Учебные материалы МГУИЭ
Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами газоочистки, широко применяемыми для улавливания из газов твердых частиц.
Циклоны находят применение в самых различных отраслях промышленности: в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, энергетике и др.
При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны в зависимости от характеристик улавливаемой пыли, типа и режима работы циклона обеспечивают эффективность очистки газов 80-95%.
Циклоны могут использоваться как для предварительной очистки газов и устанавливаться перед тканевыми фильтрами или электрофильтрами, так и самостоятельно.
Основными элементами циклонов являются входной патрубок, корпус, состоящий из конической и цилиндрической частей, выхлопной патрубок и бункер. Газ в основных типах циклонов поступает в верхнюю часть корпуса через приваренный к корпусу входной патрубок. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопным патрубком. Уловленная пыль попадает в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопной патрубок в атмосферу или поступает на доочистку.
В зависимости от расхода очищаемого газа циклоны могут устанавливаться по одному (одиночные циклоны) или объединяться в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны). Циклоны могут применяться для очистки газов от нескольких сотен до сотен тысяч кубометров в час.
Циклоны могут изготавливаться с «левым» и «правым» вращением газового потока. Обычно «правым» принято называть вращение потока в циклоне по часовой стрелке (если смотреть со стороны выхлопного патрубка), «левым» – вращение потока против часовой стрелки. Направление вращения выбирают исходя из условий компоновки циклона в схеме, а также расположения циклонов в группе.
Эффективность очистки газа η в циклоне в основном определяется его типом, размером, дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа. С уменьшением диаметра циклона и повышением до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки η возрастает.
Особенностью работы циклонов является то, что эффективность очистки газа резко снижается при подсосе атмосферного воздуха внутрь циклона, особенно через бункер. Экспериментальные исследования показали, что 1 % подсоса воздуха снижает эффективность очистки на величину от 1 до 4 %, поэтому подсос должен быть сведен к минимуму.
Для пыли заданного дисперсного состава она может быть рассчитана исходя из кривых фракционной эффективности, приведенных в соответствующих нормативных материалах, таких как: «Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации циклонов НИИОГАЗ» (Всесоюзное объединение по очистке газов и пылеулавливанию, Ярославль, 1971), и ряде других.
Важной величиной, характеризующей энергетические затраты на очистку газа циклоном, является его коэффициент гидравлического сопротивления ξ. Коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов ξ, приведенные в каталоге, отнесены к средней скорости газов в поперечном сечении цилиндрической части корпуса циклонов.
Другой, весьма важной характеристикой циклона, является его стойкость к абразивному износу, которая определяет долговечность работы аппарата. Абразивный износ возникает вследствие концентрации частиц у стенок циклона и динамического воздействия частиц со стенками.
Исследования характера износа различных элементов циклона показывают, что наибольший износ наблюдается в верхней части корпуса циклона на участке входа запыленного газа в циклон и внизу конической части циклона. Интенсивность абразивного износа циклонов в зависимости от конкретных условий эксплуатации может достигать 12-20 мм в год.
На протяжении более чем столетней истории развития циклонов было разработано несколько десятков типов их конструкций. Только на территории бывшего СССР находили применение более 20 различных типов циклонов. Проведенные сравнительные испытания циклонов различного типа показали, что перечень рекомендуемых к применению циклонов может быть ограничен циклонами НИИОГАЗ.
Анализ запросов на поставку циклонов НИИОГАЗ, таких как ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24, СДК-ЦН-33, СЦН-40,СК-ЦН-34, показал, что из всех перечисленных циклонов НИИОГАЗ спросом пользуются только циклоны средней эффективности ЦН-15 и высокоэффективные циклоны СЦН-40.
Практика эксплуатации циклонов ЦН-15 показала, что стойкость к абразивному износу у циклонов ЦН-15 сравнительно невелика. Другим недостатком этого циклона является сложность изготовления винтовой крышки корпуса. С целью устранения выше указанных недостатков в ОАО «СФ НИИОГАЗ» был разработан циклон с плоской крышкой СЦН-50 более стойкий к абразивному износу. Срок службы СЦН-50 превышает срок службы циклона ЦН-15 в несколько раз, а эффективность очистки газов на 2-4 % выше. Циклоны СЦН-50 более просты по конструкции, несложны в изготовлении. Металлоемкость циклона СЦН-50, по сравнению с циклоном ЦН-15 снижена на 15%.
Весьма перспективным направлением в области инерционного пылеулавливания является разработка прямоточных циклонов, скорость газа через поперечное сечение у которых достигает величины Wп=12-15 м/с при весьма незначительном сопротивлении. Однако прямоточные циклоны, широко применяемые на транспорте, весьма сложны в изготовлении и требуют для своей работы дополнительный вентилятор, устанавливаемый в линии отсоса. Все это ограничивает применение прямоточного циклона для общепромышленных целей.
В настоящее время разработана конструкция циклона, сочетающая в себе положительные свойства противоточного и прямоточного циклонов, названная авторами вертикальным прямоточным циклоном (ВПЦ).
Выпускной патрубок циклона ВПЦ проходит через бункер, что позволяет устранить конденсацию влаги в бункере при очистке горячих газов. Уловленная пыль в этом случае не будет зависать при выгрузке. Циклоны типа ВПЦ менее чувствительны к подсосам постороннего воздуха в бункер, т.к. величина разрежения в бункере в несколько раз меньше обычных (противоточных) циклонов. Эти циклоны хорошо компонуются в аспирационных системах при установке их перед вентилятором.
Анализ зависимости степени очистки воздуха η от средней скорости воздуха Wвх во входном патрубке циклона позволяет утверждать, что минимальная скорость потока на входе в циклон, при которой аппарат начинает стабильно и эффективно работать, составляет Wвх=6м/с. Это значительно меньше чем у обычных (противоточных циклонов) и приводит к повышению надежности циклона.
Коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона ВПЦ составляет величину ξ п= 80. Коэффициент гидравлического сопротивления группового циклона ВПЦ, состоящего из четырех циклонов- ξ п=104.
Металлоемкость циклонов ВПЦ по сравнению с обычными циклонами, рассчитанными на очистку одинаковых объемов газов, меньше