Розділ 6 Методи і системи очищення повітря від аерозолів

6.1. Характеристики аерозольних викидів в атмосферу

Під атмосферним забрудненням розуміють присутність в повітрі газів, пари, частинок, твердих і рідких речовин, тепла, коливань, випромінювань, які несприятливо впливають на рослини, тварини, людину, клімат, матеріали, будівлі і споруди.

Забруднення атмосфери може відбуватися як внаслідок перетворення її компонентів, так і перенесення забруднюючих речовин з інших частин біосфери. Ці процеси можуть мати природний або антропогенний характер.

Речовини, що потрапляють в атмосферу безпосередньо через людську діяльность, зазвичай відносять до антропогенних викидів і забруднювачів.

Викиди в атмосферу розрізняють за виглядом, складом, кількістю, агрегатним станом, характером появи і перебування в атмосфері, впливом на біосферу і безліччю інших ознак. Класифікації антропогенних викидів, яка була б придатною для вивчення їх властивостей з метою підбору способів очищення, поки що немає. У стандартній класифікації забруднювачі розділені на 4 класи за агрегатним станом: газо- і пароподібні, рідкі, тверді і змішані. За хімічним складом вони поділяться на групи, а залежно від розміру частинок − на підгрупи. Наприклад, тверді викиди підрозділяються на 4 підгрупи з розмірами частинок, мкм: менше 1; 1...10; 10...50 і більше 50.

У атмосферу Землі щорічно поступає 150 млн. тон різних аерозолів, близько 1 куб. км пилоподібних частинок штучного походження. Ще більша різноманітність властива органічному пилу, що включає аліфатичні і ароматичні вуглеводні, солі кислот. Він утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, в процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних і інших подібних підприємствах.

В основному існують два основні джерела забруднення атмосфери:

• стаціонарні джерела (промислові підприємства, паливно-енергетичний комплекс, сільське господарство, гірничодобувна промисловість);

• пересувні джерела (транспорт).

Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні заводи. Аерозольні частинки від цих джерел відрізняються великою різноманітністю хімічного складу. Найчастіше в їх складі виявляються сполуки кремнію, кальцію і вуглецю, рідше − оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, вісмуту, селену, миш’яку, берилію, кадмію, хрому, кобальту, молібдену. Джерелом пилу і отруйних газів слугують масові вибухові роботи. Так, в результаті одного середнього по масі вибуху (250...300 тон вибухових речовин) в атмосферу викидається близько 2 тис. куб. м. умовного оксиду вуглецю і більше 150 т. пилу. Виробництво цементу і інших будівельних матеріалів також є джерелом забруднення атмосфери пилом. Основні технологічні процеси цих виробництв − подрібнення і хімічна обробка шихт, напівфабрикатів і отримуваних продуктів в потоках гарячих газів завжди супроводжується викидами пилу і інших шкідливих речовин в атмосферу.

Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а у людей викликають специфічні захворювання.

Забруднення повітря викликає значні економічні втрати. Запиленість і загазованість повітря у виробничих приміщеннях призводить до зниження продуктивності праці, втрати робочого часу через збільшення захворюваності. У багатьох виробництвах наявність пилу в повітряному середовищі погіршує якість продукції, прискорює знос устаткування. В процесі виробництва, видобутку, транспортування багатьох видів матеріалів, сировини, готової продукції частина цих речовин переходить в пилоподібний стан і втрачається (вугілля, руда, цемент і ін.), забруднюючи при цьому навколишнє середовище. Збитки ряду підприємств складають до 3…5%. Також це призводить до значних збитків через забруднення навколишнього середовища. Заходи, які спрямовані на зменшення наслідків забруднення обходяться дорого.

На підприємствах мають місце організовані (через труби, вентиляційні шахти і т. п.) і неорганізовані викиди (через ліхтарі і отвори в цехах, від місць вантаження і розвантаження транспорту, через витоки в комунікаціях і ін.). Неорганізовані викиди на думку фахівців складають від 10 до 26% від загальної кількості викидів в атмосферу.

Надходження в повітряне середовище виробничих приміщень і викиди в атмосферу аерозолів і інших шкідливих речовин − результат недосконалості технологічного і транспортного устаткування, в першу чергу, його негерметичності, а також відсутності або недостатньої ефективності пиловловлюючих і локалізуючих пристроїв і систем.

Аерозоль є дисперсною системою, в якій дисперсним середовищем є газ, зокрема, повітря, а дисперсною фазою − тверді або рідкі частинки. Найбільш дрібні (тонкі) аерозольні частинки за розмірами близькі до крупних молекул, а для найбільш великих їх розмір визначає здатність знаходитися в зваженому стані.

В атмосфері аерозольні забруднення спостерігаються у вигляді диму, туману, мли або серпанку. Значна частина аерозолів утворюється в атмосфері при взаємодії твердих і рідких частинок між собою або з водяною парою. Середній розмір аерозольних частинок складає 1...5 мкм.

До аерозолів відносяться пил, тумани і дими.

Пилом називають дисперсійні аерозолі з твердими частинками, незалежно від дисперсності. Пилом зазвичай також називають сукупність частинок, що осіли (гель або аерогель).

Під туманами розуміють газоподібне середовище з рідкими частинками як конденсаційними, так і дисперсійними, незалежно від їх дисперсності.

Димами називають конденсаційні аерозолі з твердою дисперсною фазою або фазою, що включає тверді і рідкі частинки.

У процесах пиловловлювання важливими є фізико-хімічні характеристики пилу і туманів, а саме: дисперсний (фракційний) склад, густина, адгезійні властивості, змочуваність, електрична зарядженість частинок, питомий опір шарів частинок і ін. Для правильного вибору пиловловлюючого апарату перш за все необхідними є відомості про дисперсний склад пилу і туманів.

Аерозолі зазвичай полідисперсні, тобто містять частинки різних розмірів.

Дисперсність − ступінь подрібнення речовини. Під дисперсним (зерновим, гранулометричним) складом розуміють розподіл частинок аерозолів за розмірами. Він показує, з частинок якого розміру складається даний аерозоль, і масу або кількість частинок відповідного розміру.

Дисперсність значною мірою визначає властивості аерозолів. В результаті подрібнення змінюються деякі властивості речовини і отримуються нові. Це викликано, в основному, тим, що при диспергуванні речовини багато разів збільшується його сумарна поверхня.

Дисперсний склад пилу має першочергове значення для розробки і вдосконалення пиловловлюючих апаратів і систем, а також для здійснення заходів щодо запобігання виділенню пилу і його розповсюдження.

Інтервал дисперсності аерозольних частинок вельми широкий: від 10^-7 до 1 см. Нижня межа визначається можливістю тривалого самостійного існування малих частинок; верхня межа обмежена тим, що крупні частинки швидко осідають під дією сил тяжіння і в зваженому стані практично не спостерігаються.

Весь діапазон розмірів частинок розбивають на фракції. Під фракцією розуміють масові (рахункові) долі частинок, що містяться в певному інтервалі розмірів частинок. Наприклад, застосовують наступну шкалу розмірів пилових частинок: 1 − 1,3 − 1,6 − 2,0 − 2,5 − 3,2 − 4,0 − 5,0 − 6,3 − 8,0 − 13 − 16 − 20 − 25 − 32 − 40 − 50 – 63 мкм.

Дисперсний склад пилу представляють у вигляді таблиці або графіка.

У таблиці дається розподіл пилу за фракціяхми у відсотках від загальної маси. Приклад приведений в табл. 6.1.

Таблиця 6.1

Дисперсний склад пилу

Розмір частинок на межі фракцій, мкм	<1,5	1,5...2,5	2,5...5	5...7,5	7,5...10	10...15	15...25	25...35	35...50	>50
Фракції, % від загальної маси частинок	2,19	3,73	7,89	13,16	15,45	21,13	18,63	6,06	5,1	6,66

Результати визначення дисперсного складу можуть бути представлені у вигляді таблиці, в якій приведені відсотки маси або числа частинок, з розмірами менше або більше заданого. Приклад – табл. 6.2.

Таблиця 6.2.

Фракції пилу з частинками менше або більше заданого розміру

Розмір частинок d, мкм	1,5	2,5	4	7	10	15	25	50
Маса частинок більше d, %	97,81	94,08	86,19	70,74	49,61	30,98	17,82	6,66
Маса частинок менше d, %	2,19	5,92	13,81	29,26	50,39	69,02	82,18	93,34

Сукупність всіх фракцій аерозолю називають фракційним складом його дисперсної фази, яку можна представляти графічно. Відкладаючи по осі абсцис значення інтервалів, складових фракції, а по осі ординат − долі або процентний вміст частинок відповідних фракцій, отримують гістограми − ступінчасті графіки фракційного складу. Із зменшенням інтервалів фракцій гістограми наближаються до плавних кривих. Іноді такі криві бувають близькі формою до кривої нормального розподілу випадкових величин, яка описується двома параметрами − середнім діаметром частинок d_m і стандартним відхиленням σ від нього:

де М_i − число частинок в i-тій фракції.

Результати визначення дисперсного складу пилу зазвичай представляють у вигляді залежності масових (іноді рахункових) фракцій частинок від їх розміру. Розподіли частинок домішок по розмірах можуть бути різними, проте на практиці вони часто узгоджуються з логарифмічним нормальним законом розподілу Гауса (ЛНР). У інтегральній формі цей розподіл описують формулою:

де M(d_ч) − відносна частка частинок розміром менш d_ч; d₅₀ − медіанний розмір частинок, при якому долі частинок розміром більш і менш d₅₀ рівні; lgσ − середньоквадратичне відхилення у функції ЛНР.

Графіки ЛНР частинок зазвичай будують в імовірнісно-логарифмічній системі координат, поточний розмір частинок відкладають на осі абсцис, а на осі ординат − відносну частку частинок з розмірами менше d_ч. Шкалу осі абсцис будують по логарифму діаметру частинок, а осі ординат − обчисленням кожного із значень шкали за рівнянням:

де

Цифрові значення цієї функції приводяться в скороченому вигляді в табл. 6.3.

Таблиця 6.3

M(dч)	y	M(dч)	y
1	-2,326	50	0,0
10	-1,645	55	0,126
15	-1,282	60	0,253
15,9	-1,036	65	0,384
20	-1,00	70	0,524
25	-0,842	75	0,675
30	-0,675	80	0,842
35	-0,524	84,1	1,00
40	-0,384	85	1,036
45	-0,253	90	1,282
	-0,126	95	1,645
		100	2,326

Якщо в цій системі координат інтегральний розподіл частинок за розмірами описується прямою лінією, то даний розподіл підкоряється ЛНР. В цьому випадку d_m=d₅₀ знаходять як абсцису крапки графіка, ордината якої рівна 50%, а lgу − з рівняння lgу=lgd_84.1-lgd₅₀. Для характеристики пилу і порівняння їх між собою досить мати два параметри: d₅₀ і lgу. Значення d₅₀ дає середній розмір частинок, а lgу − ступінь полідисперсності пилу. У табл. 13.4 приведені значення d₅₀ і lgу для деякого пилу.

Таблиця 6.4

Технологічний процес	Вид пилу	d50, мкм	lgσ
Заточка інструменту	метал, абразив	38	0,214
Розміл в шаровій мельниці	цемент	20	0,468
Сушка вугілля в барабані	кам’яне вугілля	15	0,334
Експерементальні дослідження	кварцовий пил	3,7	0,405

За дисперсністю пил класифікують на 5 груп: I − дуже крупнодисперсний пил, d₅₀>140 мкм; II − крупнодисперсний пил, d₅₀=40...140 мкм; III − середньодисперсний пил, d₅₀=10...40 мкм; IV − дрібнодисперсний пил, d₅₀=l...10 мкм; V − дуже дрібнодисперсний пил, d₅₀<l мкм.

Важливий параметр пилу − його густина. Від густини частинок пилу залежить ефективність його осадження в гравітаційних і відцентрових пиловловлювачах.

Схильність частинок пилу до злипаємості визначається її адгезійними властивостями. Чим вища злипаємість пилу, тим вища вірогідність забивання окремих елементів пиловловлювача і налипання пилу на газоходах. Чим дрібніший пил, тим вища його злипаємість. Злипаємість пилу значно зростає при його зволоженні.

Змочуваність частинок рідиною (водою) впливає на роботу мокрих пиловловлювачів, а електрична зарядженість частинок − на їх поведінку в пиловловлювачах і газоходах.