2. Очистка газового выброса от жидких и твердых примесей

Промышленная пыль – понятие, характеризующее физическое состояние вещества – раздробленность его на мельчайшие частицы. Взвешенные в воздухе, они представляют собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсной средой – воздух. Дисперсную систему взвешенных твердых частиц в воздухе (пыль) называют аэрозолем. По происхождению (роду природного материала) пыль разделяют на органическую и неорганическую. К органической относят древесную, хлопковую, шерстяную и др.; к неорганическим – кварцевую, силикатную, металлическую и др. Пыль, состоящая из органических и неорганических частиц называется смешанной.

Частицы промышленной пыли имеют разную форму (шарики, палочки, пластинки, игла, волокна и т.д.), поэтому понятие размер частицы условно. В общем случае принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения, т.е. седиментационного диапазона. Под ним подразумевают диаметр шара, скорость осаждения и плотность которого равны скорости осаждения и плотности частицы.

Частицы различной формы при одной и той же массе осаждаются с различной скоростью, при этом чем ближе форма частицы к сферической, тем быстрее она осаждается.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, – это их размер, который колеблется в широких пределах – от 0,1 до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают в дыхательных путях, и именно их вдыхает человек.

В зависимости от размера частиц аэрозоли подразделяют на:

• пыль (размеры твердых частиц более 1 мкм);

• дым (размеры твердых частиц менее 1 мкм);

• брызги (размер жидких частиц свыше 10 мкм);

• туман (размер жидких частиц менее 10 мкм).

Пыль, в свою очередь, может быть:

• крупнодисперсной (размер частиц более 50 мкм);

• среднедисперсной (50...10 мкм);

• мелкодисперсной (менее 10 мкм).

В зависимости от размера жидких частиц туманы, в свою очередь, подразделяются на:

• супертонкий туман (до 0,5 мкм);

• тонкодисперсный туман (0,5...3,0 мкм);

• грубодисперсный туман (3...10 мкм).

Следует отметить, что аэрозоли чаще полидисперсные, т.е. содержат частицы различного размера.

Многочисленные методы очистки выбросов от взвешенных частиц основаны на применении двух групп методов: механических и физических. К механическим методам очистки, согласно ГОСТ 25199 - 82, относят гравитационную и инерционную сепарацию, мокрую очистку, фильтрацию через различные пористые материалы. К числу физических методов относят осаждение в электрическом поле и акустическую коагуляцию. Сами же процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают, как правило, две операции. Первая – это осаждение частиц пыли или капель жидкости на сухих или смоченных поверхностях, вторая – удаление осадка с поверхности осаждения. Основной операцией является осаждение, по ней, особенно, и классифицируются все пылеуловители и фильтры. Однако и вторая операция, несмотря на кажущуюся простату, связана с преодолением ряда технических трудностей, часто оказывающих решающее влияние на эффективность очистки или применимость того или иного метода.

Удаление жидких и твердых примесей из выбросов осуществляют в несколько стадий. Как правило, при очистке выбросов от мелкодисперсных твердых частиц первой стадией является коагуляция, т.е. объединение нескольких частиц в агрегаты, что упрощает дальнейшее их удаление из выброса. Процесс коагуляции является результатом действия определенных сил: тепловых, седиментационных (гравитационных или центробежных), турбулентных, электрических или акустических. Под воздействием указанных сил твердые частицы достигают таких относительных положений и расстояний, когда силы сцепления между ними могут реализовываться с образованием агрегата. Коагуляцию осуществляют в сепараторах или специальных (электростатических или ультразвуковых) коагуляторах. Таким образом, коагуляция представляет процесс, сопровождающийся уменьшением числа частиц в единице объема выброса.

Для непосредственной очистки выбросов от жидких и твёрдых примесей применяют различные конструкции улавливающих аппаратов, работающих по принципу:

• инерционного осаждения, заключающегося в резком изменении направления вектора скорости движения выброса, при этом твёрдые частицы под действием инерционных сил будут стремиться двигаться в прежнем направлении и попадать в приёмный бункер;

• осаждения под действием гравитационных сил, заключающегося в различной кривизне траекторий движения составляющих выброса (газов и частиц), вектор скорости движения которого направлен горизонтально;

• осаждения под действием центробежных сил, заключающегося в придании выбросу вращательного движения внутри циклона, при этом твёрдые частицы отбрасываются центробежной силой к стенке из-за того, что центробежное ускорение в циклоне до тысячи раз больше ускорения силы тяжести, это позволяет удалять из выброса даже весьма мелкие частицы;

• механической фильтрации, заключающейся в фильтрации выброса через пористую перегородку (с волокнистым, гранулированным или пористым фильтрующим материалом), в процессе которой аэрозольные частицы задерживаются, а газовая составляющая полностью проходит через неё;

• электрического осаждения, заключающегося в придании электрического заряда частицам за счёт создания коронирующего разряда в выбросе и с последующим осаждением их на стенках или собирающих вставках, имеющих противоположный знак заряда.

Пылеулавливающее оборудование подразделяется на следующие типы:

• оборудование, применяемое для очистки от взвешенных частиц пыли воздуха, подаваемого в помещения системами приточной вентиляции, кондиционирования воздуха и воздушного отопления (далее – воздушные фильтры);

• оборудование, применяемое для очистки от пыли воздуха, выбрасываемого в атмосферу системами местной вытяжной вентиляции (далее – пылеулавливатели).

Пылеулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения пыли от воздушного потока применяют следующих исполнений:

• оборудование для улавливания пыли сухим способом, при котором отделённые от воздуха частицы пыли осаждаются на сухую поверхность;

• оборудование для улавливания пыли мокрым способом, при котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием жидкостей.

Воздушные фильтры по степени очистки подразделяются на 3 класса:

1. класс – фильтры, обеспечивающие фракционную степень очистки воздуха 95 % и более от частиц пыли размером 0,3-1,0 мкм;

2. класс – фильтры, обеспечивающие фракционную степень очистки воздуха 95 % и более от частиц пыли размером 1,0-1,6 мкм;

3. класс – фильтры, обеспечивающие фракционную степень очистки воздуха 95 % и более от частиц пыли размером 4,0-6,3 мкм.

Пылеулавливатели по степени очистки от пыли различной дисперсности подразделяются на 5 классов:

1. класс – пылеулавливатели, обеспечивающие улавливание частиц пыли V группы дисперсности в пределах 80–99% и частиц пыли IV группы дисперсности – более 99%;

2. класс – пылеулавливатели, обеспечивающие улавливание частиц пыли IV группы дисперсности в пределах 80–99% и частиц пыли III группы дисперсности – более 99%;

3. класс – пылеулавливатели, обеспечивающие улавливание частиц пыли III группы дисперсности в пределах 80–99% и частиц пыли II группы дисперсности – более 99%;

4. класс – пылеулавливатели, обеспечивающие улавливание частиц пыли II группы дисперсности в пределах 80–99% и частиц пыли I группы дисперсности – более 99%;

5. класс – пылеулавливатели, обеспечивающие улавливание частиц пыли I группы дисперсности в пределах 80–99%.

Промышленная эксплуатация пылеулавливателей и фильтров характеризуются следующими основными технико-экономическими показателями:

1. производительностью (или пропускной способностью) аппарата, т.е объёмом воздуха, который фильтр способен очистить в единицу времени (м³/ч, м/с);

2. общим коэффициентом очистки, или общей эффективностью пылеулавливания, представляющей отношение массы пыли, уловленной аппаратом к массе поступившей в него пыли (выражается в относительных единицах или в процентах);

3. фракционным коэффициентом очистки (%), который выражает эффективность пылеулавливания аппарата по отношению к различным по крупности фракциям пыли;

4. пылеёмкостъю, представляющей собой количество пыли, которое способен уловить и удержать в своей массе фильтр (г, кг); предельное количество накопленной фильтром пыли, отнесённое к единице фильтрующей поверхности, называется удельной пылеёмкостью (г/м, кг/м ); эти характеристики обычно относят к пористым фильтрам (матерчатым, волокнистым и т. п.);

5. гидравлическим сопротивлением аппарата, представляющим собой разность давлений на входе и выходе из него;

6. расходом электроэнергии на очистку воздуха (кВт/ч) на 1000 м/ч, воды (л/м), масла (кг/год) и т.п.;

7. капитальными затратами на воздухо-очистную установку (руб.);

8. стоимостью очистки воздуха (руб. на 1000 м очищаемого воздуха).

Фильтры для очистки приточного воздуха. В системах вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха обеспечивают:

• уменьшение концентрации пыли в помещениях, если содержание пыли в приточном воздухе превышает ПДК;

• защиту вентиляционного оборудования (калориферы, поверхностные воздухоохладители, воздуховоды вентиляторы и т. д.) от загрязнения, из-за которого снижаются его аэродинамические и теплотехнические показатели;

• технологическое кондиционирование воздуха для ряда специфических производств.

В качестве фильтрующих материалов применяют ткани, войлок, бумагу, сетки, набивки волокон, металлическую стружку, пористую керамику и металлы, а также различные зернистые материалы. По состоянию насыпного слоя различают неподвижные, двигающиеся, псевдоожижённые (орошаемые); по способу регенерации ткани – за счёт встряхивания или обратной продувки; по видам конструкции – рамные, каркасные, клиновые, плоской развёрнутой ткани, рукавные; по числу секций в установке – однокамерные, многосекционные.

Если размер частиц пыли больше размера пор фильтрующего материала, то действует поверхностный эффект пылеулавливания с образованием осадка на входе в фильтрующий элемент. Если размер частиц пыли меньше размера пор, то пыль проникает в фильтрующий материал и оседает на частицах или волокнах, образующих этот материал. Обычно оба процесса идут одновременно, так как размеры частиц пыли и пор всегда обладают определённым диапазоном распределения около их средних значений.

Все фильтры по эффективности подразделяют на три класса в зависимости от размера эффективно улавливаемых пылевых частиц (табл.8.1).

Классы фильтров по эффективности

Таблица 8.1

Класс фильтров	Размеры эффективно улавливаемых частиц	Эффективность
I	Любые	99
II	Более 1 мкм	85
III	10-50 мкм	60

Фильтры II и III классов применяются для предварительной очистки воздуха (первая ступень очистки) перед фильтрами I класса. Фильтры I класса применяют для поддержания в рабочих помещениях чистоты воздуха в соответствие с технологическими требованиями.

Подбор воздушных фильтров ведётся в следующей последовательности:

• исходя из поставленных задач выбирают класс фильтра;

• учитывая конструктивные особенности приточной вентиляционной установки, выбирают тип фильтра, принимают воздушную нагрузку и определяют тип и размер фильтра или площадь фильтрующей поверхности и его начальное гидравлическое сопротивление;

• по начальному пылесодержанию и эффективности фильтра вычисляют количество улавливаемой пыли;

• определяют период работы фильтра между сменой фильтрующего материала, его регенерацией или заменой масла в самоочищающихся фильтрах.

Пылеуловители вентиляционных выбросов выполняют в виде пылеосадочных камер, циклонов, рукавных фильтров, электрофильтров и др.

В пылеосадочной камере отделение пыли от воздуха происходит за счёт сил тяжести. Это аппараты грубой очистки воздуха: их эффективность составляет 50–60%, причём улавливаются лишь частицы крупнее 40– 50 мкм. Скорость движения воздуха в камерах выбирается из условия обеспечения ламинарного режима течения и составляет 0,2–0,8 м/с. Камеры имеют невысокое сопротивление (80...100 Па), они просты в устройстве и эксплуатации.

Необходимая длина камеры (м), обеспечивающая осаждение частиц пыли определённой крупности со скоростью витания при скорости движения газов вдоль камеры и высоте камеры , определяется по формуле:

Более эффективными пылеулавливающими аппаратами являются циклоны, в которых для отделения частиц пыли от воздуха используется центробежная сила.

Циклон состоит из цилиндрического корпуса, к которому тангенциально подведён входной патрубок, нижней конической части и выхлопного патрубка, размещённого внутри корпуса соосно с ним. Входя в циклон со скоростью 16–20 м/с, запылённый воздух приобретает вращательное движение и опускается вниз. При этом частицы пыли под действием сил инерции отбрасываются к стенкам аппарата и, скользя по ним вниз, попадают в бункер. Очищенный поток воздуха поворачивает вверх и через выхлопную трубу выходит из циклона. Инерционные силы, действующие на пылевые частицы, определяется по формуле:

P = mV²/R

где

m – масса частицы, кг;

V – скорость воздуха, м/с;

R – радиус поперечного сечения корпуса циклона, м.

Из формулы видно, что эффективность циклонов возрастает с увеличением скорости воздушного потока и с уменьшением поперечных размеров циклона. Однако увеличивать скорость воздуха свыше 20 м/с нецелесообразно вследствие возрастания турбулизации потока, снижающего эффективность аппарата. Диаметр циклонов обычно принимается не более 1 м.

Гидравлическое сопротивление циклонов зависит от скорости воздуха во входном патрубке и принимается обычно в пределах 500–1000 Па. Эффективность очистки 90%.

Поскольку величина центробежной силы обратно пропорциональна расстоянию частиц пыли от оси циклона, то вместо одного циклона большого размера монтируют параллельно два или более циклонов меньших размеров – так называемые батарейные циклоны.

Из-за возможного возгорания и взрывов пыли в циклонах их устанавливают вне производственных помещений.

Для очистки воздуха с большим содержанием пыли используют циклоны с водяной плёнкой, создаваемой на его внутренней поверхности.

Циклон с водяной плёнкой представляет собой вертикальный металлический цилиндр, в который снизу тангенциально подводится очищаемый газ, а сверху отводится очищенный. На внутреннюю поверхность стенок с помощью ряда трубок подаётся вода, которая, стекая вниз, образует сплошную водяную плёнку. Частицы пыли, как и в обычном сухом циклоне, отбрасываются к стенкам аппарата под действием центробежных сил, здесь они увлекаются водой и уносятся в бункер. Наличие водяной плёнки повышает эффективность пылеулавливания таких циклонов по сравнению с сухими циклонами и равна в среднем 99–99,5 %. Потери давления в них составляют 400–800 Па.

Циклоны с водяной плёнкой рекомендуется применять для улавливания хорошо смачивающихся нецементирующихся пылей, когда увлажнение последних не приводит к их порче как ценных продуктов. В случаях очистки агрессивных газов внутренние поверхности циклонов армируются кислотостойкими покрытиями.

Рукавные тканевые фильтры с периодическим или непрерывным удалением осаждённой на ткани пыли нашли широкое применение в промышленности для очистки технологических газов, вентиляционного и аспирационного воздуха.

Наиболее эффективными являются рукавные фильтры с автоматической регенерацией рукавов путём их встряхивания и обратной продувке чистым воздухом. При этом, если один рукав подвергается регенерации, остальные секции продолжают работать. Эффективность пылеулавливания рукавных фильтров довольно высока – 95–99%. Пылеёмкость применяемых тканей для ориентировочных расчётов принимается равной (г/м²): для растительной пыли – 1500, для минеральной пыли – до 1000, для кварцсодержащей пыли – до 750. Воздушная нагрузка на ткань принимается в процентах 50–80 м/(мч). При этом гидравлическое сопротивление фильтра составляет 1–2,5 кПа.

При невысоких концентрациях пыли очищаемых газов рукавные фильтры являются единственной ступенью очитки, а при высоких концентрациях перед ними устанавливаются циклоны.

В электрофильтрах процесс очитки газов от взвешенных частиц (пыли, тумана, дыма) можно разделить на три стадии:

• зарядка взвешенных частиц;

• движение заряженных частиц к электродам под действием сил электрического поля;

• осаждение на электродах заряженных движущихся частиц.

К коронирующим и осадительным электродам прикладывают напряжения до 35 кВ постоянного тока. При прохождении запылённого воздуха через зазор между электродами происходит ионизация молекул воздуха с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов.

Если газ пропускать между двумя пластинами, заряжёнными разноимённо, то воздушная среда между ними ионизируется. Ионы сталкиваются с частицами пыли и передают им свои электрические заряды, под действием которых частицы пыли движутся к электродам и осаждаются на них.

Для очистки электродов они периодически встряхиваются при помощи специального механизма, после чего пыль собирается в бункере, откуда удаляется. Так происходит электроочистка газов.

Широкое применение электрофильтров в промышленности объясняется прежде всего их высокой эффективностью, доходящей до 99,9%. Причём улавливаются частицы любых размеров, включая субмикронные, при высоких концентрациях, достигающих 50 г/м. Электрофильтры экономичны в эксплуатации, позволяют очищать газы при высоких температурах (до 450°С) Гидравлическое сопротивление этих аппаратов невысокое и составляет 100–150 Па.

Разновидностью электрического фильтра является электрический циклон, корпус которого заимствован от циклона, а внутри установлен коронирующий электрод (цилиндр с иглами). На коронирующий электрод подаётся высокое напряжение постоянного тока отрицательной полярности, а корпус заземляется.

Рассеивание химических примесей в атмосфере.

Для снижения концентраций примесей в атмосфере до сих пор применяют метод рассеивания выбросов в атмосфере. С этой целью строят высокие трубы (более 350 м) или оборудуют выбросные отверстия вентиляционных систем факельными насадками, обеспечивающими скорость выброса в пределах 20–30 м/с.

Следует подчеркнуть, что отведение примесей на большую высоту с помощью высоких труб и факельных выбросов не уменьшают общего загрязнения окружающей среды (воздушной, почвы и гидросферы), а приводит только к рассеиванию их на большой территории. Поэтому концентрация примесей в воздушной среде недалеко от места их выброса может оказаться меньшей, чем на дальних расстояниях.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке выбросов крупные пылевые частицы улавливаются легче, чем мелкие, то выбросы в основном содержат мелкие частицы и их рассеивание аналогично газовым выбросам.

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вентиляционных устройств выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. А на сам процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы (метеорологические условия), расположение предприятий и источников выбросов, характер местности и высота городской застройки, физические и химические свойства выбрасываемых примесей, высота источника, диаметр устья и т.п. При этом горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур в вертикальном направлении.

При рассмотрении процесса рассеивания выбросов из высоких труб обычно выделяют следующие три зоны:

• зону переброса факела выброса, которая характерезуется относительно невысоким содержанием примесей в приземном слое атмосферы;

• зону задымления, которая характерезуется максимальным содержанием примесей в приземном слое атмосферы;

• зону постепенного снижения концентрации примесей.

Зона задымления является наиболее опасной для населения и она должна быть исключена из селетебной зоны застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10-49 высот трубы. При этом максимальная концентрация примесей прямо пропорциональна мощности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над земной поверхностью.

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание примесей происходит главным образом под действием вертикальных потоков. Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и, соответственно, к снижению приземной концентрации примесей.

Высокие скорости ветра увеличивают так называемую разбавляющую роль атмосферы, что способствует понижению концентраций примесей в направлении ветра. Это связано с тем, что турбулентные вихри разрывают выброс и интенсивно перемешивают его с окружающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра на высоте струи. Вместе с тем с увеличением скорости ветра уменьшается высота факела над устьем трубы. Поэтому вводят понятие «опасной скорости ветра». Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от устья трубы, скорость выбрасываемого газового потока должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

В зависимости от расположения и организации выбросов источники загрязнения воздушного бассейна подразделяет на затененные и незатененные, точечные и линейные.

Затененные, или низкие, источники обычно расположены в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на здании или за ним (в результате обдувания его ветром).

Незатененные, или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. К ним относят источники, выбрасывающие примеси на высоту, превышающую 2,5 Нзд.

К точечным источникам относят трубы, шахты, крышные вентиляторы и другие выбросные устройства, расположенные близко друг от друга, т.е. выбросы от каждого из них не накладываются один на другой на расстоянии, равном двум высотам здания.

Линейные источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном ветру. Это аэроционные фонари, открытые окна протяженных зданий, близко расположенные вытяжные шахты и крышные вентиляторы.

Согласно СНиП 2.04.05-91 пылегазовоздушная смесь, выбрасываемая в атмосферу из систем местных отсосов и общественной вентиляции производственных помещений, должна предварительно очищаться, а далее рассеиваться в атмосфере.

В соответствии с ОНД-86 (Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий) при одновременном совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ (n), обладающих суммацией вредного действия, для каждой группы указанных веществ однонаправленного вредного действия рассчитываетcя безразмерная суммарная концентрация (q) или значения концентраций вредных веществ, обладающих суммацией вредного действия, приводятся условно к значению концентрации одного из них.

Безразмерная концентрация определяется по формуле:

где

(мг/м³) – расчетные концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в одной и той же точке местности;

(мг/м³) – соответствующие максимальные разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе.

Приведенная концентрация рассчитывается по формуле:

где

– концетрация вещества, к которому осуществляется приведение;

– его ПДК;

и - концентрации и ПДК других веществ, входящих в рассматриваемую группу суммации.

Расчет концентрации вредных веществ, претерпевающих полностью или частично химические превращения (трансформацию) в более вредные вещества, проводится по каждому исходному и образующемуся веществу отдельно. При этом мощность источников для каждого вещества устанавливается с учетом максимально возможной трансформации исходных веществ в более токсичные.

Выбросы в атмосферу из систем вентиляции следует размещать на расстоянии от приемных устройств для наружного воздуха не менее 10 м по горизонтали или 6 м по вертикали при горизонтальном расстоянии менее 10 м. При этом выбросы из систем местных отсосов следует размещать на высоте не менее 2 м над высшей точкой кровли, а для систем аварийной вентиляции на высоте не менее 3 м от уровня земли.

~ 81 ~