Jak działają odpylacze cyklonowe w instalacjach przemysłowych

Skuteczne odpylanie przemysłowe często wymaga etapowania procesu. Odpylacz cyklonowy służy w nim do wstępnego oddzielania pyłu od powietrza bez użycia materiału filtracyjnego. Najlepiej sprawdza się jako etap wstępny tam, gdzie strumień powietrza zawiera przede wszystkim grubsze cząstki lub materiał sypki. O skuteczności nie decyduje sama obecność cyklonu w instalacji, lecz właściwości pyłu, warunki przepływu oraz sposób odbioru oddzielonego materiału.

1. Określ rodzaj pyłu, jego granulację, temperaturę oraz właściwości istotne dla bezpiecznej pracy instalacji.
2. Sprawdź, czy w strumieniu dominują większe cząstki, które można skutecznie oddzielić dzięki sile odśrodkowej.
3. Oceń wymagany poziom oczyszczenia powietrza, warunki pracy oraz wymagania ATEX (ATmosphères EXplosibles - unijne dyrektywy bezpieczeństwa w strefach zagrożonych wybuchem) dotyczące atmosfer wybuchowych.
4. Dobierz kolejne stopnie oczyszczania, jeśli instalacja musi ograniczać również drobne frakcje pyłu.

Cyklon nie jest rozwiązaniem uniwersalnym dla każdego rodzaju zanieczyszczeń. Może odebrać znaczną część grubego pyłu, ale najdrobniejsze cząstki często pozostają w strumieniu gazu. Jeżeli mają znaczenie dla bezpieczeństwa pracy, czystości procesu lub jakości powietrza, za cyklonem potrzebny jest odpowiednio dobrany filtr.

Kiedy zastosować cyklon przed filtrem?

Cyklon warto zastosować przed filtrem, gdy powietrze niesie dużo grubego pyłu albo materiału sypkiego. Przejmuje wtedy wstępną separację, dzięki czemu do dalszego stopnia oczyszczania trafia mniej zanieczyszczeń. Taką rolę pierwszego stopnia oczyszczania pełnią m.in. filtry cyklonowe.

Jak działa odpylacz cyklonowy?

Odpylacz cyklonowy oddziela cząstki stałe od gazu dzięki ruchowi wirowemu. Stosuje się go między innymi przy przesypywaniu surowców, obróbce mechanicznej, szlifowaniu, procesach termicznych oraz transporcie materiałów sypkich. Oczyszczony częściowo gaz opuszcza urządzenie przez centralny przewód wylotowy, natomiast oddzielony pył opada do leja odbiorczego.

Zależność z cytatu to uproszczenie - obowiązuje do pewnej granicy, powyżej której zbyt duża prędkość zwiększa turbulencje, opory przepływu oraz ryzyko wtórnego porywania pyłu. Odpylanie dużych strumieni gazu zawierających bardzo drobne cząstki prowadzi się w praktyce w multicyklonach, czyli bateriach równolegle połączonych cyklonów o małych średnicach.

1. Mieszanina pyłu i powietrza trafia do korpusu cyklonu w sposób wywołujący wirowanie.
2. Cięższe cząstki są kierowane ku ściankom pod wpływem siły odśrodkowej.
3. Oddzielony pył opada po ścianie do stożkowej części urządzenia i dalej do leja.
4. Gaz, z którego usunięto część zanieczyszczeń, przemieszcza się ku osi urządzenia.
5. Strumień gazu opuszcza cyklon przez centralny przewód wylotowy.

Ruch wirowy i separacja cząstek

Mieszanina pyłowo-powietrzna nie przepływa przez cyklon prostą drogą. Po wlocie zaczyna poruszać się wzdłuż obwodu korpusu, tworząc zewnętrzny wir. Gaz gwałtownie zmienia kierunek, a większe i cięższe cząstki trudniej dostosowują się do tego ruchu.

Siła odśrodkowa przesuwa te cząstki w stronę ścianek. Po kontakcie ze ścianą tracą część energii i opadają do dolnej, stożkowej części urządzenia. Gaz pozbawiony części pyłu pozostaje bliżej osi cyklonu, gdzie tworzy się wewnętrzny wir prowadzący go ku przewodowi wylotowemu.

W cyklonie nie ma wkładów ani worków filtracyjnych, na których zatrzymuje się pył. Rozdzielenie pyłu i gazu zachodzi wyłącznie podczas przepływu przez odpowiednio ukształtowaną komorę. To ogranicza liczbę elementów filtracyjnych w etapie wstępnym, ale nie oznacza jednakowej skuteczności dla każdej frakcji pyłu.

Znaczenie ma stabilność przepływu. Zmienna wydajność odciągu, nieszczelności albo zaburzenia przy wlocie osłabiają wir. W takich warunkach część cząstek może nie dotrzeć do ścianek i pozostać w gazie kierowanym do wylotu.

Lej odbiorczy i szczelny odbiór pyłu

Oddzielony pył przemieszcza się z zewnętrznym wirem w dół, wzdłuż ścianek korpusu. Stożkowa część cyklonu kieruje materiał do leja odbiorczego. W tym samym czasie gaz zawraca w dolnej części urządzenia i jako wewnętrzny wir przesuwa się ku górze przez środek korpusu.

Lej musi być drożny i szczelnie połączony z układem odbioru materiału. Jeżeli do dolnej części urządzenia dostaje się dodatkowe powietrze, może ono zakłócić wir i ponownie unieść część wcześniej oddzielonego pyłu. Podobny problem występuje przy zaleganiu materiału w leju.

Na pracę układu wpływa również sposób podłączenia cyklonu do instalacji. Przewody doprowadzające powinny ograniczać zbędne zaburzenia strumienia, a przewód wylotowy nie może destabilizować wewnętrznego wiru. W praktyce trzeba kontrolować drożność leja, szczelność połączeń oraz regularność odbioru pyłu.

Granulacja pyłu wyznacza zakres zastosowania

Cyklony najlepiej radzą sobie z pyłami grubymi i materiałami sypkimi. Większe cząstki mają większą bezwładność, dlatego łatwiej odrywają się od toru gazu i przemieszczają ku ściankom. Takie zanieczyszczenia pojawiają się między innymi podczas przesypywania, kruszenia, obróbki materiału, transportu pneumatycznego oraz odbioru produktu z urządzeń technologicznych.

Im drobniejsze są cząstki, tym łatwiej podążają za ruchem powietrza. Mogą pozostać w rdzeniu wiru i zostać wyniesione przez przewód wylotowy. Jest to ograniczenie separacji odśrodkowej, a nie oznaka nieprawidłowej pracy samego urządzenia.

Ocena skuteczności nie powinna ograniczać się do obserwacji, że w instalacji jest mniej pyłu. Trzeba ustalić, która frakcja dominuje w strumieniu oraz która może zagrażać pracownikom lub zakłócać kolejny etap procesu. Pył widoczny na posadzce albo elementach instalacji może być łatwy do oddzielenia, podczas gdy frakcja unosząca się w powietrzu będzie wymagała dokładniejszego filtra.

W procesach o zmiennej granulacji nie wystarcza jednorazowa ocena wzrokowa. Właściwości pyłu mogą zmieniać się po zmianie surowca, parametrów obróbki, wilgotności lub intensywności transportu. Cyklon należy więc dobierać do rzeczywistego pyłu odbieranego z konkretnego stanowiska.

Przepływ gazu, opory instalacji i filtr końcowy

Prędkość gazu wpływa na intensywność wiru. Zbyt mała może nie zapewnić warunków potrzebnych do przesuwania cząstek ku ściankom. Zbyt duża wzmacnia wirowanie, ale jednocześnie zwiększa opory przepływu, które musi pokonać wentylator.

Samo zwiększanie prędkości nie poprawia odpylania w każdej sytuacji. Silniejszy przepływ może powodować większe turbulencje i wtórne porywanie pyłu z dolnej części urządzenia. W przypadku materiałów ściernych może też przyspieszać zużycie ścianek, stożka oraz elementów odbioru pyłu.

W instalacji z dużym udziałem grubszej frakcji cyklon może działać jako separator wstępny. Filtr końcowy przejmuje wtedy drobniejsze cząstki, a do dalszej części układu trafia mniej materiału. Taki układ wymaga jednak wspólnego doboru cyklonu, wentylatora, przewodów, odbioru pyłu i stopnia filtracji końcowej.

Szczególnej uwagi wymaga sytuacja, w której powietrze wraca do hali, proces wymaga wysokiej czystości albo pył może utrudniać dotrzymanie wartości NDS, czyli najwyższych dopuszczalnych stężeń. Wentylacja ogólna i otwarte bramy nie zastępują odciągu przy źródle emisji, ponieważ nie przechwytują pyłu w miejscu jego powstawania.

Przy doborze układu należy uwzględnić rodzaj i granulację pyłu, strumień gazu, temperaturę, wilgotność, ścieralność, wymaganą czystość powietrza oraz sposób odbioru materiału z leja. Jeżeli pył może tworzyć atmosferę wybuchową, konieczna jest ocena ryzyka i zastosowanie rozwiązań zgodnych z ATEX.

Kiedy sam cyklon może nie wystarczyć?

Sam cyklon może nie wystarczyć, gdy instalacja musi skutecznie ograniczać bardzo drobny pył, zapewnić wysoką czystość powietrza na stanowiskach pracy albo chronić proces wrażliwy na zanieczyszczenia. W takich warunkach cyklon stanowi etap wstępny, a dalsze oczyszczanie przejmuje filtr dobrany do rodzaju pyłu i wymaganej skuteczności.

Dobór stopnia separacji w naszych realizacjach

Dobór stopnia separacji zawsze wynika z charakterystyki pyłu na konkretnym stanowisku. Tam, gdzie strumień niesie dużo grubej frakcji, opłaca się osobny stopień wstępny - np. cyklon - odciążający filtr właściwy; gdzie dominuje pył drobny lub proces ma inną specyfikę, dobiera się rozwiązania dopasowane do warunków. Dwa przykłady z instalacji, które wykonaliśmy:

• Sortownia odpadów selektywnych, pełne ATEX - filtr MMBF M2 ED ATEX, wentylator JK-50 MTD ATEX o mocy 18,5 kW, bezpłomieniowa izolacja wybuchu VIGIFLAP, regulacja wydajności czujnikiem podciśnienia, okapy nad trzema przesypami i prasą.
• Prasa kuźnicza Schuler MME2-2000, kucie na gorąco w 900°C w branży motoryzacyjnej - rurociągi ze stali czarnej grubości 3 mm łączone kołnierzowo, wewnętrzne zraszanie czterema dyszami i filtr wodny.

To dane z instalacji, które projektowaliśmy i wykonywaliśmy. Stopień oczyszczania dobieramy do rzeczywistego pyłu na konkretnym stanowisku, nie z katalogu.

Źródła

• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/34/UE (ATEX) - EUR-Lex
• Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2018 poz. 1286) - ISAP
• Cyklon (separator) - Wikipedia, wolna encyklopedia