Odpylanie
Odpylaniem nazywamy usuwanie cząstek stałych ze strumienia zanieczyszczonego gazu. Urządzenia do odpylania gazów możemy podzielić na odpylacze suche, mokre, elektrostatyczne i filtracyjne.
Trzeba dodać, że pył może posiadać różne właściwości i również od nich oraz od rodzaju pyłu może zależeć wybór odpylacza. Odpylacze różnią się też skutecznością. Przyjmuje się, że najniższą skuteczność separacji posiadają odpylacze grawitacyjne, natomiast najwyższą skutecznością charakteryzują się filtry tkaninowe oraz elektrofiltry.
Odpylacze suche możemy podzielić na:
- odpylacze grawitacyjne,
- odpylacze odśrodkowe,
- odpylacze filtracyjne,
- odpylacze elektrostatyczne
Odpylacze grawitacyjne korzystają w procesie odpylania z siły ciążenia, która działa na poruszające się ziarna pyłu. Sposób działania odpylaczy grawitacyjnych opiera się na wytworzeniu takich warunków przepływu gazu, aby ziarna pyłu niesione przez gaz wytrąciły się ze strumienia gazu na skutek działania siły ciążenia a następnie zostają odseparowane. Jest to najprostszy sposób odpylania. Warunkiem zastosowania odpylaczy grawitacyjnych jest odpowiednia, duża masa ziarna pyłu.
Do odpylaczy grawitacyjnych zaliczamy głównie komory osadcze. Są one stosowane zwykle jako odpylacze wstępne. Charakteryzują się one małymi oporami przepływu prostą konstrukcją oraz niestety niską skutecznością separacji cząstek pyłu. Wadą jest też, że urządzenia te separują tylko największe ziarna powyżej 40 μm.
Służą do wstępnego oczyszczania, są najprostszym rodzajem odpylaczy. Do oddzielania cząstek
zanieczyszczeń wykorzystują grawitację. Warunkiem oddzielenia w komorze wszystkich ziaren o
prędkości opadania μ w oczyszczanym gazie większej od prędkości μgr opadania ziaren o
granicznych wymiarach, jest takie dobranie prędkości gazu vg, długości komory l oraz wysokości,
żeby był spełniony warunek:
Warunkiem dobrego odpylania jest laminarny przepływ gazu przez komorę, dlatego vg musi być
mniejsze niż 0,5[m/s], wyjątkowo maksymalnie 1-2[m/s]. Komory osadnicze działają tylko
skutecznie wówczas gdy prędkość opadania ziaren jest większa niż 0,5[m/s] (powyżej 100[μm]).
Urządzenia te służą do wstępnego oczyszczania gazu: z ziaren o prędkości opadania powyżej
0,5[m/s] (prędkość przepływu gazu poniżej 0,5[m/s]). Stosuje się je w wieloetapowych układach
odpylania gazu, np.: w metalurgii żelaza, metali kolorowych, cementowniach, zakładach przeróbki
surowców mineralnych. Ich zaletami są: niskie koszty wykonania, małe opory przepływu (20-
50[Pa]), niewielkie zapotrzebowanie mocy (0,05-0,3[kW/(norm.m3·s)]), możliwość odpylania
gazów gorących bez ich ochładzania. Do ich wad należą: niski stopień skuteczności odpylania, brak
w kraju stałego producenta.
Kolejną grupą odpylaczy suchych są odpylacze odśrodkowe, oparte w swoim działaniu na efekcie działania siły bezwładności w stosunku do ziaren pyłu znajdujących się w ruchu spiralnym. Wadami odpylaczy cyklonowych są: niska prędkość wlotowa gazu do odpylacza (by zaistniały warunki do separacji), stosunkowo niskie skuteczności przedziałowe, zagrożenie wybuchem oraz narażenie urządzenia na erozję.
Zaletami są niewątpliwe wysoka skuteczność odpylania ziaren większych od 5-10 μm, niewielkie straty ciśnienia oraz niewielkie koszty eksploatacyjne.
Do odpylaczy odśrodkowych zaliczamy cyklony i multicyklony. Są one zwykle stosowane odpylania spalin kotłowych, wstępnego odpylania powietrza suchego szlifowania, wstępnej separacji wiórów drzewnych oraz do odkraplania gazów czystych nie zawierających pyłów.
Cyklon (odpylacz cyklonowy) – rodzaj odpylacza; urządzenie wykorzystywane do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu). W cyklonie zanieczyszczony gaz wpada do cylindrycznej komory i wiruje w niej, w wyniku czego unoszące się w gazie cięższe od niego składniki są odrzucane na zewnątrz pod działaniem siły odśrodkowej. W wyniku ocierania się o ścianki cyklonu tracą prędkość (energię kinetyczną) i opadają pod wpływem grawitacji, a czyste powietrze wypływa w górę, przez centralnie umieszczony kanał.
Cyklony są stosowane np. do:
oddzielania przenoszonych pneumatycznie materiałów (np. wiórów i trocin w zakładach drzewnych) od powietrza
odpylania powietrza, pobieranego z otoczenia silników, przewidzianych do pracy w dużym zapyleniu (np. ciągniki rolnicze)
odpylania gazów odlotowych z ciepłowni, elektrociepłowni, hut
Cyklony umożliwiają usuwanie pyłu o wymiarach przekraczających 60 μm.
Skuteczność odpylania w cyklonach jest tym większa, im większa jest prędkość wlotowa, a także im mniejszy promień komory. Odpylanie dużych strumieni gazów, zawierających bardzo małe cząstki pyłu, jest prowadzone w multicyklonach – bateriach cyklonów o małych średnicach, połączonych równolegle (analogia − połączenie równoległe elementów elektrycznych).
Odpylacz suchy można zdefiniować jako odpylacz, który do separacji pyłu ze strumienia gazu wykorzystuje zjawisko oddziaływania sił mechanicznych (siły odśrodkowej, ciężkości, bezwładności, Coriolisa) na poruszające się ciało.
Grawitacyjne- komory
Zapylony gaz który w przewodach instalacji porusza się ze znaczną prędkością (16-25 m/s) zapobiegającą osadzaniu się pyłu, wpływa do dyfuzora, gdzie jego początkowa prędkość zmniejsza się 15-20 krotnie. Wraz ze zmniejszaniem się prędkości gazu i ziaren rośnie wpływ siły ciążenia na ruch ziaren. Poruszają się one torami opadającymi i jeśli ich masa jest dostatecznie duża (ziarno A) to mogą w trakcie przejścia przez komorę osadczą opaść do zasobnika. Przy zbyt małej masie ziaren (ziarno B) lub zbyt dużej prędkości gazu w stosunku do prędkości opadania mogą one mimo zmiany trajektorii przepłynąć przez komorę i zostać poprzez konfuzor uniesione dalej wraz z transportującym je gazem.
Zwiększenie długości komory osadczej zwiększa prawdopodobieństwo opadnięcia ziarna do zasobnika. Jednakże wydłużanie komory doprowadziłoby do zajmowania przez odpylacz zbyt dużej powierzchni.
Skrócenie komory można osiągnąć poprzez wprowadzenie do komory półek (rys. 1.2), zmniejszając tym samym wysokość pionowego przemieszczania się ziaren i zakładając osadzanie się pyłu na półkach.
Zastosowanie komory z poziomymi półkami (Howarda) wiązałoby się jednak z koniecznością okresowego usuwania z półek osiadłego na nich pyłu oraz koniecznością budowy dwóch na przemian czynnych komór, powodując zwiększenie kosztów i zapotrzebowania miejsca.
Trudności te można wyeliminować stosując komorę z pochylonymi półkami (rys 1.3). Warunkiem samooczyszczania się półek jest ich nachylenie do poziomu pod kątem większym niż kąt zsypu pyłu. W komorach tego typu można separować ziarna nawet o wielkości 20-30 µm.
Zalety:
prosta konstrukcja oraz możliwość wykonania komory z różnych materiałów, a tym samym niewielkie ograniczenia stosowania wynikające z temperatury oraz składu chemicznego gazu
bardzo małe opory przepływu i najmniejszy ze wszystkich odpylaczy wskaźnik zapotrzebowania na energię
niewielkie koszty eksploatacji i umiarkowane nakłady inwestycyjne
wydzielanie określonych grup ziarnowych pyłu, dogodne dla jego ewentualnej utylizacji
znikoma erozja (ewentualnych pionowych przegród i półek)
Wady:
duże wymiary (zwłaszcza komór bezpółkowych) i związane z tym zapotrzebowanie miejsca
ograniczone możliwości separacyjne (do ok. 100 µm w komorach bezpółkowych i do ok. 30 µm w komorach z półkami)
Zastosowanie:
Stosuje się je wszędzie tam, gdzie w skład pyłu wchodzą grube frakcje:
przy oczyszczaniu gazów z ogniowych procesów metalurgicznych
w odlewnictwie
do oczyszczania powietrza odciąganego z urządzeń: rozdrabniania, przesiewania, skrawania
Ich zasadniczym zadaniem jest przedłużenie żywotności odpylaczy stanowiących kolejne stopnie instalacji poprzez zapobieganie erozji.
Odpylacze bezwładnościowe
Inercyjne
Zmianę kierunku przepływającego gazu uzyskuje się przez ustawienie na drodze zapylonego gazu łopatek kierujących (żaluzji). Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 2.1. Składa się ono z szeregu współśrodkowych pierścieni w kształcie ściętych stożków o malejących średnicach. Zapylony gaz wchodzi do urządzenia z dużą prędkością (do 30 m/s) i rozdziela się na dwie strugi. Ziarna pyłu wskutek bezwładności, nie zmieniając kierunku swojego ruchu, przesuwają się wzdłuż stożka, z którego górnej części wraz z pewną ilością gazu (5-10% całkowitej ilości gazu) zostają odessane. Pozostała część gazu w dużym stopniu oczyszczona od pyłu wydostaje się przez szczeliny między pierścieniami.
Zalety
stosunkowo małe wymiary
umiarkowane opory przepływu
Wady
narażenie na erozję
rozbudowana instalacja w pewnych rozwiązaniach konstrukcyjnych
Zastosowanie
Odpylacze inercyjne służą najczęściej do oddzielania suchych pyłów ziarnistych o stosunkowo grubym uziarnieniu (ziarna większe od 20-30 µm) i dużych gęstościach. Stosuje się je głównie jako odpylacze wstępne w przypadkach dużego zróżnicowania w składzie ziarnowym pyłu i wysokich stężeniach, zwłaszcza przy niewielkiej ilości miejsca, które może zajmować instalacja odpylająca.
Odpylacze odśrodkowe
Koncentratory odśrodkowe
Zapylony gaz wpływa osiowo do rury zewnętrznej o średnicy d (rys. 3.3.) Tuż za wlotem umieszczona jest nieruchoma kierownica. Gaz opływa rdzeń kierownicy o średnicy do, a przepływając pomiędzy zakrzywionym lub nachylonymi o kąt α łopatkami zostaje zawirowany. W trakcie ruchu spiralnego wywołanego tym zawirowaniem, ziarna pyłu przemieszczają się ku ściankom rury zewnętrznej i wraz z częścią gazu (5-20% jego pierwotnego strumienia) są odprowadzane przez pierścieniową szczelinę i obudowę do dalszego oczyszczania, np. w cyklonie. W końcowej fazie ruchu ziaren przy ściankach rury zewnętrznej może, w wyniku znacznego wzrostu stężenia pyłu, następować częściowa koagulacja pyłu umożliwiająca także grawitacyjne wytrącanie jego części w zasobniku.
Zalety
spora elastyczność (niewielkie zmiany skuteczności z przepustowością)
wysoka skuteczność separacji ziaren większych od 10 µm przy umiarkowanych stratach ciśnienia
zwarta budowa i specyficzne gabaryty; są to urządzenia płaskie o długości nie przekraczającej 1m, co sprzyja stosowaniu ich tam, gdzie brak miejsca, np. podczas modernizacji istniejących obiektów czy wyposażaniu istniejących instalacji odpylających w dodatkowy odpylacz wstępny.
Wady
skomplikowana instalacja
dodatkowe zużycie energii do oczyszczania gazu skoncentrowanego.
Sprawia to że koszty oczyszczania mogą być zbliżone lub nawet nieco wyższe niż dla instalacji wyposażonych tylko w cyklony, których zdolności separacyjne są podobne.
Zastosowanie
Koncentratory odśrodkowe stosować można m.in. do odpylania:
spalin z kotłów rusztowych
powietrza odciąganego z urządzeń do rozdrabniania, segregacji i transportu surowców mineralnych.
Służyć mogą także do wstępnego odpylania, np. gazów metalurgicznych procesów ogniowych czy powietrza odciąganego z urządzeń do oczyszczania odlewów.
Cyklony
Zapylony gaz wprowadza się przez króciec wlotowy 1 stycznie do cylindrycznej części cyklonu 2. Taki sposób wprowadzania powoduje zawirowanie gazu, który w pierwszej fazie porusza się spiralnie ku dołowi części stożkowej 3, tworząc tzw. wir zewnętrzny (linia ciągła), a następnie przechodzi w zwrotny ruch spiralny ku górze – wir wewnętrzny (linia przerywana) wypływając przez rurę wewnętrzną 4.
Ziarna pod działaniem siły odśrodkowej przemieszczają się ku ściankom zarówno części cylindrycznej, jak i stożkowej. W strefie przyściennej, w której prędkość gazu gwałtownie maleje, ziarna są aerodynamicznie hamowane i zmniejszają swoją prędkość. Po zetknięciu się ze ścianką wytracają prędkość wskutek tarcia. Przemieszczanie się ziaren ku ściankom powoduje wzrost stężenia pyłu w ich sąsiedztwie. W wyniku zderzeń ziaren ze sobą przy ściankach cyklonu może dochodzić do koagulacji pyłu, co w rezultacie zwiększa wpływ działania siły ciężkości, pomijalny w początkowej fazie przyśpieszonego ruchu pojedynczych ziaren, i przyśpiesza wydzielanie pyłu. Wpada on ruchem spiralnym poprzez króciec stożka do zamkniętego od dołu zasobnika
Dla skutecznego oczyszczania dużych strumieni gazu koniecznym jest równoległe łączenie wielu cyklonów.
Cyklony o średnicach części cylindrycznej większej od 400 mm (najczęściej do 1000 mm) łączy się na ogół w tzw. baterie (rys. 3.8).
Ilość cyklonów wchodzących w skład baterii nie przekracza na ogół 12, a ich przepustowość (z cyklonami o średnicy 1000 mm) wynosi do 30 m3/s. Wadami tego sposobu są jednak spore gabaryty baterii, ograniczenie zdolności separacyjnych średnicą stosowanych cyklonów oraz skomplikowany układ połączeń.
Zalety
prosta (choć wymagająca starannego wykonania) konstrukcja i niewielkie w stosunku do przepustowości gabaryty
niskie koszty inwestycyjne
dobra elastyczność pracy, zwłaszcza w nowszych konstrukcjach
możliwość wykonywania z różnych materiałów (dostosowanych do własności oczyszczanego gazu)
wysoka skuteczność odpylania, ale na ogół ziaren większych od 5-10 µm
możliwość oczyszczania gazów o bardzo wysokich stężeniach
Wady
niskie skuteczności przedziałowe dla ziaren o wielkości kilku µm i mniejszych
erozja
zagrożenie wybuchem w przypadku separacji pyłów palnych lub oczyszczania gazów palnych w wyniku bardzo intensywnej elektryzacji, zachodzącej podczas tarcia pyłu o ścianki; konieczne jest bardzo staranne uziemianie tych urządzeń i stosowanie zabezpieczeń przeciwwybuchowych.
Zastosowanie
Cyklony przeznaczone są głownie do separacji suchych pyłów o możliwie dużej gęstości:
odpylanie powietrza odciąganego z urządzeń do rozdrabniania, sortowania i transportu surowców mineralnych i materiałów sypkich
odpylanie spalin z kotłów opalanych węglem, wyposażonych w ruszty mechaniczne
wstępne odpylanie spalin z kotłów fluidalnych
wstępne odpylanie powietrza odciąganego od urządzeń do szlifowania na sucho
wstępne odpylanie gazów odprowadzanych z suszarek pieców obrotowych
separacja wiórów i trocin odciąganych wraz z powietrzem od obrabiarek do drewna
odkraplanie gazów nie zawierających pyłu.
Są także stosowane jako odbieralniki surowców, półproduktów i produktów w instalacjach transportu pneumatycznego materiałów sypkich, stosowanych m. in. w przemysłach rolno-spożywczym, chemicznym i drzewnym.
Odpylacze wirowe
Na rys. przedstawiono schemat odpylacza wirowego, którego działanie jest oparte na wykorzystaniu zjawisk zachodzących przy nakładaniu się dwóch spiralnych, przeciwbieżnych strumieni gazu, lecz w odróżnieniu od cyklonu, przepływ obu strumieni jest oddzielnie wymuszany.
Strumień gazu zanieczyszczonego jest doprowadzany od dołu, przy czym w króćcu wlotowym może on być zawirowywany, np. za pomocą umieszczonej tam łopatkowej kierownicy. Wirowanie tego strumienia może także powodować lub wspomagać oddziaływanie strumienia gazu pomocniczego wprowadzanego z zawirowaniem od góry do komory roboczej i poruszającego się początkowo w dół, a następnie po zmieszaniu z gazem zanieczyszczonym ku górze do wlotu rury wewnętrznej. Przez rurę tę wypływa strumień gazu oczyszczonego.
W wyniku zawirowania gazu zanieczyszczonego i jego mieszaniny z gazem pomocniczym, ziarna pyłu pod wpływem siły odśrodkowej mogą przemieszczać się ku ściankom komory, ale także w dół wskutek oddziaływania na nie ruchu gazu pomocniczego i grawitacyjnego opadania przyśpieszonego przez koagulację pyłu. Przy granicy wirów opadającego i wznoszącego się dochodzi do lokalnego wzrostu stężenia pyłu, czego wynikiem jest tworzenie się, podobnie jak w cyklonie, warkoczy pyłu opadających w dół do leja. Aby zapobiec przenoszeniu się wirowego ruchu gazu na tę część odpylacza i związanemu z tym niebezpieczeństwu wtórnego unoszenia się odseparowanego pyłu, wokół króćca wlotowego umieszcza się pierścień osłonowy.
Zalety
osiąganie większych niż cyklony skuteczności przedziałowych zwłaszcza w przedziale 1,5-10 µm
ograniczenie wpływu wadliwego wykonania na skuteczność odpylania
możliwość oczyszczania gazów gorących w urządzeniach wykonanych ze zwykłej stali (za wyjątkiem przewodów i króćców dolotowych gazu zanieczyszczonego)
możliwość odpylania gazów o wysokiej wilgotności względnej
ograniczenie erozji w porównaniu z cyklonami
Wady
wysokie straty ciśnienia i związane z nim zużycie energii
skomplikowana instalacja
konieczność stosowania wysokoprężnych wentylatorów i związany z tym hałas
znaczne, większe niż dla cyklonów, koszty oczyszczania
Zastosowanie
Przeciwbieżne odpylacze wirowe należy stosować przede wszystkim do separacji pyłów o dużej twardości, a co za tym idzie – stanowiących zagrożenie erozyjne. Służyć mogą także do oczyszczania gazów o wysokiej wilgotności, np. pochodzących z suszarni i młynów. Przeciwbieżne odpylacze mogą być stosowane w tych przypadkach, w których niemożliwe jest zastosowanie odpylaczy filtracyjnych lub elektrostatycznych, a skuteczność klasycznych cyklonów byłaby zbyt niska.
Odpylacze wirnikowe
Idea wykorzystywania bezpośrednio wentylatora jako urządzenia odpylającego była wielokrotnie podejmowana w technice odpylania. Bardzo atrakcyjną cechą takiego rozwiązania jest uniknięcie dodatkowego nakładu mocy, koniecznego do wydzielenia ziaren pyłu ze strumienia przepływającego gazu. Równocześnie poza przyspieszeniem odśrodkowym, przy przepływie gazu przez łopatki wirnika wentylatora, występuje wielokrotnie większe przyspieszenie Coriolisa, które może być także wykorzystane w procesie odpylania. Małe wymiary urządzenia w stosunku do ilości odpylanego gazu stanowią dodatkową zaletę takiego rozwiązania.
Schemat odpylacza wirowego pokazano na rys. 3.15. Przy przepływie gazu między łopatkami wentylatora, na ziarno pyłu oddziałuje siła odśrodkowa, siła Coriolisa oraz siła oporu ośrodka. Siła Coriolisa prostopadła do prędkości względnej ziarna pyłu powoduje przesunięcie ziarna pyłu w kierunku jednej z łopatek wirnika. Ziarna pyłu osadzone na łopatce przesuwają się pod działaniem siły odśrodkowej wzdłuż łopatek w kierunku jej średnicy zewnętrznej. Łopatki są zakończone skośnie usytuowanymi rynienkami, którymi pył wydzielany jest poza wirnik do zbiornika pyłu.
Zalety
Niska energochłonność w porównaniu z innymi rodzajami odpylaczy
Małe wymiary urządzenia w stosunku do ilości odpylanego gazu
Wady
w kanałach międzyłopatkowych występują zawirowania strugi gazu, które znacznie obniżają skuteczność działania odpylacza w stosunku do obliczonej
pył wytrącony i przesuwający się wzdłuż łopatek powoduje ich szybkie zużycie
występują duże trudności z wyważeniem wirników, bowiem nierównomiernie osadzający się na poszczególnych łopatkach pył powoduje drganie całego układu.
Zastosowanie
Ze względu na swoje wady, odpylacze tego typu znalazły zastosowanie tylko do odpylania powietrza zapylonego dużymi i nieścierającymi pyłami, jak np. za maszynami do obróbki drewna.