Теоретические основы и технологии

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Методические указания

К выполнению практических работ

 

Братск

Издательство Братского государственного университета

2016

УДК 502.3-027.21

 

 

Камышникова И.В. Теоретические основы и технологии очистки газовых выбросов: методические указания к выполнению практических работ. - Братск: Изд-во БрГУ, 2016. Ч. 1. - 38 с.

 

Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Теоретические основы и технологии очистки газовых выбросов» содержат краткое описание конструкций пылеулавливающих аппаратов, особенностей их эксплуатации, методики расчетов пылеуловителей, примеры расчета аппаратов, рекомендации по использованию и эксплуатации пылеулавливающего оборудования, задачи для самостоятельного решения и справочные данные.

Предназначены для обучающихся всех форм обучения направления подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование» профиль «Экология».

 

 

Рецензент Н.Н. Юшков, канд. мед. наук, заведующий отделом охраны окружающей среды администрации г. Братска

 

 

                                          Отпечатано с оригинала автора

                                                     в издательстве ФГБОУ ВО «БрГУ»

                                                     665709, Братск, ул. Макаренко, 40

                                                     Тираж 50 экз. Заказ

 

                                        © ФГБОУ ВО «БрГУ», 2016

                                       © Камышникова И.В., 2016

Введение

 

Защита воздушной среды от выбросов промышленных предприятий и энергетических объектов является одной из важнейших проблем современного производства.

Проблема защиты атмосферного воздуха от загрязнения решается проведением следующих мероприятий: снижением величины вредных выбросов путем создания безотходных или малоотходных технологических процессов; очисткой технологических газов от вредных веществ; рассеиванием вредных веществ в атмосфере при помощи высоких дымовых труб.

Для формирования у обучающихся навыков в области проектирования, выбора, расчета, эксплуатации пылегазоочистного оборудования и контроля за источниками выбросов промышленных предприятий в учебные планы направления подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование» профиль «Экология» включена дисциплина «Теоретические основы и технологии очистки газовых выбросов».

В соответствии с учебными планами по дисциплине предусмотрено выполнение практических работ.

В методических указаниях по выполнению практических работ содержатся характеристики пылеулавливающих аппаратов, методики расчетов пылеуловителей, примеры расчета аппаратов, рекомендации по использованию и эксплуатации пылеулавливающего оборудования, задачи для самостоятельного решения, справочные данные, необходимые для выполнения расчетов, а также порядок и правила оформления отчета.

Рекомендации к выполнению практических работ

В процессе выполнения практических работ, обучающиеся закрепляют знания, полученные на лекционных занятиях, знакомятся с методиками расчета различных пылеуловителей на конкретных примерах.

При подготовке к выполнению работы обучающемуся необходимо:

– прочитать название работы, изучить теоретические положения (характеристики очистного оборудования, методику расчета оборудования), ознакомиться с примерами расчетов;

– подготовить таблицы для записи исходных данных для проведения расчетов.

Обучающиеся допускаются к выполнению практических работ после проверки преподавателем знаний основных теоретических положений.

Для выполнения практической работы обучающемуся необходимо получить у преподавателя вариант задания.

После выполнения практической работы каждый обучающийся оформляет отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

– титульный лист с номером и названием работы;

– цель работы;

– небольшое теоретическое введение;

– таблицы исходных данных;

– расчеты;

– рисунки (схемы аппаратов);

– выводы.

Отчет по работе выполняется на листах формата А 4 и представляется преподавателю на проверку.

Оценка эффективности газоочистных и пылеулавливающих установок

Цель работы: ознакомление с основными характеристиками работы пылеулавливающего оборудования, изучение формул для пересчета основных характеристик газов, приобретение навыков расчета эффективности очистки газов.

Примеры расчета эффективности очистки газов

Пример 1.1. Найти эффективность улавливания пыли , необходимую для очистки газов до уровня ПДВ, равного                     М = 250 мг/с, при следующих исходных данных: концентрация пыли, замеренная перед пылеуловителем Z _о1 = 5 г/нм³, объемный расход газов перед пылеуловителем = 10000 м³/час, подсос газов в пылеуловителе  2 %, температура газов на входе в пылеуловитель 150 ^оС, температура газов на выходе из пылеуловителя 120 ^оС, барометрическое давление  = 101,325 кПа, разрежение газов перед пылеуловителем  = 200 Па, гидравлическим сопротивление пылеуловителя  можно пренебречь.

Решение:

1. Объемный расход газов на входе в пылеуловитель при нормальных условиях

,

= 1,789 м³/с.

2. Объемный расход газов на выходе из пылеуловителя при нормальных условиях

,

= 1,825 м³/с.

3. Требуемая концентрация пыли на выходе из пылеуловителя при нормальных условиях

,

 = 0,137 г/нм³.

4. Требуемая эффективность пылеулавливания составляет

,

 = 0,972  или =97,2 %.

 

Пример 1.2. Определить эффективность очистки газов от полидисперсных частиц пыли двумя последовательно включенными пылеуловителями, имеющими одинаковые фракционные коэффициенты очистки (). Изменением объемного расхода газов, проходящих через аппараты, можно пренебречь. Данные необходимые для расчета приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Данные для расчета эффективности очистки газов

пылеуловителями

 

Размер улавливаемых частиц, d, мкм	менее 1	1-5	5-10	более 10
Массовая доля частиц перед очисткой, Ф¢i, %	10	20	40	30
Фракционный коэффициент очистки,	60	70	80	90

 

Решение:

1. Определим общую эффективность пылеулавливания первого пылеуловителя

h _о1 =  +  +  + ,

h _о1 =  +  +  +  = 79 %.

2. Определим изменение фракционного состава пыли на выходе из первого пылеуловителя Ф¢¢_i по формуле

Ф ¢¢ _i = Ф ¢ _i ,

– для частиц менее 1 мкм       Ф ¢¢ ₁ = 10 = 19,05 %;

– для частиц 1-5 мкм                   Ф ¢¢ ₂ = 20 = 28,57 %;

– для частиц 5-10 мкм            Ф ¢¢ ₃ = 40 = 38,10 %;

– для частиц крупнее 10 мкм Ф ¢¢ ₄ = 30 = 14,28 %.

3. Определим общую эффективность пылеулавливания второго пылеуловителя

h _о2 =  +  +  + ,

h _о2 = + + + = 74,76 %.

4. Определим общую эффективность двух последовательно включенных пылеуловителей

h _о = 1 – (1- h _о1)(1- h _о2),

h _о = 1 – (1- 0,79)(1- 0,7476) = 0,947 или h _о = 94,7 %.

 

1.4. Индивидуальные расчетно-практические задания

Руководствуясь расчетными формулами разделов 1.1 и 1.2 и используя исходные данные, представленные в табл. П.1, П.3 необходимо решить индивидуальные расчетно-практические задания 1.1-1.3.

Задание 1.1. Определить, как изменится дисперсный состав пыли после очистки в пылеуловителе, имеющем следующие фракционные КПД: Ф₁= 70 % (для частиц менее 1 мкм), Ф₂=72 % (для частиц 1-5 мкм), Ф₃=75 % (для частиц 5-10 мкм), Ф₄=78 % (для частиц 10-20 мкм), Ф₅= 87 % (для частиц более 20 мкм).

Дисперсный состав пыли перед пылеуловителем принять из табл. П.1 для своего варианта (номер варианта задает преподаватель).

Задание 1.2. Определить с какой эффективностью h работает пылеуловитель, если концентрация пыли, замеренная на входе в него и выходе при рабочих условиях составила соответственно z ¢ = 5,5 г/м³ и z ² = 305 мг/м³? При расчете считать, что температура газов не изменяется, гидравлическое сопротивление пылеуловителя составляет D р = 2000 Па, подсос воздуха в пылеуловитель достигает 4 %.

Недостающие данные для расчета принять из табл. П.3.

Задание 1.3. Пылеуловитель очищает запыленные газы с эффективностью, равной h = 78 %. На сколько нужно увеличить эффективность пылеулавливающего аппарата, чтобы концентрация загрязняющего вещества на выходе из пылеуловителя не изменилась, если концентрация загрязняющего вещества перед очисткой увеличилась соответственно в 2 – 3 – 4 – 5 раз? Изменением гидравлического сопротивления газоочистного аппарата можно пренебречь.

Концентрацию пыли на входе в пылеуловитель принять из табл. П.3.

 

РАСЧЕТ и выбор ЦИКЛОНОВ

 

Цель работы: ознакомление обучающихся с основами процесса очистки газов от примесей в циклонах, освоение методики расчета циклонов и приобретение навыков расчета циклонных аппаратов.

Методика расчета циклонов

Расчет циклонов по теоретическим формулам ввиду сложности процессов практически невозможен. Поэтому для расчетов пользуются эмпирическими зависимостями.

Пример расчета циклонов

Задание. Выбрать циклон типа ЦН-15, определить его гидравлическое сопротивление D p и эффективность h при следующих исходных данных: расход газа при нормальных условиях                    V _о = 4100 м³/ч; плотность газа r _о = 1,29 кг/м³, температура газа   Т =110 ^оС, коэффициент динамической вязкости m _г =24,8×10^-6 Па×с, барометрическое давление Р_бар = 101,3 кПа, разрежение в циклоне р_г = 30 Па, начальная концентрация пыли в газе z ₁ = 50 г/м³, характеристики дисперсного состава пыли d_m =10 мкм, коэффициент полидисперсности пыли lg s _п = 0,7, плотность частиц пыли                  r _п = 3000кг/м³ . Циклон работает в сети без раскручивателя.

Решение:

1. Плотность газа при рабочих условиях

r _г = ;

r _г кг/м³.

2. Расход газа при рабочих условиях

V_г = ;

V_г  = = 1,6 м³/с.

3. Диаметр циклона при оптимальной скорости w _опт = 3,5 м/с

D = ;

D =  = 0,763 м.

Примем ближайшее стандартное значение диаметра            D = 800 мм и найдем действительную скорость газа в циклоне, м/с

w = ;

w_ц = = 3,2 м/с.

Действительная скорость отклоняется от оптимальной:

[(w_опт-w_ц)/ w_опт]∙100 % = [(3,5-3,2)/3,5] 100 % = 8,57 м/с.

Поскольку действительная скорость отличается от оптимальной менее чем на 15 %, остановимся на выбранном диаметре циклона и, исходя из принятых соотношений размеров для данного типа циклонов, можно определить остальные размеры (рис. 2.2).

 

Рис. 2.2. Циклон конструкции НИИОгаз (цилиндрический)

4. Коэффициент сопротивления циклона

 

x = К₁ · К₂ · x ₅₀₀;

x = 1·0,91·155 = 141,

где значения коэффициентов К₁, К₂ и x ₅₀₀  принимаем в соответствии с данными, приведёнными в таблицах 2.1, 2.2, 2.3: К₁ = 1, К₂ = 0,91, x ₅₀₀ = 155.

5. Гидравлическое сопротивление циклона

D p = ;

D p 660 Па.

6. Размер частиц d₅₀, улавливаемых выбранным циклоном при рабочих условиях с эффективностью 50 %

 

d₅₀ = ;

d₅₀ = 4,5 = 4,61 мкм,

 

где D_Т, r _nТ, m _Т, w _Т - значения параметров, соответствующие условиям, при которых получена величина = 4,5 мкм                 (см. табл. 2.4); D, r _n, m _г, w _г – значения параметров, соответствующие действительным условиям работы циклона.

7. Вспомогательная величина x равна

 

x = ;

x = =0,429.

 

8. Степень очистки газа в циклоне, определяемая исходя из значения аргумента x =0,429 по табл. П.4 составляет

 

h = Ф(x) = 0,6664 или 66,64 %.

Рекомендации по использованию и эксплуатации

Циклонов

В процессе эксплуатации циклонные установки следует подвергать систематическим осмотрам, наружные осмотры необходимо производить несколько раз в смену. Результаты осмотров записывают в журнал начальника смены. Внутренние осмотры выполняют во время остановки основного технологического оборудования. В батарейных циклонах обращают внимание на степень изношенности элементов, наросты пыли на направляющих лопатках, герметичность затворов и питателей.

С повышением крупности частиц и ее плотности эффективность очистки возрастает. Повышение температуры газов, которое обусловливает увеличение их вязкости, а также увеличение диаметра цилиндрической части циклона вызывает снижение эффективности очистки.

С повышением скорости газового потока улучшается улавливание пыли в циклоне. Однако при больших скоростях рост КПД замедляется, а при переходе некоторого предела, зависящего от конструкции циклона и дисперсного состава улавливаемой пыли, начинает даже снижаться. Это вызвано возникновением завихрений, срывающих уже осевшие частицы пыли, и дроблением скоагулированных пылевых агрегатов. Эффективные скорости входа газа в циклон колеблются от 20 до 25 м/с, но не менее 15 м/с.

Поток, поступающий в выхлопную трубу, продолжает интенсивно вращаться. Затухание этого вращательного движения происходит медленно. Для устранения вращательного движения на выходе из циклона и уменьшения гидравлических потерь, иногда применяют специальные устройства, например раскручиватели.

Список рекомендуемой литературы

 

1. Алиев Г.М.-А. Устройство и обслуживание газоочистных и пылеулавливающих установок. М.: Металлургия, 1988. 368 с.

2. Нормирование и снижение загрязнений окружающей среды: учебник для бакалавров: [по естественнонаучным направлениям и специальностям] / М.М. Редина, А.П. Хаустов; Рос. ун-т дружбы народов. М.: Юрайт, 2015. 431 с.

3. Проектирование аппаратов пылегозоочистки: учеб. пособие / М.Г. Зиганшин, А.А. Колесник А.М. Зиганшин. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Лань, 2014. 544 с.

4. Процессы и аппараты защиты окружающей среды: учеб. пособие для вузов / А.Г. Ветошкин. М.: Высшая школа, 2008. 639 с.

5. Очистка газов: Справочное издание / В.С. Швыдский,     М.Г. Ладыгичев. М.: Теплоэнергетик, 2002. 640.

6. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1990. 400 с.

7. Техника и технология защиты воздушной среды: учеб. пособие для вузов / В.В. Юшин, В.М. Попов, П.П. Кукин и др. 2-е изд., доп. М.: Высшая школа, 2008. 399 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение. 3

Рекомендации к выполнению практических работ. 4

1. Оценка эффективности газоочистных и пылеулавливающих установок 5

1.1. Эффективность работы пылеуловителей. 5

1.2. Формулы для пересчета основных характеристик газов применительно к различным условиям 9

1.3. Примеры расчета эффективности очистки газов. 12

1.4. Индивидуальные расчетно-практические задания. 15

2. РАСЧЕТ и выбор ЦИКЛОНОВ 16

2.1. Краткая характеристика циклонов. 16

2.2. Методика расчета циклонов. 19

2.3. Пример расчета циклонов. 23

2.4. Рекомендации по использованию и эксплуатации. 26

циклонов. 26

2.5. Индивидуальные расчетно-практические задания. 28

Список рекомендуемой литературы 29

Приложения. 33

 

 

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Таблица П.2

Газ

Плотность         при 0 ^оС и     давлении       101,3 кПа,        кг/м³

Относи-тельная молеку-лярная масса,             кг/кмоль

Газовая посто-янная,                Дж/

(кг·К)

Вязкость при

0 ^оС и давлении

101,3 кПа

m ₀ ·10⁶, Па·с константа С Азот N ₂ 1,25070 28,02 297 17,00 114 Воздух 1,29300 (28,95) 288 17,50 124 Водород H₂ 0,08985 2,016 4130 8,42 73 Водяной пар H₂О 0,80400 18,02 430 10,00 961 Гелий Hе 0,17850 4,00 2080 18,80 78 Двуокись азота NО₂ 46,01000 18,40 180 - - Двуокись серы SО₂ 2,92700 64,07 130 11,70 396 Двуокись углерода СО₂ 1,97600 44,01 189 13,70 254 Кислород О₂ 1,42895 32 260 20,30 131 Метан СH₄ 0,71700 16,04 519 10,30 162,58 Окись углерода СО 1,25000 28,01 297 16,60 100 Сероводород H ₂S 1,53900 34,08 244 11,60 - Хлор Сl₂ 3,21700 70,19 117 12,90 (16 ^оС) 351

 

Приложение 3

Таблица П.3

Исходные данные для расчетов

Номер варианта	Плотность газа, r, кг/м3	Вязкость газа, m, Па×с×106	Температура газа, Тг, оС	Барометри- ческое давление, Рбар, кПа	Избыточное давление (разрежение) перед аппаратом, Рг, Па	Начальная запыленность газа, z¢, г/м3	Плотность частиц пыли, rп, т/м3	Средне-медиан-ный диамер частиц пыли, dm, мкм	Средне-квадра-тичное откло-нение размеров частиц пыли, sч
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1,27	16,5	140	98	-300	10	5,7	10	0,30
2	1,28	17,0	150	99	-260	20	5,4	15	0,35
3	1,29	17,5	160	100	-220	30	5,1	20	0,40
4	1,30	18,0	170	101	-180	40	4,8	25	0,45
5	1,31	18,5	180	102	-140	50	4,5	30	0,50
6	1,32	19,0	190	103	-100	60	4,2	35	0,55
7	1,27	16,5	200	98	2400	7	5,5	1	0,60
8	1,28	17,0	210	99	-360	8	5,0	2	0,55
9	1,29	17,5	220	100	-320	9	4,5	3	0,50
10	1,30	18,0	230	101	-280	10	4,0	4	0,45
11	1,31	16,0	185	102	-240	11	3,5	5	0,40
12	1,32	16,5	180	103	-200	12	3,0	6	0,35
13	1,27	17,0	100	98	-200	120	3,0	-	-
14	1,28	17,5	300	99	2×105	20	3,5	-	-
15	1,29	18,0	200	100	-300	12	4,0	-	-
16	1,30	18,5	250	101	-320	6	4,5	-	-
17	1,31	19,0	300	102	-360	4	5,0	-	-
18	1,32	19,5	350	103	-400	2	5,5	-	-
19	1,32	19,5	180	98	-820	12	3,0	1	0,30
20	1,31	19,0	170	99	-860	10	3,5	2	0,35
21	1,30	18,5	160	100	-900	8	4,0	3	0,40
22	1,29	18,0	150	101	-940	6	4,5	4	0,45

 

Окончание приложения 3

Окончание табл. П.3

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
23	1,28	17,5	40	102	1,6×105	4	5,0	10	0,50
24	1,27	17,0	60	103	1,4×105	2	5,5	15	0,55

 

Приложение 4

Таблица П.4

 

Окончание приложения 4

Окончание таблицы П.4

1	2	3	4	5	6	7	8
-1,28 -1,26 -1,24 -1,22 -1,20 -1,18 -1,16 -1,14 -1,12 -1,10 -1,08	0,1003 0,1038 0,1075 0,1112 0,1151 0,1190 0,1230 0,1271 0,1314 0,1357 0,1401	-0,20 -0,18 -0,16 -0,14 -0,12 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00	0,4207 0,4286 0,4364 0,4443 0,4522 0,4602 0,4681 0,4761 0,4840 0,4920 0,5000	0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08	0,8106 0,8159 0,8212 0,8264 0,8315 0,8365 0,8413 0,8461 0,8508 0,8554 0,8559	1,96 1,9 8 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70	0,9750 0,9761 0,9772 0,9821 0,9861 0,9893 0,9918 0,9938 0,9953 0,9965

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Методические указания