Очистные сооружения для очистки атмосферного воздуха. Циклоны. Расчет циклона ЦН-11

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВПО

СГТУ ИМ. ГАГАРИНА Ю.А.

Энгельсский технологический институт (филиал)

Кафедра «Экология и охрана окружающей среды»

Защищён с оценкой     Допущен к защите

_________________________________                                                                

«_____» _________________2013 год                          «____»____________2013 год

__________________________                             _________________________

подписи членов комиссии                                                                          подписи членов комиссии

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине « Техника защиты окружающей среды»

На тему «Очистные сооружения для очистки атмосферного воздуха. Циклоны. Расчет циклона ЦН-11».

                                                                              Выполнила: ст. гр. ООС-51

                                                              Абрамова Мария

                                                                           Проверила: проф, д. х. н.

                                                               Ольшанская Л. Н.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Стремительный рост численности населения Земли и его научно-технической вооруженности в корне изменили ситуацию на нашей планете. Если в недавнем прошлом вся человеческая деятельность проявлялась отрицательно лишь на ограниченных, хоть и многочисленных территориях, а сила воздействия была несравненно меньше мощного круговорота  веществ в природе, то теперь масштабы естественных и антропогенных процессов стали сопоставимыми, а соотношение между ними продолжает изменяться с ускорением в сторону возрастания мощности антропогенного влияния на биосферу.

Опасность непредсказуемых изменений в стабильном состоянии биосферы, к которому исторически приспособлены природные сообщества и виды, включая самого человека, столь велика при сохранении привычных способов хозяйствования, что перед нынешними поколениями людей, населяющими Землю, возникла задача экстренного усовершенствования всех сторон своей жизни в соответствии с необходимостью сохранения сложившегося круговорота веществ и энергии в биосфере. Кроме того, повсеместное  загрязнение окружающей среды, атмосферы в частности,  представляет серьезную опасность для здоровья людей.

Атмосферный воздух – необходимый, жизненно важный компонент окружающей среды. Опасные загрязняющие вещества, попадая в воздух, переносятся на большие расстояния. Осаждаясь, они загрязняют почву, водоемы, что оказывает неблагоприятное воздействие на жизнь и здоровье человека, растительный и животный мир. Именно поэтому тема защиты атмосферы от вредных выбросов особенно актуальна. Целью данного проекта является изучение основных методов защиты атмосферного воздуха и наиболее распространенных очистных сооружений, а также расчет циклона ЦН-11 с последующим построением его чертежа.

1. Литературный обзор
1. 1. Методы и способы защиты атмосферного слоя Земли

Решение проблемы загрязнения воздуха требует согласованных действий на самых разных уровнях. На уровне правительств и международных организаций принимаются различные документы, обязывающие участников экономической деятельности сокращать вредные выбросы. К таким документам относятся Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, Рамочная Конвенция ООН по изменению климата, экологическое законодательство государств.

На уровне конкретных источников вредных выбросов должны предприниматься меры по предотвращению или хотя бы снижению загрязнения воздуха [1].

Выбросы в атмосферу подлежат очистке. Под очисткой понимается отделение воздуха от выбросов вредных веществ. В настоящее время существуют разнообразные газоочистные установки и устройства, в которых используются механические, физические, физико-химические методы удаления из воздуха вредных примесей. Газоочистные установки и устройства подразделяются по видам и агрегатному состоянию очищаемого вещества на установки по очистке газовоздушных смесей от твердых примесей, от жидких примесей и аэрозолей, газообразных веществ, выхлопных газов тепловозов и автотранспорта [2].

Кратко рассмотрим основные методы очистки и соответствующее оборудование.

1. 2. Механические методы очистки

Механические методы основаны на использовании сил тяжести, сил инерции, центробежных сил, диффузии, захвата и др. К этой группе методов относятся: инерционное пылеулавливание, мокрое пылеулавливание, фильтрация [3].

Инерционное пылеулавливание основано на том, что твердые частицы и капли выпадают из запыленного газового потока при резком изменении его направления. Наибольшее распространение получили инерционные пылеуловители (рис.1), которые предназначены для улавливания крупных фракций пыли размером более 50 мкм, и циклоны (рис. 2), используемые для удаления золы из дымовых газов и сухой (древесной, асбоцементной, металлической) пыли с размером частиц 25–30 мкм из воздуха, ротационные пылеуловители (рис. 3), предназначенные для очистки воздуха рабочих помещений.

Рис. 1. Малогабаритный пылеулавливатель

Принцип действия циклона – одного из самых распространенных пылеочистительных аппаратов – основан на использовании центробежной силы, возникающей при вращательно-поступательном движении газового потока: центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам корпуса циклона, затем частицы пыли, стекая по стенкам, выпадают в бункер, а очищенный газ через расположенный по оси циклона выхлопной патрубок выбрасываются в атмосферу или поступают к потребителю. Циклоны составляют самую многочисленную группу экотехнической аппаратуры – более 90 % от общего числа применяемых в промышленности пылеуловителей. Ими улавливается более 80 % от общей массы уловленной всеми аппаратами пыли [4].

Рис. 2. Батарейный циклон:

1 – патрубок;

2 – распределительная камера;

3 – направляющие элементы;

4 – пылесборник;

5 – камера; 
6 – патрубок.

Мокрое пылеулавливание основано на промывании запыленного газового потока жидкостью, подаваемой в виде брызг или тумана [3].

Действие аппаратов мокрой очистки газов основано на захвате частиц пыли жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама. Процессу улавливания пыли в мокрых пылеуловителях способствует конденсационный эффект – укрупнение частиц пыли за счет конденсации на них водяных паров. Поскольку в этих аппаратах процесс пылеочистки обычно сопровождается процессами абсорбации и охлаждения газов, они применяются и в качестве теплообменных аппаратов, и для очистки газообразных составляющих. Обычно в качестве орошающей жидкости, если не требуется химическая очистка, используется вода. Часто аппараты мокрой очистки газов используются в качестве предварительной ступени перед аппаратами других типов.

Рис. 3.Ротационный пылеуловитель: 

1– спиралевидный  кожух;

2– шибер, необходимый  для направления загрязненного  воздуха в циклон;

3 – циклон  для окончательного осаждения твердых частиц.

Аппараты мокрой очистки газов называются пенными газоочистителями и скрубберами, они подразделяются на полые и насадочные, центробежные, динамические, турбулентные. Скрубберы (рис. 4) удаляют частицы размером более 10 мкм, а пенные газоочистители улавливают частицы размером до 2 мкм. Они применяются на участках окраски изделий и нанесения полимерных покрытий в замкнутых системах воздухопользования. Эффект очистки составляет 90–99 % [5].

Рис. 4. Полый скруббер:

1 – корпус; 2 –  оросительная система.

Фильтрация основана на пропускании запыленного газового потока через фильтрующий материал [3]. Фильтрацию применяют для сверхтонкой очистки атмосферного воздуха от древесной, асбоцементной, абразивной пыли, золы, сажи, частиц металлов, их оксидов, ангидридов. В зависимости от фильтрующего материала, фильтры принято делить на тканевые, волокнистые, пористые и зернистые (из сыпучих материалов). В тканевых фильтрах используют не только ткани, но и нетканые материалы, такие как войлок или фетр. Фильтры из хлопчатобумажных тканей применяются для фильтрации нейтральных и щелочных газов при относительно невысокой температуре. В волокнистых фильтрах применяют набивные слои из натуральных или синтетических волокон, шлаковаты, стружки металлов или полимерных материалов, а так же сформированные слои (фильтровальная бумага, картон). Широкое распространение получили фильтры из синтетического и стеклянного волокна. Они обладают высокой термостойкостью и механической прочностью. Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяют волокнистые фильтры – туманоулавители, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности волокон с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести. Эффективность очистки составляет 90–99 % [5].

Рис. 5. Многосекционный рукавный фильтр:

1 – распределительная  коробка для подачи газа;

2 – рукава  для оседания пыли;

3 – встряхивающее  устройство;

4 – шнек для  удаления осевшей пыли;

5 – коллектор для выпуска очищенного газа атмосферу.

1. 3. Физические методы очистки

Физические методы базируются на использовании электрических и электростатических полей, процессов охлаждения, конденсации и кристаллизации [3]. Электростатическая очистка газов осуществляется в вертикальных и горизонтальных электрофильтрах, она основана на электризации загрязняющих частиц размером до 0,1 мкм и выделении их из газа под действием электрического поля (до 50 кВ), создаваемого специальными электродами.

Электрофильтры – одно- или двухсекционные аппараты прямоугольной формы. Корпуса аппаратов – стальные, покрытые снаружи теплоизоляцией. Активная зона электрофильтров состоит из осадительных электродов (плоских полотен, набранных из пластинчатых элементов специального профиля) и коронирующих электродов (трубчатых рам, в которых натянуты коронирующие элементы). Расстояние между соседними осадительными электродами (300 мм) является также шириной единичного газового прохода. Удаление уловленной пыли с электродов – механическое, путем периодического встряхивания их ударами молотков [6].

По способу удаления осаждающихся на электродах частиц различают сухие и мокрые электрофильтры. Сухие электрофильтры используются для удаления сухой пыли, а мокрые применяют для очистки газов от паров кислот: серной, соляной, азотной. Эффект очистки составляет 97–99 % [5].

Рис. 6. Однозонный электрофильтр с поперечным движением газа:

1. – осадительныеэлетроды; 2 – коронирующие электроды.
1. 4. Физико-химические методы очистки

Физико-химические методы основаны на физико-химических взаимодействиях загрязнителей с очищающими агентами. К таким методам относятся: абсорбция, хемосорбция, адсорбция, каталитический метод, термический метод [3].

Абсорбция основана на разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Для удаления из выбросов аммиака, хлористого и фтористого водорода применяют воду. Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту. В настоящее время наибольшее распространение в качестве абсорберов получили скрубберы-абсорберы (рис. 7).

Рис. 7. Орошаемый скруббер-абсорбер с насадкой:

1 – насадка; 2 – разбрызгиватель.

Адсорбция основана на извлечении из газов смесей вредных примесей с помощью твердых адсорбентов. Наиболее широко в качестве адсорбента используется активированный уголь, кроме того, существуют и такие сорбенты, как активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты. Некоторые адсорбенты пропитывают реактивами, повышающими эффективность адсорбции и превращающими вредную примесь в безвредную за счет происходящей на поверхности адсорбента хемосорбции. Основным очистным оборудованием являются вертикальные, горизонтальные, скрубберы – адсорберы.

Хемосорбция основана на поглощении газов и паров жидкими и твердыми поглотителями с образованием химических соединений. Этот метод используется для удаления из выбросов сероводорода и окислов азота. В качестве очистного оборудования используются скрубберы, а химическими поглотителями являются мышьякощавелевые и этаноламиновые растворы [7].

Каталитический метод очистки заключается в селективном ускорении химической реакции и превращении загрязнителя в безвредное вещество (рис. 8). Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические нейтрализаторы, в которых загрязненный воздух пропускают над катализатором, чаще всего оксидом алюминия. С помощью такого очистного оборудования можно очистить воздух от угарного газа, углеводородов, окислов азота. Таким методом может быть достигнута полная очистка газов от альдегидов, а содержание оксидов азота снижено на 70 % [5].

Рис. 8. Каталитический нейтрализатор: 1 – корпус; 2 – реактор;

3 – сетка; 4 –  теплоизоляция; 5 – катализатор; 6 –  фланец.

Термический метод (рис. 9) основан на дожигании и термической деструкции вредных веществ в выбросах. Используется в том случае, когда вредные примеси в выбросах горючи. Этот метод применяют для очистки выбросов от лакокрасочных и пропиточных участков. Системы термического и огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки до 99 % [8].

Рис. 9. Схема очистки топочных газов котельной

горнокузнечно-рессорного цеха локомотивного депо.

1. 5. Циклоны

Сепарация пылевых частиц в циклоне осуществляется на основе использования центробежной силы.

Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и технологических выбросов во всех отраслях промышленности. Можно утверждать, что циклоны являются наиболее распространенным видом пылеулавливающего оборудования. Их широкое распространение в значительной мере объясняется тем, что они имеют многие преимущества – простота устройства, надежность в эксплуатации при сравнительно небольших капитальных и эксплуатационных затратах. Надежность циклонов обусловлена, в частности, тем, что в их конструкции нет сложного механического оборудования [9].

Капитальные и эксплуатационные затраты на пылеулавливающие установки, оборудованные циклонами, значительно меньше соответствующих расходов для установок с рукавными фильтрами, а тем более электрофильтрами [6]. Циклоны делятся на циклоны большой производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой диаметр и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые – сравнительно небольшого диаметра (до 500 – 600 мм). Очень часто применяют групповую установку этих циклонов, соединенных параллельно по воздуху.

Циклоны, как правило, используют для грубой и средней очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли. Принято считать, что они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером до 5 – 10 мкм, что является основным их недостатком. Однако циклоны, особенно циклоны высокой эффективности, улавливают не такую уж малую часть пыли размером до 10 мкм – до 80 и более процентов.

В современных высокоэффективных циклонах, в конструкции которых учтены особенности улавливаемой пыли, удалось существенно повысить общую и фракционную эффективность очистки.

Разработано и применяется в технике обеспыливания большое число различных типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и др. [5].

Корпус циклона состоит из цилиндрической и конической частей. По форме циклоны разделяются на:

• цилиндрические (Hц>Hк);
• конические(Hк>Hц),

Hц и Hк соответственно высота цилиндрической и конической части циклона. Коническая часть аппарата выполняется в виде прямого конуса, обратного конуса или может состоять из двух конусов – прямого и обратного. Строение конической части определяет особенности движения пылевоздушного потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на процесс сепарации, а также коагуляцию некоторых видов пыли в аппарате, на устойчивость его работы при улавливании данных видов пыли.

Наибольшее распространение получили цилиндрические циклоны конструкции НИИОгаза.

Рис. 1. Конструкции циклонов:

а — конструкции НИИОгаза; б — конструкции ЛИОТ; в — конструкции СИОТ

Отличительной их особенностью являются наклонный входной патрубок, сравнительно короткие цилиндрическая часть и выхлопная труба, а также малый угол раскрытия конической части (рис. 10). Наклон входного патрубка и винтообразная верхняя крышка способствуют направлению вращающегося газового потока вниз, что снижает гидравлическое сопротивление циклона. На выхлопной трубе циклона иногда устанавливают улитку, раскручивающую вращающийся газовый поток.

Под циклоном устанавливают бункер для сбора уловленной пыли. В конической части циклона ни в коем случае не должна скапливаться пыль во избежание взмучивания и вторичного уноса ее в выхлопную трубу.

Существуют три типа цилиндрических циклонов конструкции НИИОгаза основной серии ЦН, различающиеся между собой углом наклона входного патрубка к горизонту:

• ЦН-15 с углом наклона 15°, нормальный и укороченный (ЦН-15у);
• ЦН-11 с углом наклона 11°, с повышенной эффективностью при большем гидравлическом сопротивлении;
• ЦН-24 с углом наклона 24°, с повышенной пропускной способностью при меньшей эффективности и сниженном гидравлическом сопротивлении.

Циклоны ЦН-11 предназначены для отделения от газообразной среды взвешенных частиц сухой пыли, образующейся в различных помольных и дробильных установках, при транспортировании сыпучих материалов, а также летучей золы. Для волокнистой и слипающейся пыли, для очистки газообразной среды, в которой имеются капельно-жидкая фаза или возможна конденсация паров, данные циклоны применять не следует [8].

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2. 1.Исходные данные:

Тип циклона ЦН-11

Vг=39 000 м3/ч – количество очищаемого газа при рабочих условиях;

µг=25 *10-6 Па*с – динамическая вязкость газа при рабочей температуре;

dm=13 мкм – медианный диаметр, при котором масса всех частиц пыли меньше или крупнее составляет 50 %;

δч=0,4 – стандартное отклонение величины от dm;

ρч=2500 кг/м3 – плотность частиц;

ρг=0,5 кг/м3 – плотность газа при рабочих условиях;

Cвх=50 г/м3 – запыленность газа.

2. 2. Расчет циклона ЦН – 11

Конструкцию циклона рассчитываем методом последовательных приближений в последующем порядке.

1. Выбрав тип циклона по таблице  4.3. [11] определяем оптимальную скорость газа в аппарате ωопт.
2. Определяем необходимую площадь сечения циклона (в м2):

F=Vг/ωопт;

Vг=39000 м3/ч = 10,83 м3/с

F=10, 83 / 3,5= 3,09 (м2)

3. Определяем диаметр циклона, задаваясь числом циклонов N=1 (в м):

Dц= √ F/0,785 N= √ 3,09/0,785х1= 1,985 (м). Диаметр циклона округляем до 2,0 м.

4. Вычисляем действительную скорость газа в циклоне:

ω = Vг/0,785 ND2= 10,83 / 0,785*1*22=3,45 (м2/с)

Скорость газа в циклоне не отклоняется более чем на 15% от оптимальной скорости.

5. Определяем коэффициент гидравлического сопротивления циклона или группы циклонов:

ξц=К1К2 * ξ спц500+К3, где ξ спц500 – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм; выбираемый по таблице 4.4 К1 – поправочный коэффициент, зависящий от диаметра циклона (табл. 4.5.); К1=1; К2 – поправочный коэффициент, учитывающий запыленность газа (табл. 4.6.); К2=0,915; К3 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери давления, связанные с компоновкой циклонов в группу (для одиночных циклонов К3= 0) [11] ;

ξ сц500=245

ξц= 1*0,915*245=224,175

6. Определяем потери давления в циклоне (в Па):

∆p=ξц*ρ ω2/2

∆p=224,175* (0,5*3,452/2)=667,06  (Па)

7. Определяем диаметр частиц, улавливаемых на 50%:

d50= d50т√ Dц/ Dцт* ρчт/ ρч*µ/µт* ωт/ ω,

где индекс «т» означает стандартные условия работы циклона.

d50=3, 65 * 10-6 * √1, 98/0,6 * 1930/2500 * 25 * 10-6/22  *10-6 * 3,5/3,45 = 6,2 * 10-6 = 6 (мкм)

8. Определяем параметр х по формуле:

Х= lg(dm/d50)/lg2δη+lg2δч= lg(13/6)/ (0,3522 + 0,42)= 1,20;

9. Определяем функцию распределения Ф(х) по табл. 4.7 и полный коэффициент очистки газа по формуле (в %) [11]:

ηр=50 [1+Ф(х)]= 50[1+0,8849]=94, 2 %

Таблица 1.

Соотношение размеров в долях внутреннего диаметра D и полученные значения для циклона ЦН-11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Под атмосферным воздухом понимают жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов и находящийся за пределами жилых, производственных и других помещений (Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» от 02.04.99 г.). Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окружающей среды. Атмосферный воздух выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного космоса и потока солнечного ультрафиолетового и ионизирующего излучения. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании осадками аэрозолей, турбулентном перемещении приземного слоя воздуха, оседании загрязненных веществ. Но на сегодняшний момент атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие функции из-за различных видов загрязнений. Особое неблагоприятное воздействие оказывают различные газообразные отходы промышленности.

Газообразные выбросы очень неблагоприятно влияют на экологическую обстановку в местах расположения этих промышленных предприятий, а также ухудшают санитарно-гигиенические условия труда.

Газообразные промышленные отходы включают в себя не вступившие в реакции газы (компоненты) исходного сырья; газообразные продукты; отработанный воздух окислительных процессов; сжатый (компрессорный) воздух для транспортировки порошковых материалов, для сушки, нагрева, охлаждения и регенерации катализаторов; для продувки осадков на фильтровальных тканях и других элементах; индивидуальные газы (аммиак, водород, диоксид серы и др.); а также отходы газов, образующиеся при вентиляции рабочих мест и помещений. Кроме этого, все порошковые технологии сопровождаются интенсивным выделением газопылевых отходов. Пылеобразование происходит в процессах измельчения, классификации, смешения, сушки и транспортирования порошковых и гранулированных сыпучих материалов.  Для очистки газообразных и газопылевых выбросов с целью их обезвреживания или извлечения из них дорогих и дефицитных компонентов применяют различное очистное оборудование и соответствующие технологические приемы [12].

В ходе моей работы было установлено, что циклоны являются наиболее эффективными, экономичными и простыми в эксплуатации по сравнению с другими аппаратами для пыли и газоулавливания. Эффективность рассчитанного мной циклона ЦН-11  составила 94 %.