Очистка газа в циклонах одиночного, группового и батарейного исполнения

Циклонные пылеуловители являются наиболее распространенным видом газоочистного оборудования, применяемого в производствах.
Широкое использование циклонов объясняется простотой их конструкции, надежностью в эксплуатации, сравнительно небольшими материальными затратами на изготовление и эксплуатацию.
Циклоны можно использовать для очистки газа при высоких температурах и давлениях. Они не имеют движущихся частей, что повышает надежность в эксплуатации.
Принцип работы циклона основан на создании вращательного движения запыленного газа, в котором возникают центробежные силы, действующие на частицы пыли по направлению к стенкам циклона.
Величина центробежной силы измеряется в ньютонах и определяется формулой:
кг м/сек² (2.15)
где: m – масса частицы, кг
V_ц – скорость вращения запыленного потока, м/сек
R – радиус вращения, м
Осаждение пыли в центробежном поле циклона происходит в сотни раз эффективнее по сравнению с гравитационным полем, обусловленным земным ускорением силы тяжести.
Известную зависимость осаждения частиц в гравитационном поле (2.6.) можно использовать для центробежного поля, заменив при этом земное ускорение – g (м/сек²) на центробежное [м/сек²]
Тогда скорость осаждения частиц в центробежном поле будет иметь вид:
м/сек (2.16)
Критический размер улавливаемых частиц находится из выражения:
м (2.17)
где: m - динамическая вязкость газа, Н сек/м²
Q - объем очищаемого газа, м³/сек
R - радиус вращения потока газа, м
S - площадь осаждения, определяется поверхностью корпуса циклона, м²
r _{n -} плотность частицы пыли, кг/м³
V_ц - скорость вращения запыленного газа, принимается равной скорости газа на входе в циклон, м/сек
Из приведенной зависимости следует, что эффективность циклона зависит не только от скорости вращения радиуса циклона, вязкости газовой среды, плотности частицы пыли, а также от отно­шения газовой нагрузки к поверхности циклона
При увеличении поверхности осаждения (поверхность цилиндрической и конической частей циклона)повышается степень очистки циклона, при условии сохранения остальных параметров вихревого потока одинаковыми.
Для подтверждения сказанного на рис.2.25 показаны результаты сравнительных испытаний 2-х известных циклонов ЦH-15 и укороченного циклона ЦН-15У. Высота укороченного циклона уменьшена с 4,4 Д до 3,31 Д. В результате степень очистки газа в циклоне ЦН-15У снизилась при V_пл = 3,5 м/сек с 83% до 79%, а гидравлическое сопротивление повысилось с 950 Н/м² до 1100 Н/м² по сравнению с циклоном ЦН-15.

Существующие положения о том, что с ростом энергозатрат в циклоне должна повышаться степень очистки газа в данном примере не подтверждается. Создание центробежного поля в циклоне происходит за счет ввода запыленного газа по касательной в цилиндрическую часть корпуса циклона и вывода очищенного газа по оси циклона. Изменение скорости вращения идеального газа по сечению циклона происходит по закону сохранения моментов количества движения, т.е. м/с (2.18) где: V,V1 - скорости вращения газа на расстоянии R,R1 от оси циклона, м/сек R,R1 - соответственно расстояние от оси циклона, м С уменьшением плеча закручивания газа R1 повышается окружная скорость вращения газа по гиперболическому закону. В действительности для реального газа, имеющего трение слоев газа между собой, а также трение о стенки циклона, закон сохранения моментов количества движения выражается в виде: (2.19) где: n - показатель степени, определяется конструкцией циклона, находится в пределах 0,15-0,6

На рис.2.26 показаны схемы подвода газа в циклоны наиболее распространенных типов. (12,13)

Варианты подводов (а, б), спиральный и тангенциальный, используются для высокоэффективных циклонов при улавливании мелкой пыли. Варианты (в, г), винтовой и розеточный, применяются для циклонов с высокой удельной производительностью для улавливания грубой пыли с размером частиц более 20 микрон.

С цепью определения направлений совершенствования циклонов, для получения высоких показателей эффективности улавливания, были проведены исследования аэродинамики вихревого потока в циклоне по трем направлениям в пространстве.
Измерения осуществлялись с помощью пятиканального зонда, изготовленного в Ленинградском политехническом институте.
Находились следующие составляющие вихревого потока в циклоне: тангенциальная, радиальная и осевая.
Тангенциальная составляющая скорости является главной скоростью, определяющей величину центробежной силы, действующей на частицу пыли по направлению к стенкам циклона. Под воздействием этой силы происходит сепарация пыли.
Радиальная оставляющая скорости направлена по радиусу к вых­лопной трубе циклона. Эта скорость выносит частицы пыли из циклона, снижая эффективность очистки.
С уменьшением радиальной скорости (скорость радиального стока) повышается степень очистки циклона.
Осевая составляющая скорости направлена вдоль оси циклона, у стенки циклона - вниз, ближе к оси циклона - вверх.
Эта скорость обеспечивает вывод уловленной пыли со стекол циклона в бункер. Снижение этой скорости повышает вероятность забивания пылью конусов циклона, что приводит к падению степени очистки.

Результаты измерений аэродинамики вихревого потока для двух циклонов с винтовым подводом газа (ЦН-15) и спиральным показаны на рис. 2.27. Из анализа аэродинамики вращающегося потока следует: использование спирального входа газа повышает тангенциальную сос­тавляющую скорость потока и снижает радиальную. Так, при скорости входа потока для обоих циклонов равную 12 м/сек, максимальная тангенциальная скорость Vт- в центральной зоне циклона СЦН-40 повышается в три раза, а в циклоне с винтовым входом только в 1,6 раза. При этом радиальная скорость Vр- для циклона ЦH-15 оказалась в два раза выше. Осевые составляющие скорости в обоих циклонах получились одинаковыми.

На основании этих измерений можно утверждать, что циклоны со спиральным входом имеют более высокую эффективность улавливания, при сохранении одинаковых энергозатрат на очистку. Для подтверждения сказанного, были проведены сравнительные испытания при равных энергозатратах двух циклонов СЦН-40 диаметром 300 мм и циклона ЦН-15 диаметром 178 мм. В обоих циклонах скорости на входе, производительность и сопротивление были одинаковыми. Количество воздуха, проходящего через циклоны, измерялось в пределах 330-480 м /час. Для запыления воздуха использовалась кварцевая пыль с параметрами d₅₀ = 12 мкм, d = 3,6, r_n = 2,6 г/см³, запыленность - 5 г/нм³, температура – 18⁰ C.

Результаты испытаний, показанные на рис.2.28 свидетельствуют, что при равных энергозатратах, характеризуемых одинаковой производительностью и гидравлическим сопротивлением, выносы пыли из циклона со спиральным входом газа диаметром 300 мм оказалась в 2-2,5 раза меньше, чем для циклона ЦН-15, хотя диаметр последнего был значительно меньше - 178 мм.
Таким образом, результаты пылевых испытаний подтвердили правильность выводов аэродинамических исследований - при равных затратах энергии на очистку газа в циклонах пылевые выбросы в атмосферу могут снижаться в несколько раз за счет использования рациональной конструкции циклона.