Скрубберы: особенности конструкции и принцип работы

Скрубберы для очистки воздуха являются одними из основных устройств для снижения концентрации вредных и опасных веществ в отходящих газах на производстве. Высокая степень очистки позволяет доводить предельно-допустимую концентрацию (ПДК) загрязнений в рабочем потоке до нормативов, установленных на законодательном уровне. Скрубберы для очистки воздушно-газовых смесей дают возможность снизить риск возникновения профессиональных заболеваний на предприятии и не загрязнять окружающую среду. Принцип действия скруббера основан на соприкосновении частиц загрязнений с мокрой поверхностью или каплями влаги с последующим их связыванием и удалением с помощью дренажа. Разнообразие конструкций, большой выбор установок по производительности и возможность применять в качестве влаги различные химические растворы позволяют очищать газовый поток от твердых включений, нейтрализовать вредные газы, увлажнять и снижать температуру отходящих газов.

Принцип работы скруббера

Скрубберы для очистки газов относятся по классификации к устройствам с мокрой очисткой и иногда гораздо эффективнее своих аналогов с сухой технологией улавливания загрязнений. В скруббере мокрой очистки используются два способа контакта газа и жидкости, локализации и удаления твердых загрязнений:

• смачивание;
• динамический контакт в турбулентном потоке.

В первом случае жидкость подается на многочисленные перегородки, расположенные в корпусе устройства. Пыль из загрязненного потока, сталкиваясь с пленкой жидкости на перегородках, прилипает к мокрой поверхности и в последующем смывается в дренаж, а очищенный газ выходит наружу. В зависимости от конструкции скруббера и объема очищаемого газа количество, площадь и расположение перегородок в корпусе варьируется.

В скрубберах мокрой очистки с применением эффекта динамического контакта процесс очистки происходит с использованием форсунок, которые под давлением распыляют жидкость во внутренний объем корпуса. С помощью перемычек и перегородок скорость загрязненного потока внутри корпуса замедляется, частички пыли смачиваются мельчайшими каплями жидкости, слипаются между собой с увеличением массы. Тяжелые загрязнения оседают в нижнюю часть корпуса и удаляются дренажной системой. В зависимости от условий эксплуатации, концентрации, физических и химических свойств загрязнений, объема запыленного газа рассчитываются количество и расположение форсунок. Жидкость может подаваться в агрегат параллельно, перпендикулярно или навстречу потоку.

Очень часто в промышленности используется комбинированный метод. В этом случае скрубберы для очистки пыли имеют мокрые перегородки и форсунки для подачи жидкости. Смачивание частиц загрязнений и их дальнейшее удаление осуществляется при соприкосновении жидкости и твердой пыли на поверхности перегородок и динамического контакта в турбулентном потоке газа.

В зависимости от вида технологического процесса на производстве газовые выбросы могут быть следующих типов:

• с содержанием твердых включений в виде пыли органического (ПГО т. о.) и неорганического (ПГО т. н.) происхождения;
• с содержанием токсичных примесей, находящимся в газообразном состоянии (ПГО г.), органического и неорганического происхождения.

Распространенным видом скрубберов-пылеуловителей является труба Вентури, которая обеспечивает высокую степень очистки воздуха от твердых частиц размером от 0,1 мкм. Дополнительными преимуществами этих аппаратов считаются относительно низкая стоимость, длительный срок эксплуатации, высокая универсальность применения, которая подразумевает не только очистку, но увлажнение и охлаждение очищаемого потока.

Виды скрубберов газов

В зависимости от исходных характеристик и вида загрязнений, объема загрязненного газа и условий эксплуатации различают определенные типы скрубберов:

• полые (форсуночные);
• насадочные;
• пенные (барботажные);
• центробежные;
• Вентури (труба Вентури).

Полый скруббер отличается низким гидравлическим сопротивлением, простотой конструкции и высокой степенью очистки. Форсунки для подачи влаги могут располагаться в центре или пол периметру корпуса, а направление распыла может быть прямоточным, противоточным или перпендикулярным относительно движения загрязненного потока. Диаметр форсунок и величина капель жидкости выбираются в зависимости от размеров частиц загрязнений.

Конструктивно мокрый скруббер состоит из полого круглого или прямоугольного корпуса, в верхней части которого располагается система форсунок. Подаваемая жидкость полностью перекрывает всю площадь сечения аппарата для создания максимального контакта с частицами загрязнений. Запыленный поток поступает в нижнюю часть устройства и по мере движения вверх очищается жидкостным туманом. Шлам в виде пульпы стекает в специальную емкость и в дальнейшем удаляется для утилизации. Скорость рабочей среды подбирается с учетом исключения выхода загрязнений и влаги с чистым воздухом.

Насадочный скруббер в дополнение к жидкостным форсункам снабжен разным количеством специальных насадок в виде перегородок, за счет которых увеличивается площадь контакта загрязненного потока с жидкостью. Такая конструкция обеспечивает высокую степень очистки при небольшой скорости запыленного потока, уменьшение габаритов и снижение мощности насосов и вентиляторов. Широкое распространение насадочные скрубберы получили на коксохимических предприятиях, где они обычно монтируются в последовательном порядке в количестве 4-5 штук. Расчет таких аппаратов проводят из соотношения, что для очистки газа объемом 1м³/ч необходима площадь1,8 м² насадки. В такой схеме предусмотрено отключение одного из скрубберов для ремонта или профилактики без остановки процесса очистки.

Газовый скруббер предполагает наличие абсорбционных наполнителей (насадки), которые представляют собой стальные, керамические, углеграфитовые, пластиковые элементы в виде колец, полуколец, плиток и других геометрических фигур, имеющих пористую структуру с малым объемом и увеличенной поверхностью для повышения зоны контакта двух сред. В зависимости от химических и физических свойств вредных газов подбирают материал абсорбера и его геометрическую конфигурацию (кольца Рашига, розетки Теллера, спирали Левина и т. д.). наполнители могут располагаться в геометрически правильном порядке (регулярная насадка) или навалом (нерегулярная насадка). 

Пенный скруббер снабжен поперечными решетками, в которых сделаны отверстия диаметром не более 5 мм. При прохождении загрязненного газа, жидкость на решетках преобразуется в пену, которая эффективно улавливает твердые частицы и способствует глубокому контакту рабочей среды с абсорбентом за счет широкого межфазного перепада. Такой принцип очистки способствует удалению из газовоздушной смеси загрязнений с размером от 5 мкм. Скорость движения потока в пенном устройстве составляет всего от 4 до 5 м/с, а степень очистки достигает 99,9%.

Барботажный скруббер может иметь в своей конструкции провальные или переливные тарелки в качестве плоскости для контакта жидкости и запыленного газа, а отверстия могут быть круглые или щелевые. Оросительные форсунки в барботажном фильтре-скруббере работают не только для организации жидкостного аэрозоля, но и для формирования пенного слоя, образующегося при осаждении реагирующей среды на тарелках (барботерах). Конструкция аппарата обычно разборная. Пенные (барботажные) скрубберы эффективно применяются для очистки и нейтрализации опасных химических газов и твердых примесей на предприятиях химической, пищевой, энергетической промышленности, в секторе добычи углеводородов, на установках гальваники.

Центробежные скрубберы-пылеуловители (орошаемые циклоны) совмещают в себе два принципа очистки газов от загрязнений: мокрая и центробежная. Проходящий внутри корпуса поток запыленного газа орошается жидкостью из форсунок и закручивается входным патрубком по спирали. Центробежная сила отбрасывает частички загрязнений к стенкам устройства, которые в дальнейшем смываются в дренажную систему. Степень очистки таких аппаратов от частиц размером более 30 мкм составляет не менее 90%, а гидравлическое сопротивление находится в диапазоне 400-850 Па. При использовании в качестве жидкости орошения химических растворов для нейтрализации вредных веществ для повышения коррозионной стойкости и стойкости к истиранию внутренние стенки корпуса подвергают футеровке из конкретных материалов.

Скруббер-аппарат типа труба Вентури действует с применением закона Бернулли, который гласит что давление и скорость жидкостного и газового потока зависит от диаметра трубы, в которой он перемещается. Запыленный газ разгоняется в трубе Вентури за счет использования в конструкции перепадов сечения трубы и контактируют с распыляемой форсунками жидкостью. Повышенная скорость потока и высокая турбулентность в узком секторе трубы Вентури способствуют эффективному взаимодействию жидкости и примесей. После выхода взвеси в широкую часть трубы, скорость потока падает и частички аэрозоля объединяются в крупные капли, которые задерживаются сепаратором (уловителем), а очищенный воздух выходит наружу. Осажденный шлам в дальнейшем транспортируется в отстойники и утилизируется. Устройство скруббера типа труба Вентури позволяет не только очистить загрязненный газ, но и понизить температуру рабочей среды. Эта особенность позволила эффективно применять устройства такого вида в металлургической и энергетической промышленности для очистки отходящих газов с высокой температурой.

Преимущества мокрых скрубберов

Скруббер-схема с мокрой очисткой имеет большое количество преимуществ, перед аналогичными аппаратами с сухой фильтрацией загрязненных газов:

• небольшие размеры;
• исключение в процессе эксплуатации появления вторичных источников загрязнений;
• возможность применения для рабочей среды с высокой насыщенностью и температурой;
• максимальная взрыво- и пожаробезопасность из-за наличия жидкой среды;
• высокая степень очистки, достигающая показателя 99,9%;
• универсальность – возможность применения для механических и химических загрязнений в твердом и газообразном виде;
• возможность повторного использования очищенных примесей.

Компактные размеры скруббера с мокрой очисткой позволяет размещать устройство на предприятиях с небольшой полезной площадью. Этот фактор помогает значительно сократить вложения в систему очистки, по сравнению с сухими агрегатами одинаковой производительности.

Международная классификация (действующая и в Российской Федерации) происходит по гидравлическому сопротивлению и делит все скрубберы на 3 вида:

• эжекторные (гидравлическое сопротивление до 1200 Па);
• низконапорные (гидравлическое сопротивление от 1200 до 3700 Па);
• высоконапорные (гидравлическое сопротивление выше 3700 Па).

Отходы от системы очистки скрубберами представляют собой раствор, пульпу, пасту или сухой порошок. В зависимости от химического и физического состава и степени их опасности отходы в дальнейшем утилизируются или направляются на вторичное использование в других сферах производства. К примеру, отходы после обработки руды с содержанием ртути направляются для захоронения в специальные могильники, а выбросы после электрических станций образуют гипс с синтетическим составом высокого качества.

Для эффективной работы оборудования и повышения безопасности производства очень важно своевременно очищать накопительные емкости с вредными загрязнениями, образующимися после процесса очистки газов. Несвоевременное удаление отходов может привести к образованию твердых пробок в системе шламопроводов и дальнейшая его очистка потребует значительных финансовых и трудовых затрат. При включении устройства в систему промышленной вентиляции (аспирации) в качестве одной из ступени очистки может повлечь за собой размножение вредных или опасных микроорганизмов. Для правильно работы скуббера нужно делать правильный расчет скруббера.