Лекции по “Экологическому обеспечению производства чугуна ”

 

Город            Твердые   Газообразные       SO₂               NO_x                   CO                  Σ

                      выбросы      и жидкие

                                            выбросы

 

Донецк      22             156  31  7  110   178

Запорожье      70  197  25  14  147             267

Киев       12  58  19  22  5               70

Магнитогорск  170  679  84  34  548  849

Мариуполь    113  664  54  30  573                 777

Москва          80  282  70  99  28     312

Новокузнецк    136  697  90  90  562          833

Одесса     19  69  15  5  27             88

 

 

 

1.2 Санитарная  очистка газов от пыли

 

Санитарная очистка выбрасываемых  в атмосферу газов должна обеспечить приземную концентрацию содержащихся в них вредных веществ (пыли, оксидов серы, азота и др.) на границе санитарной зоны на уровне, не превышающем предельно допустимые концентрации. Горючие газы (доменный, коксовый, конвертерный, ферросплавный) очищаются от взвешенных в них твердых частиц (пыли) до содержания в очищенном газе пыли, не превышающего 4 мг/м³ при нормальных условиях. Вредные вещества, которые все же остаются в выбрасываемых в атмосферу газах, рассеиваются при помощи высоких труб с целью снижения их концентрации. Такой способ достижения ПДК вредных веществ следует рассматривать как временное вынужденное решение, не снижающее общее загрязнение атмосферного воздуха, а лишь распространяющее его на большие территории.

Наличие большого числа  газоочистных аппаратов, весьма отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу действия, затрудняет их точную классификацию.

Наибольшее применение получили:

1. классификация пылеулавливающих аппаратов по механизму выделения частиц из газового потока;
2. классификация пылеулавливающих аппаратов по способу очистки.

 

1.2.1 Схемы физических механизмов  выделения

 взвешенных  частиц из газовых потоков

 

На рис. 1.1 приведены  схемы физических механизмов выделения  взвешенных частиц из газовых потоков. Часть этих схем характеризует основные механизмы пылевыделения, а часть — вспомогательные, лишь увеличивающие эффективность действия основных. Следует, однако, отметить, что такое деление условно, и в некоторых устройствах вспомогательные механизмы пылевыделения могут играть роль основных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 - Схемы  физических механизмов выделения частиц пыли из газовых потоков (R - радиус циклона; Р - силы): а - под действием силы тяжести; б - под действием центробежной силы; в - столкновение частицы с телом осаждения (инерционный удар); г - прямое осаждение (касательное действие); д - диффузионное осаждение; е - электростатическое осаждение; ж - термопреципитация; 1 - частицы пыли; 2 - направление газового потока; 3 - тело осаждения; 4 - силы диффузии; 5 - коронирующий электрод отрицательной полярности; 6 - осадительный электрод; 7 - земля; 8 - нагретое тело; 9 - холодная поверхность.

 

 

1.2.2 Основные  механизмы выделения частиц из  потока

 

Гравитационный механизм пылевыделения

 

     Наиболее  простой и соответственно наименее  эффективный механизм выделения частиц из потока — основан на естественном осаждении пыли из медленно движущегося газового потока (рис. 1.1, а). Поскольку в гравитационных пылеуловителях газовая среда турбулентна, то нельзя рассчитывать на эффективное выделение в них тонких фракций пыли даже при значительном времени пребывания частиц в аппарате. Значительно лучше улавливаются крупные фракции пыли диаметром более 500 мкм.

 

Центробежный механизм пылевыделения (циклонные устройства)

 

     Благодаря  быстрому вращению газовой среды достигаются весьма большие радиальные скорости перемещения взвешенных в газе частиц (рис. 1.1, б), а следовательно, и эффективное их выделение. Центробежный способ пылеулавливания реализуется в циклонах. Однако их устройство таково, что продолжительность пребывания в них частиц невелика. Соответственно диаметр этих аппаратов обычно сравнительно мал, иначе за короткий срок пребывания в циклоне многие частицы не дойдут до его стенки.

В циклонах диаметром  до 1 - 2 м можно достаточно эффективно улавливать частицы пыли размером 10 мкм и более. Однако значительные расходы технологических газов требуют использования циклонов больших размеров, а такие циклоны менее эффективны и хорошо улавливают только частицы диаметром более 70 - 80 мкм.

Увеличения  времени пребывания частиц можно  достичь увеличением числа витков газового потока в корпусе циклона, однако это обычно связано с увеличением потерь напора очищаемого газа и так весьма высокого в этих аппаратах.

Увеличение  окружной скорости газа в циклоне сверх 18 - 20 м/с обычно не улучшает существенно их эффективность. Это объясняется как увеличением турбулизации потока, так и часто не учитываемым торможением частиц в результате действия сил Кориолиса. Кроме того, увеличение скорости нежелательно из-за роста потерь напора и из-за возрастания абразивного износа циклонных устройств.

Возможный путь обеспечения высокой эффективности  циклонных устройств при достаточно высоких расходах газа - параллельная установка большого числа небольших циклонов. Однако при этом трудно обеспечить равномерное распределение пылегазового потока по циклонам.

Очевидное преимущество циклонов - их работоспособность при  высоких температурах газа и сравнительная дешевизна, однако эффективность их при больших размерах и умеренных потерях напора недостаточна для тонкой очистки газов.

 

Инерционный механизм пылевыделения

 

    Этот  механизм основан на выделении  частиц из газового потока  при обтекании им препятствия той или иной формы (рис. 1.1, в). Существенное отклонение линий тока от прямолинейного направления при обтекании потоком препятствия начинается тем раньше, чем больше поперечный размер препятствия. Соответственно раньше начинается и отклонение взвешенных в потоке частиц. Наоборот, если препятствие мало по размерам, то отклонение направления движения частиц (вызванное искривлением линий тока несущего их потока) начинается значительно ближе к препятствию. При одинаковой скорости газа силы инерции во втором случае окажутся соответственно больше. Поэтому, чем меньше поперечный размер препятствия, тем больше вероятность того, что движущиеся в направлении этого препятствия частицы достигнут его поверхности, а не обойдут препятствие вместе с огибающими его струями газа.

Следовательно, эффективное инерционное пылевыделение  возможно при использовании осаждающих тел, имеющих малый размер в поперечном к потоку направлении. Этим объясняется применение для инерционного пылевыделения капель воды (реализуется в скрубберах, трубах Вентури) или волокон (реализуется в тканевых фильтрах). Однако при использовании подобных осаждающих тел должны быть большие инерционные пробеги частиц, что возможно лишь при сообщении газовой среде больших местных скоростей. Соответственно с этим использование инерционного механизма пылевыделения связано со значительными потерями напора газового потока. Тем не менее достигаемая высокая эффективность улавливания оправдывает указанный недостаток. С помощью описанного механизма удается эффективно улавливать частицы размером в доли микрометров (в таких аппаратах, как тканевые фильтры и трубы Вентури).

При использовании  инерционного механизма для улавливания  частиц пыли грубых фракций, характеризующихся  большими инерционными пробегами даже при умеренных скоростях газа, требования к размерам элементов, создающих резкие повороты потока, снижаются. В этом случае в качестве таких элементов можно использовать прокат уголкового или полосового профиля (жалюзийные пылеуловители) или различного рода повороты газоходов, а также перегородки на пути движения запыленного потока. Эффективность таких устройств довольно низка, и они обычно совмещаются с устройствами гравитационного осаждения.

 

Электрический механизм пылевыделения

 

    Электрическое  выделение пыли основано на  использовании взаимодействия между электрическим полем и заряженной частицей (рис. 1.1, е). Хотя частицы пыли, образующиеся в металлургическом производстве, обычно несут электрический заряд, его величина и знак могут меняться от одной частицы к другой, а потому этот заряд не может быть использован для выделения частиц из потока с помощью электрического поля. В связи со сказанным механизм электрического пылевыделения предусматривает зарядку частицы пыли (или перезарядку, если частицы уже имеют заряд со знаком, обратным необходимому).

Зарядка частиц достигается путем направления запыленного потока через поток одноименно заряженных ионов (источником этих ионов является разновидность газового разряда — коронный разряд).

Электрическое поле, необходимое для возникновения  сил, выделяющих заряженные частицы из потока, образуется в результате создания разности потенциалов на разноименных электродах, установленных по 'пути движения запыленного потока. В полной мере действие этих сил проявляется в областях, примыкающих непосредственно к электродам, служащим для осаждения пыли, что определяется наличием интенсивных турбулентных пульсаций в остальном объеме газового потока.

Электрические силы, действующие на заряженные частицы, сравнительно невелики, а потому высокая эффективность при использовании данного механизма пылевыделения достигается при длительном пребывании частиц в электрическом поле. Этим определяется главный недостаток устройств электрической очистки - электрофильтров: их размеры из-за необходимости обеспечения длительного пребывания в электрофильтре запыленного потока весьма велики, и стоимость этих аппаратов соответственно значительна.

Однако по сравнению  с тканевыми фильтрами, также  при высокой эффективности имеющими большие габариты, устройства электрической очистки не создают высоких потерь напора и потому сравнительно мало энергоемки. Другим существенным преимуществом электрической очистки является возможность применения ее для рабочей температуры газов 400 ⁰С (а в некоторых случаях и выше).

Что касается минимального размера улавливаемых электрическим  способом частиц, то нет какого-либо определенного предела для тонкости пыли, а с помощью некоторых разновидностей электрофильтров можно эффективно улавливать даже туманы кислот, образующихся в промышленных газах.

 

 

1.2.3 Вспомогательные  механизмы выделения частиц из потока

 

Диффузионный процесс пылевыделения¹

 

    Большинство  взвешенных частиц, коснувшись твердой  поверхности, остаются на ней и таким образом выбывают из общего числа частиц, находящихся вблизи этой поверхности (рис. 1.1, д). Поэтому у осадительной поверхности возникает градиент концентрации частиц.

Поскольку мелкие частицы пыли в той или иной степени участвуют в броуновском  движении окружающих их молекул, то возникает непрерывное движение частиц к осадительной поверхности, направленное на выравнивание возникшей разности концентраций и тем более интенсивное, чем больше возникший градиент концентрации частиц.

Чем меньше по размеру  взвешенные в газе частицы, тем в  большей степени участвуют они  в броуновском движении молекул, и соответственно тем более интенсивным является движение частиц по направлению к осадительной поверхности.

Описанный процесс  называют диффузионным осаждением частиц. Он играет особо заметную роль при  улавливании мелкой пыли в тканевых фильтрах.

 

Термопреципитация

 

    Разница  температур стенки канала и взвешенных в потоке частиц влияет на движение этих частиц. Если вблизи нагретой стенки находится небольшая частица, то в результате быстрого, но неравномерного ее прогрева ближайшая к стенке сторона частицы оказывается более горячей, а противоположная более холодной. Приближающиеся к более горячей стороне молекулы после соударения с частицей отлетают от нее с большей скоростью, чем молекулы, приближающиеся к холодной стороне. В результате разница импульсов, действующих на частицу, будет такова, что сообщит частице движение по направлению от горячей стенки (рис. 1.1, ж). Аналогичное явление будет происходить и в том случае, если будет нагрета частица, а стенка охлаждена, однако в последнем случае взвешенные в газе частицы будут двигаться не от стенки, а к ней, создавая эффект осаждения частиц, называемый термопреципитацией. Эффект термопреципитации особенно заметен тогда, когда осадительные поверхности в пылеуловителе искусственно охлаждаются.

 

Коагуляция

 

     Коагуляция - это слипание взвешенных в газовой среде частиц при их соприкосновении, которое может происходить либо в результате столкновений при броуновском движении частиц, либо в результате различий в скоростях этих частиц. Эти различия могут вызываться как локальными изменениями скорости окружающей частицу среды, так и внешними силами, действующими на частицы.

Коагуляция, возникающая  при локальных изменениях скорости среды, особенно заметна при турбулентных пульсациях, когда частицы, разогнавшиеся под действием среды, в силу своей инерционности не следуют за быстрыми изменениями траектории элементарных объемов газа и потому сталкиваются между собой.