Лекция 7 методы предотвращения загрязнения воздушной среды. Система мониторинга

План лекции

1. Загрязнение воздушной среды

2. Защита воздушного бассейна от сажи (пыли)

3. Теоретические основы очистки газовоздушных сред от сажи (пыли)

Рекомендуемая литература: 1, 4, 5, 7, 12, 16, 18, 24, 25

1. Загрязнение воздушной среды

Суда и многие другие транспортные средства являются достаточно активными источниками загрязнения воздушного бассейна углеводородами, оксидами углерода, азота, серы, фенолами, альдегидами, спиртами, кетонами, твердыми частицами (сажа), тяжелыми металлами (свинец и его соединения).

С гигиенических позиций опасность загрязнения воздуха вредными веществами можно оценить с помощью ПДК и по данным об изменениях показателей здоровья населения.

Загрязняющие вещества в атмосфере находятся в газообразном и аэрозольном состоянии.

Отработавшие газы (ОГ) двигателей транспортных средств (ДТС) наносят существенный вред окружающей среде, биоте и здоровью человека. В их составе содержатся общеядовитые, удушающие компоненты (оксид углерода), компоненты раздражающего характера (оксиды серы, азота), мутагенные (тяжелые металлы, альдегиды, алколоиды), канцерогенные соединения (углеводороды, бенз(ά)пирен), сажа (твердые частицы) и другие (табл. 10).

Таблица 10 - Токсические компоненты отработанных газов

Типы ДТС	Выхлопы вредных компонентов, кг/т топлива
	СО	СхНу	SO2	NOx	Сажа	Свинец	Всего
Бензиновые	267	33,2	1,34	26,6	1,34	0,27	329,75
Дизельные	28,4	9,1	5,6	40,8	8,0	-	91,9
Газотурбинные	0,852	1,36	0,68	4,08	0,07	-	7,04

Из трех метеорологических компонентов – скорость воздуха, температура, относительная влажность, наиболее существенной в образовании опасных зон является относительная влажность. Если в сухом нейтральном воздухе скорость окисления SO₂ до SO₃ составляет 2% в час, то повышение влажности воздуха до максимальной приводит к снижению конверсии до 6-0,1% в час.

При тумане суммарное количество загрязняющих компонентов в газовой фазе и каплях тумана выше, чем при его отсутствии. Кроме химических реакций в атмосферном воздухе постоянно происходят массообменные и фотохимические процессы, в которых участвуют такие газы, как озон, двуокись азота, сернистый ангидрид. Наибольшее значение имеет фотохимия озона.

Комплекс санитарно-гигиенических исследований показал существенное влияние выбросов на образование туманов, дымов, мглы, которые приводят к загрязнению атмосферы аэрозольными частицами.

Отработавшие газы от дизельных установок представляют сложную газовую смесь. Четыре компонента – азот, кислород, двуокись углерода и вода составляют 99-99,9% объемн, а остальные компоненты – 0,1-1,0% объемн, причем последние представляются наиболее вредными для природных экосистем, животных, биоты и человека (табл. 11).

Таблица 11 - Состав отработанных газов дорожно-транспортных средств

Компонент	Концентрация ОГ, г/мз	Свойства компонентов ОГ
Диоксид углерода	40 – 240	Удушающее, наркотическое действие, «парниковый эффект»
Сернистый ангидрид	0,1 – 0,5	Раздражающее действие, токсичность
Оксид углерода	0,25 – 2,5	Общеядовитый, удушающий, кроветворный
Акролеин	0,001 – 0,04	Токсичность
Оксиды азота (по NO2)	0,5 – 8,0	Раздражающий, токсичный, компонент кислотного дождя
Углеводороды	0,25 – 2,0	Удушающий «парниковый» эффект
Бенз(α)пирен	0,2 – 0,5	Канцерогенные
Сажа	0,05 – 0,5	Ухудшение видимости, раздражение, болезнь верхних дыхательных путей
Вода	15 – 100	Влажность, туманообразование
Оксиды азота, углеводороды		Смогообразование

В двигателях внутреннего сгорания ежегодно сжигается сотни тысяч тонн топлива и масла. При этом с отработавшими газами выбрасываются десятки тысяч тонн токсикантов.

К 60-м годам вред, наносимый окружающей среде и человеку ОГ, стал ограничиваться законодательными актами. В Западной Европе действует законодательный документ ЕЭК ООН, в США в 1973 г. введен федеральный стандарт на ограничение дымности и газовыделения токсикантов с ОГ, запрет на использование этилированного бензина.

Основные пути снижения концентрации токсикантов в ОГ дизелей:

- оптимизация энергетического состояния воздушного заряда;

- улучшение экономических и экологических характеристик дизеля путем повышения давления впрыска топлива;

- улучшение качества топлива для судовых дизелей, разработка присодок к топливу, повышающих цетановое число компаундированного дизельного топлива, интенсифицирующих процесс окисления, воспламенения;

- задержка воспламенения топлива и влияние ее на полноту сгорания и состав ОГ дизелів;

- улучшение показателей смесеобразования дизельного топлива с воздухом;

- снижение уровня токсичности ОГ за счет ввода воды в дизельное томливо;

- впрыск метанола непосредственно в камеру сгорания дизельного топлива;

- снижение уровня токсичности ОГ с помощью нейтрализаторов.

Существует несколько способов нейтрализации:

- термический;

- каталитический;

- абсорбционный;

- комбинированный.

Термическая нейтрализация основана на дожигании продуктов неполного сгорания в конечные – диоксид углерода, вода, серный ангидрид. Оксиды азота при таком способе практически не снижаются.

Каталитическая нейтрализация используется для снижения концентрации токсикантов при окислительных (CO₂, CH₃, SO₂) и восстановительных реакциях (разложение NO₂). Каталитические нейтрализаторы ускоряют окислительно-восстановительные процессы.

Термические и каталитические нейтрализаторы чаще всего используются в бензиновых двигателях, т. к. в ОГ содержится значительно больше токсикантов – вредных соединений неполного сгорания. В последнее время каталитическая нейтрализация нашла применение и на дизелях. Содержание кислорода в ОГ превышает 10%, а содержание оксида углерода – не более 0,1-0,2%. Наличие сажи в ОГ дизелей создает дополнительные трудности для использования каталитических нейтрализаторов, т. к. сажа быстро забивает нейтрализатор и снижает эффективность его работы, приходится периодически выжигать сажу при 500°С или устанавливать перед катализатором специальную ловушку.

При эксплуатации дизелей с каталитическими нейтрализаторами на алюмо-платиновом катализаторе ШПК-2 достигнута степень очистки по оксиду углерода 30-100%, по альдегидам 80-100%, по дожигу сажи 60-100%.

Отработанные газы дизелей также очищают с помощью адсорбционных нейтрализаторов со специальным химическим реагентом.

Атмосферный воздух загрязняется также в результате транспорта сыпучих, твердых и жидких материалов.

Наиболее эффективным считается транспорт на судах сыпучих материалов (удобрения, сера, руда, уголь) в герметических контейнерах, установка локальных систем вентиляции и очистки газовоздушных сред от пыли.

При транспорте нефтепродуктов на судах кроме загрязнения водного бассейна нефтесодержащими водами существенная эмиссия нефтепродуктов происходит также в воздушный бассейн за счет испарения нефтепродуктов. Более 30% потерь углеводородов приходится вследствие испарения, распределения и заправки двигателей транспортных средств.

При транспортировке, хранении, перевалках нефтепродуктов и заправках топливом ДТС в атмосферу выделяются углеводороды – компоненты «парникового» эффекта. Помимо прямого ущерба окружающей среде это приводит к истощению невозобновимого сырья.

Состав углеводородов, образующихся при испарении бензина, составляет (% объемн.):

Пропан 1,5

Изобутан 8,0

Н-бутан 10,0

Пентан 14,0

Бензол 0,5

Гексан (С₆) 6,0

Воздух 60,0

Всего 100,0

При температуре 20°С давлении 760 мм рт. ст. потери углеводородов составляют 1070 г/м^з. По последней директиве Европейского Экономического Союза (1996 г.) потери углеводородов при испарении жидкого моторного топлива не должны превышать 35 г/м^з (1,3% объемных углеводородов). Такое резкое снижение потерь углеводородов (более чем в 30 раз) стало возможным благодаря разработке и внедрению новых технологий. Одна из таких технологий основана на адсорбции паров углеводородов. До реализации технологии поглощения углеводородов на всех этапах хранения, транспор-тировки, переработки нефтепродуктов общие потери углеводородов составляли 0,62% от массы жидких моторных топлив, а после внедрения новой технологии снизились до 0,02%

В атмосферном воздухе под действием внешних и внутренних факторов постоянно протекают гидродинамические, тепловые, электромагнитные, химические и фотохимические процессы, от которых зависит температура, давление, скорость перемещения воздушных масс и его химический состав. Атмосфера на сотни километров простирается вокруг Земли, ее масса составляет 5,3 · 10¹⁵ тонн. Это 1 · 10^-6 массы нашей планеты. Плотность, влажность, давление, температура, скорость перемещения и химический состав атмосферы неодинаковы и зависят от высоты слоя атмосферы над Землей.

Условно атмосферный воздушный бассейн можно разделить на пять сфер:

- тропосфера;

- стратосфера;

- мезосфера;

- термосфера;

- экзосфера.

Природный состав атмосферного воздуха необходимо знать для того, чтобы своевременно определить новые загрязнители, которые могут поступить в атмосферу вследствие антропогенной деятельности.

Источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяют на две группы:

- природные;

- антропогенные.

К природным относятся – лесные пожары, пыльные бури, землетрясения, ураганы, морские бури, космическая пыль, извержения вулканов.

К антропогенным – промышленность, транспорт, сельское хозяйство, военно-промышленный комплекс.

К основным загрязнителям атмосферного воздуха относятся оксиды серы и азота (компоненты кислотных дождей), пыль, монооксид углерода.

Эмиссия основных загрязнителей атмосферного воздуха представлена в таблице 12.

Таблица 12- Эмиссия основных загрязнителей атмосферного воздуха

Годы	Пыль	Эмиссия, тыс. т/год
		SO2	CO	NOx
1974	22380	25180	29520	5860
1980	27940	34110	41700	7800
1990	35200	47500	50200	9600

Для характеристики любого источника вредного выброса разработана структура выбросов согласно стандарту страны, а также Международным стандартам.

Выбросы вредных веществ в атмосферу характеризуются по четырем признакам:

- по агрегатному состоянию;

- по химическому составу;

- по размеру частиц;

- по массе выброса.

Вредные вещества классифицируются по следующим признакам:

- по характеру действия;

- по степени опасного воздействия на человека.

По характеру действия на человека вредные вещества делят на:

1. Нервно-паралитические – аммиак, анилин, сероводород, тетраэтилсвинец.

2. Раздражающие – хлор, аммиак, сернистый ангидрид, оксиды азота.

3. Общеядовитые – синильная кислота, мышьяк, соли ртути, фосфор-содержащие соединения.

4. Удушающие – фосген, оксид углерода, ацэтилен, инертные газы.

5. Прижигающие – Кислоты, щелочи, ангидриды.

6. Наркотические – бензол, эфиры, дихлорэтан, ацетон.

7. Мутагенные – соединения свинца, ртути, хлора, углеводороды ароматические.

8. Канцерогенные – каменноугольная смола, бензапирен.

9. Аллергены – соединения никеля, алколоиды.

По степени опасного воздействия на человека вредные вещества делят на:

1. Чрезвычайно-опасные (первый класс) – ПДК 0,1 мг/дм^з

2. Высокоопасные (второй класс) – ПДК – 0,1 – 1,0 мг/дм^з

3. Умеренно-опасные (третий класс) – ПДК – 1,0 – 10,0 мг/дм^з

4. Малоопасные (четвертый класс) – ПДК – 10,0 мг/дм^з и выше.

Для обеспечения экологической безопасности, создания нормальных, здоровых условий труда и отдыха разработаны предельные уровни загрязнения воздушного бассейна – предельно-допустимые концентрации (ПДК).

ПДК нормируются в рабочей зоне, в населенной местности.

ПДК в населенной местности подразделяются на общие, средне-суточные, максимально-разовые.

ПДК в рабочей зоне – это максимальная концентрация вредного вещества, которая в течение ежедневной работы (кроме выходных и праздничных дней) не более 8 часов в сутки, не более 41 часа в неделю не ухудшает состояние здоровья, не приводит к дискомфортности труда, а при длительном воздействии не приводит к профессиональным заболеваниям.

По видам вредные вещества подразделяются на:

- вещества однонаправленного действия;

- вещества разнонаправленного действия.

В случае одновременного присутствия в газовоздушных средах веществ однонаправленного действия санитарная оценка в конкретном промышленном регионе или населенной местгности определяется следующим неравенством:

С₁/С_ПДК1 + С₂/С_ПДК2 + С₃/С_ПДК3 +… + С_n/С_ПДКn ≤ 1, (6)

А для веществ разнонаправленного действия санитарная оценка лимитируется тем вредным веществом, для которого ПДК имеет наименьшее значение:

С_i ≤ C_iПДКmin. (7)

Человек подвергается комбинированному воздействию вредных веществ. Возможны следующие разновидности этих воздействий:

- суммация, аддиктивное воздействие;

- синергизм;

- антогонизм.

В результате сгорания топлива в судовых дизельных установках образуются выхлопные газы, содержащие оксиды серы, азота, углерода, сажу, углеводороды. По санитарным нормам и требованиям экологической безопасности выхлопные газы перед сбросом в атмосферу должны быть очищены до безопасного уровня воздействия на окружающую среду.

Известны следующие способы очистки выхлопных газов судовых установок от вредных токсических компонентов:

-абсорбционный;

-адсорбционный;

-диффузионный;

-высокотемпературный, термический;

-каталитический.

Предельно-допустимый выброс ПДВ, мг/с определяется по уравнению:

ПДВ = М = Свв · Vгвс, мг/час, (8)

где Свв – концентрация вредного вещества в сбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси, мг/мз;

Vгвс – нагрузка по газовоздушной смеси, сбрасываемой в атмосферу, м^з/час.

Для каждого предприятия устанавливается конкретная величина ПДВ, выше которой сброс недопустим.

В следствие сгорания моторного топлива в судовых энергосиловых установках образовываются отработанные газы, которые содержат сажу, оксиды серы, азота, углерода, углеводороды. По условиям экологической безопасности отработанные газы перед выбросом в атмосферу должны быть очищены до безопасного уровня.

Предельнодопустимый выброс (ПДВ), мг/с, определяется по уравнению:

ПДВ = М = С_i ^. V_ог, мг/с, (9)

где С_i - концентрация вредного вещества і – того вида в отработанных газах, мг/м³;

V_ог – расход отработанных газов, м³/с.

При этом необходимо учитывать концентрацию вредных веществ в воздухе от других источников, чтобы поддерживалось условие:

С_i + С_i^ф ≤ПДК_i^С/С (10)

где С_і^ф – фоновая концентрация і - того вещества в атмосферном воздухе, мг/м³.

Промышленные объекты размещаются с подветрянной стороны от жилищных массивов и отделены санитарно-защитными зонами (СЗС).

Размеры санитарно-защитных зон, Х_,, м, устанавлены согласно «Санитар-ных норм проектирования промышленных предприятий». Полученный по расчетам размер СЗС должен быть скорректирован на розу ветров данного района по формуле:

Х = Х_i · Р/Р₀ (11)

где Х_і – расчетное расстояние от источника загрязнения до границы СЗС без учета поправки на розу ветров, м;

Р – среднегодовая повторяемость направлений ветров данного румба, %;

Р₀ – повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %.

Если размер СЗС для предприятия больше установленного, то необходимо пересмотреть проект предприятия и обеспечить снижение выброса вредных веществ или увеличить высоту выброса, обеспечить требования норм по чистоте водного бассейна в зоне жилых строений.

2. Защита воздушного бассейна от сажи (пыли)

Источники образования пыли.

Пыль относится к наиболее массовым загрязнителям окружающей среды. Эмиссия пыли от антропогенного вида деятельности составляет порядка 30 млн. т/год, в результате природных воздействий – 3 млн.т/год.

Основными источниками выделения пыли антропогенного характера является разработка и добыча полезных ископаемых, переработка, транспортировка, хранение. Пыль природного характера – это вулканическая деятельность, пыльные бури, ураганы, шторм, лесные пожары.

Физиологические свойства пыли: обладает высокой химической и биологической активностью. В результате длительного воздействия поражаются такие органы человека, как верхние дыхательные пути, легкие. Профессиональное заболевание от пыли – пневмокониоз. По характеру действия на человека пыль подразделяют на два класса:

• раздражающая;

• токсичная пыль.

К раздражающей пыли относят угольную, асбестовую, меловую и металлическую пыль, наждачную, древесную и хлопковую.

К токсичным относят аэрозоли на основе щелочей, солей, кислот, радиоактивных изотопов.

Для снижения отрицательного воздействия пыли на человека разрабо-таны санитарно-гигиенические нормы (ПДК) пыли в рабочей зоне и в населенной местности. ПДК в населенной местности подразделяют на среднесуточную, максимально разовую (τ≤20 мин.). ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействия.

Физико-химические свойства пыли.

Физико-химические свойства пыли – требуются для того, чтобы грамотно выбрать метод очистки газовоздушной среды от пыли, а также провести расчёты и проектирование очистных сооружений.

Пыль в воздушный бассейн поступает в виде аэрозолей. Ниже приведены свойства пылей:

Плотность, ρ_n, кг/л, кг/м³.

По плотности пыль разделяют на следующие:

• насыпная;

• кажущаяся;

• истинная;

Насыпная плотность , кг/м³ определяется по формуле:

(12)

где Gn – масса пыли, кг, V_Σ – совокупный объём, занимаемый пылью V_П, объем пустот между частицами и внутренней поверхностью частиц пыли, м³;

Кажущаяся плотность кг/м³ – отношение массы пыли к объему, занимаемому ею без пустот между частицами:

(13)

где V_пуст – объем между частицами, м³ ;

Истинная плотность, кг/м³ – это отношение массы пыли к объёму монолита пыли:

кг/м3; V>Vм, поэтому >>.

(14)

Вид, форма:

• чешуйчатая;

• структурированная;

• сегментная.

Дисперсность пыли равна величине обратно пропорциональной диаметру пыли, Дп:

, м –1,

(15)

где dп – условный диаметр пыли, м.

Седиментационный диаметр пыли – это свойство вводят для того, чтобы упростить расчёты. При этом реальную форму пыли преобразуют в шар. Седиментационный диаметр пыли – это такой диаметр шара, когда скорость его осаждения V, м/с, и насыпная плотность , кг/м³ равны реальной скорости осаждения частицы пыли Vp м/с и её плотности , кг/м³.

Адгезия – способность пыли к слипанию, и чем выше дисперсность пыли, тем больше её склонность к налипанию; по адгезии пыль делится на 4 группы:

• неслипающаяся (стеклянная, песчаная);

• слабослипающаяся пыль (кокс, зола, магнезитовая пыль);

• среднеслипающаяся пыль (торфяная пыль, сажа);

• сильнослипающаяся пыль (цементная, асбестовая, мучная)

Абразивность пыли – это способность пыли за счёт механического трения уменьшать толщину аппарата и коммуникаций.

Смачиваемость пыли:

• гидрофильные пыли (хорошосмачиваемые пыли) – мучная, цементная, меловая.

• гидрофобные (пыли, которые плохо смачиваются водой) – угольная, коксовая;

• абсолютно гидрофобные пыли, которые не смачиваются водой (жирная, парафиновая, битумная пыль).

Гигроскопичность пыли – это свойство пыли впитывать влагу, зависит от вида, дисперсности, физико-химических свойств.

Электропроводность пыли – способность пыли приобретать положительный или отрицательный заряд под действием электрического поля; приобретаемый заряд пылью зависит от формы пыли, диаметра частицы пыли и свойств пыли.

Способность пыли к возгоранию, воспламенению и взрыву – это способность пыли при определенных концентрациях с воздухом и под действием теплового импульса возгораться и взрываться; это свойство характеризуется нижним пределом взрываемости пыли, минимальный нижний предел находится в пределах 20-200 г/м³, максимальный – 200-500 г/м³.

На токсичные пыли вводят такие ограничения, как ПДК, мг/м³, ПДВ, г/с;

В случае установки одного аппарата степень очистки α, %; определяется по формуле (рис. 6):

(16)

где Gⁿ_ЗГ – масса пыли в запыленном газе, кг/час;

АО – аппарат очистки;

–масса пыли в очищенном газе, кг/час;

G_П – масса пыли, кг/час, выведенная из контура очистки АО.

Gⁿ_ЗГ

Gⁿ_ОГ

Рисунок 6 – Масса пыли в запыленном газе

Если установлено несколько последовательно камер очистки, то общая степень очистки, , доли, определяется по формуле (рис.7):

(17)

где –i-ая степень очистки в АОⁱ, доли.

ЗГ

Рисунок 7 – Общая степень очистки

Вышеперечисленные свойства пыли необходимы для грамотного выбора метода очистки, аппаратурного оформления и определения экономически и технически оправданных конструкционных материалов, средств контроля и управления.

3. Теоретические основы очистки газовоздушных сред от сажи (пыли)

Аппараты для очистки газовоздушных сред (ГВС) от пыли классифицируются на следующие виды:

• А. Пылеосадительные камеры;

• Б. Диффузионные;

• В. «Мокрая» очистка;

• Г. Электрофильтры.

Очистка ГВС от пыли в пылеосадительных камерах основана на использовании сил гравитации, ударно-инерционных, центробежных.

А. Пылеосадительные камеры

Очистка ГВС от пыли, основанная на использовании сил гравитации (рис. 8).

Рисунок 8 – Схема очистки ГВС³

При поступлении ГВС³ в полость аппарата на молекулы ГВС и частицы пыли действуют силы гравитации, кгм/с²:

	(18)
	(19)

Соответственно, массы ГВС и пыли, кг, определяются по формулам:

	(20)
	(21)

где m_ГВС, m_П – соответственно, масса ГВС и пыли, кг, ρ_ГВС, ρ_П – плотность ГВС и пыли, кг/м³, V_ГВС, V_П – соответственно, объём ГВС и пыли, м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Поскольку ρ_п>>ρ_ГВС, то Р_П >> Р_ГВС и, соответственно, пыль преимущественно оседает в аппарате. Эффективность осаждения пыли в пустотелых аппаратах зависит от скорости осаждения пыли, свойств пыли и ГВС. Скорость осаждения пыли, Vос, м/с, в пустотелом аппарате определяется по формуле:

(22)

d_п – седиментационный диаметр пыли, м;

–насыпная плотность пыли, кг/м³;

–удельный вес ГВС, кг/м³;

ξ_п – коэффициент сопротивления движению частицы пыли, оказываемое ГВС.

Время пребывания ГВС в пылеосадительной камере τ, с, определяется по уравнению:

(23)

где V_пк – объем пылеосадительной камеры, м³; V_ГВС – расход ГВС, м³/с.

Основные конструкции пылеосадительных камер приведены на рисунках 9, 10.

Рисунок 9 – Простейшая пылеосадительная камера без перегородок

Рисунок 10 – Простейшая пылеосадительная камера с перегородками

Эффективность очистки в пустотелых аппаратах не превышает 40% при седиментационном диаметре частицы пыли не меньше 40 мкм. Пустотелые камеры, работающие на использовании сил гравитации, в промышленности применяют в качестве предварительной очистки ГВС от пыли.

Недостатки пустотелых камер:

• низкие линейные скорости ГВС в камере;

• низкая эффективность очистки;

• неэффективность использования камер для очистки ГВС, содержащих пыль, дисперсность которой больше 25х10³ м^-1;

• высокие капиталовложения.

Очистка ГВС от пыли, основанная на использовании ударно-инерционного механизма.

Процесс основан на резком изменении направления движения ГВС, при этом за счёт значительно больших сил гравитации, действующих на пыль по сравнению с ГВС, частица пыли продолжает первоначальное направление движения.

Степень очистки в камерах не превышает 50%, а дисперсность частиц пыли не должна быть более 30х10³ м ^–1. Камеры с использованием ударно-инерционного механизма имеют такие же недостатки, что и камеры, использующие при очистке силы гравитации.

Конструкции камер приведены на рисунках 11-15.

1 – корпус;

2 – перегородка;

3 – выход пыли

Рисунок 11 – Камера с вертикальной перегородкой

1 – центральная труба (вход ЗГ);

2 – корпус;

3 – выход пыли

Рисунок 12 – Камера с центральной трубой

1 – боковой штуцер;

2 – корпус;

3 – выход пыли

Рисунок 13 – Камера с боковым входом ЗГ

1 – корпус;

2 – пылесборные камеры

Рисунок 14 – Камера жалюзийная

Рисунок 15– Камера с плавным поворотом

Очистка ГВС от пыли, основанная на использовании центробежных сил.

Принцип очистки – запыленный газ поступает тангенциально по отношению к корпусу циклона, ГВС закручивается, центробежная сила отбрасывает частицу пыли к периферии и последняя оседает (рис. 16).

D

d_цт

1 – тангенциальный ввод ГВС;

2 – центральная труба;

3 – корпус;

4 – выход пыли

Рисунок 16 – Циклон

Рисунок 17 – Эпюра сил, действующих на частицу пыли В, находящуюся в полости циклона

На частицу пыли действуют силы, Па (рис.17):

Рr = Рц – Рс, Па (24)

• центробежная сила, Рц;

• сила сопротивления движению частицы в радиальном направлении, Рс;

• сила гравитации, Pg.

Результирующая сила Р₀, действующая на частицу пыли под углом β, приводит к оседанию частицы вдоль корпуса циклона. Силы, действующие на частицу пыли В, описываются следующими уравнениями:

		(25)
		(26)
		(27)

где m – масса частицы пыли, кг;

Wт – тангенциальная составляющая скорости частицы пыли, м/с;

R – радиус от центра циклона до частицы, м;

Wc – радиальная составляющая скорости частицы, м/с.

d_r – диаметр частицы, м;

μ – вязкость среды,

Гидравлическое сопротивление циклона, _ΔР, Па, определяется по уравнению:

(28)

где ξ – коэффициент гидравлического сопротивления циклона.

Для оценки эффективности работы циклона используют критерий, Fr, Фруда (фактор разделения), определяемый по уравнению:

(29)

Конструкция циклона НИИОГАЗ приведена на рисунке 18.

Рисунок 18 – Циклон НИИОГАЗ

Таблица 13 Эффективность очистки ГВС от пыли различных конструкций циклонов приведена ниже (при нагрузке по ГВС V=2000 м³/час и _ΔР=12 гПа):

Тип циклона	Эффективность очистки, α %
Т – 4/360	75,5
ЦН –11	74,0
ЦН –15	72,5
ВЦНИИОТ	72,5
СИОТ	72,5
ЛИОТ	68,0
ЦН –15у	67
ЦН –24	65

Б. Диффузионные методы очистки ГВС от пыли

В зависимости от степени очистки α и назначения фильтры подразделяются на 3 класса:

1) фильтры тонкой очистки, α>99%, их применяют для улавливания токсичной пыли, аэрозоли, радиоактивных элементов; материал фильтров: асбест, металлокерамика, углеродная нить, фильтры регенерации не подвергаются;

2. фильтры, применяемые в системах приточно-вытяжной вентиляции, α = 75÷90%

3. промышленные фильтры для грубой очистки газовоздушных сред, α = 55÷75%, промышленное применение для очистки газа и сточных вод от пыли, взвешенных веществ.

Конструкция рукавного фильтра приведена на рисунке 19.

В. Мокрая очистка ГВС от пыли

Пыль может быть очищена мокрым способом, если она обладает свойствами гидрофильности и гигроскопичности. В зависимости от контактных устройств мокрые аппараты подразделяются на следующие виды:

• полые газопромыватели;

• насадочные скрубберы;

• тарельчатые;

• с подвижной насадкой;

• ударно-инерционного действия или ротоклон;

• центробежные;

• механические;

• с использованием трубы Вентури, скоростные.

1 – корпус;

2 – элемент рукавного фильтра;

3 – коллектор очищенного газа;

4 – встряхиватель;

5 – коллектор продувочного газа;

6 – коллектор ввода запыленного газа

Рисунок 19 – Рукавный фильтр

По гидродинамическому режиму полые газопромыватели подразделяются на:

• противоточный;

• прямоточный;

• перекрестный.

Преимущества «мокрого» метода:

Высокая эффективность очистки от пыли ГВС – 99,99%.

Недостатки «мокрого» метода:

- пыль переводится из газообразной в жидкую фазу, требует затрат, как на очистку воды от пыли, так и на привод рамных фильтров;

- очистке подвергаются только те пыли, которые обладают свойствами гигроскопичности, гидрофильности и смачиваемости.

Конструкции аппаратов, применяемых при «мокрой» очистке, приведены на рисунках 20 ÷ 22.

1 – коллектор ввода ЗГ;

2 – корпус;

3 – разбрызгиватель;

4 – коллектор вывода ОГ;

5, 8 – верхняя и нижняя крышки;

6 – каплеобойник;

7 – распределительная решетка;

9 – коллектор вывода шлама;

10 – рамный фильтр;

11 – насос

Рисунок 20 – Полый газопромыватель

1, 5 – коллекторы выхода ОГ и входа ЗГ;

2 – насадка;

3 – днище;

4 – коллектор вывода шлама;

6 – коллектор ввода воды;

7 – оросительное устройство

Рисунок 21 – Газопромыватель с подвижной насадкой

1 – коллектор ввода воды;

2, 6 – коллекторы выхода ОГ и входа ЗГ;

3 – корпус;

4 – отверстия;

5 – вывод шлама

Рисунок 22 – Труба Вентури

Г. Электрофильтры

Метод применяется для очистки газа от пыли, которая обладает свойством электропроводности.

Стадии процесса очистки:

• транспорт запыленного газовоздушного потока в электромагнитное поле, создаваемое высоким напряжением постоянного тока (10-12 тыс. В);

• ионизация частиц пыли, под действием электрического и магнитного полей, частицы пыли приобретают положительный или отрицательный заряд в зависимости от вида и размера частиц пыли;

• транспорт положительно ионизированных частиц пыли к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженных к положительному;

• осаждение ионизированных частиц пыли на соответствующих электродах;

• удаление осевшей пыли с электродов в бункер;

• удаление очищенного газовоздушного потока в атмосферу или последующую переработку.

Фильтры требуют больших затрат энергии R_Э=0,4÷1,8 мДж/10³м³ ГВС, обеспечивают высокую степень очистки =99,99%, примеси аммиака и сернистого ангидрида повышают степень очистки. Диапазон диаметра частиц широкий dr=0,01÷100 мкм, температура 400÷500 ⁰С. При температуре выше 500 ⁰С повышается вязкость газа и снижается эффективность процесса очистки.

Недостатки электрофильтров: повышенный расход электроэнергии, ограничение применения электрофильтров по свойству пыли «электропроводность».

Величина заряда частиц пыли, q ⁺ , ЭВ, определяется по формуле:

(30)

где d_r – седиментационный диаметр пыли, м;

ε₀ – диэлектрическая проницаемость частицы пыли, Ф/м;

Е – напряженность электрического поля, В/м;

Сопротивление электрофильтра небольшое и составляет 150 Па.

Промышленное применение электрофильтров:

• для очистки дымовых газов ТЭЦ;

• в металлургической, коксохимической промышленности;

• химической, нефтехимической промышленности.

Процесс получения ацетилена.

В процессе термоокислительного пиролиза природного газа до ацетилена в качестве побочного продукта образуется сажа, которая эффективно удаляется из ГВС с помощью электрофильтров.

Конструкция промышленного пластинчатого электрофильтра приведена на рисунке 23.

Таким образом, рассмотренные методы очистки ГВС от пыли можно сгруппировать следующим образом:

• пустотелые аппараты, в которых очистка ГВС от пыли происходит за счёт сил гравитации, ударно-инерционных и центробежных сил;

• диффузионные методы с помощью фильтров;

• «мокрые» методы очистки ГВС от пыли;

• электрофизический метод очистки ГВС от пыли.

Рисунок 23 – Электрофильтр

Вопросы для самопроверки.

1. Как происходит згрязнение воздушной среды пылью (сажей)?

2. Как производят защиту воздушного бассейна от пыли?

3. Каковы теоретические основы очистки газовоздушных сред от пыли?

4. Что представляют собой диффузионные методы очистки ГВС от пыли?

5. Что такое электрофильтры?