Экология промышленного производства

ческую камеру, сообщающуюся через окна 7 в трубке 2 и окна 12 во втулкеспро-точнымканаломротора.

Прибор работает следующим образом. Устанавливают нужную скорость вращения ротора и, подсоединив штуцер 9 к вакуумлинии, задают объемный расход запыленного газа через канал ротора. Пылегазовый поток через заборную трубу поступает в головку 5 и, обтекая конус 6, направляется в кольцевой канал 3 ротора, где потоку сообщается вращательное движение. Под действием центробежных сил частицы пыли сепарируют из потока и осаждаются на внутренней поверхности трубки 1. Освобожденный от пыли газ через окна 7 и 12 поступает в камеру 10 и через штуцер 9 и фильтр выводится из прибора.

С целью удобства сбора осадка пыли в проточный канал помещается съемная пылесборная трубка, составленная из стаканчиков, изготовленных из алюминиевой фольги. По окончании опыта снимают головку 5 и вынимают пылесборную трубку с осажденным на ее поверхности слоем пыли. Искомое дисперсное распределение частиц по размерам вычисляют, исходя из распределения массы осадка по длине канала. Количество осажденной пыли, отнесенное к единице объема газа, дает величину запыленности потока.

Струйный сепаратор (импактор). Принцип действия прибора – инерционное осаждение взвешенных частиц на плоскую поверхность вследствие резкого изменения направления движений запыленного газового потока. Отбираемая из газохода часть газового потока просасывается под воздействием разности давления через несколько последовательно расположенных в корпусе сепаратора сопел, против которых установлены ловушки. Ловушки могут быть либо в виде плоских тарелок (подложек), покрытых слоем липкой смазки, либо в виде кассет, наполненных стекловатой.

Диаметр сопел по ходу газа в приборе уменьшается. В каждой последующей ловушке в соответствии с ростом скорости выходящего из сопел газа улавливаются все более тонкие частицы. Найдя условный граничный размер частиц, улавливаемых в каждой ловушке, можно по массе пыли в них построить кривую распределения фракционного состава анализируемой пыли.

Отбор газа осуществляется с соблюдением изокинетичности. На выходе прибора для улавливания самых малых частиц имеется фильтр.

71

Недостаток прибора – ограничение максимальной температуры газа, отбираемого из газохода. Например, в импакторе конструкции НИИОгаза (рис. 3.16) эта температура, в соответствии с условиями работыдеталейизтефлонасоставляет250 °С.

Рис. 3.16. Импактор со сменными подложками (модели НИИОГаз Vм): 1, 2 – одиночные сопла; 3–6 – сопловые решетки; 7 – фильтр; 8 – крышка;

9 – отсосная трубка; 10 – поджимной болт для уплотнения прокладок; 11 – сменная тарелчатая подложка; 13 – пробоотборный носик;14 – сменный наконечник

Для определения дисперсности пыли применяются и сложные электронные приборы, в частности оптические и электронные микроскопы с использованием в качестве первичного преобразователя оптических датчиков на основе рассеяния, отражения или преломления светового пучка. В качестве первичного преобразователя применяется и пьезоэлектрическая пластина. Электронные приборы

72

достаточно сложны и дороги, но позволяют определять состав мелкодисперсной пыли порядка одного микрона.

Для измерения дисперсного состава низких концентраций пыли, присутствующей в атмосферном воздухе, применяют фотоэлектрические счетчики, в которых запыленный воздух пропускают через освещенную зону и с помощью фотоумножителя регистрируют световые импульсы, рассеянные отдельными частицами под углами до 90°. Эти импульсы преобразуются в импульсы напряжения, которые посредством электронной схемы сортируются по амплитудам на несколько диапазонов в соответствии с размерами частиц. Благодаря такой сортировке в приборах с рассеянием под малыми углами снижается влияние различных факторов на показания счетчика, который без специальной калибровки одновременно определяет концентрацию и размеры частиц (в интервале 0,3 – 20 мкм). Верхний предел, так называемой счетной концентрации, ограничен, при использовании белого света лампы накаливания близок к 108 частиц/м3 и увеличивается в несколько раз в случае использования лазерного пучка. При концентрациях пыли более нескольких мг/м3 газ предварительно разбавляют чистым воздухом. Одно из актуальных направлений развития таких счетчиков – объединение их с микропроцессорной системой, позволяющей полностью автоматизировать счет частиц при одновременном определении их размеров, поверочную калибровку приборов и выдачу данных в компактном виде.

3.4.4. Смачиваемость, коагуляция пылей

Смачиваемость пыли. Характеризует ее способность смачиваться водой. Обычно ее выражают в процентах. Чем меньше размер частиц пыли, тем меньше их способность смачиваться. В частности, возгоны плохо смачиваются водой. Смачиванию препятствует газовая оболочка, образующаяся вокруг мелких частиц пыли. Чем крупнее частицы пыли и чем округлее их форма, тем слабее силы, удерживающие газовую оболочку вокруг поверхности частиц, и, следовательно, тем больше их способность смачиваться. Смачиваемость пыли зависит и от ее химического состава. Смоченные частицы лучше отделяются от газа в аппаратах газоочистки. Смачиваемость определяется путем измерениядоли смоченнойипогрузившейсянадно сосуда пыли, насыпанной тонким слоемнаповерхностьводы.

73

Исследуемую пробу пыли помещают в бункер 1 (рис. 3.17) со специально подобранным диаметром выходного отверстия в воронке бункера, который устанавливают на штатив 3, снабженный вибратором 2. Уменьшая или увеличивая диаметр выходного отверстия воронки, добиваются, чтобы время высыпания пробы составляло 2 – 3 мин. Затем стеклянный сосуд 4, установленный на вращающейся платформе, наполняют дистиллированной водой. Под действием вибратора пыль равномерно высыпается на водное зеркало. При этом сосуд с водой вращается со скоростью 2 об/мин. В процессе проведения эксперимента необходимо следить, чтобы свежая порция пыли не попала на уже высыпавшуюся. Этого добиваются путем передвижения воронки с вибратором к центру сосуда, что позволяет прочертить спираль на поверхностиводы.

Рис. 3.17. Устройство для определения смачиваемости частиц: 1 – воронка с регулируемым отверстием; 2 – вибратор; 3 – штатив;

4 – сосуд для воды; 5 – электродвигатель; 6 – вращающаяся платформа

После высыпания всей пробы прибор останавливают. Воду с оставшимися на ее поверхности частицами сливают в стакан. Осевшие на дне сосуда в процессе опыта частицы с помощью промывалки переносят в предварительно взвешенную и установленную в колбу для фильтрования под вакуумом воронку Шота. После отфильтровывания воронку с осадком помещают в сушильный шкаф или эксикатор и высушивают до постоянной массы.

Долю смочившейся пыли (смачиваемость) вычисляется по формуле:

74

Mвп Mв 100 ,

Mп

где Мв .п – масса воронки с пылью, г; Мв – масса чистой воронки, г;

Мп – масса взятой для опыта навески, г.

Для определения смачиваемости пыли проводят 8 параллельных опытов. Вычисляют среднее арифметическое полученных значений. Расхождение между результатами отдельных измерений и их средней арифметической величиной не должно превышать 5 %. Результаты измерений, отклоняющихся от среднего арифметического значения на величину, большую 5 %, отбрасывают.

За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение оставшихся измерений.

Пыли по смачиваемости разделяют на три группы: гидрофобная (плохо смачиваемая – менее 30 %), умеренно смачиваемая (30 – 80 %), гидрофильная(хорошо смачиваемая, 80 – 100 %). В зависимости от химического состава некоторые пыли при смачивании водой схватываются (цементируются, затвердевают). Такие пыли при оседании на стенки аппаратов и газоходов образуют трудно удаляемые отложения, которые уменьшают сечение для прохода газа и ухудшают условия газоочистки.

Коагуляция (укрупнение) пыли. Это способность ее мелких ча-

стиц слипаться между собой и образовывать более крупные частицы. На скорость коагуляции влияют запыленность газа, размер и форма частиц, температура, вязкость и скорость газа, а также другие факторы, в частности колебание газа под воздействием звуковых волн, электрические заряды частиц. Чем выше скорость газа, тем больше его турбулентность и вероятность столкновения и укрупнения частиц пыли, находящихся во взвешенном состоянии в газе. Частицы пыли разного размера укрупняются лучше, чем частицы одинакового размера. Форма скоагулированной пыли может быть самой разнообразной: шаровидной, в виде цепочки и т. д.

Коагуляция частиц пыли размером более 0,1 мкм происходит вследствие их столкновения во время движения. Более мелкие частицы пыли коагулируют в процессе броуновского движения под действием молекулярных сил. Частицы пыли размером более 5 – 10 мкм

75

почти не коагулируют в газовом потоке. Укрупнение находящихся в газовом потоке капелек жидкости называют коалесценцией. Такое укрупнение происходит при столкновении капелек в процессе их движения в газовом потоке.

На основании разрывной прочности специально сформированных пылевых слоев можно сравнить слипаемость пыли. С этой целью используют прибор Е.И. Адрианова (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Прибор Е.И.Андрианова для определения разрывной прочности пылевых слоёв: 1 – основание; 2 – стакан; 3 – трубка; 4 – исследуемый материал;

5 – плунжер; 6 – контакты; 7 – калиброванная пружина; 8 – ползун; 9 – барабан; 10 – электродвигатель; 11 – шкала; 12 – блок; 13 – вал; 14 – груз;

15 – уплотнительный шток; 16 – втулка; 17 – электронагревательный элемент

Основной частью прибора Е. И. Андрианова является полый составной цилиндр внутренним диаметром 17 мм и высотой 25 мм.

Цилиндр состоят из укрепленного на основании 1 стакана 2 и сторцованной с ним трубки 3. Соосность стакана и трубки, выполненных из дюралюминия, обеспечивается четырьмя центрирующими выступами на стакане. Внутрь цилиндра помещают исследуемый материал 4, который уплотняют с помощью плунжера 5. Уплотняющее и изме-

76

рительное устройства смонтированы на вращающейся опоре, которая состоит из втулки 16 и вала 13. Вал может поворачиваться на угол 90° (насхемеэтотуголдлянаглядностиразвернутдо180°). Водномизего крайних положений место по оси цилиндра занимает уплотнительный шток15 сгрузом14.

Подъем и опускание штока осуществляется плавным поворотом ручки блока12, накоторый наматывается привязанная к штоку струна. После уплотнения пробы золы или пыли, повернув вал 13 над цилиндром, устанавливают устройство, служащее для приложения к сформированному слою измеряемого разрывающего усилия F. Калиброванная пружина 7, прикрепленная к ползуну 8, зацепляется другим концомзадужку натрубке3. Пружинарастягиваетсяспомощьюнити, наматываемой на барабан 9, который приводится во вращение электродвигателем10.

При некотором значении постепенно нарастающего усилия Fk разрывается пылевая масса по сечению А – А (месту стыка частей цилиндра). Трубка 3 вместе с частью слоя пыли отделяется от стакана 2. В этот момент разъединяются контакты 6 и электродвигатель отключается. Отметив по шкале 11 усилие Fk, ползун возвращают в исходное положение (барабан имеет обратный ход) и с помощью той же пружины 7 определяют балластное усилие gk – вес трубки 3 с плунжером и пылью, удерживаемой силами адгезии и трения о стенки. Прочность слоя Р рассчитывается по соотношению

P Fk gk F ,

S S

где S – площадь поперечного сечения слоя.

Количество материала подбирают так, чтобы расстояние от поверхности плунжера до сечения разрыва составляло не менее 3 мм. При этом общая высота слоя равна примерно 8 мм.

Для повышения точности измерений применяются сменные пружины с различными модулями.

Поскольку слипаемость многих пылей зависит от температуры, прибор оборудован съемным электронагревательным элементом 17, что позволяет исследовать разрывную прочность слоёв в интервале

температур до 300 С.

77

3.4.5. Угол естественного откоса, электросопротивление пыли

Угол естественного откоса пыли. Представляет собой угол об-

рушения пыли в процессе или после наполнения пылью бункеров аппаратов газоочистки или других емкостей. Его отсчитывают между горизонтальной плоскостью и образующей конуса, получаемого при насыпании пробы пыли на плоскость (рис. 3.19). По углу естественного откоса пыли делают угол наклона бункеров для ее сбора.

Рис. 3.19. Устройство для определения статического угла естественного откоса

Статический угол естественного откоса ст вычисляется по формуле:

ст arctg H a ,

где а – величина освободившейся верхней кромки сосуда, мм; Н – высота слоя материала в сосуде, мм.

За результат определения статического угла естественного откоса принимают среднее арифметическое шести параллельных определений. Расхождение между результатами отдельных измерений и их средней арифметической величиной не должно превышать 10 %.

Каждое определение желательно проводить из новой порции пробы золы или пыли.

Удельное электрическое сопротивление пыли. Оно представ-

ляет собой омическое сопротивление пыли в форме куба с гранями 1 м прохождению электрического тока (Ом·м). Эта характеристика имеет большое значение при очистке газа в электрофильтрах.

78

Большинство из наиболее распространенных методов определения удельного электрического сопротивления предусматривает формирование слоя золы или пыли, между специальными измерительными электродами. Абсолютные значения измеряемых величин оказываются при этом зависящим от способа формирования слоя между электродами и от других особенностей того или иного метода.

НИИОГаз разработал удобный в эксплуатации прибор «Циклоном- 1» (рис. 3.20), состоящий из малогабаритного лабораторного циклона срасположеннымивегобункереизмерительнымиэлектродами.

Рис. 3.20. Прибор для измерения удельного электрического сопротивления слоя пыли «Циклоном-1»: 1 – ручка; 2 – гайка; 3 – фланец; 4 – шпилька; 5 – циклон; 6 – датчик; 7 – защитный кожух; 8 – измерительные провода; 9 – заборная трубка

К тераомметру проводами с кремний-органической изоляцией марки ПТЛ-250 подключается измерительная система прибора.

Порядок работы с прибором следующий. Прибор через специально предусмотренный для этого лючок вводят в газоход и прогревают, затем подключают к вакуумной линии и устанавливают расход газа

79

15 – 25 л/мин. Для предотвращения засорения источника разрежения золой или пылью, не уловленной циклоном, в линии отсоса рекомендуется устанавливать фильтр. Время, необходимое для заполнения измерительной системы прибора уловленными частицами, определяется опытным путём. После окончания отбора пробы определяют электрическое сопротивление слоя частиц, находящегося между измерительными электродами. Благодаря специально подобранной геометрии электродов электрическое сопротивление, Ом, измеренное тераомметром, численно равняется удельному электрическому сопротивлению Ом·см.

4. ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Промышленные предприятия являются одним из основных источников поступления вредных веществ в среду обитания. Знание химического состава и объёма пылегазовоздушных выбросов, образующихся на предприятиях в ходе разнообразных производственных процессов, необходимодлясовершенствования системподавления, очисткии обезвреживания выбросов вредных веществ в атмосферу и выбора основных направленийвторичногоиспользованияуловленных веществ.

Расположенные в непосредственной близости от жилых массивов, промышленные предприятия в значительной мере определяют состояние воздушного бассейна. На машиностроительных заводах наиболее опасными с экологической точки зрения являются литейные цеха.

4.1. Литейные цеха и их отделения – источники пылегазовых выбросов

Литейный цех машиностроительного предприятия включает в свой состав плавильные агрегаты, шихтовый двор, участки приготовления формовочных и стержневых смесей, разлива металла и очистки литья. В зависимости от способов литья и применяемого метода приготовления жидкого металла номенклатура технологического оборудования на этих участках, а также и состав литейного цеха могут иметь значительные расхождения. Ниже будут рассмотрены удельные показатели

80