ЗАХИСТ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ ВІД ВИКИДІВ ПРОМИСЛОВОГО ПИЛУ

Основні принципи та способи вилучення пилу з атмосферного повітря

На промислових підприємствах практично неможливо уникнути пилоутворення (див. розділ 2). А тому доцільно конкретизувати таке поняття, як "промисловий пил".

Відомо, що пил — це зважені частинки твердих речовин, що утворюються внаслідок механічного подрібнення твердих матеріалів у порошкоподібний стан, у процесі механічного оброблення, обпікання, висушування, завантажування, змішування, дозування, просіювання та транспортування сипких матеріалів, а також при спалюванні твердого палива. Пил — полідисперсна система з розміром частинок від 5 до 200 мкм і більше.

Пил, зрівноважений у повітрі, з деяким наближенням можна віднести до промислових аерозолів, до яких належать також пил-дим і пил-туман. Розмір частинок у димі становить від 5 до 0,1 мкм.

У туманах зважені частинки передусім є краплинками рідини, в яких можуть міститися розчинені речовини або суспендовані тверді частинки. Тумани утворюються внаслідок конденсації пари або під час розпилювання рідини в газовому (повітряному) середовищі. Розмір краплин у першому випадку може бути близьким до розміру частинок у димі, у другому — до розміру частинок у пилу. Утворення пилу-туману супроводжує процеси автоматичного фарбування виробів та ін.

Характеристикою дисперсного складу пилу є медіанний розмір частинок тобто розмір, за якого маса частинок, крупніших за (ім> дорівнює масі частинок, дрібніших за <ім.

Крім розміру (фракційності) частинок, важливо знати також інші характеристики пилу: походження (матеріал) пилинок, їхню поверхню, електрозаряд, вологість і хімічні властивості. Залежно від цього вибирають методи та засоби захисту атмосфери від забруднення пилом.

При пиловловлюванні необхідно також знати фізико-хімічні характеристики пилу: дисперсний (фракційний) склад, густину, адгезійні властивості, змочуваність, електричний заряд частинок, питомий опір шарів частинок та ін. Для правильного вибору пиловловлювачів потрібні насамперед відомості про дисперсний склад пилу туману.

Дисперсний склад пилу переважно подають у вигляді залежності масових фракцій частинок від їхнього розміру. Розподіл частинок-домішок за розмірами на практиці часто узгоджується з логарифмічно-нормальним законом Гаусса (ЛНР).

За дисперсністю пил класифікують на 5 груп:

І — найбільш крупнодисперсний, сі50 > 40—140 мкм;

ІІ — крупнодисперсний, гі50 = 40—140 мкм;

III — середньодисперсний, (250 = 10—40 мкм;

IV — дрібнодисперсний, <і50 = 1—10 мкм;

V — найбільш дрібнодисперсний, <250 < 10 мкм,

де а*60 — медіанний розмір частинок, коли частки частинок розміром більше і менше за <і50 між собою рівні.

Розрізняють дійсну, уявну та насипну густини частинок пилу. Уявна густина пилу — це відношення її маси до об'єму. Для суцільних (непористих) частинок значення уявної густини чисельно збігається з дійсною густиною. Насипна густина пилу, який пролежав певний час, приблизно у 1,2—1,5 раза перевищує насипну густину.

Здатність частинок пилу до злипання визначається їхніми адгезивними властивостями, що важливо при забрудненні окремих елементів пиловловлювачів. Наприклад, пил IV та V груп дисперсності завжди злипається. Здатність пилу до злипання значно зростає при його зволоженні. Змочуваність частинок впливає на роботу мокрих пиловловлювачів, а електрична зарядженість частинок — на їхню поведінку в електричних пиловловлювачах і газоходах.

Відомо два основні способи вилучення пилу з повітряного (газового) потоку: сухий і мокрий. Для реалізації цих способів застосовують різні пилоочисні установки.

Аналіз способів пиловловлювання підтверджує, що процес вилучення твердих (рідких) частинок пилу з повітряного потоку переважно складається з двох етапів. На першому етапі пилинки усувають з повітряного потоку й переносять до стінок пиловловлювача (сепаратора) у так званий збиральний простір або на збиральні та осаджувальні поверхні. На цьому етапі вилучення пилу застосовуються різні принципи та рушійні сили, а саме гравітаційні, інерційні, перехоплювальні, дифузійні, електростатичні. Для вилучення пилу з повітряного потоку використовують принципи коагуляції, термофореза, дифузофореза, п'єзофореза, змочування пилу, а також ультразвукові або магнітні способи [3].

Другий етап відокремлення пилових домішок зводиться до подавання його в колектор (збирач) пиловловлювача (сепаратора) різними способами. В сухих механічних пиловловлювачах (сепараторах), де пил знаходиться близько від збиральної поверхні, він переноситься потоком повітря (газу) в колектор, після чого механічним способом усувається за межі пиловловлювача. У мокрих пиловловлювачах — скруберах — пилові домішки, зазвичай, вносяться в колектор струменем води. В електростатичних осаджувачах і рукавних фільтрах пил спочатку накопичується на збиральні поверхні, а потім через певні інтервали часу усувається з неї (наприклад, струшуванням або витріпуванням). Залежно від застосованого на цьому етапі методу існують один або декілька ступенів обробки, які базуються на різних принципах та явищах, таких як рушійні сили масового потоку, інерція, змочуваність, гравітація та вібрація.

На кінцевому етапі процесу сепарації, що включає декілька ступенів оброблення, зібраний пил вилучається безперервно або періодично, причому інтервали контролюють вручну або автоматично.

В інженерній практиці відомі три основні принципи вилучення пилу з повітряного (газового) потоку: механічний, електричний та акустичний.

Механічні принципи вилучення пилу з повітряного (газового) потоку

Ці принципи є найбільш гнучкими і поширеними та існують в чотирьох варіантах.

Перший варіант ґрунтується на застосуванні сил маси. Встановлено, що частинки горизонтального повітряного потоку, змішаного з пилом, знаходяться під дією двох сил: інерції газового потоку та сил маси (важкості). Внаслідок турбулізації повітряного потоку та теплового руху молекул повітря (броунівського руху) малі частини дифундують. Ці два явища необхідно враховувати, оскільки вони суттєво впливають на переміщення малих частинок, гальмуючи їхнє гравітаційне вилучення з повітряного (газового) потоку.

Другий варіант механічного принципу базується, як відомо, на застосуванні сил інерції твердих частинок, тобто на законі Ньютона. Відомо, що за законом Ньютона кожне тіло намагається зберігати свій початковий динамічний стан за умови, якщо на нього не діють будь-які зовнішні сили. При дії зовнішньої сили змінюється рух тіла в напрямку дії рушійної сили. Цей принцип використаний при усуненні з повітряного потоку домішок твердих або рідких речовин.

У різних сухих механічних пиловловлювачах (наприклад, у пилозбірниках, решітчастих сепараторах і циклонах) для відокремлення частинок використовують траєкторії різної кривизни. У вихорових сепараторах також змінюється кривизна траєкторії завдяки пересувним стінкам [3]. Цей принцип використаний у конструкції гравітаційних пиловловлювачів.

На рис 3.1 зображені реальні умови сепарації пилинок біля стінки пиловловлювача. До змінних входять флуктації швидкості твердих частинок, реальний профіль швидкості повітря (газу), а також товщина пограничного шару біля стінки пиловловлювача.

Третій варіант механічного принципу ґрунтується на безпосередньому захопленні твердих частинок за допомогою спеціальних матеріалів (наприклад, волокнами фільтрувальної тканини). Цей принцип застосовується переважно тоді, коли розмір пилинок і характеристичний розмір матеріалу (наприклад, розмір комірок фільтрувальної тканини) порівнювані. За таким принципом працюють тканинні пиловловлювачі.

Рис. 3.1. Схема руху твердих частинок пилу в повітряному потоці біля стінки пиловловлювача: Umах — максимальна швидкість пилинок; у — лімітуюча товщина шару; d — еквівалентний діаметр пилинки

Четвертий варіант механічного принципу ґрунтується на явищі молекулярної дифузії твердих частинок у повітряному потоці. Під молекулярною дифузією розуміють рух молекул, спричинений тепловим рухом або різницею парціальних тисків. Цей принцип закладений у конструкцію рукавних фільтрів.

Електричні принципи видалення пилу з повітряного потоку

Електричне очищення — один з найбільш досконалих видів очищення повітря від зважених частинок пилу й туману. В основі цього принципу лежать ударна іонізація повітря (газу) в зоні коронуючого розряду, передача заряду іонів частинкам домішок і їх осаджування на осаджувальних і коронуючих електродах.

Забруднене повітря, що надходить в електрофільтр, завжди є частково іонізованим завдяки дії різних зовнішніх факторів (рентгенівських, радіоактивних, електромагнітних випромінювань та ін.), тому здатне проводити електричний струм, потрапивши в простір між двома електродами. Сила струму залежить від числа іонів і напруги між електродами. При збільшенні напруги рух між електродами охоплює все більше іонів і сила струму зростає доти, доки в русі не візьмуть участь усі іони, які знаходяться в повітрі. При цьому величина сили струму стає постійною, незважаючи на подальший ріст напруги.

Частинки пилу в іонізованому повітрі (газі) заряджаються двома способами. Малі частинки (розміром менше 1 мкм) "зв'язують" на своїй поверхні електрони або іони внаслідок дифузійного зближення. Переміщення електронів та іонів у повітрі аналогічне руху малих частинок пилу в ламінарному потоці повітря (газу). При цьому вторинні переміщення призводять до відхилення траєкторій електронів та іонів у напрямках, перпендикулярних до силового поля, і внаслідок цього до їхньої дифузії у повітряний потік. Крупні частинки заряджаються електричним полем тоді, коли їх поляризація за допомогою електронів або іонів супроводжується дифузією, а також виникненням сили притягання зарядів.

Електрично заряджені частинки, незважаючи на опір середовища, переміщаються в силовому полі вздовж силових ліній до протилежного за знаком полюса з відносно малою (приблизно декількох см х с"1) швидкістю, що називають швидкістю сепарації.