Выбор циклонов для промышленной очистки газов

Большое разнообразие конструкций циклонов, приведенных в справочной литературе, затрудняет выбор типа циклона для промышленного использования [18]. В связи с этим в СФ НИИОГАЗ на протяжении ряда лет проводились работы по исследованию различных типов циклонов с целью выдачи рекомендаций по их применению [19].
На основании выполненных работ рекомендуются следующие типы циклонов.
Циклоны с винтовым входом газа - ЦH-15, ЦН-24. Эти циклоны имеют относительно высокую производительность при небольших габаритах. Применяются для грубой очистки газа от пыли с размером частиц более 20 мкм.
Циклоны со спиральным входом газа СЦН-40 относятся к высокоэффективным циклонам. Используются для тонкой очистки газа с размером частиц более 10 мкм. Циклон с обратным конусом - ВЦНИИОТ по эффективности соответствует циклону ЦН-24. Применяется для улавливания волокнистых пылей в легкой и полиграфической промышленности. Циклон CЦH-50 со спиральным входом рекомендуется для улавливания абразивных пылей. Срок службы этого циклона увеличен в несколько раз по сравнению с циклоном ЦН-15, в условиях равной степени очистки и сопротивления.
Аэродинамические схемы рекомендованных циклонов показаны на рис.2.44.и рис.2.45.

Замена одного типа циклона на другой, для условий сохранения сопротивлений газового тракта одинаковыми, производится за счет изменения диаметра циклона [20].
Диаметр нового циклона (Д₂), в этом случае, определяется из формулы:
(2.24)

где: Д_{1_-} диаметр существующего циклона,
z _n1,z _n2 - коэффициенты сопротивления, отнесенные к плану известного циклона и нового.

Скорость запыленного потока на входе в циклон должна быть не ниже транспортной скорости, несушей частицы пыли. При снижении этой скорости возникают отложения пыли на стенках газохода и во входном патрубке циклона.
В таблице представлены аэродинамические параметры рекомендованных циклонов при равной скорости на входе - 18 м/сек

Скорость в плане циклона (расчетная), м/с:
ЦН-15 - 2,5-3,5; СЦН-40 - 1,3-1,9; ЦН-24 - 3,5- 4,5.
Из рассмотрения таблицы следует - при равной скорости на входе наименьшее сопротивление имеет циклон СЦН-40, наибольшее - ЦН-24, ВЦНИИОТ.
Гидравлическое сопротивление находится по известной зависимости
Па (2.19)
где: z _вх,z _пл - коэффициент сопротивления, отнесенный ко входу, к сечению корпуса циклона
V_вх, V_пл - скорость на входе в циклон, скорость в плане циклона, м/сек>
r - плотность газового потопа, кг/м³
Расчет эффективности улавливания циклонами производится по данным фракционного коэффициента очистки. Его значение определяется экспериментальным путем, в результате испытаний моделей циклонов на кварцевой пыли с разной тониной помола в стендовых условиях. Характеристика фракционной степени очистки показывает, с какой эффективностью улавливаются отдельные фракции пыли в данном типе циклона (рис. 2.46)

Для расчета степени очистки реального циклона необходимо иметь данные по дисперсному составу пыли, плотности пыли, вязкости газа, скорости потока в реальном циклоне, а также размеры диаметра циклона. Пересчет степени очистки с модели циклона на реальный циклон производится с использованием среднего размера частиц пыли d₅₀, который для реального циклона находится по формуле:
(2.25)
где: d_50- средний размер частиц пыли модели циклона
r_тн, r_т - плотность частицы пыли модели циклона и реальной пыли промышленного циклона
V_м, V - скорость в циклоне модели и реальная в промышленном циклоне
m, m_м - вязкость газа реальная и при испытании модели циклона

В этой формуле отсутствует диаметр циклона, влияние которого на степень очистки выражается по ранее полученному уравнению (2.21).
Общая степень очистки для моделей циклонов Æ300 мм - СЦН-40, ЦН-15, ЦH-24, ВЦНИИОТ - в зависимости от d₅₀ и s показана в виде графиков, соответственно на рис.2.47, рис.2.48, рис. 2.49.

Последовательность расчета степени очистки:

1. По известному дисперсному составу определяется средний размер частиц пыли d₅₀ и s дисперсия.

2. По формуле (2.25) производится пересчет d₅₀ на реальный газ с учетом другой плотности, вязкости и скорости в циклоне.

3. По графику в зависимости от пересчитанного d₅₀ и s определяется общая степень очистки, которая соответствует циклону Æ 300 мм.

4. Пересчет степени очистки для реального диаметра циклона производится по уравнению (2.21)

В промышленных условиях степень очистки газа в циклоне зависит от запыленности газа. Было установлено - с увеличением запыленности повышается степень очистки, с уменьшением - снижается. Это явление объясняется эффектом коагуляции - укрупнения частиц пыли в вихревом потоке циклона, а также статическим зарядом, образующимся между частицами пыли при трении между собой и о стенки циклона.
На эффект коагуляции влияет форма и плотность частиц пыли. Так, при испытаниях циклона на древесной пыли, образующейся после шлифовки с размером частиц менее 12 микрон, эффективность оказалась выше расчетной в несколько раз, то же самое происходит при улавливании отдельных видов сажи. Гидравлическое сопротивление циклона также зависит от запыленности. С ростом запыленности сопротивление циклона снижается в среднем на 10-20%.
Особенно большое влияние запыленности на снижение сопротивления циклона характерно для циклонов с высокой циркуляцией газового потока.
Так, для циклона СЦН-40 снижение достигает 20%, при запыленностях газа более 8 г/нм³. Для циклонов с винтовым входом снижение сопротивления происходит в меньшей степени - 10%.

Групповые циклоны

Групповые циклоны применяются для очистки газов больших объемов, а также с целью повышения степени очистки.
Высота установки группового циклона, по сравнению с установкой одиночного циклона, при очистке одинакового объема газа снижается в несколько раз. Циклонные элементы в групповом циклоне соединяются параллельно, используются с винтовым, спиральным входом газа, а также прямоточного типа.
Групповые циклоны имеют подводящий коллектор, через который запыленный газ распределяется по отдельности в каждый циклон.
На выходе очищенный газ собирается в общий сборник циклонов, последний выполняется в виде камеры прямоугольной или круглой формы, а также может иметь вид улиток, которые затем соединяются с общим газоходом, использование улиток вместо камер сокращает высоту установки группового циклона.
Групповой циклон имеет общий бункер для сбора уловленной пыли. В отдельных случаях, по компоновочным соображениям, вместо бункера используется шнек с непрерывной выгрузной пыли или система пневмотранспорта. При наличии системы пневмотранспорта на циклонах устанавливаются шлюзовые затворы, которые. выгружают уловленную пыль в трубопровод системы пневмотранспорта.
Наиболее распространенные типы компоновок групповых циклонов СЦН-40 были испытаны в стендовых условиях на кварцевой пыли d₅₀ = 15 мкм, запыленность - 5 г/м³.
Диаметр циклонных элементов - 300 мм, количество элементов в группах - 6 шт. и 4 шт., скорость в плане циклонного элемента-1,75 м/сек.
Схемы компоновки групповых циклонов СЦН-40-ЗООх6 и СЦН-40-300х4 показаны на рис. 2.50, 2.51, 2.52.

Испытанию подлежали следующие компоновки: Прямоугольная - с коллектором грязного газа, расположенного между циклонами с общим бункером. То же с коллектором грязного газа, расположенным сбоку циклонов. Прямоугольная компоновка с индивидуальными бункерами на каждом циклоне. Прямоугольная v-образная с коллектором грязного газа, расположенным между циклонами и выгрузкой пыли с помощью шнека. Бункер отсутствовал. Круговая компоновка из 4-х циклонов с нижним подводом грязного газа. То же с верхним подводом грязного газа. VII..Одиночный циклон СЦН-40 Æ 300 мм с бункером. Характеристики групповых циклонов, полученные при испытаниях, сравнивались с аналогичными характеристиками одиночного циклона СЦН-40 Æ 300 мм. Основная цель испытаний - определение величины снижения степени очистки и повышения сопротивления группового циклона по сравнению с одиночным циклоном. Кроме этого, изучалось распределение пыли и газа по циклонам, находящимся в группе, а также влияние расположения группового циклона на его характеристики при работе под разрежением и нагнетанием.

Сводная таблица результатов испытаний группового циклона для различных вариантов компоновок:

Анализ результатов испытаний показывает, что компоновка циклона СЦН-40 в группу не снижает степень очистки. Исключением, является компоновка по варианту IV, в которой выгрузка пыли из циклонов производится шнеком, бункерная часть циклонов отсутствует. При испытании этой компоновки под нагнетанием степень очистки повышается с 92% до 94,7%. В этом случае, подсосы постороннего воздуха через шнек и шлюзовой затвор снижаются в несколько раз. В остальных вариантах компоновок при испытании под нагнетанием наблюдалось незначительное снижение степени очистки с 96,5% до 95,9% и с 96,2% до 95,8%. Снижение степени очистки в этом случае объясняется диспергацией пыли лопатками вентилятора, через который проходил пылевоздушный поток.
Коэффициент сопротивления групповой компоновки циклонов, по сравнению с одиночным циклоном, повышается в среднем на 20-25%.
Увеличение сопротивления группового циклона происходит в основном за счет дополнительного сопротивления раздающего коллектора. Наибольший коэффициент гидравлического сопротивления имеет круговая компоновка из 4-х циклонов с нижним и верхним подводом газа.
Распределения потоков по циклонам было равномерным, однако распределение пыли по циклонам имело большой разброс. Наиболее нагруженные по пыли являлись задние ряды циклонов по ходу движения газа. В эти циклоны поступало в 2-3 раза больше пыли, чем в первые ряды.
Неодинаковое распределение пыли по циклонам характерна для группового циклона, работающего под разрежением, при работе под нагнетанием распределение пыли по циклонам становилось более равномерным. Это явление объясняется более высокой турбулизацией пылегазового потока, создаваемого лопатками рабочего колеса вентилятора. В этом случае пыль более равномерно распределялась по сечению раздающего коллектора.
В заключении были проведены испытания группового циклона, вариант IV, с выгрузкой пыли пневмотранспортом. При этой компоновке полость шнека использовалась в качестве газохода, через который производился отсос уловленной пыли вместе с небольшим количеством воздуха. Отсос производился с помощью отдельного вентилятора через выносной циклон СЦН-40 Æ 300 мм с бункером. Уловленная пыль собиралась в бункере. После циклона очищенный воздух нагнетался обратно на вход в групповой циклон. Результаты испытаний приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, при наличии отсоса - 31,5%, степень очистки группового циклона повышается до уровня степени очистки одиночного циклона - 96,5%. При этом, количество очищаемого газа соответственно снижается на количество отсасываемого газа, т.е. с 2620 м³ /час до 1800 м³ /час при наличии рециркуляции. Без рециркуляции с отводом очищенного газа из выносного циклона в газоход после группового циклона, количество очищаемого газа при 30% отсосе увеличивается - 2620 + 751 = 3371 м³/час.

Выводы. Компоновка циклонов СЦН-40 в группы, кроме IV варианта, не снижает степень очистки по сравнению с одиночным циклоном, коэффициент очистки остается одинаковым.
Коэффициент гидравлического сопротивления группового циклона увеличивается. Он определяется зависимостью:
(2.26)
где: к - коэффициент, для прямоугольной компоновки - 1,20-1,25 для круговой - 1,45
z ₀- коэффициент сопротивления одиночного циклона.

Количество циклонов СЦН-40, объединяющих в группы для очистки больших объемов газа, может достигать 12 штук и более. Диаметр циклона - до 2-х метров.