13.3. Основні характеристики апаратів для очистки аерозолів

До основних характеристик устаткування для очищення аерозолів від зважених частинок відносяться ефективність (ступінь) очищення повітря від пилу, який також іноді називають коефіцієнтом корисної дії апарату, хоча це не відображає його фізичний сенс; гідравлічний опір; вартість очищення. До загальних параметрів пиловловлювачів відносять їх продуктивність по газу, що очищається, і енергоємність, яка визначається величиною витрат енергії на очищення 1000 м³ газу.

При оцінці ефективності роботи пиловловлювачів беруть до уваги:

• загальну ефективність знепилювання, або кількість пилу, затриманого в пиловловлювачі, по відношенню до кількості пилу, який міститься в газі, що знепилюється;

• фракційну ефективність, що визначає повноту вловлювання частинок певних розмірів; її виражають відсотком відокремлених в пиловловлювачі частинок пилу певних розмірів;

• залишковий вміст пилу в газі при виході його з пиловловлювача;

• розподіл залишку пилу в газі за розміром частинок або швидкості витання.

Крім того, істотним чинником для оцінки ефективності пиловловлювачів є витрата споживаної енергії, а при підборі того або іншого типу пиловловлювача − частота розподілу дисперсності фракцій.

Основним показником, що характеризує роботу апаратів очищення повітря від пилу в тих або інших конкретних випадках їх застосування, є коефіцієнт (ступінь) очищення (ефективність знепилювання) %:

де М_вх, М_вл і М_вих − маса частинок пилу, що містяться в газах відповідно на вході в апарат (тобто до очищення), вловлених в апараті і на виході з апарату після очищення.

При експлуатації окремих видів пиловловлюючих апаратів (ПВА) можливий дисбаланс по газу. В цьому випадку витрати газу перераховують на стаціонарні умови (t=20°С, Р=101 кПа або 760 мм рт. ст.), а коефіцієнт очищення визначається за формулою (%):

де С_вх і С_вих − середні концентрації частинок в газах відповідно на вході в апарат і на виході з нього (відповідно мг/м³); V_вx і V_вих – об’ємна витрата газів, що поступають в апарат і виходять. Загальний коефіцієнт очищення залежить від умов експлуатації ПВА і недостатньо повно відображає рівень його досконалості при роботі на пилі різної дисперсності. Ступінь досконалості ПВА характеризує досягаємі з його допомогою фракційний і парціальний коефіцієнти очищення.

Якщо об’ємні витрати газу до і після апарату рівні, то вираз прийме поширений вигляд (%):

Якщо не відбувається підсосу повітря в апараті, ефективність очищення визначають за формулою:

За наявності підсосу повітря (наприклад, в рукавних фільтрах) ефективність визначають за формулою:

Для повної характеристики апарату потрібно знати його фракційну ефективність. Вона показує частку вловленого пилу по кожній фракції. Це дозволяє вибрати пиловловлююче устаткування відповідно до фракційного складу пилу. Фракційна ефективність очищення виражається відношенням:

де m_ф.в. − кількість вловленого пилу фракції; М_ф.н. − кількість пилу фракції, що надійшла в апарат.

Фракційний коефіцієнт рівний відношенню кількості пилу даної фракції, вловленої в апараті М_ф.вл., до кількості вхідного пилу тієї ж фракції М_ф.вх (%):

де φ – частка маси пилу даної фракції в загальній кількості пилу в повітрі.

Загальну ефективність апарату ε визначають по фракційній ефективності таким чином:

де М_ф1, М_ф2 ..., М_фn − маса пилу відповідних фракцій, що надійшла в апарат; ε_ф1, ε_ф2, ε_фn − фракційна ефективність вловлювання по даній фракції.

Відношення кількості пилу даної фракції до всього пилу, що надійшов в апарат М, виражається:

Після перетворення отримаємо значення загальної ефективності очищення

або у відсотках

Парціальний коефіцієнт очищення використовується рідше і рівний відношенню кількості частинок даного розміру, вловлених в апараті М_п.вл, до кількості частинок даного розміру на вході в апарат М_п.вх (%):

де η_п − частка частинок даного розміру.

Зазвичай ε_ф і ε_п для ПВА визначають експериментально, шляхом проведення відповідних випробувань апаратів.

При послідовній установці декількох апаратів (каскадна, або багатоступінчате очищення), яке використовують для повнішого знепилювання повітря, сумарна ефективність очищення визначається за формулою:

де ε₁, ε₂ ... ε_n − ефективність очищення кожного з апаратів, що входять в каскад (у долях одиниці).

Ефективність очищення − найважливіша характеристика апарату. На неї орієнтуються при виборі пиловловлюючого устаткування відповідно до допустимого залишкового вмісту пилу в повітрі, що очищається.

Порівнюючи два апарати, зіставляють відсотки пропущеного пилу. Якщо ефективність одного апарату 99%, а іншого 98%, то вони пропускають відповідно 1% і 2% пилу. Отже, ефективність першого апарату в два рази вища, ніж другого.

Продуктивність характеризується кількістю повітря, яка очищається за 1 годину. Апарати, в яких повітря очищається при проходженні через фільтруючий шар характеризуються питомим повітряним навантаженням, тобто кількістю повітря, яка проходить через 1 м² фільруючої поверхні за 1 годину.

Гідравлічний опір має важливе значення, оскільки від його величини залежить необхідний тиск вентилятора, а отже, і витрата електроенергії. Гідравлічний опір апарату визначають за формулою:

де v − швидкість руху повітря через апарат, м/с; А, n − коефіцієнти, які визначачаються експериментальним шляхом і залежать від конструкції апарату.

Витрата енергії залежить значною мірою від гідравлічного опору апарату. У електрофільтрах електроенергія витрачається в основному на створення електростатичного поля. Витрата електроенергії при одноступінчатому очищенні знаходиться в межах від 0,035 до 1,0 кВт-год на 1000 м³ повітря. Питомі витрати енергії на видалення дисперсних домішок зростають пропорційно зниженню концентрації зважених в потоці частинок, оскільки ступінь очищення в пиловловлюючих апаратах практично не залежить від початкової концентрації забруднювача. На додаток до цього витрати ростуть і зі зменшенням розмірів частинок.

Останніми роками як один з показників роботи апаратів очищення почали використовувати енергетичні витрати на конкретний процес різними способами знепилювання. Як показник енергетичного балансу по аналогії з коефіцієнтом корисної дії використовують так званий енергетичний ККД:

де Е_к − корисно використовувана енергія; Е_з − вся енергія, витрачена в процесі знепилювання.

Енергетичний коефіцієнт не враховує термодинамічні втрати, пов’язані, наприклад, з неізобарністю реального теплового процесу, супутнього процесу знепилювання. Тому оцінку систем знепилювання по енергетичному ККД не можна вважати завжди обгрунтованою. Такий підхід справедливий для оборотних термодинамічних процесів.

Вартість очищення є найважливішим показником, оскільки характеризує економічність очищення. Вона залежить від багатьох чинників: капітальних витрат на устаткування, експлуатаційних витрат і ін.

Вартість очищення повітря в різних апаратах значно відрізняється. Як правило, ефективніше очищення обходиться значно дорожче. Якщо вартість очищення певної кількості повітря в такому порівняно простому апараті, як циклон великої продуктивності, прийняти за 100%, то вартість очищення такої ж кількості повітря в батарейному циклоні складе 120%, в циклоні з водяною плівкою − 130%, в скрубері ВТІ − 140 %, у електрофільтрі − 220%, в тканинних фільтрах (залежно від типу) від 260 до 280%. Двоступінчате очищення по схемі батарейний циклон - електрофільтр коштує 330%.