Инженерная защита окружающей среды. Лекция. Тема 5. Инженерная защита окружающей среды. Тема 5 Инженерная защита окружающей среды Последствия загрязнения природной среды
 Скачать 2.55 Mb.
|
Основными их показателями являются: эффективность очистки, производительность, гидравлическое сопротивление и потребляемая мощность. Эффективность очистки характеризует отношение массы улавливаемой пыли к массе поступившей η эф , % = 100 · (М уловл. / М поступ. ). Можно оценивать η эф и в долях единицы. Степень очистки определяется из зависимости η ст ,% = [(С вх – С вых )/С вх ] · 100, где С вх и С вых – соответственно массовые концентрации примесей в дисперсной системе до и после очистки, мг/м 3 Коэффициент проскока К = С вых / С вх . Откуда η ст = 1 – С вых / С вх , η СТ = 1 – 1/К, и К = 1/(1–η ст ) Производительность характеризует количество воздуха, очищаемого в единицу времени, м 3 с -1 или м 3 ч -1 Пылеуловители, в которых очистка идет через фильтрующий слой, характеризуют удельной воздушной нагрузкой, т.е. количеством воздуха, проходящим через единицу площади фильтрующей поверхности (м 2 ) за единицу времени (ч) уд V П S Гидравлическое сопротивление Р. От него зависит требуемое давление Р i вентилятора и, следовательно, расход электроэнергии. Р = P вx – P выx – ξρν/2, где ξ– коэффициент гидравлического сопротивления; ρ – плотность; ν – скорость газа. Мощность N определяется гидравлическим сопротивлением и объемным расходом V p потока газа N = k РV p /(η м η в ), где k – коэффициент запаса мощности (1,1–1,2); η м – коэффициент передачи мощности от электродвигателя к вентилятору (0,95–0,92); η в – КПД вентилятора (0,65–0,80). Из других характеристик и показателей дисперсных систем и их компонентов отметим дисперсный состав, плотность пыли, адгезионные свойства и смачиваемость частиц. Дисперсный состав. Все пыли по дисперсности делятся на 5 групп. I – очень крупнодисперсная с d > 140 мкм (d – эффективный поперечник частиц); II – крупнодисперсная с 40 ≤ d < 140 мкм; III – среднедисперсная – 10 ≤ d < 40 мкм; IV– мелкодисперсная с 1 ≤ d < 10 мкм; V – очень мелкодисперсная – d < 1 мкм (10 3 нм). Плотность пыли. Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность. Кажущаяся – отношение массы частиц к занимаемому объему системы, включая поры, пустоты, несплошности. Для cплошных (непористых) частиц кажущаяся и истинная плотность совпадают. Насыпная плотность слоя пыли – отношение массы слоя к его объему, зависящая не только от пористости частиц пыли, но и процесса формирования пылевого слоя. Для слежавшейся пыли насыпная плотность в 1,2–1,5 раза больше свеженасыпанной. Адгезионные свойства частиц. Адгезия характеризует сродство к твердой поверхности. В данном случае она определяет слипаемость частиц. Чем выше слипаемость, тем больше вероятность забивания пылеуловителей и дымоходов. Адгезия растет со снижением дисперсности. I группа в связи с этим – слабослипающиеся пыли, II и III группы – среднеслипающиеся, IV и V – слипающиеся. Увлажнение повышает слипаемость дисперсной фазы. Смачиваемость обусловливает эффективность работы мокрых пылеуловителей. Критерием ее является краевой угол смачиваемости θ или cosθ. Гидрофильные материалы характеризуются θ< 99°. Чем ниже θ, тем сильнее смачиваемость (гидрофильный кварц, большинство силикатов, ряд оксидов). Гидрофобные вещества (θ> 99°) – плохосмачиваемые (графит, уголь). Абсолютно гидрофобные (θ 180°) – парафин, фторопласт, битумы. Сухие механические пылеуловители Эти аппараты работают за счет гравитационного (пылеосади-тельные камеры), гравитационно-инерционного (инерционные пылеуловители) и центробежно-инерционного (циклоны различных видов) эффектов. Первые два типа аппаратов предназначены для грубой механической очистки выбросов и являются простейшими в семействе подобных устройств. Пылеосадительные камеры. Схемы некоторых из них представлены на рис. 118 и 120. Это простейшие пылеулавливающие устройства. Внесенная в камеру частица находится под действием двух сил: обусловленной кинетической энергией потока, определяющей ее движение в горизонтальном направлении, и силы тяжести, перемещающей тело вертикально (рис. 121). Горизонтальный путь частицы равен l = ν осед τ, вертикальный h = ν в τ. Длину пылевой камеры, в которой частица оседает на дно, можно найти из следующих зависимостей: τ = h/ν в и l = ν с h/ ν в Рис. 119. Горизонтальные пылеосадительные камеры: а – простейшая камера; б – камера с перегородками; в – многополочная камера; 1 – корпус, 2 – бункеры, 3 – перегородка, 4 – полка Рис. 120. Вертикальная пылеосадительная камера: а – отвода пыли; б, в – с отводом пыли; 1 – газоходы; 2 – отражательный диск; 3 – огнеупорное покрытие; 4 – отражательные конусы; 5 – наклонная плита Таким образом, длина пылеосадительной камеры прямо пропорциональна ее высоте. Иначе говоря, чем ниже камера, тем быстрее частица встретит днище. Следовательно, для уменьшения высоты камеру целесообразно разделить на несколько каналов посредством горизонтальных перегородок. По этому принципу работает полочная пылеосадительная камера, полки которой являются наклонными или поворотными. При входе в камеру устанавливают сетки, решетки для выравнивания потока воздуха, максимальная скорость которого не более 3 м/с. Но тем не менее, мелкие фракции выносятся из камеры, которая все-таки весьма громоздка, а степень очистки в ней составляет 59–69%. Инерционные пылеуловители. В результате резкого изменения газового потока частицы пыли под действием инерции, двигаясь в прежнем направлении, после поворота газового потока теряют энергию и выпадают в бункер. Схема таких устройств приведена на рис. 122. Рис. 121. Частица в пылеосадительной камере В подобных пылеуловителях скорость газов порядка 1 м/с. Частицы с d > 20–30 мкм улавливаются на 60–95%. Конкретное значение степени улавливания определяется фракционным составом, скоростью потока, конструкцией аппарата и др. Эффект внезапного изменения потока применен в пылеуловителях жалюзийного типа (рис. 123). В них использованы решетки, состоящие из наклонных пластин. В такой решетке поток делится на две части: часть, освобожденная в значительной мере от пыли (80–90% всего аэрозоля); часть, направляемая далее в циклон и содержащая основную массу пыли. Очищенный в циклоне газ возвращается в основной поток. Конструкция пылеуловителя подобного типа представлена на рис. 124. Рис. 123. Схема работы жалюзийного пылеуловителя: I – входной патрубок; II – обогащенный пылью поток; III – очищенный поток Рис. 124. Схема пылеуловителя жалюзийного типа: 1 – жалюзи; 2 – сильно запыленный поток; 3 – частично осветленный поток Рис. 122. Инерционные пылеуловители: а – камера с перегородкой; б – камера с плавным поворотом газового потока; в – камера с расширяющимся конусом; г – камера с заглубленным бункером Наибольшее распространение получили механические аппараты сухой очистки – циклоны. Циклоны являются очень эффективными устройствами, достаточно просты конструктивно и в эксплуатации имеют несколько разновидностей (типов). Наиболее часто применяют противоточный циклон (рис. 125). Загрязненный газовый поток вводится сбоку и по спиральной направляющей движется вдоль корпуса к конусообразной нижней части, герметично соединенной с бункером. Под действием центробежной силы твердые частицы прижимаются к стенке, а затем под действием силы тяжести, теряя первоначальную скорость, падают в бункер. Значительная часть твердых частиц отделяется от газового потока при повороте его на 180°. Затем очищенный газ удаляется через внутреннюю цилиндрическую трубу. Теоретическую скорость W о осаждения частиц рассчитывают по формуле 9 Т в в о d W D , где d, ρ Т – диаметр (м) и плотность (кг/м 3 ) твердых частиц; ρ в – плотность газовой составляющей потока, кг/м 3 ; в – окружная скорость газового потока, м/с; D – диаметр циклона, м; µ – динамическая вязкость газа при рабочей температуре, Па/с. Очевидно, что эффективность действия циклона возрастает при увеличении скорости поступающего газового потока и при уменьшении диаметра циклона. В прямоточном циклоне (рис. 126) не происходит поворота газового потока, но степень очистки у такого устройства ниже, чем противоточного. Ротационный циклон (рис. 127) и вихревой пылеуловитель являются устройствами центробежного действия. Особенность этого типа устройств заключается в наличии лопаточного завихрителя, через который навстречу загрязненному газовому потоку движется так называемый «вторичный воздух», придавая загрязненному газу вращательное движение. В радиальном пылеуловителе используется совместное действие инерционных и гравитационных сил. Жалюзный пылеуловитель (рис. 128) имеет специальные решетки, которые изменяют направление газового потока, а также отражают твердые частицы при соударении. Рис. 127. Схема ротационного циклона Рис. 125. Схема циклона Рис. 126. Схема прямоточного циклона Рис. 128. Схема жалюзийного пылеуловителя Мокрые пылеуловители Мокрые пылеуловители (аппараты мокрой очистки) основаны на осаждении твердых частиц на поверхность жидкости: либо капель, либо пленки. Такие устройства позволяют очищать газовые потоки от мелкодисперсных (d > 0,3 мкм) загрязнений и подвергать очистке нагретые, а также взрывоопасные газовые потоки. Однако эти аппараты требуют большое количество воды, которую затем надо очищать. Кроме того, в ходе очистки образуется шлам, а в отводящих газопроводах может конденсироваться загрязненная влага. Среди данных аппаратов наибольшее распространение получили скрубберы Вентури (рис. 129). Рис. 129. Схема скруббера Вентури Рис. 130. Схема инерционного скруббера Загрязненный газовый поток подводится в конфузорную часть скруббера, в который с помощью центробежных форсунок распыляется вода. Газовый поток разгоняется в узком сечении сопла (называемым соплом Вентури) до скоростей, равных 30–200 м/с и более. Разгоняются также капли воды. В диффузорной части сопла поток тормозится и подается в пылеуловитель. Инерционный скруббер с отбойными пластинами показан на рис. 130. К мокрым пылеуловителям относятся и барботажно-пенные устройства (рис. 131) с провальной (рис. 131,а) и переливной (рис. 131,б) тарелками. В этих аппаратах аэрозоль поступает на очистку под тарелку (решетку) 3 (см. рис. 131), проходит через ее отверстия и барботирует через слой жидкости, очищаясь от пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности пузырей газа. Режим работы этих скрубберов является функцией скорости подачи аэрозоля под тарелку. При скорости до 1 м/с имеет место барботажный режим работы аппаратов. Рост скорости до 2,0–2,5 м/с ведет к возникновению пенного слоя над зеркалом жидкости, к повышению эффективности работы скруббера и снижению брызгоуноса. Эффективность скрубберов достигает 95–96% при удельном расходе воды 0,4–0,5 л/м 3 а) б) Рис. 131. Тарельчатые скрубберы: а – скруббер с провальной тарелкой: 1 – корпус; 2 – оросительное устройство; 3 – тарелка; б – скруббер с переливной тарелкой: 1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – приемная коробка; 4 – порог; 5 – сливная коробка Очистка аэрозоля на фильтрах Метод используется для тонкой очистки аэрозолей ствердой и жидкой дисперсной фазой. Суть процесса – в задержании частиц на пористых перегородках и, прежде всего, на веществе осадка. Преимущества метода: более высокая степень очистки аэрозоля; возможность улавливания частиц при любом давлении дисперсной системы; использование химически и термически стойких материалов (высокие температуры фильтрации); простота эксплуатации. Однако налицо и серьезные недостатки: необходимость периодической замены фильтров; достаточно высокий расход энергии; громоздкость установок. Используются следующие фильтрующие перегородки: гибкие пористые (тканевые материалы из природных, синтетических и минеральных волокон), нетканые волокнистые материалы (войлоки, клееные материалы, бумага, картон, губчатая резина, пенополиуретан); полужесткие (слои волокон, стружка, вязаные сетки); жесткие (пористая керамика и пластмасса, стекловолокно, углеграфит); зернистые слои (неподвижные, свободно насыпные или непрерывно перемещающиеся материалы). По назначению фильтры делят на три класса: воздушные, используемые для очистки атмосферного воздуха; абсолютные – для улавливания с повышенной эффективностью (> 99%); промышленные, применяемые для очистки промышленных газов, как правило, с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м 3 ). Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна предусматривать максимальную поверхность фильтрации, наименьшие габариты и гидравлическое сопротивление. Наиболее полно отвечают этим требованиям фильтры рамочной конструкции (рис. 132). К абсолютным относятся преимущественно волокнистые фильтры (набивные маты из бумаги, картона, специального волокна с L от 10 нм до 100 мкм). Тонковолокнистые фильтры используются для разрушения ультратонких дисперсий размером 50–10 нм с эффективностью более 99%. Широко применяют фильтрующие материалы из полимерных смол академика Петрянова-Соколова. Они представляют собой синтетические волокна, нанесенные на марлевую подложку толщиной слоя 1,0–2,5 мкм. Такие перегородки позволяют получить 100–150 м 2 фильтрующей поверхности на 1 м 3 аппарата. Существенный интерес представляют рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250–300°С) или с фильтровальной Рис. 132. Рамный фильтр тонкой очистки: 1 – П-образная рама; 2 – боковая стенка; 3 – разделители; 4 – фильтрующая перегородка Рис. 133. Рукавный фильтр: 1 – корпус; 2 – встряхивающее устройство; 3 – рукав; 4 – распределительная решетка металлической тканью (до 800°С) (рис. 133). Фильтры-туманоуловители Используются для очистки воздуха от туманов кислот и щелочей. В основе принципа их действия – осаждение капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости по волокнам в нижнюю часть уловителя (рис. 134). Работают они на базе диффузионного и инерционного механизмов осаждения частиц. Такие фильтры делят на: высокоскоростные; низкоскоростные. Первые (у тумана > 0,5–2,0 м/с) работают в режиме инерционного осаждения со слоем грубых волокон (20–100 мкм). Служат для разрушения тумана с частицами более 1 мкм. Их эффективность, естественно, растет с увеличением размера частиц и составляет 90–98% при d 3 мкм и Р 1550–2000 Па (используются в производстве NH 3 , H 2 SO 4 , CH 3 OH, С 2 Н 4 , при переработке пластмасс). Низкоскоростные туманоуловители работают при скоростях подачи аэрозоля менее 0,2 м/с. Их фильтрующая перегородка – смесь волокон с диаметром от 5 до 30 мкм (рис. 135). В одном корпусе монтируют до 100 фильтрующих элементов. Р фильтров от 200 (сухие) до 2500 Па (режим самоочищения). Регенерация фильтрующих перегородок (сухих фильтров) производится: встряхиванием фильтрующих элементов; обратной продувкой очищенными газами. Рис. 134. Фильтр предварительной очистки с лавсановой насадкой: 1 – разделительная перегородка; 2 – фильтрующий материал; 3 – сетка; 4 – кожух (деревянный) Рис. 135. Схема фильтрующего элемента низкоскоростного туманоуловителя: 1 – опорная трубчатая перегородка; 2 – уплотняющий патрубок-фланец; 3 – шпилька; 4 – прокладка; 5– сетки; 6 – стекловолокнистый слой; 7 – дно; 8 – трубка гидрозатвора; 9 – стакан Электрофильтры Наиболее совершенным методом очистки газовых потоков от пыли и туманов является электрическая очистка, при которой процесс очистки основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждения их на осадительных и коронирующих электродах. Загрязненный газовый поток всегда частично ионизирован за счет внешнего воздействия. При известном напряжении, подаваемом на электроды, создается электрическое поле, в котором воздух ионизируется. Одновременно получают заряд и частицы пыли. Поток ионов ускоряется электрическим полем, и процесс принимает лавинообразный характер, что и называется ударной ионизацией. Заряженные частицы движутся к электроду с противоположным зарядом и осаждаются на нем. Обычно электрофильтры делают с отрицательными электродами, исходя из того, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Схема электрофильтра приведена на рис. 136. В зависимости от формы электродов различают трубчатые и пластинчатые электрофильтры. Дополнительный эффект приносит ультразвуковая обработка загрязненного потока, приводящая к коагуляции и укрупнению частиц пыли, что повышает производительность последующей очистки. |