Особливості підбору обладнання для очищення генераторного газу

УДК 621.6:620.97Д

Л.В. Лось

д.т.н.

О.Д. Муляр

к.с/г.н.

А.А. Голубенко

асистент

Н.М. Цивенкова

асистент

Житомирський національний агроекологічний університет

Рецензент – член редколегії «Вісник ЖНАЕУ», д.т.н. І.Г. Грабар

 

Особливості підбору обладнання для очищення генераторного газу

В статті наведено порівняльні характеристики обладнання для очищення газів з точки зору можливості та раціональності їх використання в газогенераторних установках, проаналізовані основні умови очищення генераторних газів, специфічні особливості забруднення. Виділені основні групи обладнання для очищення, порівняні за працездатністю в умовах підвищених температур та за продуктивністю, якістю очищення, енергомісткістю та втратами тиску, визначені критерії підбору очисного обладнання, як важливого елементу газогенераторної установки.

Ключові слова: фільтр, скрубер, очищення, генераторний газ, енергоефективність, ступінь очищення.

 

Постановка проблеми

Практика газифікації твердих палив, особливо органічного походження, показує, що склад генераторного газу значною мірою залежить від конструкції самого газогенератора та правильності вибору режимів газифікації, але, незалежно від цього, містить значну кількість зольного пилу, вологи та смолистих компонентів, що є актуальним для випадків газифікації рослинної біомаси.

 

Аналіз основних досліджень та постановка завдання

Огляд літературних джерел дозволив оцінити високий рівень технічних надбань в галузі апаратів для очищення промислових викидів, повітря промислових установок або виробничих приміщень тощо. Очищення генераторного газу є специфічним через умови роботи газоочисного обладнання та особливості забруднюючих речовин і досліджувалося переважно для окремих конкретних випадків в ряді дисертаційних досліджень український та зарубіжних вчених. Більш широко застосування різних способів очищення генераторних газів та апаратів для їх реалізації розглянуто в [3], де наведено первинну класифікацію способів газоочищення.

В результаті проведеного огляду основних досліджень було сформульовано завдання дослідження: проаналізувати та систематизувати існуюче різноманіття апаратів для очищення газів за можливістю та раціональністю його застосування в газогенераторних установках, визначити критерії їх вибору для різних схем установок, запропонувати найкращий варіант для проведення подальших лабораторних досліджень.

 

Об’єкт та методика досліджень

Обєктом дослідження є процес очищення генераторного газу, його особливості, параметри, які визначають вибір технологічного обладнання (склад забруднень, температурні умови, вологість газу, втрати тиску на апаратах газоочищення). Для проведення дослідження використано комплекс методів наукового дослідження: порівняльний, теоретичний та статистичний методи, системний метод аналізу і синтезу, формальна та аналітична оптимізація варіантів схем очищення.

 

Результати досліджень

В промисловості використовують механічний, електричний та фізико-хімічний способи очищення газів. Для очищення від твердих та рідких зважених часток використовують способи очищення під дією сили ваги, центробіжних та електростатичних сил, а також промиванням та фільтруванням. Реалізація способів очищення пов’язана з використанням відповідних апаратів: газових відстійників, центр обіжних пилоосаджувачів, електричних фільтрів, гідравлічних пиловловлювачів та газових фільтрів. Вибор апарату для очищення генераторного газу визначається рядом факторів, головним з яикх є розмір частинок, що вловлюються, задана ступінь очищення газу та енергетичні показники такого процесу. Виходячи з параметрів часток, що вловлюються, найчастіше і здійснюють вибір газоочищувача, що є суттєвим недоліком, бо не враховані інші фактори, в тому числі і вміст смол, і висока температура газу, що очищується. Основні характеристики обладнання, розділеного за способом очищення, наведені в табл. 1.

Наведені в табл.1 дані дають уявлення виключно про порядок відповідних величин і значною мірою залежать від стану, властивостей і складу генераторного газу. Як можна побачити з таблиці, пилоосаджувальні камери можна використовувати виключно для порівняно грубого очищення газу, що відповідає попередньому очищенню і може бути використано в системах, які передбачають багаторівневі очисні системи, це, перш за все, відповідає стаціонарним газогенераторним установкам. Крім всього іншого, пилеосаджувальні камери мають значні габаритні розміри, що також обмежує їх застосування. Саме тому на практиці надають перевагу циклонам через більш високий ступінь очищення, але втрати тиску в такому апараті визначають необхідність додаткового обладнання, і, відповідно, такий спосіб більш енергомісткий.

 

Таблиця 1. Основні характеристики газоочисного обладнання

 

Спосіб очищення	Механічна сепарація			Електростатична фільтрація		Зволоження	Мембранна фільтрація
Апарат	Пилоосаджувальні камери	Інерційні камери	Центробіжні пилоосаджувачі (циклони)	Електро-фільтри	Комбіновані електричні очищувачі	Гідравлічні пилевловлюва-чі, механічні газопромивачі	Газові фільтри
Схематичне зображення
Сила, яка діє	Гравітаційна сила	Сила інерції	Центробіжна сила	Сила дії електроста-тичного поля	Інерційні зіткнення, механічне затримання, дифузія, сила дії електростатичного поля	Інерційні зіткнення	Механічне затримання, дифузія
Сепарауючий фактор	Барєрне поле	Конструктивний елемент, що розвер-тає потік	Стінка апарату	Осаджу-ючий електрод	Фільтруючий прошарок	Поверхня водяної краплі	Фільтруюча мембрана
Спосіб виведення відфільтрованих часток	Бар’єрна зона	Гравітацій-ною та центобіжною силами	Гравітацій-на сила газового потоку	Вібрацією та вручну	Зворотнє імпульсне продування та вібрація	Усунення методом зливання з водою	Зворотнє імпульсне продування та вібрація, хімі-чна регенерація
Швидкість газу, м/с**	1,5-2	15-20	20-30	0,8-1,5	0,01-0,3	0,5-100	0,01-0,3
Втрата тиску	Дуже незначна	Середня	Велика	Дуже незначна	Середня	Середня, велика	Велика
Граничний розмір відфільтро-ваних часток, мкм**	5—20000		3—100	0,005—10	0,005—10	0,01—10	2—10
Ступінь очищення*, %	40—70		45—85	85—99	85—99	85—99	85—99
Температура	Не має обмежень, залежить від матеріалу стінок			Чутливий до високих температур	Залежить від фільтруючого прошарку	Нормальна температура	Високочутливий до перепаду температур

* Ступінь очищення в більшості  апаратів залежить від розміру  часток – чим менша частка, тим менша ефективність очищення, тому за ступенем очищення  можна оцінити приблизний розмір залишкових часток

** [1, 2, 4]

 

Перевагами циклонів є простота їх конструкції та можливість очищення газу високої температури (до 4000С). При невисокій кількості зважених часток в газі можна використовувати батарейні циклони, але при цьому погіршується теплообмін з оточуючим середовищем і температура очищеного огазу не набагато нижча за температуру вхідного газу. Циклони мають також ряд суттєвих недоліків при використанні для очищення генераторного газу: має місце значне абразивне зношення поверхонь, налипання на поверхні смолистих матеріалів, яке призводить до нашаровування пилу і погіршують гідравлічні властивості, підвищена енергомісткість. Одним з найбільш значних недоліків є висока чутливість до стабільності потоку. Домогтись виконання цієї умови в газогенераторних установках можливо тільки шляхом значного ускладнення конструкції самої установки або використання нестандартних конструкції циклонів, таких як циклон із вбудованим сепаратором, зображений на рис.1. або циклон підвищеної ефективності, представлений на рис.2.

Рис.1. Циклон із вбудованим сепаратором для компенсації нерівномірності газового потоку

 

Більш високі ступені очищення генераторного газу можуть бути досягнуті при використанні гідравлічних пиловловлювачів, електро- та мембранних фільтрів.

Мокре очищення (миття газу) ефективне для очищення генераторного газу саме через причини, що обмежують його використання в промисловості: мокре очищення супроводжується охолодженням, частковим окисленням газу, вловлювальні частки погано відділяються від рідини і виводяться з апарату виключно в рідкому стані. Легке очищення апарату від часток, що відфільтровуються, охолодження газу та часткове окислення летючих компонентів є позитивними характеристиками, крім того такі апарати мають високу продуктивність і забезпечують високу якість очищення від смолистих компонентів, які при швидкому охолодженні скраплюються та виводяться разом з твердими частками.

 

Рис.2. Циклон підвищеної ефективності із системою втулок спеціального профіля

 

Основними недоліками такого способу є зволоження газу і підвищена енергомісткість процесу. Апарати високої ефективності очищення, такі як вихровий скрубер, зображений на рис.3. розширюють можливості використання цієї групи газоочисників.

 

Рис.3. Схема вихрового скрубера

 

Електрофільтри через чутливість до високих температур можуть бути використані в обмеженій кількості схем газогенераторних установок, де вони розташовуються після охолоджувачів та апаратів попереднього очищення. При високій ступені очищення такі апарати достатньо енергомісткі та затратні, тому на практиці частіше використовуються комбіновані варіанти, такі як мокрі електрофільтри.

Мембранні фільтри дозволяють забезпечити високу ступінь очищення газу, але через високу вартість та чутливість до температур їх використання в газогенераторних установках на даному етапі їх технічного розвитку ускладнене.

Основні розрахункові елементи газоочисного обладнання для газогенераторних установок [1, 2] наведені в таблиці 2.

 

Таблиця 2. Основні розрахункові елементи газоочисного обладнання

 

Розрахунковий елемент	Спосіб очищення
	Механічна сепарація		Зволоження
	Пилоосаджувальні та інерційні камери	Центробіжні пилоосаджувачі (циклони)	Гідравлічні пилевловлювачі, механічні газопромивачі
Теоретична швидкість осаджування W, м/с	Re · v2 / d	d2 · (r1 - r2)wг2 /  9 v r2 D	Re · v2 / d
Висота робочої зони H, м	n·(h + h1)	2Vсек / (D - D1) wг	Вибирається конструктивно
Час пребування газу в камері t, с	L / w	L / w	Vст · (tг+273)/(360·293·p·Vсек )

де: Re – критерій Рейнольдса; v2  - кинематическая в'язкість газу ; d- діаметр частки; h – відстань між полицями; h1 - товщина однієї полиці; n – число полиць; L – довжина камери; w - скорость осаждения; r1  -щільність вловлюваних часток; r2  -щільність газового середовища; wг – колова швидкість газу в циклоні; D –діаметр циклона; Vcек – об’єм газу, що поступає в циклон за секунду; D1 – зовнішній діаметр вихлопної труби циклона; Vст – об’єм газу за нормальних умов; tг  - температура в оС  ; p  - тиск в МПа.

 

Через особливості складу та умов експлуатації газогенераторних установок часто виникає необхідність багатоступінчатого очищення газу. Як правило, первинне очищення в таких випадках проводять у сухих пиловловлювачах, в яких осідають частинки пилу розміром 50 мкм і більше. У цих апаратах вловлюється 70-90% пилу, що міститься в газі, завдяки впливу сил гравітації і інерційних сил, що виникають при повороті газового потоку на 180°. Такі пиловловлювачі ефективно суміщати із системою охолодження. Залишковий вміст пилу в газі після грубого очищення не перевищує 3-20 г/м³.

Для другого ступеня очищення газу раціонально використовувати системи мокрого очищення. Зазвичай газ із системи грубого сухого очищення надходить на напівтонке очищення газу, де видаляються частинки розміром 20 мкм і більше та газ очищується до залишкового вмісту пилу на виході 0,6-1,6 г/м³. Напівтонке очищення здійснюють в апаратах мокрого типу – форсункових порожнистих скруберах і трубах Вентурі. Гази в скруберах мають швидкість 1-2 м/с, питома витрата води, становить 3-6 кг/м³ газу. Проходячи через скрубер, газ додатково охолоджується з 250-300ºC до 40-50ºС і насичується вологою. Ступінь очищення газу від пилу в скрубері не перевищує 60-70%. Після скрубера газ в надходить у дві-чотири низьконапірні труби Вентурі, швидкість газів у горловині яких дорівнює 50-80 м/с при питомій витраті води 0,2 кг/м³. Тут завершується напівтонке очищення газу.

При виникненні необхідності тонкого очищення газу газу, що містить концентрацію пилу до 10 мг/м³, доцільно використовувати апарати, що працюють з малою втратою тиску, наприклад мокрий електрофільтр.

Таким чином, зазвичай застосовують такі схеми очищення генераторного газу:

1) газогенератор – сухий пиловловлювач – скрубер – труба Вентурі – краплевловлювач – дросельна група – краплевловлювач – чистий газ;

2) газогенератор – сухий пиловловлювач – скрубер – труба Вентурі – краплевловлювач – мокрий електрофільтр – чистий газ.

3) газогенератор – циклон –  скрубер – конденсатор вологи  – крапле вловлювач – фільтр  з шаром фільтрувального матеріалу  – чистий газ.

4) газогенератор – циклон –  фільтр з шаром фільтрувального матеріалу  (або рукавний фільтр) – чистий газ.

Із вище зазначених варіантів найбільш енергоекономним, компактним та недорогим є останній, в якому реалізовано схему сухого очищення генераторного газу.

Експлуатаційні витрати на очисні апарати залежать в основному від вартості електроенергії, водопостачання та обслуговування. З точки зору експлуатаційних витрат важливо врахувати можливість регенерації фільтрувальних елементів фільтрів сухого очищення. Ефективність знепилювання газів в фільтрі залежить від дисперсності частинок пилу, характеристик фільтрувального полотна, способу і режиму регенерації, величини питомого газового та пилового навантаження, гідравлічного опору апарату.

При виборі фільтра також важливим елементом є безпека його експлуатації та обслуговування з урахуванням вибухонебезпечності генераторного газу. Використання скруберів та мокрих електрофільтрів забезпечує безпеку роботи при очищенні вибухонебезпечних газів, але їхнє використання може бути ускладнене і одночасно збільшує експлуатаційні витрати майже вдвічі. В той же час з погляду раціонального природокористування більш прогресивними є способи сухого очищення газу, тому що це знижує загальне забруднення водяних і земельних ресурсів, і дозволяє виключити із системи оборотного водопостачання умовно брудну воду.