Скруббер Вентури предназначен для эффективного использования энергии высокоскоростного потока газа на входе для распыления жидкости, используемой для очистки потока газа. Этот тип технологии является частью группы средств контроля загрязнения воздуха , которые в совокупности называются мокрыми скрубберами .
Трубки Вентури можно использовать для сбора как твердых, так и газообразных загрязняющих веществ, но, хотя площадь поверхности жидкости довольно велика, они более эффективны в удалении частиц, поскольку частицы могут быть захвачены при контакте, а газы должны быть захвачены путем абсорбции в течение относительно короткого времени воздействия.
Устройства Вентури также использовались более 100 лет для измерения расхода жидкости ( трубки Вентури получили свое название от Джованни Баттиста Вентури , итальянского физика). В конце 1940-х годов Х. Ф. Джонстон [1] , Уильям Джонс [2] и другие исследователи обнаружили, что они могут эффективно использовать конфигурацию Вентури для удаления частиц из газовых потоков. На рисунке 1 показана классическая конфигурация Вентури. [3]
Эжекторный или струйный скруббер Вентури — это промышленное устройство контроля загрязнения , обычно устанавливаемое на дымовых трубах больших печей , но также может использоваться в любом количестве других систем отвода воздуха. Они отличаются от других скрубберов Вентури тем , что энергия извлекается из распыления жидкости под высоким давлением из сопла, а не из потока технологического газа, что позволяет скрубберу также действовать как вакуумный эжектор и протягивать технологический газ через устройство без внешней помощи.
Скруббер Вентури состоит из трех секций: сужающейся, горловой и расходящейся. Входной поток газа поступает в сужающуюся секцию, и по мере уменьшения площади скорость газа увеличивается. Жидкость вводится либо в горловину, либо на входе в сужающуюся секцию. Входной газ, вынужденный двигаться с чрезвычайно высокой скоростью в малой горловой секции, турбулентно смешивается с жидкостью, производя огромное количество мельчайших капелек. Удаление частиц и газа происходит в расходящейся секции, когда входной поток газа смешивается с туманом мельчайших капелек жидкости. Затем входной поток выходит через расходящуюся секцию, где он вынужден замедляться.
Если жидкость вводится выше сходящейся секции и покрывает стенки вплоть до горловины, то трубка Вентури описывается как имеющая «мокрую стенку» или «смоченную горловину», как показано на рисунке 2. Этот метод позволяет смывать частицы в потоке, которые могут склонны к спеканию на поверхностях, и снижает механическое истирание частиц, ударяющихся о горловину на высокой скорости. Он очень эффективен для обработки горячих, сухих входящих газов, содержащих пыль или частицы, которые являются абразивными или едкими, например, печные или топочные газы.
Увлажнение горловины может быть достигнуто с помощью распыления, направленного на стенки, или с помощью водослива, окружающего сужающуюся секцию, по которой течет вода. Этот метод может использоваться только в источнике впрыска жидкости, поскольку газ с высокой скоростью будет срывать капли со стенок. Жидкость также может быть введена распылительными форсунками непосредственно в поток газа, и для низких скоростей потока газа это может обеспечить более эффективную работу, один или оба метода могут использоваться в зависимости от применения.
Простые трубки Вентури имеют фиксированные площади горловины и поэтому будут работать эффективно только в определенном диапазоне скоростей потока. Регулируемые горловины Вентури позволяют поддерживать эффективность в гораздо большем диапазоне потоков, изменяя размер горловины в соответствии со скоростью потока газа. Было обнаружено, что определенные типы отверстий (площади горловины), которые создают большую турбулентность, чем настоящая трубка Вентури, являются одинаково эффективными для данной единицы потребляемой энергии, и результаты этих открытий привели к разработке скруббера Вентури с кольцевым отверстием или регулируемым горлом ( рисунок 5 ). [3] Размер площади горловины изменяется путем перемещения плунжера или регулируемого диска вверх или вниз в горловине, тем самым уменьшая или увеличивая кольцевое отверстие. Газ протекает через кольцевое отверстие и распыляет жидкость, которая распыляется на плунжер или завихряется сверху.
Смачиваемые горловины Вентури с круглыми горловинами ( рисунки 2 и 3 ) могут обрабатывать впускные потоки до 88 000 м 3 /ч (40 000 куб. футов в минуту). [4] При расходах на входе, превышающих этот показатель, достижение равномерного распределения жидкости затруднено, если не использовать дополнительные водосливы или перегородки. Для обработки больших впускных потоков использовались скрубберы, спроектированные с длинными, узкими, прямоугольными горловинами ( рисунок 4 ). [3] Прямоугольная горловина Вентури часто конструируется с возможностью регулировки путем введения подвижных пластин или заслонок в горловину, как показано на рисунке 6. Для непрерывной промывки собранного материала с пластины используется распылительная вода.
Еще одну модификацию можно увидеть в скруббере со стержнем Вентури или стержневой палубой. Размещая ряд труб параллельно друг другу, можно создать ряд продольных отверстий Вентури, как показано на рисунке 7. [ 3] Область между соседними стержнями представляет собой небольшую горловину Вентури. Водяные струи помогают предотвратить накопление твердых частиц. Основное распыление жидкости происходит на стержнях, где высокоскоростной газ, движущийся через промежутки, создает мелкие капли, необходимые для сбора мелких частиц. Этот метод может производить очень высокую плотность капель воды в газовом потоке из-за очень большого периметра горловины по сравнению с другими типами. Эти стержни должны быть изготовлены из износостойкого материала из-за присутствующих высоких скоростей.
Все скрубберы Вентури требуют сепаратора захвата , поскольку высокая скорость газа через скруббер будет иметь тенденцию захватывать капли с выходным чистым газовым потоком. Циклонные , сетчатые и лопастные сепараторы используются для удаления капель жидкости из дымового газа и возврата жидкости в воду скруббера.
Подобно распылительной башне, эжекторный скруббер Вентури использует предварительно сформированный распыл. Однако в эжекторном скруббере Вентури используется только одно сопло вместо многих сопел. Это сопло работает при более высоких давлениях и более высоких скоростях впрыска, чем в большинстве распылительных камер. Высоконапорное распылительное сопло (до 689 кПа или 100 фунтов на кв. дюйм ) направлено на горловину сужения Вентури .
Эжектор Вентури является уникальным среди имеющихся систем очистки, поскольку он может перемещать технологический газ без помощи вентилятора или воздуходувки. Жидкостная струя, выходящая из сопла, создает частичный вакуум в боковом канале скруббера. Частичный вакуум обусловлен эффектом Бернулли и похож на водяные аспираторы, используемые в химических лабораториях. Этот частичный вакуум может использоваться для перемещения технологического газа через Вентури, а также через технологическую систему предприятия. В случае легко засоряющегося материала, взрывоопасных газов или чрезвычайно едких атмосфер устранение вентилятора в системе может избежать многих потенциальных проблем.
Энергия для образования скрубберных капель поступает из впрыскиваемой жидкости. Высоконапорные струи, проходящие через горловину Вентури, образуют многочисленные мелкие капли жидкости, которые обеспечивают турбулентное смешивание между газовой и жидкой фазами. Очень высокие скорости впрыскивания жидкости используются для обеспечения возможности перемещения газа и более высокой эффективности сбора. Как и в других типах Вентури, необходимо установить средство отделения увлеченной жидкости от газового потока. Для удаления оставшихся мелких капель обычно используются сепараторы уноса .
Распыленная жидкость обеспечивает огромное количество мельчайших капелек, с которыми сталкиваются частицы пыли. Эти жидкие капли, включающие частицы, должны быть удалены из выходного потока скруббера, как правило, с помощью циклонных сепараторов .
Эффективность удаления частиц увеличивается с ростом перепада давления из-за увеличения турбулентности из-за высокой скорости газа в горловине. Вентури может работать при перепадах давления от 12 до 250 миллибар.
Большинство трубок Вентури обычно работают при перепадах давления в диапазоне от 50 до 150 см (от 20 до 60 дюймов) водяного столба. При таких перепадах давления скорость газа в горловине обычно составляет от 30 до 120 м/с (от 100 до 400 футов/с) или около 270 миль/ч на верхнем конце. Эти высокие перепады давления приводят к высоким эксплуатационным расходам.
Скорость впрыска жидкости или соотношение жидкости к газу (Ж/Г) также влияет на сбор частиц. Необходимо впрыскивать необходимое количество жидкости, чтобы обеспечить адекватное покрытие области горловины и компенсировать любые потери от испарения. Если жидкости недостаточно, то не будет достаточно жидких целей для обеспечения требуемой эффективности захвата.
Большинство систем Вентури работают с соотношением L/G от 0,4 до 1,3 л/м 3 (от 3 до 10 галлонов/1000 футов 3 ). [4] Соотношение L/G менее 0,4 л/м 3 (3 галлона/1000 футов 3 ) обычно недостаточно для покрытия горловины, а добавление более 1,3 л/м 3 (10 галлонов/1000 футов 3 ) обычно не приводит к значительному повышению эффективности сбора частиц.
Эжекторные трубки Вентури эффективны для удаления частиц диаметром более 1,0 мкм. Эти скрубберы не используются для частиц субмикрометрового размера, если только частицы не конденсируются. [5] Сбор частиц происходит в основном за счет удара, когда отходящий газ (из процесса) проходит через распылитель.
Турбулентность, возникающая в области горловины, также заставляет частицы контактировать с мокрыми каплями и собираться. Эффективность сбора частиц увеличивается с увеличением давления в сопле и/или увеличением соотношения жидкости и газа . Увеличение любого из этих двух рабочих параметров также приведет к увеличению перепада давления для данной системы. Следовательно, увеличение перепада давления также увеличивает эффективность сбора частиц. Эжекторные трубки Вентури работают при более высоких соотношениях L/G, чем большинство других скрубберов для твердых частиц (т. е. от 7 до 13 л/м 3 по сравнению с 0,4-2,7 л/м 3 для большинства других конструкций), и часто также требуют более высокого давления жидкости, особенно если они используются для перемещения технологического газа.
Скрубберы Вентури могут использоваться для удаления газообразных загрязняющих веществ; однако они не используются, когда удаление газообразных загрязняющих веществ является единственной проблемой.
Высокие скорости газа на входе в скруббер Вентури приводят к очень короткому времени контакта между жидкой и газовой фазами. Это короткое время контакта ограничивает поглощение газа . Однако, поскольку скрубберы Вентури имеют относительно открытую конструкцию по сравнению с другими скрубберами, они по-прежнему очень полезны для одновременного удаления газообразных и твердых загрязняющих веществ , особенно когда:
Для максимизации поглощения газов, Вентури разработаны для работы в другом наборе условий, чем те, которые используются для сбора частиц. Скорости газа ниже, а соотношение жидкости к газу выше для поглощения.
Для данной конструкции Вентури, если скорость газа уменьшается, то падение давления (сопротивление потоку) также уменьшится, и наоборот. Таким образом, при уменьшении падения давления скорость газа уменьшается, а соответствующее время пребывания увеличивается. Соотношение жидкости и газа для этих применений поглощения газа составляет приблизительно от 2,7 до 5,3 л/м 3 (от 20 до 40 галлонов/1000 футов 3 ). Уменьшение скорости газа обеспечивает более длительное время контакта между фазами и лучшую абсорбцию .
Увеличение соотношения жидкости к газу увеличит потенциальную растворимость загрязняющего вещества в жидкости. Вот почему для этой цели часто используют эжекторный скруббер Вентури , хотя другие факторы могут по-прежнему приводить к выбору типичного скруббера Вентури.
Хотя скрубберы Вентури способны в некоторой степени контролировать летучие органические соединения (ЛОС), в целом они ограничены контролем PM ( твердых частиц ) и высокорастворимых или химически активных газов ( EPA, 1992; EPA, 1996 ). [6]
Эжекторные трубки Вентури имеют короткое время контакта газа с жидкостью, поскольку скорости выхлопных газов через сосуд очень высоки. Это короткое время контакта ограничивает эффективность абсорбции системы. Хотя эжекторные трубки Вентури не используются в первую очередь для удаления газа, они могут быть эффективны, если газ очень растворим или если используется очень реактивный очищающий реагент. В этих случаях может быть достигнута эффективность удаления до 95%. [5]
Основной проблемой обслуживания скрубберов Вентури является износ или истирание оболочки скруббера из-за высоких скоростей газа. Скорости газа в горловине могут достигать скорости 430 км/ч (270 миль/ч). Частицы и капли жидкости, движущиеся с такой скоростью, могут быстро разрушить оболочку скруббера.
Абразию можно уменьшить, футеровав горловину кирпичом из карбида кремния или оснастив ее сменной футеровкой. Абразия может также происходить ниже по потоку от горловины. Чтобы уменьшить абразивность здесь, колено в нижней части скруббера (ведущее в сепаратор) можно затопить (т. е. заполнить бассейном скрубберной жидкости). Частицы и капли ударяются о бассейн жидкости, уменьшая износ оболочки скруббера.
Распространенным методом снижения абразивного износа является использование предварительного очистителя (например, гасящих спреев или циклона ) для удаления более крупных и более вредных частиц. Это также имеет дополнительное преимущество, уменьшая нагрузку частиц, переносимых жидкостью.
Метод впрыска жидкости в горловину Вентури также может вызывать проблемы. Распылительные форсунки используются для распределения жидкости, поскольку они более эффективны (имеют более эффективную схему распыления) для впрыска жидкости, чем водосливы. Однако распылительные форсунки могут легко засориться, когда жидкость рециркулируется. Для устранения этой проблемы можно использовать автоматические или ручные расширители. Однако, когда рециркулируются тяжелые жидкие пульпы (вязкие или содержащие частицы), часто требуется впрыскивание через открытый водослив.
Эжекторные трубки Вентури подвержены проблемам абразивного износа в областях высокой скорости — сопла и горловины. Оба должны быть изготовлены из износостойких материалов из-за высоких скоростей впрыска жидкости и давления в сопле. Техническое обслуживание насоса, который рециркулирует жидкость, также очень важно. Кроме того, высокие скорости газа требуют использования сепараторов уноса для предотвращения чрезмерного уноса жидкости. Сепараторы должны быть легкодоступными или съемными, чтобы их можно было очистить в случае засорения.
Скрубберы Вентури могут обеспечивать самую высокую эффективность улавливания частиц (особенно очень мелких частиц) среди всех систем мокрой очистки .
Они являются наиболее широко используемыми скрубберами, поскольку их открытая конструкция позволяет им удалять большинство частиц без засорения или ошпаривания. Вентури также могут использоваться для поглощения загрязняющих газов; однако они не так эффективны для этого, как насадочные или пластинчатые башни.
Скрубберы Вентури были разработаны для сбора частиц с очень высокой эффективностью сбора, иногда превышающей 99%. Способность скрубберов Вентури обрабатывать большие объемы на входе при высоких температурах делает их очень привлекательными для многих отраслей промышленности; следовательно, они используются для снижения выбросов твердых частиц в ряде промышленных применений. Эта способность особенно желательна для снижения выбросов цементных печей и для контроля выбросов из основных кислородных печей в сталелитейной промышленности, где входящий газ поступает в скруббер при температуре более 350 °C (660 °F).
Вентури также используются для контроля выбросов летучей золы и диоксида серы из промышленных и коммунальных котлов .
Эксплуатационные характеристики скрубберов Вентури приведены в Таблице 1. [ 3]
Благодаря своей открытой конструкции и тому факту, что им не требуется вентилятор, эжекторные трубки Вентури способны обрабатывать широкий спектр едких и/или липких частиц. Однако они не очень эффективны при удалении субмикронных частиц. Их преимущество в том, что они способны обрабатывать небольшие, средние и большие потоки выхлопных газов. Их можно использовать по отдельности или в несколько этапов по два или более последовательно, в зависимости от конкретного применения.
Многоступенчатые системы использовались там, где требовалась чрезвычайно высокая эффективность сбора частиц или газообразных загрязняющих веществ. Многоступенчатые системы обеспечивают увеличенное время контакта газа и жидкости, тем самым повышая эффективность абсорбции.
