. Запыленный газовый поток поступает в входную камеру, где насыщается влагой благодаря орошению тонкораспыленной жидкостью. При этом происходит осаждение крупных частиц пыли. Насыщенные влагой газы поступают в трубы Вентури 1-й ступени. В конфузоре давление газа падает, что сопровождается испарением капель влаги, содержащихся в газе. В диффузоре вследствие увеличения давления про- ' исходит конденсация водяных паров на частицах пыли, которые быстро укрупняются и осаждаются с помощью грубораспыленной воды. Освобожденные от укрупненных частиц газы направляются во 2-ю ступень где процесс повторяется, и т. д. Четырех ступеней оказывается достаточно, чтобы частицы пыли средним диаметром 0,3 мкм улавливались на 99,9%.

Гидравлическое сопротивление аппарата составляет ~4000 Па; однако он требует большого расхода воды высокого качества и очень тонкого распыления, сопровождаемого значительными затратами энергии. Поэтому экономическая выгода не столь велика.