Технологические расчеты по курсу: «Очистка газов и сточных вод металлургических производств» (стр. 1 )

Министерство образования и науки рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Северо-КавказскиЙ горно-металлургический институт

(государственный технологический университет)»

Кафедра «Металлургия цветных металлов»

Технологические расчеты по курсу:

«Очистка газов и сточных вод металлургических производств»

Методические указания к практическим расчетам

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки

150400.62 «Металлургия»

профиль «Металлургия цветных металлов»

Составители:

, .

Владикавказ 2011 г.

Введение

В настоящее время исключительно большое внимание уделяется вопросам пылеулавливания и очистки газов как для комплексного использования ценных компонентов сырья цветной металлургии, так и для сохранения окружающей среды. Известно, что практически в стадии технологических процессов на современных предприятиях цветной металлургии сопровождается образованием пыли, уносимой технологическими и вентиляционными газами. В этих газах виде примесей присутствует оксиды серы, хлористый водород, фтор и другие составляющие перерабатываемого сырья. Количество образующейся пыли зависит от металлургического процесса, конструкций агрегатов, физико-химических характеристик компонентов шихты и многих других факторов. Особенно много пыли образуется в процессах обжига и плавки концентратов в кипящем слое и взвешенном состоянии, возгоночном процессах и т. д. Поэтому весьма важным условием для полного и комплексного использования ценных компонентов перерабатываемого сырья является хорошо организованное пылеулавливание. Так, например, при вельцевании с газами в виде пыли, уносятся практически все извлекаемые металлы (цинк, свинец, кадмий, индий, германий и др.). Следует помнить, что экономическое значение пылеулавливания заключается не только в использовании ценных компонентов пыли и газовых примесей, а в большей степени в предотвращении ущерба здоровью людей, живой природе, сельскому хозяйству и животному миру.

Другим, не менее значимым, является вопрос очистки сточных вод. Наиболее опасны, для природных водоемов, сточные воды предприятий химической, нефтехимической, металлургической, горно-перерабатывающей и других отраслей. Сточные воды этих предприятий характеризуются сложным и переменчивым составом, высокой токсичностью и преимущественным содержанием растворенных веществ. Поэтому биологические методы не всегда обеспечивают достаточную очистку. В связи с этим, наряду с биологическими, активно используются химические и физико-химические методы, некоторые из которых приведены авторами в настоящем учебно-методическом пособии.

1.Основные способы пылеулавливания газоочистки, их физико-химические основы.

Используемые в настоящее время пылеулавливающие устройства обеспечивают необходимую полноту улавливания пыли из технологических и вентиляционных газов. Однако, вследствие многообразия свойств очищаемых газов, предприятия вынуждены применять пылеуловители различных конструкций. В связи с этим пыли содержащиеся в технологически и прочих газах, по способу образования и физико-химических характеристик, могут быть разделены на 2 основные группы: механические и возгоны. Частицы механической пыли сравнительно крупные (от нескольких микрон до нескольких десятков микрон), а по химическому и вещественному составу близка к исходному материалу – шихте. Частицы же возгонов высокодисперсны, размерами в доли микрона, и по составу эта пыль может значительно отличаться от исходного материала. Подобная пыль богата летучими минералами. Улавливание твердых и жидких частиц из запыленного газового потока заключается в том, что частицы либо непосредственно выводятся из него (пылевые камеры и циклоны), либо осаждаются на различных поверхностях и телах (тканевые фильтры, электрофильтры, мокрые пылеуловители и т. д.) и тем самым, сепарируются (отделяются) от газового потока. Основные физические принципы сепарации частиц из пылегазового потока, следующие:

1. Выделение под воздействием сил гравитации, равной = m g (пылевые камеры и газоходы), где:

m – масса частицы, кг

g – ускорение силы тяжести, м.

2. Выделение под воздействием центробежной силы, возникающей при вращении газового потока (циклоны):

где V – скорость газового потока, м/с.

R – радиус циклона, м.

3. Столкновение частицы с осаждающим телом под воздействием сил инерции (инерционный удар).

Для сферических частиц пыли, интенсивность инерционного удара является функцией критерия Стокса:

где d - диаметр частицы, м

- скорость частицы относительно тела осаждения, м/с

- плотность вещества частицы, кг/м3

- динамическая вязкость газа, Нс/м2

- диаметр тела осаждения, м.

Этот вид осаждения характерен для тканевых фильтров (столкновение частицы с волокнами) и скрубберов (столкновение частиц с каплями).

4. Прямое осаждение, когда частица пыли проходит вдоль тела осаждения на расстоянии меньшем радиуса частицы и, таким образом сталкивается с ним.

Этот вид осаждения играет существенную роль в тканевых фильтрах.

5. Осаждение частиц на поверхности тел под воздействием диффузии при прохождении газового потока вдоль этих тел – броуновской (тепловое движение частиц) и турбулентной (при значительной турбулизации потока). Такой механизм осаждения используется в тканевых фильтрах (осаждение частиц на волокнах под воздействием броуновской диффузии) и в турбулентных скоростных промывателях (осаждение частиц пыли под воздействием турбулентной диффузии).

6. Электростатическое выделение пыли из потока под воздействием электрического поля на одноименно (отрицательно) заряженные частицы. Этот способ достигается созданием электрического поля коронирующими электродами, к которым подводят ток отрицательной полярности и высокого потенциала (40-60 кВ)

7. Выделение при прохождении частиц пыли вблизи нагретого тела, при этом частицы осаждаются на более холодных поверхностях окружающих нагретое тело (эффект термопреципитации).

Следует отметить, что частицы пыли могут выделяться из потока и под действием комплекса сил, обусловленных различными физическими явлениями.

Что же касается газообразных компонентов, то обычными методами их сепарации являются абсорбция (с прохождением химических реакций или без них), адсорбция и сжигание.

Процесс абсорбции заключается в поглощении газообразных компонентов при промывке их жидкостями – поглотительными растворами (водой или водными растворами). Этот процесс проводят в аппаратах с развитой поверхностью контакта между газами и жидкостью.

При адсорбции используется явление поглощения поверхностью твердых тел газов и паров. Известно, что силы, связывающие в одно целое молекулы твердого тела, не заканчивают свое действие на поверхности тела, а распространяются вне его, притягивая ближайшие молекулы газа, обладающие в свою очередь силовым полем. Степень адсорбции пропорциональна поверхности твердого тела. Поэтому в качестве адсорбентов применят зернистые материалы с большим числом микропор – активированный уголь, полукокс и другие, обладающие развитой поверхностью. После насыщения материал адсорбента обычно регенерируют.

Метод удаления токсичных газообразных компонентов сжиганием, основан на преобразовании этих соединений в относительно безвредные продукты – диоксид углерода, водяной пар и др. Установлено, что при правильном выборе соотношении газ – воздух процесс горения является автогенным, то есть идущим без дополнительной подачи тепла. При низкой концентрации в очищаемых газах подлежащих сжиганию компонентов, воздух и газы смешиваются в специальной камере, в которую встроена горелка для повышения температуры и поддержания ее на уровне автогенного процесса сжиганием дополнительного топлива. При крайне малой же концентрации удаляемых компонентов и для осуществления горения при пониженных температурах используют каталитическое сжигание, пропуская газы через слой катализатора.

2.Классификация и виды пылеуловителей

2.1. Классификация пылеуловителей.

Наиболее простыми по конструктивному использованию являются пылевые камеры и газоходы, работа которых основана на использовании сил гравитации. В указанных устройствах пылевые частицы под действием гравитационных сил движутся ко дну аппарата или газохода и выпадают из общего потока. На пылевые частицы кроме указанных сил действуют сила движущегося газового потока и сопротивление газовой среды. Пылевые камеры целесообразно применять только для улавливания крупнодисперсных пылевых частиц.

Аппаратами, работа которых основана на использовании центробежной силы, являются циклоны, жалюзийные и инерционные пылеуловители. В указанных устройствах при криволинейном движении на частицы, помимо сил тяжести и газового потока, действует сила инерции. Под влиянием этой силы частицы выбрасываются из газового потока, что и используется в циклонах, жалюзийных пылеуловителях и др. Эти аппараты применяются для разделения частиц размерами более 10мкм.

К мокрым пылеуловителям относятся скрубберы, пенные аппараты и скоростные (турбулентные) уловители. При соприкосновении частиц с каплями или другой поверхностью жидкости пылевые частицы смачиваются и тонут, в результате чего улавливаются. Опыт показывает, что в этом способе в основном газы очищаются от крупной (более 3-5мкм) фракции. В турбулентных пылеуловителях движущийся с большой скоростью газовый поток дробит жидкость на мелкие капли, что увеличивает вероятность их столкновения с пылевыми частицами и тем самым достаточно полно улавливаются (даже возгоны).

Широкое применение для улавливания мелкодисперсных пылевых частиц находят электрофильтры. Эффективность пылеулавливания этих установок достигает 99%. В электрофильтрах успешно очищают газы, нагретые до 450-500 0С, содержащие агрессивные компоненты.

В тканевых фильтрах запыленный газ пропускают через специальную фильтроткань и частицы пыли под действием инерционного удара, диффузии и других механизмов осаждения задерживаются на ее волокнах. При малых скоростях фильтрации эффективность очистки доходит до 99%.

Эффективность работы большинства пылеуловителей в той или иной степени уменьшается с ростом дисперсности пыли. В связи с этим появились устройства для коагуляции пылевых частиц при конденсации на них жидкости или под действием большой турбулизации газового потока. Коагуляция может происходить и под действием высокочастотных звуковых колебаний. При воздействии таких колебаний повышается число соударений частиц, вследствие чего они укрупняются и выпадают из газового потока.

2.2 Пылевые камеры и газоходы.

В указанных устройствах пылевые частицы (в основном крупных фракций) осаждаются под действием сил гравитации. В пылевых камерах газовый поток движется в горизонтальном направлении со скоростью не более 1-2 м/с. ламинарно

(см. рис 1).

Газ газ

Бункера для пыли

Рис 1.Схема пылевой камеры

Для изготовления пылевых камер используют кирпич или бетон. Рассмотрим движение пылевых частиц в такой камере. Частицы пыли размерами 2-50 мкм, падение которых подчиняется закону Стокса, движутся вниз со скоростью витания:

= ;м/с. 2.1

Таким образом, частица под действием силы тяжести и сопротивления газа падает со скоростью , но в тоже время движется в камере со скоростью газового потока . Поэтому частица должна достичь дна камеры раньше, чем поток ее вынесет. При высоте камеры А частица, находящаяся в верхней части потока, будет падать в течение времени:

t = а / ; сек. 2.2

В тоже время при длине камеры L и горизонтальной скорости газа длительность пребывания газа в камере составит L/. Т. е. частица, находящаяся в верхней части потока будет осаждена, если время ее падения не превысит временны пребывания газа в камере, т. е.

а / = L/ 2.3

Средняя скорость газовой смеси в камере определится из формулы:

; 2.4

где а - высота камеры, м

b – ширина камеры, м

V – объем газа проходящего через камеру, м3/час.

Подставив значение 2.4 в 2.3, получим:

а / = или

=V ∕ (ωп*3600); м/с

2.5

Т. к. равно площади камеры и обозначив его через S, получим:

S ; 2.6

Приравнивания силы сопротивления среды и тяжести пылевых частиц, а также значение из выражения 2.6 , определим диаметр частиц выпавших из потока, даже если они находятся в самом верху потока:

d = ; м 2.7

где μ – динамическая вязкость газового потока,

- плотность частицы:

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Из слоев газа, находящихся ближе ко дну камеры, выпадут и более мелкие частицы, размеры которых можно определить по формуле:

d = ; м 2.8

где h – расстояние от дна камеры до частиц в момент входа газового потока в камеру.

Т. о. из 2.7 следует, что для более полного улавливания пыли в камере необходимо увеличить площадь дна пылевой камеры. Приближенный расчет камер сводится таким образом к определению площади дна осаждения по заданному размеру пылевых частиц подлежащих выделению из газового потока. Для этого находят скорость осаждения частиц по формуле:

Wп = (d²*g / 18μ) * (ρт –ρср ); м/с 2.9

где ρ - плотность среды, кг/м3

Зная объем газов поступающих в камеру за час времени, из формулы 2.7 определяется площадь дна. Высоту и ширину камер рекомендуется принимать одинаковыми. Пример расчета пылевой камеры см. в приложениях!

2.3 Принцип действия и расчет циклонов

Одним из наиболее распространенных типов пылеуловителей являются циклоны. В наиболее совершенных конструкциях можно достаточно полно улавливать пылевые частицы размерами от 5 мкм и больше. Принцип улавливания основана использовании центробежной силы. Запыленный поток вводится в верхнюю часть корпуса циклона, представляющего собой цилиндр заканчивающийся в нижней части конусом. Входной патрубок располагают по касательной к окружности цилиндрической части. Газы выходят из аппарата через круглую трубку расположенную по оси циклона. Газы движутся сверху вниз, образуя в корпусе вращающийся вихрь. При этом развиваются центробежные силы, отбрасывающие частицы пыли к стенкам корпуса циклона. Частицы пыли перемещаются по стенкам вниз, откуда через отводящий патрубок выносятся из циклона. Движение частиц вниз обусловлено не только влиянием силы тяжести, но и тем, что газовый поток у стенок циклона вращается и движется вдоль оси к вершине его конуса (см. рис. 2)

Выход газа

Вход газа

Пыль в бункер

Рис 2. Схема движения запыленного газа в циклоне.

Сложность процессов улавливания пыли не позволяет рассчитывать их конструкции и эффективность эксплуатации только на теоретической основе. В тоже время теоретические положения позволяют выявить влияние теоретических положений на процесс улавливания. При выводе теоретической зависимости движения пылевых частиц в циклоне рассматривают 2 силы:

- центробежную Рц = m/R ; 2.10

- сопротивления среды Р = 3π ; 2.11

Где скорость потока равная скорости пылегазового потока в циклоне в тангециальном направлении, м/с

- скорость частиц по направлению от центра вращения к наружней стенке циклона, м/с

R – Расстояние от центра вращения потока (оси циклона) до частицы, м

m – масса шаровой частицы (π d3ρ/6)

ρ - плотность частицы, кг/м3

μ –вязкость газов, Н*с/м2.

При входе в циклон скорость =0, но по мере продвижения газового потока возрастает и через сотые доли секунды становится настолько большой, что силы

Рц и Р уравниваются т. е. m/R= 3π , и дальнейшее радиальное направление будет проходить по инерции со скоростью :

m/R *3π*d*μ = ; 2.12

Наиболее длинный путь в радиальном направлении пройдет та час тица которая при входе в циклон находилась около внутренней ( выходной ) трубы. Время, Которое требуется для того, что бы частица успела его пройти, составляет:

τ = ; 2.13

где R1 – радиус выходной трубы циклона, м

R2 – радиус цилиндрической части циклона, м

Следует отметить, что в выражении 2.10 величина R является переменной, и в среднем ее можно принять равной /2. Подставив в 2.13 значение из 2.12 , найдем:

τ = 18 * *μ / 2ω2*d2*ρ = 9 μ (R22-R12) / 2ω2*d2*ρ ; 2.14