Охрана атмосферы

   Для уменьшения мощности выброса серы твердое, порошкообразное  или жидкое топливо сжигают в  кипящем слое, который формируется  из твердых частиц золы, песка или  других веществ (инертных или реакционно-способных). Твердые частицы вдуваются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно перемешиваются и образуют принудительно равновесный поток, который в целом обладает свойствами жидкости.

   Предварительной газификации подвергаются уголь  и нефтяные топлива, однако на практике чаще всего применяют газификацию угля. Поскольку в энергетических установках получаемый и отходящий газы могут быть эффективно очищены, то концентрация диоксида серы и твердых частиц в их выбросах будут минимальными.

   Одним из перспективных способов защиты атмосферы от химических примесей является внедрение замкнутых производственных процессов, которые сводят к минимуму выбрасываемые в атмосферу отходы, вторично используя их и потребляя, т.е. превращая их в новые продукты.[1] 

   4.2. Классификация систем очистки воздуха и их параметры 

   По агрегатному  состоянию загрязнители воздуха  подразделяются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Промышленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной – твердые частицы или капельки жидкости.

   Системы очистки воздуха от пыли делятся на четыре группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также электрофильтры и фильтры.

   При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м³.

   Для очистки  воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называемых туманоуловителями.

   Средства  защиты воздуха от газопарообразных примесей зависит от выбранного метода очистки. По характеру протекания физико-химических процессов выделяют метод абсорбции (промывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (промывка выбросов растворам реагентов , связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.

   Все процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают, как правило, две операции: осаждение частиц пыли или капель жидкости на сухих или смоченных поверхностях и удаление осадка с поверхностей осаждения. Основной операцией является осаждение, по ней собственно и классифицируются все пылеуловители. Однако вторая операция несмотря на кажущуюся простоту связана с преодолением ряда технических трудностей, часто оказывающих решающее влияние на эффективность очистки или применимость того или иного метода.

         Выбор того или иного пылеулавливающего  устройства, которое представляет систему  элементов, включающую пылеуловитель, разгрузочный аппарат, регулирующее оборудование и вентилятор, предопределяется дисперсным составом улавливаемой частицы промышленной пыли. Поскольку частицы имеют разнообразную форму (шарики, палочки, пластинки, игла, волокна и т.д.), то для них понятие размера условно. В общем случае принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения, - седиментационным диаметром. Под ним подразумевают размер шара, скорость осаждения и плотность которого равны скорости осаждения и плотности частиц.

   Для очистки  выбросов от жидких и твердых примесей применяют различные конструкции  улавливающих аппаратов, работающих по принципу:

   - инерционного  осаждения путем резкого изменения  направления вектора скорости  движения выброса, при этом твердые частицы под действием инерционных сил будут стремиться двигаться в прежнем направлении и попадать в приемный бункер;

   - осаждения  под действием гравитационных  сил из-за различной кривизны  траектории движения составляющих выброса (газов и частиц), вектор скорости которого направлен горизонтально;

   - осаждения  под действием центробежных сил  путем придания выбросу вращательного  движения внутри циклона, при  этом твердые частицы отбрасываются  центробежной силой к сетке,  так как центробежное ускорение в циклоне до тысячи раз больше ускорения силы тяжести, это позволяет удалить из выброса даже весьма мелкие частицы;

   - механической  фильтрации – фильтрации выброса  через пористую перегородку (с  волокнистым, гранулированным или  пористым фильтрующим материалом), в процессе которой аэрозольные частицы задерживаются, а газовая составляющая полностью проходит через нее.

   Процесс очистки от вредных примесей характеризуется  тремя основными параметрами: общей  эффективностью очистки, гидравлическим сопротивлением, производительностью. Общая эффективность очистки показывает степень снижения вредных примесей в применяемом средстве и характеризуется коэффициентом

   где С_вх и С_вых – концентрации вредных примесей до и после средства очистки. Гидравлическое сопротивление определяется как разность давления на входе Р_вх и выходе Р_вых из системы очистки:

   где ξ  – коэффициент гидравлического  сопротивления; ρ и V  - плотность (кг/м³) и скорость воздуха (м/с) в системе очистки соответственно.

   Производительность  систем очистки показывает, какое  количество воздуха проходит через  нее в единицу времени (м³/ч). [1] 

   4.3. Системы и аппараты  пылеулавливания 

   Сухие пылеуловители. К сухим пылеуловителям относятся такие, в которых очистка движущегося воздуха от пыли происходит механически под действием сил гравитации и инерции. Эти системы называются инерционными, так как в них при резком изменении направления движения газового потока частицы пыли, по инерции сохраняя направление своего движения, ударяются о поверхность, теряют свою энергию и под действием сил гравитации осаждаются в специальном бункере.

         Для сухой очистки газов наиболее употребительны центробежные обеспыливающие системы (циклоны). Газовый поток, попадая  во внутренний корпус циклона через патрубок, совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по направлению к бункеру. Под действием сил инерции частицы пыли осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Очищенный газовый поток выходит из бункера через патрубок. Особенностью таких систем очистки является обязательная герметичность бункера, в противном случае из-за подсоса воздуха осаждаемые частицы пыли падают в выходную трубу.

   На практике используют разные системы подачи и  удаления воздуха и пылеосаждения. В зависимости от  конструктивного исполнения различают циклоны:

   - осевые, в корпусе которых входящие  и выходящие потоки газа движутся  вдоль его оси, при этом они  могут двигаться в одном направлении  (прямоточные) или в противоположных  (противоточные);

   - с тангенциальным  входом, при этом входящий газ  движется по касательной к  окружности поперечного сечения  корпуса аппарата и перпендикулярно  к оси корпуса;

   - с винтовым  входом, при этом движение входящего  потока газа  приобретает винтовой  характер с помощью тангенциального входного патрубка и верхней крышки с винтовой поверхностью;

   - со  спиральным входом, когда соединение  выпускного патрубка с корпусом  аппарата выполнено спиральным.

   В общем  случае частицы пыли выделяются в  циклоне под действием центробежной силы в процессе вращения газового потока в корпусе аппарата. В промышленности используют циклоны, рассчитанные на скорость газового потока от 5 до 20 м/с. Эффективность их зависит от концентрации пыли и размеров ее частиц и резко снижается при уменьшении этих показателей. Средняя эффективность обеспыливания газов в циклонах составляет 0,98 при размере частиц пыли 30…40 мкм, 0,8 – при 10 мкм, 0,6 – при 4…5 мкм. Производительность циклонов лежит в диапазоне от нескольких сот до десятков тысяч кубических метров в час. Преимущество циклонов – простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей; недостатки – затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

   Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих  пылеуловителей, например ротационные, вихревые, радиальный. При общих принципах действия они различаются системами пылеулавливания и способами подачи воздуха. К наиболее эффективным следует отнести ротационный пылеуловитель. Основной частью здесь является вентиляционное колесо, при работе которого частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются к стенке кожуха и, оседая на стенках, попадают в пылеприемник, а чистый воздух выходит через патрубок. Благодаря активному действию такие системы имеют эффективность 0,95…0,97.

   Мокрые  пылеуловители. Особенностью этих систем очистки является высокая эффективность очистки от мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсуночные скрубберы (скруббер - аппарат для промывки жидкостью газов в целях извлечения из них отдельных компонентов) и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов. Наибольшее практическое применение находят скрубберы Вентури, которые работают следующим образом. Через патрубок газ подается в устройство, которое называется соплом Вентури. Сопло Вентури имеет конфузор (сужение), в который через форсунки подается вода на орошение. В этой части сопла скорость газа увеличивается, достигая максимума в самом узком сечении (с 10…20 до 100…150 м/с). Увеличение скорости способствует осаждению частиц пыли на каплях воды. В диффузорной части сопла Вентури скорость потока мокрых газов уменьшается до 10…20 м/с. Этот поток подается в корпус, где под действием сил гравитации происходит осаждение загрязненных пылью капель. В верхнюю часть корпуса выходит очищенный газ, а в нижнюю попадает шлам.

   Эффективность скрубберов Вентури 0,97…0,98. Расход воды составляет 0,4…0,6 л/м³.

   Полый скруббер представляет собой колонну круглого сечения. В нее подается жидкость через систему форсунок, число которых может достигать 14…16 по сечению колонны. В насадочном скруббере используется система поперечного орошения с наклонно установленной насадкой. Эффективность таких систем достигает 0,9.

   Среди систем мокрой пылеочистки высокая эффективность отмечена в скрубберах ударно-инерционного типа. В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется при ударе газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы. Один из вариантов такого скруббера состоит из цилиндрического кожуха, сливного конического бункера, корпуса и выхлопной трубы для вывода очищенного воздуха (газа).

   Запыленный воздух поступает через воздуховод в вертикальный стояк. Пред поворотом на 180⁰ воздух ударяется о поверхность воды,  вследствие чего сепарируются крупные частицы пыли. Далее воздух проходит через решетку с отверстиями. На нее же через трубу подается вода, излишки которой сливаются через трубу и частично через отверстия решетки. Между решеткой и уровнем слива образуется водяная пена, которая затем распространяется в объеме, заполненном короткими фарфоровыми цилиндрами. Мелкие частицы пыли последовательно улавливаются в пене, а затем в этом объеме.

   Электрофильтры. Их работа основана на одном из наиболее эффективных видов очистки газов от пыли – электрическом. Следует отметить, что электрофильтры также используются и для очистки тумана. Основной принцип работы – ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между коронирующим и осадительным электродами. Напряжение к электродам подается от выпрямителя. Силовые линии направлены от осадительного электрода к коронирующему.

   Загрязненные газы, попав между электродами, способны проводить электрический ток вследствие имеющейся частичной ионизации. При увеличении напряжения электрического тока число ионов растет, пока не наступит предельное насыщение, и все ионы не окажутся вовлеченными в движение от одного электрода к другому. Отрицательно заряженные частицы движутся к осадительному электроду, а положительно заряженные оседают на коронирующем электроде. Так как большинство частиц пыли получают отрицательный заряд, основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде, с которого пыль легко удаляется.

   Эффективность очистки газов электрофильтрами достигает 0,9…0,99, производительность их – до 1 млн м³/ч.

   Фильтры. Широко используются для тонкой очистки промышленных выбросов. Работа их основана на фильтровании  воздуха через пористую перегородку, в процессе которого твердые частицы примесей задерживаются в ней. В общем случае в корпусе фильтра расположены воздухопроницаемая перегородка, на которой осаждаются улавливаемые частицы.

   В фильтрах применяются перегородки различных  типов:

   1) в виде  зернистых слоев, например гравия (неподвижные свободно насыпанные  материалы);

   2) гибкие  пористые (ткани, войлоки, губчатая  резина, пенополиуретан);

   3) полужесткие  пористые (вязаные сетки, прессованные спирали и стружка);