14.2. Циклонні осаджувачі

Найбільшого поширення в системах пилоочистки набули циклони. Циклони широко застосовуються для очищення від пилу вентиляційних і технологічних викидів у всіх галузях народного господарства.

На практиці система вловлювання частинок створюється шляхом додання запиленому потоку закрученого або обертального руху, обмеженого циліндричними стінками. Частинки осідають при відкиданні на стінки. Такий пристрій називається циклоном.

Ефективність циклонів можна пояснити на наступному прикладі. Частинка масою т що рухається по круговій траєкторії радіусу r з тангенціальною швидкістю u_T, схильна до дії відцентрової сили т и_Т²/r. Для типових умов u_T=15 м/с, r=0,6 м ця сила приблизно в 39 разів перевищує силу тяжіння. Тому вказана сила може різко збільшити осадження в камері.

Циклони прості у виготовленні, надійні в експлуатації при високому тиску і температурах, забезпечують фракційну ефективність очищення на рівні 80...95% від частинок пилу розміром більше 10 мкм. Циклони в основному рекомендується використовувати перед високоефективними апаратами пилоочистки (тканинними і електрофільтрами). В ряді випадків циклони забезпечують ефективність очищення, достатню для викиду газів або повітря в атмосферу.

В Україні для циклонів прийнятий стандартизований ряд внутрішніх діаметрів D: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 і 3000 мм. Для всіх одиночних циклонів бункери виконуються циліндричними з конічним днищем. Діаметр бункера приймають 1,5∙D для циліндричних і 1,1...1,2∙D для конічних циклонів. Висота циліндричної частини бункера приймається 0,8∙D, кут конусності стінок днища − 60°.

Циклони діляться на циклони великої продуктивності і циклони високої ефективності. Перші мають зазвичай великий діаметр і забезпечують очищення значних кількостей повітря. Другі − порівняно невеликого діаметру (до 500...600 мм). Дуже часто застосовують групове встановлення цих циклонів, сполучених паралельно по повітрю.

Ефективність очищення газу в циклонах в основному визначається дисперсним складом і густиною частинок вловлюваного пилу, а також в’язкістю газу, залежною від його температури. При зменшенні діаметру циклону і підвищенні до певної межі швидкості газу в циклоні ефективність очищення зростає. Тому діаметри циклонів, що серійно випускаються, не перевищують 5 м.

Циклони, як правило, використовують для грубого і середнього очищення повітря від сухого пилу, що не злипається. Прийнято вважати, що вони володіють порівняно невеликою фракційною ефективністю в області фракцій пилу розміром до 5...10 мкм, що є основним їх недоліком. Проте циклони, особливо циклони високої ефективності, вловлюють значну частину пилу розміром до 10 мкм − до 80 і більше відсотків.

В сучасних високоефективних циклонах, в конструкції яких враховані особливості вловлюваного пилу, вдалося істотно підвищити загальну і фракційну ефективність очищення. Відмічений вище недолік обумовлений особливостями роботи циклонів, зокрема, турбулізацією потоку запиленого повітря, яка перешкоджає сепарації пилу.

Розроблено і застосовується в техніці знепилювання велике число різних типів циклонів, які відрізняються один від одного формою, співвідношенням розмірів елементів і так далі (рис. 14.4).

Конструктивно циклони можуть бути виконані одиночними, груповими і батарейними. Серед одиночних і групових циклонів найбільшого поширення набули циклони НДІОГазу типів ЦН-15 і СК-ЦН продуктивністю 600...230000 м³/год, а серед батарейних циклонів − типів БЦ-2, ПБЦ, ЦБ-254Р, ЦБ-150У продуктивністю від 12000 до 480000 м³/год. Ефективність очищення в батарейних циклонах вища, ніж в одиночних або групових, оскільки в них циклонні елементи мають значно менший діаметр при рівній продуктивності.

Запилене повітря поступає в циклон через патрубок, очищений, − видаляється через вихлопну трубу. Залежно від способу підведення повітря до циклону розрізняють циклони з тангенціальним і спіральним підведенням повітря. За інших рівних умов циклони із спіральним підведенням володіють вищою ефективністю очищення. Потік запиленого повітря входить в корпус циклону зазвичай із швидкістю 14...20 м/с.

Застосовують циклони праві (обертання потоку запиленого повітря за годинниковою стрілкою, якщо дивитися зверху) і ліві (обертання проти годинникової стрілки).

Швидкість газу у вільному перетині циліндричної частини циклонів повинна лежати в межах 2,5...3,5 м/с. У звичайних умовах оптимальною вважається швидкість 3,5 м/с, а швидкість 2,5 м/с рекомендується приймати при роботі з абразивним пилом.

Рис. 14.4. Основні типи конструкцій циклонів: а − циклон НДІОГазу; б − СІОП; в − ВЦНІІОП; г − СК-ЦН-34; д − ЛІОТ; 1 − корпус; 2 − вхідний патрубок; 3 – равликоподібний випускний патрубок

Запилені гази подаються в циклони через тангенціальні або аксіальні завихорювачі і здійснюють всередині апаратів складний обертально-поступальний рух, характеристики якого вивчені ще недостатньо. На частинки, зважені в потоці всередині циклону, діє сила інерції, яка прагне змістити їх з криволінійних ліній струму по дотичним, направленим під деяким кутом вниз і до стінки корпусу. Частинки, що дотикаються до внутрішньої поверхні стінки, під дією сил тяжіння, інерції і газового потоку, що опускається, ковзають вниз і потрапляють в пилоприймач (бункер). Частинки, що не досягли стінки, продовжують рух по криволінійних лініях струмини і можуть бути винесені з циклону газовим потоком, який може захопити і деяку кількість частинок, що осіли в бункер.

Вважаючи, що траєкторії руху зважених частинок близькі до кругових, можна величину виникаючої сили інерції прийняти пропорційною квадрату тангенціальної швидкості, масі частинок і обернено пропорційною радіусу обертання. Так, при радіусі обертання менше метра і тангенціальній швидкості в межах 10...15 м/с сила інерції на порядок перевершує силу тяжіння. З цієї причини сепарація частинок в циклонах відбувається набагато інтенсивніше, ніж в гравітаційних осаджувачах.

Оскільки інерційна сила пропорційна масі, то дрібні частинки вловлюються в циклонах погано. Ступінь очищення аерозолів з розмірами частинок понад 10 мкм знаходиться в межах 80...95%, а дрібніших частинок − набагато гірше. Збільшення ефекту осадження частинок за рахунок зменшення діаметру циклону і підвищення швидкості потоку можливо до деякої межі, обмеженої технічними і економічними чинниками, такими як зростання енергетичних витрат, погіршення очищення внаслідок повторного захоплення відсепарованих частинок, абразивний знос, збільшення металоємності і іншими. Для широко поширених циклонів оптимальні значення швидкостей потоків і конструктивних параметрів встановлені дослідним шляхом і приводяться в довідковій літературі.