Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 431
Скачиваний: 17
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
М.Ш. Баркан, А.Е. Исаков
Учебное пособие
Процессы и аппараты защиты
окружающей среды
2
УДК 502.1
ББК 20.18
Б 25
Процессы и аппараты защиты окружающей среды / М.Ш. Баркан,
А.Е. Исаков; СПб, 2016. 244 с.
Рассмотрены процессы и аппараты технологических и вентиляционных газовых потоков на предприятиях различных отраслей промышленности и выделены современные методы и аппараты, используемые для решения этой задачи, приведены методики расчета пылеулавливающих аппаратов. Приве- дены методы и аппараты очистки сточных вод.
Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров по направ- лению 022000 «Экология и природопользование» и специалистов по специ- альности 130400 «Горное дело» (специализация 8 «Горнопромышленная экология»), по дисциплине «Общая экология», а также может быть использо- вано студентами всех специальностей, изучающими дисциплины, связанные с экологией, рациональным использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды.
Научный редактор проф. М.А. Пашкевич
Рецензенты: д.т.н., профессор В.А. Липин (Санкт-Петербургский по- литехнический университет имени Петра Великого), к.т.н. Ю.В. Андреев
(Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Велико- го).
3
ВВЕДЕНИЕ
Защита окружающей среды от загрязнений – одна из важ- нейших проблем современности, затрагивающая интересы развитых стран мира. Вопросам защиты атмосферы и гидро- сферы от промышленных выбросов и сбросам уделяет внима- ние широкий круг исследователей.
С каждым годом все большее число людей проживает в неблагоприятных экологических условиях. Прогрессирующее воздействие производства на окружающую среду связано с увеличением количества предприятий, обслуживающих воз- растающие потребности увеличивающегося населения Земли.
Многие предприятия работают по устаревшим технологиям или недостаточно модернизированы.
Создание безотходных и малоотходных технологий по многим отраслям промышленности на данном этапе развития человечества слишком затратно или невозможно. В связи с серьезным загрязнением биосферы во многих странах приняты ограничения на выброс/сброс/складирование загрязняющих веществ, в частности установления нормативов ПДК, ПДС,
НДС, лимитов на образование отходов. По существующим правилам запрещено вводить в эксплуатацию предприятия, не оснащенные соответствующими природоохранными меро- приятиями.
Авторами рассмотрены достоинства и недостатки наибо- лее распространенных в настоящее время видов систем и ап- паратов очистки отходящих газов и сточных вод.
Данное пособие преследует цель ознакомить специали- стов со спектром природоохранных мероприятий, нацеленных на снижение негативного влияния предприятий на окружаю- щую среду.
4
1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОЦЕССЫ ОХРАНЫ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОХРАНЫ АТМОСФЕРНОГО
ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Действующая в нашей стране природоохранная норма- тивно-техническая документация в области защиты атмосферы от загрязнения использует следующие понятия:
Источник выделения загрязняющих веществ – объект, в котором происходит образование загрязняющих веществ (ус- тановка, аппарат, емкость для хранения, двигатель, свалка от- ходов и т.п.).
Источник загрязнения атмосферы (источник выброса) – объект, от которого загрязняющее вещество поступает в атмо- сферу (труба, вентшахта, открытая стоянка транспорта и т.п.).
Все источники загрязнения атмосферы подразделяются в соответствии со следующей классификацией:
Стационарный источник – источник, имеющий постоян- ное место в пространстве относительно заводской системы ко- ординат (труба котельной, открытые фрамуги цеха и т.п.).
Передвижной источник – источник, не занимающий по- стоянное место на территории предприятия (транспортные средства, передвижные компрессоры и дизель-генераторы электросварки и т.п.).
Организованный источник – источник, осуществляющий выброс через специально сооруженные устройства (трубы, га- зоходы, вентиляционные шахты).
Неорганизованный источник – источник загрязнения, осуществляющегося в виде ненаправленных потоков газа, как результат, например, нарушения герметичности оборудования, а также пылящие отвалы, открытые емкости и т.п.
Точечный источник – источник в виде трубы или венти- ляционной шахты с размерами сечения, близкими друг другу
(трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечения и т.п.).
5
Линейный источник – источник в виде канала для прохода загрязненного газа с поперечным сечением, имеющим значи- тельную протяженность (длину) в несколько раз большую, чем ширина (высота), например, ряд открытых, близко располо- женных в одну линию оконных фрамуг либо аэрационные фо- нари и т.п.
Плоскостной источник – источник, имеющий значитель- ные геометрические размеры площадки, по которой относи- тельно равномерно происходит выделение загрязнений и, в том числе, как результат рассредоточения на площадке большого числа источников (отвал, открытая стоянка автотранспорта и т.п.).
Отнесение источника загрязнения к точечному, линейно- му или плоскостному типу производится с целью определения математического аппарата, который используется впоследст- вии при расчете рассеивания загрязнения в атмосфере в соот- ветствии с ОНД-86.
Классификация выбросов ведется также по температуре
(нагретые t
выбр
t
возд и холодные t
выбр
t
возд
); по признакам очистки (неочищаемые организованные и неорганизованные, очищаемые организованные).
С газовой фазой в атмосферу поступают твердые, жидкие, паро- и газообразные неорганические и органические вещест- ва, определяющие агрегатное состояние загрязнений, которые соответственно могут быть твердыми, жидкими, газообразны- ми и смешанными.
Основными загрязняющими газообразными веществами являются следующие:
1. Оксид углерода. Получается при неполном сгорании уг- леродистых веществ. Способствует созданию парникового эф- фекта. Препятствует абсорбции кровью кислорода, что ослаб- ляет мыслительные способности, замеляет рефлексы, вызывает сонливость, и может быть причиной потери сознания и смерти.
2. Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд. Ко-
6 нечным продуктом реакций является аэрозоль или раствор сер- ной кислоты в дождевой воде, т.н. кислотные дожди.
3. Оксиды азота. Основными источниками выброса явля- ются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, а также аппараты, использующие высоко- температурное горение. Увеличивает восприимчивость орга- низма к вирусным заболеваниям, раздражают легкие, вызыва- ют бронхит и пневмонию, приводит к образованию кислотных дождей.
4. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, кера- мики, стали, фосфорных удобрений. Соединения характеризу- ются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
5. Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химиче- ских предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросо- держащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсич- ность хлора определяется видом соединений и их концентра- цией.
Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящие- ся во взвешенном состоянии в воздухе. В зависимости от спо- соба образования аэрозоли подразделяются на: диспергацион- ные (образовавшиеся в результате процессов измельчения твердых и жидких материалов или при распылении полидис- персных порошков в газовой фазе, d =1-100 мкм и более); кон- денсационные (образующиеся при конденсации возгонов или в результате химического взаимодействия газовых компонен- тов с образованием твердых частиц, такие аэрозоли имеют размер порядка
0,5 мкм). Компоненты аэрозолей в ряде слу- чаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. Такие вещества практически не оседают в атмосферном воздухе, плохо улавливаются защит- ными приспособлениями организма, из-за большой удельной поверхности обладают высокой реакционной способностью.
7
Основными источниками искусственных аэрозольных загряз- нений воздуха являются тепловые электростанции потребляю- щие уголь высокой зольности, массовые взрывные работы, обогатительные фабрики, металлургические заводы, промыш- ленные отвалы.
Роль пыли в атмосферном воздухе неоднозначна. Частицы пыли, являясь ядрами конденсации при образовании облаков и туманов, выполняют важную положительную роль в кругово- роте воды и других веществ в окружающей нас природе. Одна- ко с увеличением запыленности атмосферы происходит сниже- ние солнечной энергии, проникающей через увеличившуюся облачность, отрицательно влияет на климат планеты, а повы- шение концентрации активных соединений – на флору и фау- ну, а также на здоровье человека.
Одним из основных показателей, характеризующих пыль, являются состав и дисперсность. Со степенью дисперсности пыли связаны: повышение скорости и интенсивности её реак- ции с кислородом, увеличение адсорбционной способности и электрические свойства, а также биологическая активность.
Кроме того даже инертная пыль может вызвать отрицательные последствия для биосферы и человека.
Для паров, кроме непосредственно их химического соста- ва воздействующего на компоненты биосферы, важной харак- теристикой является их точка росы, опускаясь ниже которой они превращаются в мелкодисперсные аэрозоли.
Химический состав газовой фазы, образующей промыш- ленные выбросы, определяет ее свойства и, следовательно, способы и средства очистки и обезвреживания. Следует особо отметить, что пыли промышленных производств, как правило, являются концентраторами широкого спектра ценных компо- нентов, причем их стоимость может быть соизмерима со стои- мостью продуктов основного производства.
Определение и контроль химического состава пыли необ- ходимы для выбора эффективных методов улавливания и соз- дания технологий их утилизации и регенерации ценных ком- понентов.
8
Промышленные выбросы – многокомпонентные системы, содержащие до нескольких сотен ингредиентов, большинство из которых негативно воздействует на окружающую среду и человека. В частности, предприятия цветной металлургии яв- ляются источниками следующих выбросов: сернистый и сер- ный ангидрид; сероводород; хлор и его соединения; фтори- стый водород и его соединения; оксиды азота, углерода; со- единения мышьяка и ртути; углеводороды; соединения свинца, сурьмы, кадмия, цинка и т.д.; оксиды, сульфиды и халькогени- ды широкого спектра цветных и редких металлов; пары ам- миака, кислот и щелочей.
Таким образом, даже короткий перечень компонентов од- ной из отраслей свидетельствуют о высокой токсичности про- мышленных выбросов.
Правовые основы охраны атмосферного воздуха в Рос- сийской федерации изложены в Федеральном законе «Об ох- ране атмосферного воздуха» (Приложение А).
В теоретическом плане основой всей системы экологиче- ского нормирования является предельно допустимая концен- трация (ПДК).
Предельно допустимая концентрация – утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив.
Под ПДК понимается такая концентрация химических элемен- тов и их соединений в окружающей среде, которая при повсе- дневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболе- ваний, устанавливаемых современными методами исследова- ний в любые сроки жизни настоящего и последующего поко- лений.
ПДК для атмосферного воздуха подразделяются на:
ПДК
с.с.
– это среднесуточная предельно допустимая кон- центрация загрязняющего вещества в воздухе населённых мест в мг/м³. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного вредного воздействия на организм человека в условиях неопределённо долгого круглосуточного вдыхания.
9
Значения ПДК
с.с. веществ в атмосферном воздухе санитарно- курортной зоны принимается численно на 25% меньше, чем для обычных населённых мест.
ПДК
р.з.
–предельно допустимая концентрациязагряз- няющего вещества в воздухе рабочей зоны – концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в те- чение 8 часов, или при другой продолжительности, но не бо- лее 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа и на пенсии не должна вызывать заболевания или отклонения в со- стоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений, мг/м³.
ПДК
м.р.
– предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м
3
. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.
Если в воздухе присутствует одно загрязняющее вещест- во, то должно соблюдаться неравенство: C
i
≤ПДК
i
где C
i
и
ПДК
i
соответственно – концентрация и предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества.
Если в воздухе присутствуют несколько веществ имею- щих однонаправленное неблагоприятное влияние на организм в таком вещества входят в одну группу суммации. Существует несколько десятков групп суммации, в одну из которых, на- пример, аммиак, диоксид азота и диоксид серы. В том случае, когда в воздухе присутствуют несколько веществ, входящих в одну группу суммации, указанное выше неравенство преобра- жается к виду:
1
ПДК
ПДК
ПДК
2 2
1 1
n
n
C
C
C
(1.1) где n – количество веществ в группе суммации.
Для производственных объектов требуются несколько иные нормативы, учитывающие возможность проектных рас-
10 четов мощности очистных сооружений, возможности контроля непосредственно источников загрязнения и оценка их вклада в загрязнение окружающей среды.
Сущность введения норматива предельно-допустимого выброса (ПДВ) состоит в нормировании выбросов произ- водств, которые при существующих технологиях невозможно полностью исключить, но которые необходимо существенно уменьшить до уровня обеспечивающего содержание загряз- няющих веществ в приземном слое атмосферы ниже ПДК.
Итак, ПДВ – это масса выбросов вредных веществ в еди- ницу времени от данного источника или совокупности источ- ников загрязнения атмосферы производственного объекта
(промплощадки, предприятия, населенного пункта, города и т.д.) с учетом перспективы развития всех предприятий и рас- сеивания вредных веществ в атмосфере, фоновых концентра- ций, создающая приземную концентрацию за границей сани- тарно-защитной зоны, не превышающую их ПДК для населе- ния, растительного и животного мира, если нет других, более жестких экологических требований или ограничений (с осред- нением в любой 20-ти минутный период времени).
Нормативы ПДВ являются основой для проведения эколо- гической экспертизы и планирования мероприятий по сниже- нию загрязнения атмосферы. Норматив ПДВ разрабатывается с учетом фоновой концентрации – концентрации загрязняющего вещества в атмосферном воздухе не зависимо от воздействия данного источника, измеряется вне зоны влияния источника.
Под временно согласованным выбросом (ВСВ) следует понимать временный лимит выброса загрязняющего вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для дейст- вующих стационарных источников выбросов с учетом качества атмосферного воздуха и социально-экономических условий развития соответствующей территории в целях поэтапного достижения установленного предельно допустимого выброса.
Устанавливается органами государственного экологического контроля в целях минимизации воздействия на окружающую среду.
11
Основанием для установления ВСВ загрязняющего веще- ства в атмосферу может являться:
- превышение фоновой концентрации загрязняющего ве- щества в месте расположения предприятия над значениями
ПДК;
- наличие объективных технических или экономических причин, не допускающих достижения предприятием нормати- ва ПДВ в настоящее время.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗООЧИСТНЫХ СИСТЕМ
Индивидуальные свойства аэрозолей обуславливают не- обходимость создания большого количества модификаций ап- паратов, обеспечивающих отделение твердой или жидкой дис- персной фазы. В основу классификации аппаратов заложены способы улавливания частиц. Выделим основные группы га- зоочистных систем:
1.Аппараты сухой гравитационно-инерционной очистки используют силу тяжести (пылевые камеры) или силы инер- ции, т.е. ударно-инерционный эффект, инерционное воздейст- вие при изменении направления движения, центробежные си- лы, возникающие при тангенциальном движении газового по- тока. К инерционным аппаратам относятся жалюзийные пыле- уловители, циклоны, мультициклоны и др. Применение аппа- ратов эффективно при крупности улавливаемых частиц более
5 мкм.
2.Фильтрующие аппараты используют тканевые, волок- нистые, зернистые и другие фильтрующие элементы.
3.Аппараты мокрой газоочистки представляют большую группу разнообразных систем, обеспечивающих специфиче- ские режимы контакта пыли с диспергированной жидкостью или пленкой. Данные аппараты используют гравитационно- инерционные методы.
4.Электрофильтры обеспечивают процесс очистки газа в статическом и электрическом поле.
12 5.Сорбционные методы обеспечивают очистку от вред- ных примесей за счет адсорбции, абсорбции.
6. Прочие методы,основанные на каталитических, терми- ческих и химических и других методах.
1.3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИЕ
УСТАНОВКИ
Для очистки выбрасываемых в атмосферу запыленных га- зов в производстве применяют различные варианты многоста- дийных схем пылеулавливания. Как правило, промышленные технологические установки включают несколько аппаратов различных конструкций и типов, отличающихся разной эф- фективностью.
Общий принцип компоновкипромышленных схем пылео- чистки – последовательная установка аппаратов, начиная от наименее эффективных, предназначенных для улавливания наиболее грубых фракций пыли и удаления основной массы загрязнений, и кончая наиболее эффективными аппаратами, задача которых – обеспечение санитарной очистки отходящих газов.
В качестве примера рассмотрим схему очистки газов в производстве фосфоритной муки. Результаты, полученные в промышленных условиях, приведены в таблице 1.1. Пример схемы цепи аппаратов приведен на рисунке 1.1.
Техническая эксплуатация и безопасное обслуживание пы- леулавливающих устройств в нашей стране регламентируются специальными правилами (например ГОСТ Р 51562-2000). Ка- ждое новое или реконструируемое пылеулавливающее устрой- ство перед вводом в эксплуатацию должно пройти пуско- наладочные испытания и регистрацию в Государственной ин- спекции по контролю за работой газоочистных и пылеулавли- вающих установок.
13
Рис. 1.1. Технологическая схема пылеулавливания при производстве фосфоритной муки
1 – печь; 2 – пылеосадительная камера; 3 – электрофильтр;
4 – дымосос; 5 – пенный аппарат
Таблица 1.1
Характеристика работы технологической схемы пылеулавливания при производстве фосфоритной муки
Показатели
Элементы технологической схемы
Циклоны Электрофильтры
Пенные аппараты (ПА)
Расход отходящих газов на очист- ку, тыс.нм
3
/ч
60
Температура очищаемого газа, о
С
110 109 44
Скорость газа в полном сечении аппарата, м/с
3,3 0,85 1,8
Концентрация пыли в отходящих газах, г/м
3
(начальная/конечная)
298/37,5 37,5/2,8 2,8/0,8
Гидравлическое сопротивление, гПа
25 10
Не определялось
Пылеунос, кг/ч
–
–
30
Степень очистки в аппарате, %
85,9 91,8 77,2
Общая степень очистки
99,71
Пыль
Газ на очистку
Пыль
Шлам
Вода
Газ в атмосферу
1 2 3 4
5
14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 17
М.Ш. Баркан, А.Е. Исаков
Учебное пособие
Процессы и аппараты защиты
окружающей среды
2
УДК 502.1
ББК 20.18
Б 25
Процессы и аппараты защиты окружающей среды / М.Ш. Баркан,
А.Е. Исаков; СПб, 2016. 244 с.
Рассмотрены процессы и аппараты технологических и вентиляционных газовых потоков на предприятиях различных отраслей промышленности и выделены современные методы и аппараты, используемые для решения этой задачи, приведены методики расчета пылеулавливающих аппаратов. Приве- дены методы и аппараты очистки сточных вод.
Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров по направ- лению 022000 «Экология и природопользование» и специалистов по специ- альности 130400 «Горное дело» (специализация 8 «Горнопромышленная экология»), по дисциплине «Общая экология», а также может быть использо- вано студентами всех специальностей, изучающими дисциплины, связанные с экологией, рациональным использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды.
Научный редактор проф. М.А. Пашкевич
Рецензенты: д.т.н., профессор В.А. Липин (Санкт-Петербургский по- литехнический университет имени Петра Великого), к.т.н. Ю.В. Андреев
(Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Велико- го).
3
ВВЕДЕНИЕ
Защита окружающей среды от загрязнений – одна из важ- нейших проблем современности, затрагивающая интересы развитых стран мира. Вопросам защиты атмосферы и гидро- сферы от промышленных выбросов и сбросам уделяет внима- ние широкий круг исследователей.
С каждым годом все большее число людей проживает в неблагоприятных экологических условиях. Прогрессирующее воздействие производства на окружающую среду связано с увеличением количества предприятий, обслуживающих воз- растающие потребности увеличивающегося населения Земли.
Многие предприятия работают по устаревшим технологиям или недостаточно модернизированы.
Создание безотходных и малоотходных технологий по многим отраслям промышленности на данном этапе развития человечества слишком затратно или невозможно. В связи с серьезным загрязнением биосферы во многих странах приняты ограничения на выброс/сброс/складирование загрязняющих веществ, в частности установления нормативов ПДК, ПДС,
НДС, лимитов на образование отходов. По существующим правилам запрещено вводить в эксплуатацию предприятия, не оснащенные соответствующими природоохранными меро- приятиями.
Авторами рассмотрены достоинства и недостатки наибо- лее распространенных в настоящее время видов систем и ап- паратов очистки отходящих газов и сточных вод.
Данное пособие преследует цель ознакомить специали- стов со спектром природоохранных мероприятий, нацеленных на снижение негативного влияния предприятий на окружаю- щую среду.
4
1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОЦЕССЫ ОХРАНЫ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОХРАНЫ АТМОСФЕРНОГО
ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Действующая в нашей стране природоохранная норма- тивно-техническая документация в области защиты атмосферы от загрязнения использует следующие понятия:
Источник выделения загрязняющих веществ – объект, в котором происходит образование загрязняющих веществ (ус- тановка, аппарат, емкость для хранения, двигатель, свалка от- ходов и т.п.).
Источник загрязнения атмосферы (источник выброса) – объект, от которого загрязняющее вещество поступает в атмо- сферу (труба, вентшахта, открытая стоянка транспорта и т.п.).
Все источники загрязнения атмосферы подразделяются в соответствии со следующей классификацией:
Стационарный источник – источник, имеющий постоян- ное место в пространстве относительно заводской системы ко- ординат (труба котельной, открытые фрамуги цеха и т.п.).
Передвижной источник – источник, не занимающий по- стоянное место на территории предприятия (транспортные средства, передвижные компрессоры и дизель-генераторы электросварки и т.п.).
Организованный источник – источник, осуществляющий выброс через специально сооруженные устройства (трубы, га- зоходы, вентиляционные шахты).
Неорганизованный источник – источник загрязнения, осуществляющегося в виде ненаправленных потоков газа, как результат, например, нарушения герметичности оборудования, а также пылящие отвалы, открытые емкости и т.п.
Точечный источник – источник в виде трубы или венти- ляционной шахты с размерами сечения, близкими друг другу
(трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечения и т.п.).
5
Линейный источник – источник в виде канала для прохода загрязненного газа с поперечным сечением, имеющим значи- тельную протяженность (длину) в несколько раз большую, чем ширина (высота), например, ряд открытых, близко располо- женных в одну линию оконных фрамуг либо аэрационные фо- нари и т.п.
Плоскостной источник – источник, имеющий значитель- ные геометрические размеры площадки, по которой относи- тельно равномерно происходит выделение загрязнений и, в том числе, как результат рассредоточения на площадке большого числа источников (отвал, открытая стоянка автотранспорта и т.п.).
Отнесение источника загрязнения к точечному, линейно- му или плоскостному типу производится с целью определения математического аппарата, который используется впоследст- вии при расчете рассеивания загрязнения в атмосфере в соот- ветствии с ОНД-86.
Классификация выбросов ведется также по температуре
(нагретые t
выбр
t
возд и холодные t
выбр
t
возд
); по признакам очистки (неочищаемые организованные и неорганизованные, очищаемые организованные).
С газовой фазой в атмосферу поступают твердые, жидкие, паро- и газообразные неорганические и органические вещест- ва, определяющие агрегатное состояние загрязнений, которые соответственно могут быть твердыми, жидкими, газообразны- ми и смешанными.
Основными загрязняющими газообразными веществами являются следующие:
1. Оксид углерода. Получается при неполном сгорании уг- леродистых веществ. Способствует созданию парникового эф- фекта. Препятствует абсорбции кровью кислорода, что ослаб- ляет мыслительные способности, замеляет рефлексы, вызывает сонливость, и может быть причиной потери сознания и смерти.
2. Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд. Ко-
6 нечным продуктом реакций является аэрозоль или раствор сер- ной кислоты в дождевой воде, т.н. кислотные дожди.
3. Оксиды азота. Основными источниками выброса явля- ются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, а также аппараты, использующие высоко- температурное горение. Увеличивает восприимчивость орга- низма к вирусным заболеваниям, раздражают легкие, вызыва- ют бронхит и пневмонию, приводит к образованию кислотных дождей.
4. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, кера- мики, стали, фосфорных удобрений. Соединения характеризу- ются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
5. Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химиче- ских предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросо- держащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсич- ность хлора определяется видом соединений и их концентра- цией.
Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящие- ся во взвешенном состоянии в воздухе. В зависимости от спо- соба образования аэрозоли подразделяются на: диспергацион- ные (образовавшиеся в результате процессов измельчения твердых и жидких материалов или при распылении полидис- персных порошков в газовой фазе, d =1-100 мкм и более); кон- денсационные (образующиеся при конденсации возгонов или в результате химического взаимодействия газовых компонен- тов с образованием твердых частиц, такие аэрозоли имеют размер порядка
0,5 мкм). Компоненты аэрозолей в ряде слу- чаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. Такие вещества практически не оседают в атмосферном воздухе, плохо улавливаются защит- ными приспособлениями организма, из-за большой удельной поверхности обладают высокой реакционной способностью.
7
Основными источниками искусственных аэрозольных загряз- нений воздуха являются тепловые электростанции потребляю- щие уголь высокой зольности, массовые взрывные работы, обогатительные фабрики, металлургические заводы, промыш- ленные отвалы.
Роль пыли в атмосферном воздухе неоднозначна. Частицы пыли, являясь ядрами конденсации при образовании облаков и туманов, выполняют важную положительную роль в кругово- роте воды и других веществ в окружающей нас природе. Одна- ко с увеличением запыленности атмосферы происходит сниже- ние солнечной энергии, проникающей через увеличившуюся облачность, отрицательно влияет на климат планеты, а повы- шение концентрации активных соединений – на флору и фау- ну, а также на здоровье человека.
Одним из основных показателей, характеризующих пыль, являются состав и дисперсность. Со степенью дисперсности пыли связаны: повышение скорости и интенсивности её реак- ции с кислородом, увеличение адсорбционной способности и электрические свойства, а также биологическая активность.
Кроме того даже инертная пыль может вызвать отрицательные последствия для биосферы и человека.
Для паров, кроме непосредственно их химического соста- ва воздействующего на компоненты биосферы, важной харак- теристикой является их точка росы, опускаясь ниже которой они превращаются в мелкодисперсные аэрозоли.
Химический состав газовой фазы, образующей промыш- ленные выбросы, определяет ее свойства и, следовательно, способы и средства очистки и обезвреживания. Следует особо отметить, что пыли промышленных производств, как правило, являются концентраторами широкого спектра ценных компо- нентов, причем их стоимость может быть соизмерима со стои- мостью продуктов основного производства.
Определение и контроль химического состава пыли необ- ходимы для выбора эффективных методов улавливания и соз- дания технологий их утилизации и регенерации ценных ком- понентов.
8
Промышленные выбросы – многокомпонентные системы, содержащие до нескольких сотен ингредиентов, большинство из которых негативно воздействует на окружающую среду и человека. В частности, предприятия цветной металлургии яв- ляются источниками следующих выбросов: сернистый и сер- ный ангидрид; сероводород; хлор и его соединения; фтори- стый водород и его соединения; оксиды азота, углерода; со- единения мышьяка и ртути; углеводороды; соединения свинца, сурьмы, кадмия, цинка и т.д.; оксиды, сульфиды и халькогени- ды широкого спектра цветных и редких металлов; пары ам- миака, кислот и щелочей.
Таким образом, даже короткий перечень компонентов од- ной из отраслей свидетельствуют о высокой токсичности про- мышленных выбросов.
Правовые основы охраны атмосферного воздуха в Рос- сийской федерации изложены в Федеральном законе «Об ох- ране атмосферного воздуха» (Приложение А).
В теоретическом плане основой всей системы экологиче- ского нормирования является предельно допустимая концен- трация (ПДК).
Предельно допустимая концентрация – утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив.
Под ПДК понимается такая концентрация химических элемен- тов и их соединений в окружающей среде, которая при повсе- дневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболе- ваний, устанавливаемых современными методами исследова- ний в любые сроки жизни настоящего и последующего поко- лений.
ПДК для атмосферного воздуха подразделяются на:
ПДК
с.с.
– это среднесуточная предельно допустимая кон- центрация загрязняющего вещества в воздухе населённых мест в мг/м³. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного вредного воздействия на организм человека в условиях неопределённо долгого круглосуточного вдыхания.
9
Значения ПДК
с.с. веществ в атмосферном воздухе санитарно- курортной зоны принимается численно на 25% меньше, чем для обычных населённых мест.
ПДК
р.з.
–предельно допустимая концентрациязагряз- няющего вещества в воздухе рабочей зоны – концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в те- чение 8 часов, или при другой продолжительности, но не бо- лее 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа и на пенсии не должна вызывать заболевания или отклонения в со- стоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений, мг/м³.
ПДК
м.р.
– предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м
3
. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.
Если в воздухе присутствует одно загрязняющее вещест- во, то должно соблюдаться неравенство: C
i
≤ПДК
i
где C
i
и
ПДК
i
соответственно – концентрация и предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества.
Если в воздухе присутствуют несколько веществ имею- щих однонаправленное неблагоприятное влияние на организм в таком вещества входят в одну группу суммации. Существует несколько десятков групп суммации, в одну из которых, на- пример, аммиак, диоксид азота и диоксид серы. В том случае, когда в воздухе присутствуют несколько веществ, входящих в одну группу суммации, указанное выше неравенство преобра- жается к виду:
1
ПДК
ПДК
ПДК
2 2
1 1
n
n
C
C
C
(1.1) где n – количество веществ в группе суммации.
Для производственных объектов требуются несколько иные нормативы, учитывающие возможность проектных рас-
10 четов мощности очистных сооружений, возможности контроля непосредственно источников загрязнения и оценка их вклада в загрязнение окружающей среды.
Сущность введения норматива предельно-допустимого выброса (ПДВ) состоит в нормировании выбросов произ- водств, которые при существующих технологиях невозможно полностью исключить, но которые необходимо существенно уменьшить до уровня обеспечивающего содержание загряз- няющих веществ в приземном слое атмосферы ниже ПДК.
Итак, ПДВ – это масса выбросов вредных веществ в еди- ницу времени от данного источника или совокупности источ- ников загрязнения атмосферы производственного объекта
(промплощадки, предприятия, населенного пункта, города и т.д.) с учетом перспективы развития всех предприятий и рас- сеивания вредных веществ в атмосфере, фоновых концентра- ций, создающая приземную концентрацию за границей сани- тарно-защитной зоны, не превышающую их ПДК для населе- ния, растительного и животного мира, если нет других, более жестких экологических требований или ограничений (с осред- нением в любой 20-ти минутный период времени).
Нормативы ПДВ являются основой для проведения эколо- гической экспертизы и планирования мероприятий по сниже- нию загрязнения атмосферы. Норматив ПДВ разрабатывается с учетом фоновой концентрации – концентрации загрязняющего вещества в атмосферном воздухе не зависимо от воздействия данного источника, измеряется вне зоны влияния источника.
Под временно согласованным выбросом (ВСВ) следует понимать временный лимит выброса загрязняющего вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для дейст- вующих стационарных источников выбросов с учетом качества атмосферного воздуха и социально-экономических условий развития соответствующей территории в целях поэтапного достижения установленного предельно допустимого выброса.
Устанавливается органами государственного экологического контроля в целях минимизации воздействия на окружающую среду.
11
Основанием для установления ВСВ загрязняющего веще- ства в атмосферу может являться:
- превышение фоновой концентрации загрязняющего ве- щества в месте расположения предприятия над значениями
ПДК;
- наличие объективных технических или экономических причин, не допускающих достижения предприятием нормати- ва ПДВ в настоящее время.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗООЧИСТНЫХ СИСТЕМ
Индивидуальные свойства аэрозолей обуславливают не- обходимость создания большого количества модификаций ап- паратов, обеспечивающих отделение твердой или жидкой дис- персной фазы. В основу классификации аппаратов заложены способы улавливания частиц. Выделим основные группы га- зоочистных систем:
1.Аппараты сухой гравитационно-инерционной очистки используют силу тяжести (пылевые камеры) или силы инер- ции, т.е. ударно-инерционный эффект, инерционное воздейст- вие при изменении направления движения, центробежные си- лы, возникающие при тангенциальном движении газового по- тока. К инерционным аппаратам относятся жалюзийные пыле- уловители, циклоны, мультициклоны и др. Применение аппа- ратов эффективно при крупности улавливаемых частиц более
5 мкм.
2.Фильтрующие аппараты используют тканевые, волок- нистые, зернистые и другие фильтрующие элементы.
3.Аппараты мокрой газоочистки представляют большую группу разнообразных систем, обеспечивающих специфиче- ские режимы контакта пыли с диспергированной жидкостью или пленкой. Данные аппараты используют гравитационно- инерционные методы.
4.Электрофильтры обеспечивают процесс очистки газа в статическом и электрическом поле.
12 5.Сорбционные методы обеспечивают очистку от вред- ных примесей за счет адсорбции, абсорбции.
6. Прочие методы,основанные на каталитических, терми- ческих и химических и других методах.
1.3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИЕ
УСТАНОВКИ
Для очистки выбрасываемых в атмосферу запыленных га- зов в производстве применяют различные варианты многоста- дийных схем пылеулавливания. Как правило, промышленные технологические установки включают несколько аппаратов различных конструкций и типов, отличающихся разной эф- фективностью.
Общий принцип компоновкипромышленных схем пылео- чистки – последовательная установка аппаратов, начиная от наименее эффективных, предназначенных для улавливания наиболее грубых фракций пыли и удаления основной массы загрязнений, и кончая наиболее эффективными аппаратами, задача которых – обеспечение санитарной очистки отходящих газов.
В качестве примера рассмотрим схему очистки газов в производстве фосфоритной муки. Результаты, полученные в промышленных условиях, приведены в таблице 1.1. Пример схемы цепи аппаратов приведен на рисунке 1.1.
Техническая эксплуатация и безопасное обслуживание пы- леулавливающих устройств в нашей стране регламентируются специальными правилами (например ГОСТ Р 51562-2000). Ка- ждое новое или реконструируемое пылеулавливающее устрой- ство перед вводом в эксплуатацию должно пройти пуско- наладочные испытания и регистрацию в Государственной ин- спекции по контролю за работой газоочистных и пылеулавли- вающих установок.
13
Рис. 1.1. Технологическая схема пылеулавливания при производстве фосфоритной муки
1 – печь; 2 – пылеосадительная камера; 3 – электрофильтр;
4 – дымосос; 5 – пенный аппарат
Таблица 1.1
Характеристика работы технологической схемы пылеулавливания при производстве фосфоритной муки
Показатели
Элементы технологической схемы
Циклоны Электрофильтры
Пенные аппараты (ПА)
Расход отходящих газов на очист- ку, тыс.нм
3
/ч
60
Температура очищаемого газа, о
С
110 109 44
Скорость газа в полном сечении аппарата, м/с
3,3 0,85 1,8
Концентрация пыли в отходящих газах, г/м
3
(начальная/конечная)
298/37,5 37,5/2,8 2,8/0,8
Гидравлическое сопротивление, гПа
25 10
Не определялось
Пылеунос, кг/ч
–
–
30
Степень очистки в аппарате, %
85,9 91,8 77,2
Общая степень очистки
99,71
Пыль
Газ на очистку
Пыль
Шлам
Вода
Газ в атмосферу
1 2 3 4
5
14
1.4. ГРАВИТАЦИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ И ИНЕРЦИОННОЕ
ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ
1.4.1. ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СУХОЙ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
При гравитационномосаждении взвешенных частиц из газовой фазы используется способность частиц оседать под действием силы тяжести в ламинарном потоке газа.
При инерционномпылеулавливании наряду с действием силы тяжести используются также силы инерции, возникаю- щие при резком изменении скорости или направления движе- ния газового потока (и, следовательно, частиц, увлекаемых этим потоком). Таким образом, инерционное пылеулавливание основано на использовании комбинации сил, действующих на частицу в потоке аэрозоля (аэровзвеси). Примерами устройств для сухой механической очистки газов с использованием гра- витационных и инерционных сил являются пылеосадительные камеры, жалюзийные пылеуловители, циклоны (одинарные и батарейные) и другие типы аппаратов.
Основные достоинства методов: простота конструкции, относительная компактность (кроме пылеосадительных ка- мер), низкая себестоимость очистки газа.
Эта аппаратура применяется как самостоятельная (в од- ноступенчатых пылеулавливающих установках) при достаточ- но высокой начальной запыленности газа С
0
= 2-3 г/м
3
и менее.
Если запыленность газа превышает 3 г/м
3
, то применение аппаратов сухой механической очистки (СМО) оказывается неэффективным, так как на выходе сохраняется достаточно высокая запыленность газа, тогда данные аппараты использу- ют как первую ступень очистки для удаления наиболее круп- ных частиц.
Аппараты сухой механической очистки нельзя применять для очистки увлажненных газов вследствие образования труд- ноудаляемых отложений.
15
1.4.1.1. ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ
Пылеосадительные камеры – простейшие и наименее эф- фективные устройства. Их применение целесообразно лишь в качестве предварительной ступени очистки. Эффективны они лишь в том случае, если размеры частиц в газе составляют не менее 50 мкм. Пылеосадительная камера (рис.1.2) представля- ет собой длинный бункер с установленными на входе диффу- зором и газораспределительной решеткой. Газовый поток в пылеосадительных камерах движется в горизонтальном на- правлении. В осадительных камерах выпадение частиц пыли из газового потока происходит под действием сил гравитации.
Эффективность осаждения в значительной мере определяется временем пребывания частиц в камере, что вызывает необхо- димость увеличения размеров камеры.
Технические характеристики пылеосадительных камер: скорость газа 0,2-1,5 м/с; потери давления 50-150 Па; диаметр улавливаемых частиц ≥50 мкм; эффективность улавливания
40-50%.
Выбор и приближенный расчет пылеосадительных камер предполагает ограничение предельного размера частиц, соот- ветствующего заданной эффективности, при этом частицы, имеющие диаметр больше заданного, будут осаждены. Расчет сводится к определению площади осаждения дна камеры LB или суммарной поверхности полок при следующих допущени- ях: пыль равномерно распределяется по сечению камеры по концентрации и дисперсности; материал представлен шарооб- разными частицами, поэтому процесс можно описать законом
Стокса; скорость газовой фазы постоянна и равномерна по всем сечениям камеры; конвективное и турбулентное воздей- ствие отсутствует; осажденная пыль не удаляется из камеры.
Таким образом, площадь дна камеры может быть опреде- лена по формуле
g
d
V
V
LB
ч
2
г в
г
ρ
μ
18
,
(1.2)
16 где L и B – длина и ширина камеры, м; V
г
– заданный расход газа, м
3
/с;
в
– скорость витания частиц, м/с;
ч
– плотность частиц, кг/м
3
; g = 9,81 м/с
2
– ускорение свободного падения;
– динамическая вязкость газовой среды, Па·с, d – диаметр час- тиц.
Рис. 1.2. Пылеосадительная камера
По данной методике возможен расчет осаждения пыли в газоходах или аппаратах, включенных в газоходную систему, в которых газ движется в ламинарном режиме. При этом ре- шается обратная задача и определяется величина d из форму- лы (1.2).
Процессы осаждения, происходящие в пылевых камерах, наблюдаются и в горизонтальных газоходах. Однако в этих условиях осаждение пыли в большинстве случаев нежелатель- но, поэтому скорости в газоходах принимают значительно бо- лее высокими (18-20 м/с), чтобы обеспечивались турбулент- ный режим движения и унос даже крупных частиц, а также экономия металла при изготовлении газоходов.
Основные модели пылеосадительных камер представлены на рисунке 1.3.
Перечисленные аппараты отличаются простотой изготов- ления и эксплуатации. Однако в связи с низкой эффективно-
17 стью улавливания пыли их используют для предварительной очистки газов или для улавливания очень крупной пыли, на- пример древесной или металлической стружки.
Рис.1.3. а – полая: б – с горизонтальными полками; в, г – с вер- тикальными перегородками
1 – корпус; 2 – бункер; 3 – перегородка; 4 – полки; 5 – перегородки
1.4.1.2. ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под воздействием инерционной силы частицы пыли будут стремиться двигаться в прежнем направ- лении и после поворота потока газов выпадают в бункер. На этом принципе работает ряд аппаратов (рис. 1.4). Эффектив- ность этих аппаратов невысокая.
Камера с плавным поворотом газового потока имеет меньшее гидравлическое сопротивление чем другие аппараты инерционного типа. Скорость в сечении камеры составляет 1,0 м/с. Для частиц пыли размером 25-30 мкм степень улавлива- ния составляет 65-80%.
18
1.4.1.3. ЖАЛЮЗИЙНЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
В основе работы жалюзийного пылеуловителя лежит инерционно-отражательный принцип (рис. 1.5). С одной сто- роны, частицы пыли выпадают из потока газа под действием сил инерции при крутом повороте его в жалюзийной решетке, а с другой – отражаются при непосредственном ударе о пла- стину. В обоих случаях частицы попадают в меньшую часть потока, обогащая ее пылью. Большая часть газа (Q
1
95%) оги- бает пластины и, частично освобождаясь при этом от пыли, продолжает двигаться дальше в прежнем направлении. Мень- шая часть газа (Q
2
5%), обогащенная пылью, отводится для очистки в циклон, после чего присоединяется к основному по- току газа. Движение газа через циклон осуществляется глав- ным образом за счет перепада давления на жалюзийной ре- шетке. Общая эффективность очистки газа в жалюзийном пы- леуловителе определяется как произведение степени очистки в решетке и циклоне.
Рис.1.4. Инерционные пылеуловители: а – с перегородкой; б – с плавным поворотом газового потока; в – с расширяющимся конусом
19
Оптимальная скорость подхода газа к решетке лежит в пределах 12-20 м/с в зависимости от конструкции решетки, т.е. примерно равна скорости газа в газоходах.
Однако он может эффективно улавливать только крупную пыль (размером более 20 мкм) для пылевых частиц размером
40 мкм эффективность составляет около 85%, а для частиц размером 30 мкм – 75%. Гидравлическое сопротивление 100-
500 Па.
Рис. 1.5. Схема работы жалюзийного аппарата
1.4.1.4. ЦИКЛОНЫ И РОТАЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
Наибольшее распространение при реализации методов су- хого пылеулавливания получили циклоны различных типов, действие которых основано на использовании центробежных сил, возникающих при вращении газового потока. На рисунке
1.6 приведена схема аппарата (цилиндрический циклон типа
ЦН).
Отделение частиц пыли от газа происходит за счет поворо- та газового потока в бункере на 180
: газ отражается от дна и двигается вверх, а потерявшие начальную скорость частицы в широком бункере оседают вниз под действием силы тяжести
(т.е. для разрушения аэродисперсной системы применяется
20 резкое изменение направления движения и резкое изменение скорости частиц).
Возникающая в циклонах центробежная сила, действую- щая на пылевую частицу, обратно пропорциональна радиусу циклона, поэтому эффективность обеспыливания возрастает с уменьшением радиуса циклона. В современных установках эти силы в 5-2500 раз превышают действующую на пылинку силу тяжести.
Из рисунка 1.6 видно, что с восходящим газовым потоком возможен унос частиц пыли из бункера, что приведет к пони- жению эффективности (унос вследствие вторичных токов и вихрей). В связи с этим нецелесообразно увеличивать скорость воздуха во входном патрубке более 20-25 м/с в избежание вто- ричного уноса. Обычная скорость на входе 15 м/с. Скорость газа в полном сечении должна составлять при этом 2,2-5,0 м/с
(в зависимости от типа циклона).
Наибольшее распространение в нашей стране получили цилиндрические циклоны конструкции НИИОгаза.
Согласно ГОСТ для циклонов приняты следующие вели- чины диаметров, мм: 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900;
1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000. Вследствие снижения эффективности с увеличением размеров применять циклоны типа ЦН диаметром более 1000 мм не рекомендуется.
Стандартные конструкции циклонов могут работать при тем- пературе газа не выше 400°С и давлении (разрежении) не бо- лее 2500 Па.
Гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па.
21
Рис.1.6. Схема противоточного циклона: 1 – входной; патрубок; 2 – раскручивающая улитка; 3 – выходной патрубок;
4 – крышка; 5 – выхлопная труба; 6 – цилиндрическая часть;
7 – коническая часть; 8 – пневмовыпускное отверстие;
9 – бункер для пыли; 10 – пылевой затвор
Основные виды конструкции циклонов по подводу газа показаны на рисунке 1.7.
22
Рис. 1.7. Основные виды циклонов подводу газов: а – спиральный; б – тангенциальный; в – винтообразный; г, д – осевые
В промышленности принято делить циклоны на высоко- эффективные и высокопроизводительные. Первые эффектив- ны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют меньшее гидравличе- ское сопротивление, но хуже улавливают мелкодисперсную пыль.
Средняя эффективность обеспыливания газа в циклонах составляет около 98% для частиц пыли размером 30-40 мкм, до 80% – для частиц размером 19 мкм, 60% – для частиц раз- мером 4-5 мкм.
Прямоточные циклоны (рис. 1.8) широко распростране- ны в качестве каплеуловителей в системах мокрой очистки газов. Скоагулированная и укрупненная мокрая пыль повы- шенной плотности и капли жидкости улавливаются в таких аппаратах весьма эффективно при малом гидравлическом со- противлении аппарата (отсутствует поворот на 180°). Для улавливания мелкой сухой пыли прямоточные циклоны прак- тически непригодны вследствие своей низкой эффективности.
При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличи-
23 вать диаметр циклона, что положительно сказывается на эф- фективности очистки.
Применяют циклонные элементы с диаметром цилиндри- ческой части корпуса 100, 150, 250 мм. В целях удобства объе- динения и компактности установки придание газовому потоку вращения достигается обычно не тангенциальным подводом газа, а размещением внутри циклонного элемента специально- го устройства, представляющего собой либо двухлопастной винт либо розетку, состоящую из лопаток, установленных к оси под углом α = 25-30°.
Рис.1.8. Схема прямоточного циклона
Розетки работают эффективнее, однако они чувствитель- нее к засорению, и поэтому их не рекомендуется использовать при чрезмерно высокой запыленности газа и слипающейся пыли. Циклонные элементы компонуют в батареи, где они ра- ботают параллельно (рис. 1.9). Очищаемые газы вводятся че- рез входной патрубок в общую распределительную камеру, откуда распределяются по отдельным элементам. Далее из сборной камеры очищенный газ через выходной патрубок, на- правленный в сторону, выводится из аппарата. Пыль, осаж- дающаяся в циклонных элементах, ссыпается в общий для всех элементов бункер. Пространство между циклонными
24 элементами засыпается шлаком. Большое число циклонных элементов, объединенных общим пылевым бункером, требует равномерного распределения газа по циклонным элементам.
Последние должны быть строго одинаковых размеров, смон- тированы с одинаковыми допусками и одинаковым гидравли- ческим сопротивлением.
Рис. 1.9. Схема батарейного циклона
Основные преимущества циклонов – это высокая эффек- тивность улавливания частиц более 10 мкм, простота в уст- ройстве и эксплуатации. Недостатками являются высокое гид- равлическое сопротивление (1200-1500 Па), малая эффектив- ность улавливания частиц менее 5 мкм.
Принцип действия вихревых аппаратов аналогичен прин- ципу действия циклонов. Основным отличием вихревых пыле- уловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.
Отличительные особенности вихревого аппарата состоят в том, что, во-первых, закручивание основного потока осуще- ствляется с помощью лопаточного завихрителя, а, во-вторых, уже закрученный газ подвергается дополнительному закручи- ванию с помощью вторичного газового потока.
25
Существуют две основные разновидности вихревых ап- паратов: соплового и лопаточного типа (рис. 1.10).
В аппаратах соплового типа пылегазовый поток, закру- ченный лопаточным завихрителем, двигаясь вверх, подверга- ется воздействию тангенциально направленных струй вторич- ного потока, дополнительно закручивающих его в ту же сто- рону. Под действием центробежных сил частицы пыли отбра- сываются на стенку, откуда под действием слоя вторичного потока, направленного вниз, спускаются в бункер. Вторичный газ в ходе спирального обтекания основного потока внедряет- ся в него и вместе с ним удаляется из аппарата. Вихревой ап- парат лопаточного типа отличается тем, что вторичный газ из расположенной сверху камеры подается в аппарат кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками.
Рис.1.10. Вихревой аппарат: а – соплового типа, б – лопаточного типа
1 – камера, 2 – выходной патрубок, 3 – сопла, 4 – лопаточный завих- ритель типа «розетка», 5 – входной патрубок, 6 – подпорная шайба,
7 – пылевой бункер, 8 – кольцевой лопаточный завихритель
26
Как и у циклонов, эффективность вихревых аппаратов с увеличением диаметра снижается. Достоинствами вихревых пылеуловителей по сравнению с циклонами являются более высокая эффективность улавливания мелкодисперсной пыли, меньший абразивный износ внутренних поверхностей аппара- та, возможность очистки газов более высокой температуры вследствие разбавления их холодным вторичным воздухом, а также возможность регулирования процесса сепарации путем измерения количества и давления вторичного газа. К недос- таткам вихревых пылеуловителей можноотнести: наличие до- полнительного дутьевого устройства, увеличение общего объ- ема газов при использовании в качестве вторичного газа атмо- сферного воздуха, большую сложность аппарата в изготовле- нии и эксплуатации.
Очистка газа в ротационных пылеуловителях осуществ- ляется за счет центробежных сил и сил Кориолиса, возникаю- щих при вращении рабочего колеса тягодутьевого устройства.
Существуют вентиляторы-пылеуловители, ротоклоны и дымо- сосы-пылеуловители. Первые два типа представлены на ри- сунке 1.11.
Наибольшее распространение получил дымосос- пылеуловитель. Он предназначен для улавливания частиц пы- ли размером больше 15 мкм. За счет разности давлений, созда- ваемых рабочим колесом, запыленный поток поступает в
«улитку» и приобретает криволинейное движение. Частицы пыли отбрасываются к периферии под действием центробеж- ных сил и вместе с 8-10% газа отводятся в циклон, соединен- ный с улиткой. Очищенные газы через направляющий аппара- та поступают в рабочее колесо дымососа-пылеуловителя, а затем через кожух выбросов в дымовую трубу.
Преимущества дымососов-пылеуловителей – компакт- ность, малая металлоемкость, сравнительно небольшие энер- гозатраты, совмещение двух аппаратов в одном; недостатки – повышенный абразивный износ, возможность образования отложений и нарушения баланса ротора, проскок мелких час- тиц (диаметром менее 10 мкм), сложность в изготовлении.
27
Рис. 1.11. а – вентилятор-пылеуловитель; б – ротоклон Д
1.5. ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
МЕТОДОМ ФИЛЬТРОВАНИЯ
1.5.1. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ ГАЗОВ
Фильтрованиемназывается процесс разделения аэрозолей или суспензий на две фазы – твердую и газообразную (жид- кую) при помощи проницаемых перегородок или слоев, про- пускающих газ (жидкость), но задерживающих твердые части- цы.
Процесс фильтрования в общем случае включает два пе- риода – стационарный (начальный) и нестационарный (заклю- чительный). В ходе заключительного периода происходит уве- личение гидравлического сопротивления перегородки (слоя) и повышение эффективности разделения фаз (повышение степе- ни очистки).
Механизм удаления частиц из газового потока в ходе процесса фильтрования предполагает возможность удаления частиц из газового потока под действием следующих основ- ных факторов:
28
- инерционных сил;
- гравитационных сил;
- броуновского движения (мелкие частицы) – эффект ка- сания и диффузионный эффект;
- электрического притяжения в системе «частица – эле- мент фильтра».
Инерционныесилыявляются основными в реализации про- цесса фазового разделения при осуществлении фильтрации.
Фильтр – пример в основном инерционного пылеуловителя, в котором, наряду с основными силами, действуют и другие, что в целом увеличивает эффективность фильтрации. Вторым по значимости фактором является, как правило, эффект касания.
Инерционное взаимодействие частицы пыли с элементом фильтра (наряду с нитью волокнистого фильтровального ма- териала) происходит в тех случаях, когда движущаяся частица не отклоняется вместе с потоком газа, а, сохраняя траекторию и скорость, сталкивается с фильтрующим элементом. Вероят- ность столкновения частицы с преградой и осаждение ее на ней является функцией безразмерного критерия Стокса, кото- рый при ламинарном режиме описывается уравнением: в
г
2
г
18
St k
d
d
п
,
(1.3) где
г
– скорость газового потока вблизи поверхности фильт- рующего элемента, м/с; d – диаметр частицы пыли, мкм;
п
– плотность пыли, кг/м
3
;
г
– коэффициент динамической вязко- сти газа-носителя, Па·с; d
в
– диаметр волокна фильтра, мкм.
Коэффициент захвата частиц за счет инерционных сил, т.е. парциальная степень очистки описывается уравнением
22
,
0
Stk
77
,
0
Stk
Stk
2 3
3
инерц
(1.4)
Из уравнения для критерия Стокса вытекает, что чем больше диаметр частиц и чем меньше диаметр волокон, а так-
29 же чем выше плотность улавливаемых примесей, тем больше абсолютное значение критерия Стокса, т.е. по уравнению для
инерц выше степень улавливания (очистки). Естественно, что более плотные (тяжелые) примеси, имеющие более крупные частицы, улавливаются фильтрами активнее – тем в большей степени, чем тоньше фильтр (меньше размеры зерен слоя, больше волокна, более тонкопористая фильтрующая перего- родка и т.д.).
Гравитационные силызаметно проявляются для частиц загрязнений крупнее 5 мкмпри скорости газового потока ме- нее 0,05 м/с (5 см/с). Реальный учет этого эффекта может быть полезен только для фильтров с насыпным (зернистым) слоем.
Броуновское движение (диффузионный эффект и эффект касания) должно учитываться при очистке газа от мелких, субмикронных частиц. Наиболее заметный вклад этого меха- низма может быть обнаружен для частиц менее 0,1 мкм. Суб- микронные частицы под действием движущихся молекул газа совершают достаточно интенсивное хаотическое движение, приводящее к смещению их траекторий к поверхности воло- кон (статистически!) и к осаждению на их поверхность.
При встрече с поверхностью фильтрующего элемента в этом случае может быть заметен и эффект касания, так как си- ла инерции субмикронных частиц практически равна нулю.
Эффективность улавливания за счет касания:
)
(
)
(
η
0625
,
0
г г
г в
2
в кас
d
d
d
(1.5)
Из уравнения 1.5 следует, что наиболее существенное влияние оказывает соотношение диаметров частиц и фильт- рующего волокна, в меньшей степени – свойства и динамика газового потока.
Собственно диффузионный эффектколичественно оце- нивается коэффициентом диффузии
30
d
TC
D
г
3
k
,
(1.6) где k – константа Больцмана, k = 1,38∙10
– 23
Дж/К; Т – абсо- лютная температура, К; С – коэффициент, для d
0,003 мкм
С = 90, для d
0,03 мкм С = 7,9, для d
0,1 мкм С = 2,9, для
d
1 мкм С = 1,16;
г
– коэффициент динамической вязкости газа, Па·с; d – диаметр частиц пыли, мкм.
Электрические силымогут оказывать весьма существен- ное влияние на степень очистки, если волокна фильтра или насыпной фильтрующий слой имеют электрический заряд. В этом случае нейтральные частицы пыли поляризуются элек- трическим полем и притягиваются к поверхности фильтро- вального материала.
В процессе фильтрования могут проявляться все рассмот- ренные механизмы. В этом случае эффективность пылеулав- ливания:
= 1 – (1 –
инерц
)(1 –
кас
)(1 –
G
)(1 –
D
)(1 –
е
), (1.7) где
G
,
D
,
е
– коэффициенты улавливания частиц пыли за счет действия гравитационных сил, диффузии и электрических сил.
Однако все это характерно только для первого, стационар- ногопериода фильтрования. По мере накопления слоя пыли возрастает сопротивление слоя движению газа, пропускная способность аппарата снижается, эффективность улавливания пыли может возрастать. После образования и наращивания ло- бового пылевого слоя в процессе фильтрования существенную роль начинает играть ситовый эффект, так как образующиеся поры соизмеримы с размерами улавливаемых частиц. В соот- ветствии с этим постоянно изменяются гидравлическое сопро- тивление и эффективность работы фильтра, что крайне ослож- няет протекание процесса фильтрования и связанные с этим расчеты.
31
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 17
1.4. ГРАВИТАЦИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ И ИНЕРЦИОННОЕ
ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ
1.4.1. ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СУХОЙ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
При гравитационномосаждении взвешенных частиц из газовой фазы используется способность частиц оседать под действием силы тяжести в ламинарном потоке газа.
При инерционномпылеулавливании наряду с действием силы тяжести используются также силы инерции, возникаю- щие при резком изменении скорости или направления движе- ния газового потока (и, следовательно, частиц, увлекаемых этим потоком). Таким образом, инерционное пылеулавливание основано на использовании комбинации сил, действующих на частицу в потоке аэрозоля (аэровзвеси). Примерами устройств для сухой механической очистки газов с использованием гра- витационных и инерционных сил являются пылеосадительные камеры, жалюзийные пылеуловители, циклоны (одинарные и батарейные) и другие типы аппаратов.
Основные достоинства методов: простота конструкции, относительная компактность (кроме пылеосадительных ка- мер), низкая себестоимость очистки газа.
Эта аппаратура применяется как самостоятельная (в од- ноступенчатых пылеулавливающих установках) при достаточ- но высокой начальной запыленности газа С
0
= 2-3 г/м
3
и менее.
Если запыленность газа превышает 3 г/м
3
, то применение аппаратов сухой механической очистки (СМО) оказывается неэффективным, так как на выходе сохраняется достаточно высокая запыленность газа, тогда данные аппараты использу- ют как первую ступень очистки для удаления наиболее круп- ных частиц.
Аппараты сухой механической очистки нельзя применять для очистки увлажненных газов вследствие образования труд- ноудаляемых отложений.
15
1.4.1.1. ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ
Пылеосадительные камеры – простейшие и наименее эф- фективные устройства. Их применение целесообразно лишь в качестве предварительной ступени очистки. Эффективны они лишь в том случае, если размеры частиц в газе составляют не менее 50 мкм. Пылеосадительная камера (рис.1.2) представля- ет собой длинный бункер с установленными на входе диффу- зором и газораспределительной решеткой. Газовый поток в пылеосадительных камерах движется в горизонтальном на- правлении. В осадительных камерах выпадение частиц пыли из газового потока происходит под действием сил гравитации.
Эффективность осаждения в значительной мере определяется временем пребывания частиц в камере, что вызывает необхо- димость увеличения размеров камеры.
Технические характеристики пылеосадительных камер: скорость газа 0,2-1,5 м/с; потери давления 50-150 Па; диаметр улавливаемых частиц ≥50 мкм; эффективность улавливания
40-50%.
Выбор и приближенный расчет пылеосадительных камер предполагает ограничение предельного размера частиц, соот- ветствующего заданной эффективности, при этом частицы, имеющие диаметр больше заданного, будут осаждены. Расчет сводится к определению площади осаждения дна камеры LB или суммарной поверхности полок при следующих допущени- ях: пыль равномерно распределяется по сечению камеры по концентрации и дисперсности; материал представлен шарооб- разными частицами, поэтому процесс можно описать законом
Стокса; скорость газовой фазы постоянна и равномерна по всем сечениям камеры; конвективное и турбулентное воздей- ствие отсутствует; осажденная пыль не удаляется из камеры.
Таким образом, площадь дна камеры может быть опреде- лена по формуле
g
d
V
V
LB
ч
2
г в
г
ρ
μ
18
,
(1.2)
16 где L и B – длина и ширина камеры, м; V
г
– заданный расход газа, м
3
/с;
в
– скорость витания частиц, м/с;
ч
– плотность частиц, кг/м
3
; g = 9,81 м/с
2
– ускорение свободного падения;
– динамическая вязкость газовой среды, Па·с, d – диаметр час- тиц.
Рис. 1.2. Пылеосадительная камера
По данной методике возможен расчет осаждения пыли в газоходах или аппаратах, включенных в газоходную систему, в которых газ движется в ламинарном режиме. При этом ре- шается обратная задача и определяется величина d из форму- лы (1.2).
Процессы осаждения, происходящие в пылевых камерах, наблюдаются и в горизонтальных газоходах. Однако в этих условиях осаждение пыли в большинстве случаев нежелатель- но, поэтому скорости в газоходах принимают значительно бо- лее высокими (18-20 м/с), чтобы обеспечивались турбулент- ный режим движения и унос даже крупных частиц, а также экономия металла при изготовлении газоходов.
Основные модели пылеосадительных камер представлены на рисунке 1.3.
Перечисленные аппараты отличаются простотой изготов- ления и эксплуатации. Однако в связи с низкой эффективно-
17 стью улавливания пыли их используют для предварительной очистки газов или для улавливания очень крупной пыли, на- пример древесной или металлической стружки.
Рис.1.3. а – полая: б – с горизонтальными полками; в, г – с вер- тикальными перегородками
1 – корпус; 2 – бункер; 3 – перегородка; 4 – полки; 5 – перегородки
1.4.1.2. ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под воздействием инерционной силы частицы пыли будут стремиться двигаться в прежнем направ- лении и после поворота потока газов выпадают в бункер. На этом принципе работает ряд аппаратов (рис. 1.4). Эффектив- ность этих аппаратов невысокая.
Камера с плавным поворотом газового потока имеет меньшее гидравлическое сопротивление чем другие аппараты инерционного типа. Скорость в сечении камеры составляет 1,0 м/с. Для частиц пыли размером 25-30 мкм степень улавлива- ния составляет 65-80%.
18
1.4.1.3. ЖАЛЮЗИЙНЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
В основе работы жалюзийного пылеуловителя лежит инерционно-отражательный принцип (рис. 1.5). С одной сто- роны, частицы пыли выпадают из потока газа под действием сил инерции при крутом повороте его в жалюзийной решетке, а с другой – отражаются при непосредственном ударе о пла- стину. В обоих случаях частицы попадают в меньшую часть потока, обогащая ее пылью. Большая часть газа (Q
1
95%) оги- бает пластины и, частично освобождаясь при этом от пыли, продолжает двигаться дальше в прежнем направлении. Мень- шая часть газа (Q
2
5%), обогащенная пылью, отводится для очистки в циклон, после чего присоединяется к основному по- току газа. Движение газа через циклон осуществляется глав- ным образом за счет перепада давления на жалюзийной ре- шетке. Общая эффективность очистки газа в жалюзийном пы- леуловителе определяется как произведение степени очистки в решетке и циклоне.
Рис.1.4. Инерционные пылеуловители: а – с перегородкой; б – с плавным поворотом газового потока; в – с расширяющимся конусом
19
Оптимальная скорость подхода газа к решетке лежит в пределах 12-20 м/с в зависимости от конструкции решетки, т.е. примерно равна скорости газа в газоходах.
Однако он может эффективно улавливать только крупную пыль (размером более 20 мкм) для пылевых частиц размером
40 мкм эффективность составляет около 85%, а для частиц размером 30 мкм – 75%. Гидравлическое сопротивление 100-
500 Па.
Рис. 1.5. Схема работы жалюзийного аппарата
1.4.1.4. ЦИКЛОНЫ И РОТАЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
Наибольшее распространение при реализации методов су- хого пылеулавливания получили циклоны различных типов, действие которых основано на использовании центробежных сил, возникающих при вращении газового потока. На рисунке
1.6 приведена схема аппарата (цилиндрический циклон типа
ЦН).
Отделение частиц пыли от газа происходит за счет поворо- та газового потока в бункере на 180
: газ отражается от дна и двигается вверх, а потерявшие начальную скорость частицы в широком бункере оседают вниз под действием силы тяжести
(т.е. для разрушения аэродисперсной системы применяется
20 резкое изменение направления движения и резкое изменение скорости частиц).
Возникающая в циклонах центробежная сила, действую- щая на пылевую частицу, обратно пропорциональна радиусу циклона, поэтому эффективность обеспыливания возрастает с уменьшением радиуса циклона. В современных установках эти силы в 5-2500 раз превышают действующую на пылинку силу тяжести.
Из рисунка 1.6 видно, что с восходящим газовым потоком возможен унос частиц пыли из бункера, что приведет к пони- жению эффективности (унос вследствие вторичных токов и вихрей). В связи с этим нецелесообразно увеличивать скорость воздуха во входном патрубке более 20-25 м/с в избежание вто- ричного уноса. Обычная скорость на входе 15 м/с. Скорость газа в полном сечении должна составлять при этом 2,2-5,0 м/с
(в зависимости от типа циклона).
Наибольшее распространение в нашей стране получили цилиндрические циклоны конструкции НИИОгаза.
Согласно ГОСТ для циклонов приняты следующие вели- чины диаметров, мм: 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900;
1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000. Вследствие снижения эффективности с увеличением размеров применять циклоны типа ЦН диаметром более 1000 мм не рекомендуется.
Стандартные конструкции циклонов могут работать при тем- пературе газа не выше 400°С и давлении (разрежении) не бо- лее 2500 Па.
Гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па.
21
Рис.1.6. Схема противоточного циклона: 1 – входной; патрубок; 2 – раскручивающая улитка; 3 – выходной патрубок;
4 – крышка; 5 – выхлопная труба; 6 – цилиндрическая часть;
7 – коническая часть; 8 – пневмовыпускное отверстие;
9 – бункер для пыли; 10 – пылевой затвор
Основные виды конструкции циклонов по подводу газа показаны на рисунке 1.7.
22
Рис. 1.7. Основные виды циклонов подводу газов: а – спиральный; б – тангенциальный; в – винтообразный; г, д – осевые
В промышленности принято делить циклоны на высоко- эффективные и высокопроизводительные. Первые эффектив- ны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют меньшее гидравличе- ское сопротивление, но хуже улавливают мелкодисперсную пыль.
Средняя эффективность обеспыливания газа в циклонах составляет около 98% для частиц пыли размером 30-40 мкм, до 80% – для частиц размером 19 мкм, 60% – для частиц раз- мером 4-5 мкм.
Прямоточные циклоны (рис. 1.8) широко распростране- ны в качестве каплеуловителей в системах мокрой очистки газов. Скоагулированная и укрупненная мокрая пыль повы- шенной плотности и капли жидкости улавливаются в таких аппаратах весьма эффективно при малом гидравлическом со- противлении аппарата (отсутствует поворот на 180°). Для улавливания мелкой сухой пыли прямоточные циклоны прак- тически непригодны вследствие своей низкой эффективности.
При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличи-
23 вать диаметр циклона, что положительно сказывается на эф- фективности очистки.
Применяют циклонные элементы с диаметром цилиндри- ческой части корпуса 100, 150, 250 мм. В целях удобства объе- динения и компактности установки придание газовому потоку вращения достигается обычно не тангенциальным подводом газа, а размещением внутри циклонного элемента специально- го устройства, представляющего собой либо двухлопастной винт либо розетку, состоящую из лопаток, установленных к оси под углом α = 25-30°.
Рис.1.8. Схема прямоточного циклона
Розетки работают эффективнее, однако они чувствитель- нее к засорению, и поэтому их не рекомендуется использовать при чрезмерно высокой запыленности газа и слипающейся пыли. Циклонные элементы компонуют в батареи, где они ра- ботают параллельно (рис. 1.9). Очищаемые газы вводятся че- рез входной патрубок в общую распределительную камеру, откуда распределяются по отдельным элементам. Далее из сборной камеры очищенный газ через выходной патрубок, на- правленный в сторону, выводится из аппарата. Пыль, осаж- дающаяся в циклонных элементах, ссыпается в общий для всех элементов бункер. Пространство между циклонными
24 элементами засыпается шлаком. Большое число циклонных элементов, объединенных общим пылевым бункером, требует равномерного распределения газа по циклонным элементам.
Последние должны быть строго одинаковых размеров, смон- тированы с одинаковыми допусками и одинаковым гидравли- ческим сопротивлением.
Рис. 1.9. Схема батарейного циклона
Основные преимущества циклонов – это высокая эффек- тивность улавливания частиц более 10 мкм, простота в уст- ройстве и эксплуатации. Недостатками являются высокое гид- равлическое сопротивление (1200-1500 Па), малая эффектив- ность улавливания частиц менее 5 мкм.
Принцип действия вихревых аппаратов аналогичен прин- ципу действия циклонов. Основным отличием вихревых пыле- уловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.
Отличительные особенности вихревого аппарата состоят в том, что, во-первых, закручивание основного потока осуще- ствляется с помощью лопаточного завихрителя, а, во-вторых, уже закрученный газ подвергается дополнительному закручи- ванию с помощью вторичного газового потока.
25
Существуют две основные разновидности вихревых ап- паратов: соплового и лопаточного типа (рис. 1.10).
В аппаратах соплового типа пылегазовый поток, закру- ченный лопаточным завихрителем, двигаясь вверх, подверга- ется воздействию тангенциально направленных струй вторич- ного потока, дополнительно закручивающих его в ту же сто- рону. Под действием центробежных сил частицы пыли отбра- сываются на стенку, откуда под действием слоя вторичного потока, направленного вниз, спускаются в бункер. Вторичный газ в ходе спирального обтекания основного потока внедряет- ся в него и вместе с ним удаляется из аппарата. Вихревой ап- парат лопаточного типа отличается тем, что вторичный газ из расположенной сверху камеры подается в аппарат кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками.
Рис.1.10. Вихревой аппарат: а – соплового типа, б – лопаточного типа
1 – камера, 2 – выходной патрубок, 3 – сопла, 4 – лопаточный завих- ритель типа «розетка», 5 – входной патрубок, 6 – подпорная шайба,
7 – пылевой бункер, 8 – кольцевой лопаточный завихритель
26
Как и у циклонов, эффективность вихревых аппаратов с увеличением диаметра снижается. Достоинствами вихревых пылеуловителей по сравнению с циклонами являются более высокая эффективность улавливания мелкодисперсной пыли, меньший абразивный износ внутренних поверхностей аппара- та, возможность очистки газов более высокой температуры вследствие разбавления их холодным вторичным воздухом, а также возможность регулирования процесса сепарации путем измерения количества и давления вторичного газа. К недос- таткам вихревых пылеуловителей можноотнести: наличие до- полнительного дутьевого устройства, увеличение общего объ- ема газов при использовании в качестве вторичного газа атмо- сферного воздуха, большую сложность аппарата в изготовле- нии и эксплуатации.
Очистка газа в ротационных пылеуловителях осуществ- ляется за счет центробежных сил и сил Кориолиса, возникаю- щих при вращении рабочего колеса тягодутьевого устройства.
Существуют вентиляторы-пылеуловители, ротоклоны и дымо- сосы-пылеуловители. Первые два типа представлены на ри- сунке 1.11.
Наибольшее распространение получил дымосос- пылеуловитель. Он предназначен для улавливания частиц пы- ли размером больше 15 мкм. За счет разности давлений, созда- ваемых рабочим колесом, запыленный поток поступает в
«улитку» и приобретает криволинейное движение. Частицы пыли отбрасываются к периферии под действием центробеж- ных сил и вместе с 8-10% газа отводятся в циклон, соединен- ный с улиткой. Очищенные газы через направляющий аппара- та поступают в рабочее колесо дымососа-пылеуловителя, а затем через кожух выбросов в дымовую трубу.
Преимущества дымососов-пылеуловителей – компакт- ность, малая металлоемкость, сравнительно небольшие энер- гозатраты, совмещение двух аппаратов в одном; недостатки – повышенный абразивный износ, возможность образования отложений и нарушения баланса ротора, проскок мелких час- тиц (диаметром менее 10 мкм), сложность в изготовлении.
27
Рис. 1.11. а – вентилятор-пылеуловитель; б – ротоклон Д
1.5. ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
МЕТОДОМ ФИЛЬТРОВАНИЯ
1.5.1. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ ГАЗОВ
Фильтрованиемназывается процесс разделения аэрозолей или суспензий на две фазы – твердую и газообразную (жид- кую) при помощи проницаемых перегородок или слоев, про- пускающих газ (жидкость), но задерживающих твердые части- цы.
Процесс фильтрования в общем случае включает два пе- риода – стационарный (начальный) и нестационарный (заклю- чительный). В ходе заключительного периода происходит уве- личение гидравлического сопротивления перегородки (слоя) и повышение эффективности разделения фаз (повышение степе- ни очистки).
Механизм удаления частиц из газового потока в ходе процесса фильтрования предполагает возможность удаления частиц из газового потока под действием следующих основ- ных факторов:
28
- инерционных сил;
- гравитационных сил;
- броуновского движения (мелкие частицы) – эффект ка- сания и диффузионный эффект;
- электрического притяжения в системе «частица – эле- мент фильтра».
Инерционныесилыявляются основными в реализации про- цесса фазового разделения при осуществлении фильтрации.
Фильтр – пример в основном инерционного пылеуловителя, в котором, наряду с основными силами, действуют и другие, что в целом увеличивает эффективность фильтрации. Вторым по значимости фактором является, как правило, эффект касания.
Инерционное взаимодействие частицы пыли с элементом фильтра (наряду с нитью волокнистого фильтровального ма- териала) происходит в тех случаях, когда движущаяся частица не отклоняется вместе с потоком газа, а, сохраняя траекторию и скорость, сталкивается с фильтрующим элементом. Вероят- ность столкновения частицы с преградой и осаждение ее на ней является функцией безразмерного критерия Стокса, кото- рый при ламинарном режиме описывается уравнением: в
г
2
г
18
St k
d
d
п
,
(1.3) где
г
– скорость газового потока вблизи поверхности фильт- рующего элемента, м/с; d – диаметр частицы пыли, мкм;
п
– плотность пыли, кг/м
3
;
г
– коэффициент динамической вязко- сти газа-носителя, Па·с; d
в
– диаметр волокна фильтра, мкм.
Коэффициент захвата частиц за счет инерционных сил, т.е. парциальная степень очистки описывается уравнением
22
,
0
Stk
77
,
0
Stk
Stk
2 3
3
инерц
(1.4)
Из уравнения для критерия Стокса вытекает, что чем больше диаметр частиц и чем меньше диаметр волокон, а так-
29 же чем выше плотность улавливаемых примесей, тем больше абсолютное значение критерия Стокса, т.е. по уравнению для
инерц выше степень улавливания (очистки). Естественно, что более плотные (тяжелые) примеси, имеющие более крупные частицы, улавливаются фильтрами активнее – тем в большей степени, чем тоньше фильтр (меньше размеры зерен слоя, больше волокна, более тонкопористая фильтрующая перего- родка и т.д.).
Гравитационные силызаметно проявляются для частиц загрязнений крупнее 5 мкмпри скорости газового потока ме- нее 0,05 м/с (5 см/с). Реальный учет этого эффекта может быть полезен только для фильтров с насыпным (зернистым) слоем.
Броуновское движение (диффузионный эффект и эффект касания) должно учитываться при очистке газа от мелких, субмикронных частиц. Наиболее заметный вклад этого меха- низма может быть обнаружен для частиц менее 0,1 мкм. Суб- микронные частицы под действием движущихся молекул газа совершают достаточно интенсивное хаотическое движение, приводящее к смещению их траекторий к поверхности воло- кон (статистически!) и к осаждению на их поверхность.
При встрече с поверхностью фильтрующего элемента в этом случае может быть заметен и эффект касания, так как си- ла инерции субмикронных частиц практически равна нулю.
Эффективность улавливания за счет касания:
)
(
)
(
η
0625
,
0
г г
г в
2
в кас
d
d
d
(1.5)
Из уравнения 1.5 следует, что наиболее существенное влияние оказывает соотношение диаметров частиц и фильт- рующего волокна, в меньшей степени – свойства и динамика газового потока.
Собственно диффузионный эффектколичественно оце- нивается коэффициентом диффузии
30
d
TC
D
г
3
k
,
(1.6) где k – константа Больцмана, k = 1,38∙10
– 23
Дж/К; Т – абсо- лютная температура, К; С – коэффициент, для d
0,003 мкм
С = 90, для d
0,03 мкм С = 7,9, для d
0,1 мкм С = 2,9, для
d
1 мкм С = 1,16;
г
– коэффициент динамической вязкости газа, Па·с; d – диаметр частиц пыли, мкм.
Электрические силымогут оказывать весьма существен- ное влияние на степень очистки, если волокна фильтра или насыпной фильтрующий слой имеют электрический заряд. В этом случае нейтральные частицы пыли поляризуются элек- трическим полем и притягиваются к поверхности фильтро- вального материала.
В процессе фильтрования могут проявляться все рассмот- ренные механизмы. В этом случае эффективность пылеулав- ливания:
= 1 – (1 –
инерц
)(1 –
кас
)(1 –
G
)(1 –
D
)(1 –
е
), (1.7) где
G
,
D
,
е
– коэффициенты улавливания частиц пыли за счет действия гравитационных сил, диффузии и электрических сил.
Однако все это характерно только для первого, стационар- ногопериода фильтрования. По мере накопления слоя пыли возрастает сопротивление слоя движению газа, пропускная способность аппарата снижается, эффективность улавливания пыли может возрастать. После образования и наращивания ло- бового пылевого слоя в процессе фильтрования существенную роль начинает играть ситовый эффект, так как образующиеся поры соизмеримы с размерами улавливаемых частиц. В соот- ветствии с этим постоянно изменяются гидравлическое сопро- тивление и эффективность работы фильтра, что крайне ослож- няет протекание процесса фильтрования и связанные с этим расчеты.
31
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 17
15
1.4.1.1. ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ
Пылеосадительные камеры – простейшие и наименее эф- фективные устройства. Их применение целесообразно лишь в качестве предварительной ступени очистки. Эффективны они лишь в том случае, если размеры частиц в газе составляют не менее 50 мкм. Пылеосадительная камера (рис.1.2) представля- ет собой длинный бункер с установленными на входе диффу- зором и газораспределительной решеткой. Газовый поток в пылеосадительных камерах движется в горизонтальном на- правлении. В осадительных камерах выпадение частиц пыли из газового потока происходит под действием сил гравитации.
Эффективность осаждения в значительной мере определяется временем пребывания частиц в камере, что вызывает необхо- димость увеличения размеров камеры.
Технические характеристики пылеосадительных камер: скорость газа 0,2-1,5 м/с; потери давления 50-150 Па; диаметр улавливаемых частиц ≥50 мкм; эффективность улавливания
40-50%.
Выбор и приближенный расчет пылеосадительных камер предполагает ограничение предельного размера частиц, соот- ветствующего заданной эффективности, при этом частицы, имеющие диаметр больше заданного, будут осаждены. Расчет сводится к определению площади осаждения дна камеры LB или суммарной поверхности полок при следующих допущени- ях: пыль равномерно распределяется по сечению камеры по концентрации и дисперсности; материал представлен шарооб- разными частицами, поэтому процесс можно описать законом
Стокса; скорость газовой фазы постоянна и равномерна по всем сечениям камеры; конвективное и турбулентное воздей- ствие отсутствует; осажденная пыль не удаляется из камеры.
Таким образом, площадь дна камеры может быть опреде- лена по формуле
g
d
V
V
LB
ч
2
г в
г
ρ
μ
18
,
(1.2)
16 где L и B – длина и ширина камеры, м; V
г
– заданный расход газа, м
3
/с;
в
– скорость витания частиц, м/с;
ч
– плотность частиц, кг/м
3
; g = 9,81 м/с
2
– ускорение свободного падения;
– динамическая вязкость газовой среды, Па·с, d – диаметр час- тиц.
Рис. 1.2. Пылеосадительная камера
По данной методике возможен расчет осаждения пыли в газоходах или аппаратах, включенных в газоходную систему, в которых газ движется в ламинарном режиме. При этом ре- шается обратная задача и определяется величина d из форму- лы (1.2).
Процессы осаждения, происходящие в пылевых камерах, наблюдаются и в горизонтальных газоходах. Однако в этих условиях осаждение пыли в большинстве случаев нежелатель- но, поэтому скорости в газоходах принимают значительно бо- лее высокими (18-20 м/с), чтобы обеспечивались турбулент- ный режим движения и унос даже крупных частиц, а также экономия металла при изготовлении газоходов.
Основные модели пылеосадительных камер представлены на рисунке 1.3.
Перечисленные аппараты отличаются простотой изготов- ления и эксплуатации. Однако в связи с низкой эффективно-
17 стью улавливания пыли их используют для предварительной очистки газов или для улавливания очень крупной пыли, на- пример древесной или металлической стружки.
Рис.1.3. а – полая: б – с горизонтальными полками; в, г – с вер- тикальными перегородками
1 – корпус; 2 – бункер; 3 – перегородка; 4 – полки; 5 – перегородки
1.4.1.2. ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под воздействием инерционной силы частицы пыли будут стремиться двигаться в прежнем направ- лении и после поворота потока газов выпадают в бункер. На этом принципе работает ряд аппаратов (рис. 1.4). Эффектив- ность этих аппаратов невысокая.
Камера с плавным поворотом газового потока имеет меньшее гидравлическое сопротивление чем другие аппараты инерционного типа. Скорость в сечении камеры составляет 1,0 м/с. Для частиц пыли размером 25-30 мкм степень улавлива- ния составляет 65-80%.
18
1.4.1.3. ЖАЛЮЗИЙНЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
В основе работы жалюзийного пылеуловителя лежит инерционно-отражательный принцип (рис. 1.5). С одной сто- роны, частицы пыли выпадают из потока газа под действием сил инерции при крутом повороте его в жалюзийной решетке, а с другой – отражаются при непосредственном ударе о пла- стину. В обоих случаях частицы попадают в меньшую часть потока, обогащая ее пылью. Большая часть газа (Q
1
95%) оги- бает пластины и, частично освобождаясь при этом от пыли, продолжает двигаться дальше в прежнем направлении. Мень- шая часть газа (Q
2
5%), обогащенная пылью, отводится для очистки в циклон, после чего присоединяется к основному по- току газа. Движение газа через циклон осуществляется глав- ным образом за счет перепада давления на жалюзийной ре- шетке. Общая эффективность очистки газа в жалюзийном пы- леуловителе определяется как произведение степени очистки в решетке и циклоне.
Рис.1.4. Инерционные пылеуловители: а – с перегородкой; б – с плавным поворотом газового потока; в – с расширяющимся конусом
19
Оптимальная скорость подхода газа к решетке лежит в пределах 12-20 м/с в зависимости от конструкции решетки, т.е. примерно равна скорости газа в газоходах.
Однако он может эффективно улавливать только крупную пыль (размером более 20 мкм) для пылевых частиц размером
40 мкм эффективность составляет около 85%, а для частиц размером 30 мкм – 75%. Гидравлическое сопротивление 100-
500 Па.
Рис. 1.5. Схема работы жалюзийного аппарата
1.4.1.4. ЦИКЛОНЫ И РОТАЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
Наибольшее распространение при реализации методов су- хого пылеулавливания получили циклоны различных типов, действие которых основано на использовании центробежных сил, возникающих при вращении газового потока. На рисунке
1.6 приведена схема аппарата (цилиндрический циклон типа
ЦН).
Отделение частиц пыли от газа происходит за счет поворо- та газового потока в бункере на 180
: газ отражается от дна и двигается вверх, а потерявшие начальную скорость частицы в широком бункере оседают вниз под действием силы тяжести
(т.е. для разрушения аэродисперсной системы применяется
20 резкое изменение направления движения и резкое изменение скорости частиц).
Возникающая в циклонах центробежная сила, действую- щая на пылевую частицу, обратно пропорциональна радиусу циклона, поэтому эффективность обеспыливания возрастает с уменьшением радиуса циклона. В современных установках эти силы в 5-2500 раз превышают действующую на пылинку силу тяжести.
Из рисунка 1.6 видно, что с восходящим газовым потоком возможен унос частиц пыли из бункера, что приведет к пони- жению эффективности (унос вследствие вторичных токов и вихрей). В связи с этим нецелесообразно увеличивать скорость воздуха во входном патрубке более 20-25 м/с в избежание вто- ричного уноса. Обычная скорость на входе 15 м/с. Скорость газа в полном сечении должна составлять при этом 2,2-5,0 м/с
(в зависимости от типа циклона).
Наибольшее распространение в нашей стране получили цилиндрические циклоны конструкции НИИОгаза.
Согласно ГОСТ для циклонов приняты следующие вели- чины диаметров, мм: 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900;
1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000. Вследствие снижения эффективности с увеличением размеров применять циклоны типа ЦН диаметром более 1000 мм не рекомендуется.
Стандартные конструкции циклонов могут работать при тем- пературе газа не выше 400°С и давлении (разрежении) не бо- лее 2500 Па.
Гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па.
21
Рис.1.6. Схема противоточного циклона: 1 – входной; патрубок; 2 – раскручивающая улитка; 3 – выходной патрубок;
4 – крышка; 5 – выхлопная труба; 6 – цилиндрическая часть;
7 – коническая часть; 8 – пневмовыпускное отверстие;
9 – бункер для пыли; 10 – пылевой затвор
Основные виды конструкции циклонов по подводу газа показаны на рисунке 1.7.
22
Рис. 1.7. Основные виды циклонов подводу газов: а – спиральный; б – тангенциальный; в – винтообразный; г, д – осевые
В промышленности принято делить циклоны на высоко- эффективные и высокопроизводительные. Первые эффектив- ны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют меньшее гидравличе- ское сопротивление, но хуже улавливают мелкодисперсную пыль.
Средняя эффективность обеспыливания газа в циклонах составляет около 98% для частиц пыли размером 30-40 мкм, до 80% – для частиц размером 19 мкм, 60% – для частиц раз- мером 4-5 мкм.
Прямоточные циклоны (рис. 1.8) широко распростране- ны в качестве каплеуловителей в системах мокрой очистки газов. Скоагулированная и укрупненная мокрая пыль повы- шенной плотности и капли жидкости улавливаются в таких аппаратах весьма эффективно при малом гидравлическом со- противлении аппарата (отсутствует поворот на 180°). Для улавливания мелкой сухой пыли прямоточные циклоны прак- тически непригодны вследствие своей низкой эффективности.
При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличи-
23 вать диаметр циклона, что положительно сказывается на эф- фективности очистки.
Применяют циклонные элементы с диаметром цилиндри- ческой части корпуса 100, 150, 250 мм. В целях удобства объе- динения и компактности установки придание газовому потоку вращения достигается обычно не тангенциальным подводом газа, а размещением внутри циклонного элемента специально- го устройства, представляющего собой либо двухлопастной винт либо розетку, состоящую из лопаток, установленных к оси под углом α = 25-30°.
Рис.1.8. Схема прямоточного циклона
Розетки работают эффективнее, однако они чувствитель- нее к засорению, и поэтому их не рекомендуется использовать при чрезмерно высокой запыленности газа и слипающейся пыли. Циклонные элементы компонуют в батареи, где они ра- ботают параллельно (рис. 1.9). Очищаемые газы вводятся че- рез входной патрубок в общую распределительную камеру, откуда распределяются по отдельным элементам. Далее из сборной камеры очищенный газ через выходной патрубок, на- правленный в сторону, выводится из аппарата. Пыль, осаж- дающаяся в циклонных элементах, ссыпается в общий для всех элементов бункер. Пространство между циклонными
24 элементами засыпается шлаком. Большое число циклонных элементов, объединенных общим пылевым бункером, требует равномерного распределения газа по циклонным элементам.
Последние должны быть строго одинаковых размеров, смон- тированы с одинаковыми допусками и одинаковым гидравли- ческим сопротивлением.
Рис. 1.9. Схема батарейного циклона
Основные преимущества циклонов – это высокая эффек- тивность улавливания частиц более 10 мкм, простота в уст- ройстве и эксплуатации. Недостатками являются высокое гид- равлическое сопротивление (1200-1500 Па), малая эффектив- ность улавливания частиц менее 5 мкм.
Принцип действия вихревых аппаратов аналогичен прин- ципу действия циклонов. Основным отличием вихревых пыле- уловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.
Отличительные особенности вихревого аппарата состоят в том, что, во-первых, закручивание основного потока осуще- ствляется с помощью лопаточного завихрителя, а, во-вторых, уже закрученный газ подвергается дополнительному закручи- ванию с помощью вторичного газового потока.
25
Существуют две основные разновидности вихревых ап- паратов: соплового и лопаточного типа (рис. 1.10).
В аппаратах соплового типа пылегазовый поток, закру- ченный лопаточным завихрителем, двигаясь вверх, подверга- ется воздействию тангенциально направленных струй вторич- ного потока, дополнительно закручивающих его в ту же сто- рону. Под действием центробежных сил частицы пыли отбра- сываются на стенку, откуда под действием слоя вторичного потока, направленного вниз, спускаются в бункер. Вторичный газ в ходе спирального обтекания основного потока внедряет- ся в него и вместе с ним удаляется из аппарата. Вихревой ап- парат лопаточного типа отличается тем, что вторичный газ из расположенной сверху камеры подается в аппарат кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками.
Рис.1.10. Вихревой аппарат: а – соплового типа, б – лопаточного типа
1 – камера, 2 – выходной патрубок, 3 – сопла, 4 – лопаточный завих- ритель типа «розетка», 5 – входной патрубок, 6 – подпорная шайба,
7 – пылевой бункер, 8 – кольцевой лопаточный завихритель
26
Как и у циклонов, эффективность вихревых аппаратов с увеличением диаметра снижается. Достоинствами вихревых пылеуловителей по сравнению с циклонами являются более высокая эффективность улавливания мелкодисперсной пыли, меньший абразивный износ внутренних поверхностей аппара- та, возможность очистки газов более высокой температуры вследствие разбавления их холодным вторичным воздухом, а также возможность регулирования процесса сепарации путем измерения количества и давления вторичного газа. К недос- таткам вихревых пылеуловителей можноотнести: наличие до- полнительного дутьевого устройства, увеличение общего объ- ема газов при использовании в качестве вторичного газа атмо- сферного воздуха, большую сложность аппарата в изготовле- нии и эксплуатации.
Очистка газа в ротационных пылеуловителях осуществ- ляется за счет центробежных сил и сил Кориолиса, возникаю- щих при вращении рабочего колеса тягодутьевого устройства.
Существуют вентиляторы-пылеуловители, ротоклоны и дымо- сосы-пылеуловители. Первые два типа представлены на ри- сунке 1.11.
Наибольшее распространение получил дымосос- пылеуловитель. Он предназначен для улавливания частиц пы- ли размером больше 15 мкм. За счет разности давлений, созда- ваемых рабочим колесом, запыленный поток поступает в
«улитку» и приобретает криволинейное движение. Частицы пыли отбрасываются к периферии под действием центробеж- ных сил и вместе с 8-10% газа отводятся в циклон, соединен- ный с улиткой. Очищенные газы через направляющий аппара- та поступают в рабочее колесо дымососа-пылеуловителя, а затем через кожух выбросов в дымовую трубу.
Преимущества дымососов-пылеуловителей – компакт- ность, малая металлоемкость, сравнительно небольшие энер- гозатраты, совмещение двух аппаратов в одном; недостатки – повышенный абразивный износ, возможность образования отложений и нарушения баланса ротора, проскок мелких час- тиц (диаметром менее 10 мкм), сложность в изготовлении.
27
Рис. 1.11. а – вентилятор-пылеуловитель; б – ротоклон Д
1.5. ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
МЕТОДОМ ФИЛЬТРОВАНИЯ
1.5.1. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ ГАЗОВ
Фильтрованиемназывается процесс разделения аэрозолей или суспензий на две фазы – твердую и газообразную (жид- кую) при помощи проницаемых перегородок или слоев, про- пускающих газ (жидкость), но задерживающих твердые части- цы.
Процесс фильтрования в общем случае включает два пе- риода – стационарный (начальный) и нестационарный (заклю- чительный). В ходе заключительного периода происходит уве- личение гидравлического сопротивления перегородки (слоя) и повышение эффективности разделения фаз (повышение степе- ни очистки).
Механизм удаления частиц из газового потока в ходе процесса фильтрования предполагает возможность удаления частиц из газового потока под действием следующих основ- ных факторов:
28
- инерционных сил;
- гравитационных сил;
- броуновского движения (мелкие частицы) – эффект ка- сания и диффузионный эффект;
- электрического притяжения в системе «частица – эле- мент фильтра».
Инерционныесилыявляются основными в реализации про- цесса фазового разделения при осуществлении фильтрации.
Фильтр – пример в основном инерционного пылеуловителя, в котором, наряду с основными силами, действуют и другие, что в целом увеличивает эффективность фильтрации. Вторым по значимости фактором является, как правило, эффект касания.
Инерционное взаимодействие частицы пыли с элементом фильтра (наряду с нитью волокнистого фильтровального ма- териала) происходит в тех случаях, когда движущаяся частица не отклоняется вместе с потоком газа, а, сохраняя траекторию и скорость, сталкивается с фильтрующим элементом. Вероят- ность столкновения частицы с преградой и осаждение ее на ней является функцией безразмерного критерия Стокса, кото- рый при ламинарном режиме описывается уравнением: в
г
2
г
18
St k
d
d
п
,
(1.3) где
г
– скорость газового потока вблизи поверхности фильт- рующего элемента, м/с; d – диаметр частицы пыли, мкм;
п
– плотность пыли, кг/м
3
;
г
– коэффициент динамической вязко- сти газа-носителя, Па·с; d
в
– диаметр волокна фильтра, мкм.
Коэффициент захвата частиц за счет инерционных сил, т.е. парциальная степень очистки описывается уравнением
22
,
0
Stk
77
,
0
Stk
Stk
2 3
3
инерц
(1.4)
Из уравнения для критерия Стокса вытекает, что чем больше диаметр частиц и чем меньше диаметр волокон, а так-
29 же чем выше плотность улавливаемых примесей, тем больше абсолютное значение критерия Стокса, т.е. по уравнению для
инерц выше степень улавливания (очистки). Естественно, что более плотные (тяжелые) примеси, имеющие более крупные частицы, улавливаются фильтрами активнее – тем в большей степени, чем тоньше фильтр (меньше размеры зерен слоя, больше волокна, более тонкопористая фильтрующая перего- родка и т.д.).
Гравитационные силызаметно проявляются для частиц загрязнений крупнее 5 мкмпри скорости газового потока ме- нее 0,05 м/с (5 см/с). Реальный учет этого эффекта может быть полезен только для фильтров с насыпным (зернистым) слоем.
Броуновское движение (диффузионный эффект и эффект касания) должно учитываться при очистке газа от мелких, субмикронных частиц. Наиболее заметный вклад этого меха- низма может быть обнаружен для частиц менее 0,1 мкм. Суб- микронные частицы под действием движущихся молекул газа совершают достаточно интенсивное хаотическое движение, приводящее к смещению их траекторий к поверхности воло- кон (статистически!) и к осаждению на их поверхность.
При встрече с поверхностью фильтрующего элемента в этом случае может быть заметен и эффект касания, так как си- ла инерции субмикронных частиц практически равна нулю.
Эффективность улавливания за счет касания:
)
(
)
(
η
0625
,
0
г г
г в
2
в кас
d
d
d
(1.5)
Из уравнения 1.5 следует, что наиболее существенное влияние оказывает соотношение диаметров частиц и фильт- рующего волокна, в меньшей степени – свойства и динамика газового потока.
Собственно диффузионный эффектколичественно оце- нивается коэффициентом диффузии
30
d
TC
D
г
3
k
,
(1.6) где k – константа Больцмана, k = 1,38∙10
– 23
Дж/К; Т – абсо- лютная температура, К; С – коэффициент, для d
0,003 мкм
С = 90, для d
0,03 мкм С = 7,9, для d
0,1 мкм С = 2,9, для
d
1 мкм С = 1,16;
г
– коэффициент динамической вязкости газа, Па·с; d – диаметр частиц пыли, мкм.
Электрические силымогут оказывать весьма существен- ное влияние на степень очистки, если волокна фильтра или насыпной фильтрующий слой имеют электрический заряд. В этом случае нейтральные частицы пыли поляризуются элек- трическим полем и притягиваются к поверхности фильтро- вального материала.
В процессе фильтрования могут проявляться все рассмот- ренные механизмы. В этом случае эффективность пылеулав- ливания:
= 1 – (1 –
инерц
)(1 –
кас
)(1 –
G
)(1 –
D
)(1 –
е
), (1.7) где
G
,
D
,
е
– коэффициенты улавливания частиц пыли за счет действия гравитационных сил, диффузии и электрических сил.
Однако все это характерно только для первого, стационар- ногопериода фильтрования. По мере накопления слоя пыли возрастает сопротивление слоя движению газа, пропускная способность аппарата снижается, эффективность улавливания пыли может возрастать. После образования и наращивания ло- бового пылевого слоя в процессе фильтрования существенную роль начинает играть ситовый эффект, так как образующиеся поры соизмеримы с размерами улавливаемых частиц. В соот- ветствии с этим постоянно изменяются гидравлическое сопро- тивление и эффективность работы фильтра, что крайне ослож- няет протекание процесса фильтрования и связанные с этим расчеты.
31
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 17
1.5.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В зависимости от материала фильтры представляют собой фильтрующие перегородки или насыпные фильтрующие слои.
Фильтрующие перегородки изготавливаются из гибких
(тканых и нетканых) и жестких (керамики, спеченных метал- лических порошков, пластмасс) материалов.
Насыпные фильтрующие слои, как правило, представля- ют собой пакеты из гранул инертных материалов (кварца, ке- рамики и др.) с определенной формой и дисперсностью гра- нул.
Для очистки холодных газов и газов, имеющих сравни- тельно невысокую температуру, с успехом применяются фильтровальные материалы из синтетических нитей (напри- мер, лавсан, t
130
С). Для горячих газов (t = 300
С и более) из тканых и нетканых волокнистых материалов могут быть применены стеклоткани, стекловата (шлаковата), а также же- сткие керамические и металлические фильтры. Применяются кварцевые и керамические зернистые слои.
1.5.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКЦИИ
ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рассмотрим классификацию промышленных фильтров.
В зависимости от способа подвода запыленного воздухак фильтрующим элементам различают фильтры трех типов: с нижней раздачей, с верхней раздачей, с комбинированной раз- дачей.
По числу секцийразличают два типа фильтров – одно- секционные и многосекционные.
По условиям работыфильтры могут быть четырех типов: в обычном исполнении, во взрывобезопасном исполнении, для работы под давлением, для работы при повышенной темпера- туре.
32
Фильтры в обычном исполнении рассчитываются на дав- ление (или разрежение) в корпусе не более 5000 Па и температуру не выше 200
С (синтетические волокнистые материалы).
В зависимости от назначения и величины входной и вы- ходной концентрации фильтры условно разделяют на три класса:
– фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или аб- солютные фильтры) предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (более 99%) в основном субмикрон- ных частиц из промышленных газов с низкой входной концен- трацией (менее 1 мг/м
3
) и скоростью фильтрования менее 10 см/с. Фильтры применяют для улавливания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при прове- дении некоторых технологических процессов, не допускаю- щих присутствия пыли. Фильтры тонкой очистки не подвер- гаются регенерации;
– воздушные фильтры используют в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Работают при кон- центрации пыли менее 50 мг/м
3
, при высокой скорости фильт- рации – до 2,5-3,0 м/с. Фильтры могут быть нерегенерируемые и регенерируемые;
– промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубо- волокнистые) применяются для очистки промышленных газов с концентрацией пыли до 60 г/м
3
.Фильтры регенерируются.
По способам регенерациифильтры подразделяют на три типа: регенерируемые механическим воздействием (вибрация, встряхивание, вращение), аэродинамическим воздействием
(обратная продувка, импульсная продувка и т.п.), комбиниро- ванным воздействием.
В зависимости от фильтрующего элемента промышлен- ные фильтры делятся на следующие типы: тканевые, волокни- стые, зернистые, гравийные. Для улавливания частиц пыли крупнее 5-10мкм применяются гравийные фильтры, 1-5 мкм – зернистые и менее 1 мкм – рукавные.
33
Волокнистыми фильтрами называют пористые перего- родки, составленные из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему воло- кон, каждое из которых принимает участие в осаждении аэро- зольных частиц (рис. 1.12). Для создания фильтрующих пере- городок используют как естественные, так и специально изго- товленные волокна толщиной 0,01-100 мкм, например, отходы текстильного производства, шлаковую вату, целлюлозно- асбестовые волокна, стекловолокно, волокна из кварца, ба- зальта, графита, различных металлов, алюмоборсиликатов, полимеров и т. п. В связи с высокой пористостью аэрозольные частицы легко проникают в глубину пористой перегородки и сепарация их осуществляется всем объемом загрузки фильтра.
Регенерация отработавших волокнистых фильтров в большин- стве случаев затруднена и нерентабельна. По окончании срока службы отработавшую фильтрующую среду заменяют новой.
Вследствие этого волокнистые фильтры применяют главным образом для фильтрации слабо запыленных потоков с концен- трацией пыли не более 5 мг/м
3
. Волокнистые фильтры широко применяют для очистки атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления, а также в ряде установок специального назначения.
Рис. 1.12. Схема волокнистого фильтра:
1 – фильтрующий материал; 2 –клинообразная рамка
34
Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, прин- цип действия которых основан на осаждении капель на по- верхности пор с последующим стеканием жидкости под дей- ствием сил тяжести. Осаждение капель жидкости на поверхно- сти пор происходит под действием всех ранее рассмотренных механизмов отделения частиц загрязнителя от газовой фазы на фильтроэлементах.
Туманоуловители делят на низкоскоростные (ω
ф
≤
0,15 м/с), в которых преобладает механизм диффузионного осаждения капель, и высокоскоростные (ω
ф
= 2-2,5 м/с), где осаждение происходит главным образом под воздействием инерционных сил.
Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоулови- теля показан на рисунке 1.13. В пространство между двумя цилиндрами 3, изготовленными из сеток, помещается волок- нистый фильтроэлемент 4, который крепится через фланец 2 к корпусу туманоуловителя 1. Жидкость, осевшая на фильтро- элементе, стекает на нижний фланец 5 и затем через трубку гидрозатвора 6 и стакан 7 сливается из фильтра. Волокнистые низкоскоростные туманоуловители обеспечивают очень высо- кую эффективность очистки (до 0,999) газа от частиц разме- ром менее 3 мкм и полностью улавливают частицы большего размера. Волокнистые слои формируются набивкой стеклово- локна диаметром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон
(лавсан, ПВХ, полипропилен) диаметром от 12 до 40 мкм.
Толщина слоя составляет 5-15 см.
Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие га- баритные размеры и обеспечивают эффективность очистки газа от тумана с частицами менее 3 мкм, равную 0,90-0,98 при гидравлическом сопротивлении 1500-2000 Па. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях используют- ся войлоки из полипропиленовых волокон.
35
Рис.1.13. Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоуловителя
На рисунке 1.14 показана конструкция высокоскоростно- го волокнистого туманоуловителя с цилиндрическим фильт- рующим элементом 3, который представляет собой перфори- рованный барабан с глухой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый войлок 2 толщиной 3-5 мм. Вокруг бараба- на по его внешней стороне расположен брызгоуловитель 1, представляющий собой набор перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент. Брызгоуловитель и фильтроэлемент нижней частью установлены в слой жидко- сти.
Ткани в отличие от волокна представляют собой упоря- доченные волокна с определенной структурой. Главной харак- теристикой является размер отверстий в ткани. Наиболее рас- пространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр, схема работы которого дана на рисунке 1.15.
Главным элементом такого фильтра является рукав, изго- товленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разде- лен на несколько герметизированных камер, в каждой из кото-
36 рых размещено по несколько рукавов. Газ, подлежащий очи- стке, подводится в нижнюю часть каждой камеры и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в каме- ру, откуда через открытый выпускной клапан поступает в га- зопровод чистого газа (рис. 1.15а). Частицы пыли, содержа- щиеся в неочищенном газе, оседают на внутренней поверхно- сти рукава, в результате чего сопротивление рукава проходу газа постепенно увеличивается. Когда оно достигнет некото- рого предельного (по условиям тяги) значения, фильтр пере- водится на режим регенерации (рис.1.15б), т.е. рукава освобо- ждаются от осевшей на них пыли.
Рис.1.14. Высокоскоростной туманоуловитель
Наиболее часто регенерация осуществляется обратной продувкой. Продувочный воздух от специального вентилятора направляют внутрь камеры через открытый продувочный кла- пан (выпускной клапан закрыт). Фильтруясь через рукав в об- ратном направлении, воздух разрушает образовавшийся на внутренней поверхности рукава слой пыли, которая падает в бункер, откуда удаляется при помощи шнека или другого уст- ройства. Отработавший продувочный воздух через подводя- щий газ патрубок поступает в газопровод неочищенного газа.
В целях повышения эффективности регенерации одно- временно с обратной продувкой осуществляется встряхивание рукавов, для этого используется специальный встряхивающий