Очистка и обезвреживание дымовых газов

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Кафедра теплоэнергетики и экологии С.Г. Коротков ГАЗООЧИСТКА И ЗОЛОУДАЛЕНИЕ Конспект лекций Для бакалавриата по направлению подготовки 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника Часть 1 “Очистка и обезвреживание дымовых газов” Новокузнецк 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4 ПРЕДИСЛОВИЕ 7 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И СВОЙСТВА АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 7 1.1 Основные понятия, происхождение и классификация аэродисперсных систем 7 1.2 Основные положения гидродинамики газового потока 9 1.3 Основные свойства взвешенных частиц 15 1.4 Классификация промышленных пылеуловителей и оценка их эффективности 20 1.5 Определение запыленности газов 22 1.5.1 Прямой метод 23 1.5.2 Косвенные методы определения запыленности 29 2 ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ 29 2.1 Гравитационное осаждение частиц 30 2.2 Центробежное осаждение частиц 36 2.3 Инерционное осаждение частиц 37 2.4 Осаждение частиц за счет касания (зацепления) 41 2.5 Диффузионное осаждение 42 2.6 Осаждение под действием электрических зарядов 44 2.7 Термофорез 50 2.8 Диффузиофорез 52 2.9 Осаждение частиц в турбулентном потоке 54 2.10 Использование электромагнитного поля для осаждения взвешенных частиц 58 2.11 Суммарная эффективность улавливания частиц под воздействием различных механизмов осаждения 59 3 КОАГУЛЯЦИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ 59 3.1 Тепловая коагуляция 60 3.2 Градиентная коагуляция 61 3.3 Турбулентная коагуляция 62 3.4 Кинематическая коагуляция 64 3.5 Электрическая коагуляция 67 3.6 Акустическая коагуляция 71 4 МОКРОЕ ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ 73 4.1 Гидродинамика пузырьков 75 4.2 Гидродинамика капель 77 4.3 Гидродинамика пленки 79 4.4 Осаждение взвешенных частиц на каплях 80 4.5 Осаждение взвешенных частиц из газовой струи 86 4.6 Осаждение взвешенных частиц в пузырьках 89 4.7 Осаждение взвешенных частиц на пленку жидкости 93 4.8 Энергетический метод расчета эффективности мокрого пылеулавливания 95 5 УЛАВЛИВАНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ 98 5.1 Физические основы процесса абсорбции 99 5.2 ОСновы расчета процесса массообмена (абсорбции) 101 5.3 Адсорбционная очистка газов от сернистого ангидрида 104 5.4 Каталитическая очистка газов 108 5.4.1 Очистка газов от сернистого ангидрида каталитическим окислением 111 5.5 Химическая очистка газов 113 5.5.1 Очистка газов от сернистого ангидрида 114 5.5.2 Очистка газа от цианистого водорода 117 5.5.3 Очистка газов от сероводорода 117 5.5.4 Очистка газов от окислов азота 118 6 РАССЕИВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРЕ 118 7 ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ 123 7.1 Прочие инерционные пылеуловители 123 8 МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ 123 9 ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ 123 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 124 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127 ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ a – удельная поверхность контакта, м-1; расстояние между коронирующим и осадительным электродами, м; Ск – поправка Кенингема-Милликена; с – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·К); D – коэффициент диффузии, м2/с; диаметр, м; d – диаметр, м; dм– медианный диаметр частиц, м; dча – аэродинамический диаметр частиц, м; d50 – диаметр частиц, улавливаемых в аппарате на 50%, м; Е – напряженность электрического поля, В/м; е – величина заряда электрона, 1,6·10-19 Кл; F – сила, Н; G – массовый расход, кг/с; g – ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2; H,h – высота, м; Нп – высота слоя пены, м; h0 – исходный слой жидкости на тарелке, м; i – удельный ток, А/м; j – плотность тока, А/м2; Кч – энергозатраты при мокром пылеулавливании, кДж/1000 м3; Б – константа Больцмана, 1,38·10-23 Дж/(кмоль·К); – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); L,l – длина, линейный параметр, м; li – средняя длина свободного пробега молекул, м; lч – длина инерционного пробега частиц, м; М – масса 1 кмоль, кг/кмоль; m – удельный расход жидкости, м3/м3, масса кг; n – концентрация частиц, 1 м3; nи – концентрация ионов, 1 м3; – давление, Па; Δρ – гидравлическое сопротивление, Па; q – величина электрического заряда, Кл; Rг – универсальная газовая постоянная, 8314 Дж/(кмоль·К); r – радиус, м; s – площадь сечения аппарата, м2; s0 – свободное сечение тарелки, м2/м2; Т – абсолютная температура, К; t – температура, оС; U – напряжение, В; V – объемный расход, м3/с; объем, м3; υ – скорость, м/с; υог – относительная скорость газов (относительно капель, частиц, обтекаемых тел и т.п.), м/с; υс – скорость седиментации (осаждение) частиц, м/с; ω – массовая скорость, кг/(м2·с); у – концентрация водяных паров, кг/м3; z – концентрация пыли (запыленность), кг/м3; δ- толщина слоя пленки, м; ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества; ε0 – диэлектрическая постоянная, 8,85·10-12 Ф/м; ζ – коэффициент гидравлического сопротивления; λ0 – масштаб турбулентности, м; μ – динамическая вязкость, Па·с; ν – кинематическая вязкость, м2/с; ξ – коэффициент неполноты улавливания (проскок); η – эффективность пылеулавливания; ρ – плотность, кг/м3; σ – поверхностное натяжение, Н/м; σч – среднее квдратичное отклонение при нормально–логарифмическом распределении частиц по размерам; ση – среднее квадратичное отклонение в функции распределения фракционных коэффициентов очистки пылеуловителя; τ – время, с; τр – время релаксации, с. Числа (критерии) подобия: Надстрочные индексы: I – значение на входе, начальный параметр; II – значение на выходе, конечный параметр. Подстрочные индексы: апп – аппараты; г – газ; ж – жидкость; и – ион; к – капля; п – пузырек; пл – пленка; ц – циклон; ч – частица. Параметры осаждения взвешенных частиц: G – гравитационный; ω – центробежный; Stk - инерционный; R – за счет зацепления (касания); D – диффузионный; КЕ – за счет электрических сил; Т – за счет термофореза; Dф – за счет диффузиофореза. ПРЕДИСЛОВИЕ Большинство технологических процессов в энергетике, производстве строительных материалов, машиностроении, химии и др. сопровождается пылегазовыми выбросами. Попадая в атмосферный воздух, пыль и вредные газы изменяют его состав, уменьшая количество кислорода, необходимого для жизнедеятельности всего живого. Запыленный воздух снижает устойчивость организма человека к инфекционным заболеваниям, уменьшает его работоспособность. Защита атмосферы от промышленных выбросов – комплексная проблема, предусматривающая разработку организационных и технический мероприятий по внедрению эффективных методов улавливания и обезвреживание выбросов от пыли и вредных химических веществ, максимальное сокращение выбросов и более полное использование газообразных отходов в производстве. Решать проблемы, связанные с разработкой и применением различных устройств для улавливания пыли и вредных газовых компонентов из газовых потоков, не возможно, не имея, например, основательных представлений об аэродинамике вообще и об аэродинамике запыленных потоков, в частности; зарядки частиц и их поведения под действием электрических полей; процессах коагуляции и взаимодействия пыли с жидкостью; абсорбции, адсорбции и т.д. Учитывая все сказанное, очевидна необходимость в изложении различных сведений по вопросам физической и химической очистки газов, правильного рассеивания остаточных вредных выбросов в атмосфере. 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И СВОЙСТВА АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 1.1 Основные понятия, происхождение и классификация аэродисперсных систем Современные технологические процессы переработки рудного сырья, металлургические в особенности, в большинстве своем высокотемпературные и сопровождаются образованием больших объемов пылегазовых потоков. Для утилизации тепла и выносимых с потоком дисперсных материалов пылегазовые потоки перед выбро­сом в атмосферу охлаждают и очищают. Часть техноло­гической схемы, которая предназначена для этой цели, состоит из газового тракта, системы теплотехнического и газоочистного оборудования и тягодутьевых устройств, включая дымовую трубу. Термином газоочистка пользуются как для описания устройств для осуществления очистки пылегазовых пото­ков, так и для описания процессов, протекающих в этих устройствах или аппаратах [1]. Газоочистка – это прежде всего выделение из пылегазового потока содержащихся в нем твердых или жидких частиц. Комбинированная газоочистка включает также и выделение из потока газообразных компонентов, вред­ных для человека и окружающей среды, таких как СО, NOх, SO2, HF и др. Более общим понятием двух- или многофазного пылегазового потока является аэродисперсная система. Пылегазовый поток - это аэродисперсная система, образующаяся в технологическом процессе. В зависимо­сти от концентрации дисперсной фазы аэродисперсные системы делят на аэрозоли и аэровзвеси. К аэровзвесям относят потоки с высокой концентрацией частиц, имею­щей место в пневмотранспорте пылевидного материала. К аэрозолям принято относить аэродисперсные системы с концентрацией дисперсных частиц, не превышающей нескольких граммов на кубический метр объема газа. Термин промышленные аэрозоли распространяется на любую газовую среду, не только воздушную. Свойства аэрозолей отражают свойства газа и взве­шенных в нем частиц. Зачастую тем или иным свойством может обладать вещество, находясь лишь в аэрозольном состоянии. Многие свойства аэрозолей определяются дисперсно­стью и концентрацией частиц, их счетной или весовой концентрацией, функцией распределения частиц по раз­мерам и т. д. Другим отличительным признаком аэрозоля является его многофазность, т. е. гетерогенность. Гетерогенность приводит к взаимодействию двух разных фаз, сопровож­дается поверхностными явлениями (испарение, конденса­ция, сорбция и др.), отражающими особые свойства аэрозолей, их устойчивость и химическую активность. Аэрозоли могут быть естественного и так называемого антропогенного, т. е. обусловленного деятельностью чело­века, происхождения. Природные аэрозоли чрезвычайно разнообразны. Это туманы, облака, пыль и дым, возни­кающие при извержении вулканов, лесных пожарах, пыльных бурях и т. д. Круговорот воды в природе содер­жит аэрозольную стадию. Аэрозоли промышленного происхождения явились ин­дикаторами технического развития общества. Аэрозоли этого происхождения во многих странах сейчас уже при­носят ощутимый вред. Однако по основным свойствам аэрозоли различного происхождения оказываются одинаковыми. В связи с этим под термином «происхождение» при­нято понимать причину, или, точнее, процесс, в резуль­тате которого возникает аэрозольная частица. Таких причин две: объемная конденсация пересыщенного пара вещества и его переход в жидкую или твердую фазу и дробление твердого или жидкого вещества, его диспергация, приводящая это вещество в пылевидное состояние. Различие между этими аэрозолями заключается так­же в том, что конденсационные аэрозоли в отличие от диспергационных в большинстве случаев более тонкодис­персные, содержат частицы правильной формы или состоят из рыхлых агрегатов первоначальных частиц. Диспергационные аэрозоли более полидисперсны, а частицы, как правило, имеют неправильную форму (иглы, пла­стинки и др.). Примером аэрозоля конденсационного происхожде­ния может служить бурый дым, который образуется при продувке кислородом ванны расплавленного металла. В зоне реакции кислорода с расплавом развивается вы­сокая температура, достаточная для испарения в этой зо­не некоторых компонентов расплава. По мере выхода парогазовой смеси в зону с пониженной температурой происходят конденсация паров и образование твердых аэрозольных частиц. Принято различать три типа аэрозолей: дымы, пыли и туманы. Дымами называются конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой. В ряде случаев в такой си­стеме могут присутствовать и жидкие частицы. Напри­мер, дым при неполном сгорании топлива содержит ка­пельки влаги и смолы; в некоторых видах дыма проис­ходит постепенное превращение жидких частиц в кристаллические при их переохлаждении. Пыль представляет собой аэродисперсную систему с газообразной дисперсионной средой и твердой дис­персной фазой, состоящей из частиц широкого диапазо­на размеров, в основном диспергационного происхожде­ния. Туманами называются аэрозоли, состоящие из сме­си газа и пара с капельками конденсата этого пара. В воздухе промышленных городов содержатся части­цы различного происхождения и такой аэрозоль трудно отнести к какому-нибудь одному типу. Особенно опасны для здоровья человека аэрозоли, получившие название «смог» от двух английских слов: smoke (дым) и fog (ту­ман). Многие свойства аэрозолей зависят от их дисперсно­сти. В зависимости от дисперсности частиц аэрозоли принято делить на три типа: высокодисперсные с диа­метром частиц от 10-3 до 1 мкм; тонкодисперсные с диа­метром частиц 1 - 10 мкм; грубодисперсные с диамет­ром частиц от 20 до 100 мкм. Каждому из типов присущи некоторые одинаковые свойства. По этому же принципу аэровзвеси делятся на тонкие с частицами от 0,2 до 1 мм и грубые с частицами бо­лее 1 мм. Грубые аэровзвеси менее устойчивы, для их осажде­ния не требуется больших затрат, тонкие, наоборот, бо­лее устойчивы. Для того, чтобы показать характерные особенности аэродис­персной системы, рассмотрим основные свойства сплошной и дис­персной фаз многофазных систем в отдельности. 1.2 Основные положения гидродинамики газового потока Промышленные газы и воздух, содержащие взвешенные твер­дые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные систе­мы, состоящие из непрерывной (сплошной) среды и дисперсной фазы. Сплошной фазой в данном случае являются газы, дисперс­ной - твердые частицы или капельки жидкости. Подобные двух­фазные системы получили название аэродисперсных систем или аэрозолей. Вопросы гидродинамики газового потока изложены в целом ряде фундаментальных монографий, поэтому ограничимся лишь самыми основными положениями, необходимы­ми для последующего изложения [2]. Теория движения газового потока базируется на двух основ­ных уравнениях гидродинамики: уравнении неразрывности движе­ния и динамическом уравнении движения несжимаемой жидкости (уравнении Навье - Стокса). Уравнение неразрывности (сплошности) потока: где ρ- плотность среды (газов), кг/м3; τ- продолжительность, с; υ- скорость газа (среды), м/с; х, у, z-направление осей координат. Представляет собой выражение закона сохранения энергии, со­гласно которому изменение массы определенного элементарного объема газов компенсируется соответствующим изменением его плотности (). Для обычно рассматриваемого на практике случая установившегося движения = 0 и уравнение (1.1) суще­ственно упрощается. Второе основное уравнение гидродинамики, уравнение Навье- Стокса, определяет систему сил, действующих в жидкости (газе), и по направлениям осей координат для элементарного объема жидкости (рис. 1) может быть представлено в виде: (1.2) где - давление в рассматриваемой точке потока, Па; μ- динамическая вяз­кость среды (газов), Па·с. Анализ уравнения (1.2) показывает, что оно учитывает действие четырех сил: тяжести, давления, внутреннего трения (вязкости) и инерции. Сила тяжести (ρg) представляет собой внешний фак­тор, а остальные силы - результат действия окружающей среды на выделенный элементарный объем. Дифференциальные уравнения (1.1) и (1.2) характеризуют внут­ренний механизм процесса, устанавливают взаимосвязь между физическими условиями процесса и изменениями этих условий во времени. Однако дифференциальные уравнения не учитывают внешних воздействий на систему, и поэтому должны быть дополнены граничными условиями, характеризующими взаимо­действие системы с внешней средой. Рисунок1.1 - К выводу уравнения Навье-Стокса. При обтекании газами твердых тел в непосредствен­ной близости к их поверхности образуется неподвижный слой. Хотя толщина этого слоя очень мала (всего несколько молекулярных слоев), он оказывает существенное влияние на течение. Принято считать, что гра­ничным условием при обтекании движущейся средой всех твердых поверхностей является равенство υгп = 0 (где υгп- скорость газов на поверхности тела). На границе раздела двух фаз газ - жидкость скорость не должна установиться равной нулю, но выполняются следующие граничные условия: 1) тангенциальная слагающая скорости υт непрерывна, υгт= υжт(индексы «г» и «ж» относятся к газу и жидкости); 2) нормальная слагающая скорости равна нулю: υгн = υжт = 0. 3) силы, с которыми жидкость и газы действуют друг на друга, равны и противоположны по направлению. Наряду с граничными условиями для характеристики состоя­ния системы в начальный момент процесса приводятся начальные условия. Граничные и начальные условия в совокупности представляют собой краевые условия, выделяющие пространственно-временную область, в которой рассматривается процесс, и обеспечивающие единственность решения задачи. Уравнения (1.1) и (1.2) фактически образуют систему с двумя не­известными υги ρ. Решить подобную систему в общем виде весь­ма трудно. Приближенное решение удается получить только в отдельных случаях, когда идут по пути упрощений уравнений с учетом конкретно поставленной задачи. Многие важные результаты при решении практических задач гидродинамики были получены благодаря применению методов теории подобия [3]. В результате подобного преобразования дифференциальные уравнения движения тазового потока могут быть заменены критериальным уравнением (1.3) где / - критерий Фруда, характеризующий отношение силы инерции к силе тяжести; - определяющий линейный параметр, м;/критерий Эйлера, характеризующий отношение силы давления к силе инерции (- перепад давления, Па; ρг- плотность газов, кг/м3); /- критерий Рейнольдса, характеризующий отношение cилы инерции к силе трения μг- дина­мическая вязкость газов, Па·с). Вид функциональной связи между критериями в уравнении (1.3) устанавливается опытным путем, причем критерий , включающий в себя переменную , не является определяющим и на­ходится в результате решения уравнения (1.3). Критерий играет важную роль, когда на движение потока оказывают существенное влияние гравитационные силы. При решении многих практических задач оказывается, что действие силы тяжести весьма незначи­тельно, и им можно пренебречь. Практически сила тяжести не учитывается и в общем случае вынужденного движения газового потока, т. е. как бы происходит вырождение критерия , и он выпадает из числа аргументов уравнения (1.3). Важнейшей характеристикой процесса движения газового по­тока является критерий . При малых значениях критерия преобладают силы трения и наблюдается устойчивое ламинарное течение газа - газовый поток движется вдоль стенок, определяю­щих направление потока. С ростом критерия ламинарный ре­жим постепенно теряет устойчивость и при некотором критиче­ском значении переходит в турбулентный. В турбулентном ре­жиме отдельные массы газов могут перемещаться в любом на­правлении, в том числе в направлении стенки и в направлении об­текаемого потоком тела. Турбулентное течение жидкости. Автомодельный режим. Истинное значение любой величины для конкретного момента движения в данной точке при турбулентном режиме представляет собой сумму величин, характеризующих основное и пульсационное течения. Турбулентные пульсации определяются как их скоростью, так и масштабом движения. Самые быстрые пульсации имеют наи­больший масштаб. Так, при движении в трубе масштаб наиболь­ших пульсаций совпадает с диаметром трубы. Величина пульса­ций оценивается критерием =υλλ/νг (где υλ- скорость пуль­саций; λ - масштаб движения; νг- кинематическая вязкость газов, м2/с). У крупномасштабных пульсаций значение величины совпадает со значением величины для потока в целом, т. е. скорость пульсаций υλравна средней скорости движения потока υг, а масштабный фактор λ≈(при движении по трубе диамет­ром Dтp фактор λ = Dтp) и вязкие силы не оказывают никакого влияния на движение потока. Мелкомасштабные пульсации возникают в результате нало­жений крупномасштабных пульсаций. При некотором значении λ = λ0= λ0υλ0/νг становится равным единице, и вяз­кие силы начинают влиять на характер движения. Турбулентный поток может быть охарактеризован некоторой константой εп, выражающей величину потери энергии(в Дж за 1 с в единице объема) Многие важные зависимости, применяемые в механике аэрозо­лей и связанные с турбулентным движением газового потока, со­держат величину отношения /ρг, которая обозначается через и измеряется в м2/с3. Скорость мелкомасштабных пульсаций (λ<<) в газовом объе­ме, т. е. вдали от стенок, при невязком характере движения (λ>>λ0) может быть определена из выражения Уменьшению скорости и масштаба пульсаций соответствует уменьшение числа Reλ по закону Откуда масштабλ0, при котором =1, будет соответственно ра­вен Начиная с λ = λ0движение газов принимает вязкий характер, и турбулентные пульсации масштаба λ≤λ0постепенно затухают. При движении газового потока вдоль стенки на расстоянии zот нее средняя скорость потока может быть найдена по формуле, предложенной Прандтлем: где υz-средняя скорость потока на расстоянии zот стенки, м/с; υ* -харак­терная для данного потока скорость турбулентных пульсаций, м/с. В гладких трубах при <105 величина υ* может быть най­дена из выражения: (1.9) На весьма малом расстоянии от стенки, где имеется вязкий подслой (пограничный слой) толщиной δ0 эта формула неприменима. Движение газового потока в пылеуловителях обычно протека­ет при больших значениях критерия и носит турбулентный ха­рактер. При турбулентном режиме соблюдается зависимость ζ = (1.10) где ζ- коэффициент гидравлического сопротивления; А, - постоянные. С увеличением влияния инерционных сил [3] происходит уменьшение показателя степени у критерия , причем, чем ин­тенсивней турбулентность потока, тем меньше величина n. Так, для турбулентного движения в трубах при =104-105=0,25; при 105<<106=0,21 и т. д. Дальнейшее развитие турбулент­ности приводит к постепенному вырождению критерия , когда он выпадает из числа аргументов критериального уравнения (1.3). В этом случае при совершенно произвольном выборе параметров (размера, скорости, плотности и вязкости потока) и тождествен­ности краевых условий характер движения остается подобным, а само движение становится автомодельным (режим разви­той турбулентности). Эта область движения характери­зуется «квадратичным законом» сопротивления (ζ = const). Вследствие трения в газовом потоке вокруг обтекаемого тела или у стенки, вдоль которой он движется, образуется погранич­ный слой. За толщину пограничного слоя δ0 принимается тол­щина слоя газов, в котором происходит изменение скорости дви­жения от 0 до характерной для потока величины υг. Исключительно важную роль играет пограничный слой при турбулентном движении. Однако до настоящего времени нет еди­ного подхода к оценке характера движения в нем. Распределение скоростей в турбулентном пограничном слое может быть опреде­лено из выражения а сама толщина слоя - из выражения В пограничном слое движение газового потока строго ламинарно. Ввиду отсут­ствия турбулентных пульсаций перенос вещества осуществляет­ся в нем преимущественно за счет молекулярной диффузии. В пограничном слое турбулентные пульсации не исчезают внезапно, а постепенно за­тухают, приближаясь к поверхности стенки (или обтекаемого тела). При z<δ0 поток вещества, переносимый турбулентными пуль­сациями, меньше, чем поток, переносимый за счет молекулярной диффузии. Тем не менее наличие турбулентных пульсаций в по­граничном слое играет важную роль при переносе вещества к твердой поверхности. В диффузионном подслое толщиной δд (δ0>>δд), который находится у стенки, молекулярная диффузия полностью преобладает над турбулентной. На границе диффузи­онного подслоя совпадают коэффициенты турбулентной и моле­кулярной диффузии. Величина диффузионного подслоя может быть найдена из выражения где =νг/D- критерий Шмидта; D- коэффициент молекулярной (тепловой) диффузии, м2/с. При обтекании тел, имеющих значительную кривизну (сфера, цилиндр и т. п.), картина образования пограничного слоя имеет довольно сложный характер. Так, в случае обтекания цилиндра на фронтальной его части образуется пограничный слой, анало­гичный слою, образующемуся на плоской стенке. Однако перемен­ные величины скорости и давления газового потока, движущегося вокруг цилиндра (вне пограничного слоя), приводят к отрыву га­зовых струй от поверхности. Скорость газов минимальная в перед­ней точке (точке набегания), плавно нарастает до экваториальной плоскости, а затем снова уменьшается. Давление же газов изме­няется от максимума в точке набегания до минимума в эквато­риальном сечении с последующим возрастанием в «кормовой ча­сти» цилиндра. Поэтому в передней части цилиндра газы в погра­ничном слое движутся в направлении градиента давления, в зад­ней части - в направлении, противоположном градиенту давле­ния. Градиент давления тормозит медленно движущиеся слои га­зов в прилегающем к обтекаемому телу слою, и в некоторой точке за экваториальной плоскостью противодавление полностью затор­мозит газовый поток у поверхности. Ниже этой точки вблизи стен­ки возникает возвратное движение газов, слои газов из погранич­ного слоя оттесняются от поверхности тела. Оторвавшийся погра­ничный слой в виде вихря движется в общем газовом потоке. От­рыв вихрей начинается при значениях критерия Рейнольдса для обтекаемого тела = υг/νггде - характерный линейный па­раметр обтекаемого тела; для шара и цилиндра - их диаметр) по­рядка 20, а при значениях порядка 100 - 300 движение газов за точкой отрыва турбулизуется. 1.3 Основные свойства взвешенных частиц Способы образования и анализ свойств частиц подроб­но рассмотрены в ряде монографий, поэтому ограни­чимся лишь рассмотрением основных свойств взвешенных частиц[2]. Плотность частиц. Различают истинную, насыпную и кажу­щуюся плотности. Насыпная плотность (в отличие от истинной) учитывает воздушную прослойку между частицами пыли. При слеживании насыпная плотность возрастает в 1,2 - 1,5 раза. Кажущаяся плотность представляет собой отношение массы частицы к занимаемому ею объему, включая поры, пустоты и не­ровности. Гладкие монолитные, как и первичные частицы имеют кажущуюся плотность, практически совпадающую с истинной. Снижение кажущейся плотности по отношению к истинной на­блюдается у пылей, склонных к коагуляции или спеканию первич­ных частиц, например у сажи, оксидов цветных металлов и др. Дисперсность частиц. Размер частиц, пожалуй, является ос­новным ее параметром, так как выбор пылеуловителя того или иного типа определяется, главным образом, дисперсным составом улавливаемой пыли. В процессе коагуляции первичные частицы пыли объединяются в агломераты, т. е. укрупняются. Поэтому в технике газоочистки большое значение имеет так называемый стоксовский размер, представляющий собой диаметр сферической частицы, имеющей такую же скорость осаждения (седиментации), как и данная несферическая частица или агрегат. Дисперсный состав пыли можно представить в виде содержа­ния по числу или по массе частиц различных фракций. Фракцией называют относительную долю частиц, размеры которых нахо­дятся в определенном интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов. Наиболее удобным является графическое изображение дис­персного состава пыли в виде интегральных кривых. Большинство промышленных пылей подчиняется нормально-логарифмическому закону распределения частиц по размерам. Важным свойством нормально-логарифмического распределе­ния частиц по размерам является тот факт, что, если подобный вид распределения получен относительно числа частиц, то он со­храняется и относительно их распределения по массе. Помимо стоксовского диаметра частиц в технике пылеулавли­вания используется так называемый аэродинамический диаметр частицы , характеризующий диаметр сферы, скорость осажде­ния (седиментации) которой соответствует скорости осаждения частицы плотностью 1000 кг/м3.Иногда размер частиц характеризуют скоростью витания υc(в м/с), которая представляет собой скорость свободного па­дения частиц в неподвижном воздухе. Номограмма для опреде­ления стоксовского диаметра частиц по скорости их витания при­ведена на рис. 1.2. Рисунок 1.2 - Номограмма для определения скорости витания в воздухе частиц пыли размером 2-100 мкм. Адгезионные свойства частиц. Адгезионные свойства частиц определяют их склонность к слипаемости. Повышенная слипаемость частиц пыли может привести к частичному или полному за­биванию пылеулавливающих аппаратов улавливаемым продук­том. Поэтому для многих пылеулавливающих аппаратов установ­лены определенные границы применимости в зависимости от слипаемости улавливаемой пыли. Чем меньше размер частицы пыли, тем легче они прилипают к поверхности аппарата. Пыли, у которых 60-70% частиц имеют диаметр меньше -10 мкм, ведут себя как слипающиеся, хотя те же пыли с размером частиц более 10 мкм обладают хорошей сыпу­честью. Ниже приведено ориентировочное разделение пылей по степени слипаемости на четыре группы: Характеристика пыли Наименование пыли Неслипающиеся Сухая шлаковая пыль; кварцевая пыль(сухой песок); сухая глина Слабослипающиеся Летучая зола, содержащая много несгоревших продуктов; коксовая пыль; магнезито­вая сухая пыль; сланцевая зола; апатито­вая сухая пыль; доменная пыль; колошни­ковая пыль Среднеслипающиеся Летучая зола без недожога; торфяная зо­ла; торфяная пыль; влажная магнезитовая пыль; металлическая пыль; колчеданы, ок­сиды свинца, цинка и олова; сухой цемент; сажа; сухое молоко; мучная пыль; опилки Сильнослипающиеся Цементная пыль, выделенная из влажного воздуха; гипсовая и алебастровая пыль; нитрофоска; двойной суперфосфат; клин­керная пыль; содержащая соли натрия; волокнистые пыли (асбест, хлопок, шерсть); все пыли с размерами частиц менее 10мкм Со слипаемостью тесно связана другая характеристика пы­ли - ее сыпучесть. Сыпучесть пыли оценивается по углу есте­ственного откоса, который принимает пыль в свеженасыпанном состоянии. Эта величина определяет характер движения пыли в бункерах и течках пылеулавливающих установок. Абразивность частиц. Абразивность пыли характеризует интен­сивность износа металла при одинаковых скоростях газов и кон­центрациях пыли. Она зависит от твердости, формы, размера и плотности частиц. Абразивность улавливаемой пыли учитывается при выборе скорости запыленных газов, толщины стенок аппара­тов и газоходов, а также при выборе для них облицовочных материалов. Смачиваемость частиц водой оказывает определенное влияние на эффективность мокрых пылеуловителей, особенно при работе с рециркуляцией. Гладкие частицы смачиваются лучше, чем час­тицы с неровной поверхностью. Это объясняется тем, что послед­ние в большей степени оказываются покрытыми абсорбированной газовой оболочкой, затрудняющей смачивание. По характеру смачивания все твердые тела разделяют на три основные группы: 1) гидрофильные материалы, которые хорошо смачиваются водой (кальций, кварц, большинство силикатов и окисленных ми­нералов, галогениды щелочных металлов); 2) гидрофобные материалы, которые плохо смачиваются водой (графит, уголь, сера); 3)абсолютно гидрофобные тела (парафин, тефлон, битумы). Гигроскопичность и растворимость частиц. Эти свойства частиц определяются прежде всего их химическим составом, а также размером, формой и степенью шероховатости поверхности частиц. Гигроскопичность и растворимость частиц способствуют их улав­ливанию в аппаратах мокрого типа. Удельное электрическое сопротивление слоя пыли. Величина удельного электрического сопротивления (УЭС) слоя частиц пы­ли зависит от свойств отдельных частиц (от поверхностной и внут­ренней электропроводности, формы и размеров частиц), а также от структуры слоя и параметров газового потока. Она оказывает существенное влияние на работу электрофильтров. Зависимость удельного электрического сопротивления от температуры и влаж­ности газов используется при кондиционировании запыленных га­зов перед электрофильтрами. В зависимости от удельного электрического сопротивления пы­ли делятся на три группы. Первая группа - низкоомные пыли с удельным электри­ческим сопротивлением слоя ниже 104 Ом·см. При осаждении на электроде частицы пыли этой группы мгновенно разряжаются, что может привести ко вторичному уносу. Вторая группа - пыли с удельным электрическим сопро­тивлением слоя от 104 до 1010 Ом·см. Эти пыли хорошо улавли­ваются в электрофильтре, так как при осаждении на электроде разрядка частиц происходит не сразу, а в течение определенного времени, необходимого для накопления слоя. Третья группа - пыли с удельным электрическим сопротивлением слоя выше 1010-1013 Ом·см. Улавливание пылей этой группы в процессе электрической очистки газов представляет большие трудности. Частицы подобной пыли образуют при осаж­дении на электроде пористый изолирующий слой. При повышении некоторого критического значения напряженности электрического поля происходит электрический пробой пористого слоя с образо­ванием тонкого канала, заполненного положительными ионами. Этот канал выполняет роль острия, на котором возникает мощ­ный обратный коронный разряд, действующий навстречу основно­му, что приводит к резкому снижению эффективности электро­фильтра. Электрическая заряженность частиц. Знак заряда частиц зави­сит от способа их образования, химического состава, а также свойств веществ, с которыми они соприкасаются. Электрическая заряженность частиц оказывает влияние на их поведение в га­зоходах и эффективность улавливания в газоочистных аппаратах (мокрых пылеуловителях, фильтрах и др.). Кроме того, электри­ческая заряженность частиц влияет на взрывоопасность и адгезионные свойства частиц. Так, например [4], в бункерах электро­фильтров свежеуловленная пыль, сохраняя заряд, имеет угол естественного откоса, близкий к нулю, т. е. ведет себя почти как жидкость. Через несколько часов, с потерей частицами электриче­ского заряда угол естественного откоса возрастает до 50°, а в от­дельных случаях - до 90°. Способность частиц пыли к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом. Горючая пыль вследствие силь­но развитой поверхности контакта частиц с кислородом воздуха (порядка 1 м2/г) способна к самовозгоранию и образованию взрывчатых смесей с воздухом. Интенсивность взрыва пыли зависит от ее химических и тер­мических свойств, от размеров и формы частиц, их концентрации в воздухе, от влагосодержания и состава газов, размеров и температуры источника воспламенения и от относительного содержа­ния инертной пыли. При повышении температуры воспламенение иногда происхо­дит самопроизвольно, при этом интенсивность и продолжитель­ность горения могут быть различными. Плотные массы пылей го­рят более медленно, а рыхлые, особенно мелкая пыль, обычно быстро возгораются во всем объеме. Способностью к воспламенению обладают некоторые пыли ор­ганических веществ, образующиеся при переработке зерна, краси­телей, пластмасс, волокон, а также пыли металлов, например Mg, А1 и Zn. Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной ввоз­духе пыли - примерно 20-500 г/м3 воздуха, максимальные - около 700-800 г/м3. Чем больше содержание кислорода в газо­вой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила; при содержа­нии кислорода менее 16% пылевое облако не взрывается. 1.4 Классификация промышленных пылеуловителей и оценка их эффективности В технике пылеулавливания применяется большое число ап­паратов, отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. По способу улав­ливания пыли их обычно подразделяют на аппараты сухой, мокрой и электрической очистки газов. В основе работы сухих пылеуловителей лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения. Самостоя­тельную группу аппаратов сухой очистки составляют пылеулови­тели фильтрационного действия. В основе работы мокрых пылеуло­вителей лежит контакт запыленных газов с промывной жидкостью, при этом осаждение частиц происходит на капли, поверхность га­зовых пузырей или пленку жидкости. В электрофильтрах осажде­ние частиц пыли происходит за счет сообщения им электрическо­го заряда. Рисунок1.3 - Схема классификации пылеулавливающих аппаратов. В качестве основы для классификации пылеулавливающих ап­паратов воспользуемся несколько измененной схемой (рис. 1.3), предложенной Старком [5]. Приведенная на рис. 1.3классификация пылеуловителей не пре­тендует на абсолютность, так как существует значительное число аппаратов, работа которых, основана на совмещении различных принципов осаждения. Так, например, волокнистый фильтр при улавливании туманов может быть отнесен к категории мокрых пылеуловителей. То же самое можно сказать и о мокром электро­фильтре. Поэтому данную классификацию следует рассматривать как условную, позволяющую тем не менее достаточно наглядно охватить абсолютное большинство существующих пылеуловите­лей. Эффективность очистки газов (степень очистки, ко­эффициент полезного действия) обычно выражается отношением количества уловленного материала к количеству материала, по­ступившего в газоочистной аппарат с газовым потоком за опреде­ленный период времени. Эффективность очистки в пылеулавливающих аппаратах оп­ределяют в основном весовым методом, рассчитывая ее несколь­кими способами[2]. 1.Эффективность очистки ηможет быть определена по содержанию пыли в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из него: где - массовый расход частиц пыли (капель, тумана), содержащихся в газах, соответственно поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, кг/с; - объемный расход газов*, соответственно поступающих и выходя­щих из газоочистного аппарата, м3/с; - концентрация частиц в газах, соответственно поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, кг/м3. Если объемный расход газов, проходящих через газоочистной аппарат, изменяется за счет подсоса воздуха, эффективность ап­парата определяют в соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из концентрации какого-либо газового ком­понента, не вступающего в аппарате в реакции (обычно SО2 или СО2): где Кп- коэффициент подсоса, равный отношению концентраций анализируемого газового компонента в газах (объемн.%) после и до аппарата. 2.Эффективность очистки может быть определена по концентрации пыли в газах до поступления в аппарат и количеству улов- ленной пыли: где - количество уловленной пыли, кг/с. 3.Эффективность по количеству уловленной аппаратом пыли и концентрации пыли в газах, выходящих из аппарата: 4.Коэффициент очистки газов часто определяют по фракционной эффективности - степени очистки газов от частиц определенного размера. Фракционная эффективность очистки ηфвыражается формулой где Ф',Ф" - содержание данной фракции в газах, соответственно начальное (на входе в фильтр) и конечное (на выходе из фильтра), %. Зная фракционную степень очистки газов, можно определить об­щую степень очистки по формуле Для расчета по формуле (24) могут быть использованы кривые фракционных эффективностей (степеней очистки), полученные экспериментальным путем для некоторых типов пылеуловителей. 5. Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде коэффициента проскока частиц (степени непол­ноты улавливания), который представляет собой отношение кон­центрации частиц за пылеуловителем к их концентрации перед ним. Коэффициент проскока ξ рассчитывается по формуле ξ=1-η(1.20) Суммарную степень очистки газов η, достигаемую в несколь­ких последовательно установленных аппаратах, рассчитывают по формуле η=1-(1-η1) (1-η2)… (1-ηn) (1.21) гдеη1,η2,…ηn- степень очистки газов от пыли соответственно в первом, втором и n-м пылеуловителе. 1.5 Определение запыленности газов В технике пыле- и золоулавливания запыленность принято определять как вы­раженную в граммах массу частиц, содер­жащихся в 1 м3 газа, приведенного к нор­мальным условиям. Счетная концентрация, т. е. число частиц, приходящихся на еди­ницу объема газа, представляет интерес главным образом при оценке биологической вредности аэрозолей, а также при изуче­нии отдельных тепло- и массообменных процессов, протекающих в потоках дис­персных сред. Запыленность газов может быть опре­делена прямым или косвенными методами. Прямой метод заключается в отборе пробы запыленного газа и взвешивания осажден­ных из нее частиц с последующим отнесе­нием их массы к единице объема газа. Для определения запыленности газов косвенны­ми методами используется зависимость фи­зических свойств запыленного потока - степени поглощения световых и тепловых лучей, цвета, способности воспринимать электростатический заряд и т. п. - от кон­центрации пыли. При этом требуется про­извести предварительную тарировку используемого для определения запылен­ности устройства по прямому методу. При проведении испытаний пылеулав­ливающих установок для определения за­пыленности газов всегда используется пря­мой метод, дающий наиболее достоверные результаты. Косвенные методы могут быть использованы для эксплуатационного кон­троля. 1.5.1 Прямой метод Запыленность газов может изменяться как во времени (из-за колебания нагрузок и режимов основного технологического обо­рудования), так и по сечениям газоходов. Неравномерность концентрации пыли в раз­личных точках сечения связана с расслое­нием пылегазового потока под действием инерционных сил, возникающих при движе­нии газов внутри коленьев, несимметрич­ных участков и при других препятствиях. Повышение скорости газов вызывает соот­ветствующее увеличение расслоения пыле­газового потока, причем чем крупнее и тя­желее частицы, тем в большей степени наблюдается их сегрегация на неровных участках газового тракта. В горизонтальных газоходах большой протяженности может наблюдаться повы­шенная концентрация крупной пыли в ниж­ней части их сечений за счет гравитацион­ных сил. Из-за неравномерности запыленности газов во времени для получения достаточно надежных результатов обычно приходится производить ряд замеров с последующим усреднением полученных результатов. Из-за неравномерности концентрации пылив разных точках сечения для определения средней по сечению газохода запыленности замеры должны производиться с разбивкой сечения на равновеликие площадки, так же как при определении динамических давлений. Важным фактором, влияющим на точность получаемых результатов, является скорость во входном отверстии используе­мого пробоотборного устройства, которая должна быть равна скорости запыленного потока в газоходе (изокинетический отбор газа). Если скорость отбора превышает скорость газового потока, более крупные частицы пыли из внешней части отбираемо­го объема газа, стремясь по инерции со­хранить прежнее направление движения, пройдут мимо входного отверстия пробоотборного устройства. B результате получен­ная величина запыленности окажется зани­женной, а отобранная пыль будет более мелкой. При отборе с пониженной ско­ростью произойдет обратное явление. Более крупные частицы пыли из внешней откло­няемой и не входящей в отбираемый объем части газового потока по инерции пройдут во входное отверстие пробоотборного устройства. B результате полученная величина запыленности окажется завышен­ной, а отобранная пыль будет более круп­ной. При отклонении входного отверстия от положения, перпендикулярного направ­лению газового потока, даже при соблюде­нии равенства скоростей будут получены заниженные результаты определения запы­ленности, а отобранная пыль будет более мелкой. Перечисленные явления наглядно иллюстрируют рис. 1.4. Приведенные рассуждения полностью справедливы для случая отбора газа через трубки с очень тонкими стенками. Практи­чески же газ отбирается с помощью пробоотборных устройств, имеющих значитель­ные наружные размеры по сравнению с размерами входного отверстия, перед которыми образуется зона застоя с понижен­ной скоростью и сильным искривлением линий тока. а - правильная скорость отбора; б - повышенная; в - пониженная г - при правильной скорости отбора сечение входного отверстия пылезаборной трубки не перпендикулярно оси потока. ● - крупные частицы; • - мелкие частицы. Рисунок 1.4 - Возможные ошибки при отборе газов для определения запыленности. Повышение скорости отбора способствует размыванию это йзоны и получению более точных результатов определения запыленности газов. Поэтому скорость отбора газа предпочтительно несколько завышать и тем больше, чем большие возмущения газового потока способно вызвать применяемое пробоотборное устройство. Расход газов, необходимый по крайней мере для формального соблюдения усло­вий, обеспечивающих представительность отбираемой пробы, при заданном диаметре пылезаборного отверстия может быть определен по формуле - скорость газа, м/с. Эта формула позволяет перейти к бо­лее удобному для практического использо­вания выражению расхода газов в литрах в минуту: Вместо расчетов по формуле 1.23 для получения необходимых величин можно пользоваться номограммой, приведенной на рис. 1.5. Осаждение частиц для последующего взвешивания при определении запыленно­сти может производиться внутри газохода или снаружи. В последнем случае пробы отбираются с помощью заборных трубок. Аппаратура для определения запыленности газов прямым методом должна состоять из заборной трубки (при осаждении пыли вне газохода), устройства для осаждения пыли, устройства для измерения расхода отбираемых газов и средства для отсоса газов. Заборные трубки, как правило, снабжаются электрическим (реже паровым) обогревом. При температуре обогрева трубки выше температуры отбираемого газа за счет термофореза уменьшается осаждение пыли на ее стенках, при высоком влагосодержании газов обогрев необходим для предотвращения конденсации водяных паров. Во избежание осаждения частиц в канале трубки во время отбора пробы рекомендуется поддерживать скорость газов равной 20-30 м/с; скорости более 30 м/с значительно увеличивают гидравлическое сопротивление трубки. Для того чтобы одной и той же заборной трубкой можно было пользоваться при различных скоростях газового потока в газоходе, трубка снабжается комплектом сменных наконечников различного диаметра. Рисунок1.5 - Номограмма для подбора диа­метра наконечника пылезаборной трубки d. Применение заборных трубок с водяным охлаждением позволяет использовать их при неограниченно высокой температуре запыленного газа. После проведения нескольких опытов (обычно в конце дня) за борную трубку сле­дует прочищать, причем пыль, извлекаемую из трубки, нужно собрать и взвесить. Полученную массу нужно разделить на общее количество пропущенного газа, определив таким образом массу пыли на 1 м3 газа. Зная количество пропущенного в каждом опыте газа, следует внести соот­ветствующую поправку в каждый опыт. При умеренной запыленности для осаждения пыли служат различные филь­тры. При большой запыленности фильтры быстро забиваются. Для того чтобы исклю­чить влияние случайных кратковременных изменений запыленности и точно учесть объем отобранного газа, желательно иметь не очень короткое время отбора пробы. Поэтому при большой запыленности перед фильтром устанавливается небольшой циклончик, в котором происходит осаждение большей части пыли, а фильтр служит лишь для учета массы мелких частиц, про­скочивших через циклончик. При осаждении пыли вне газохода к заборным трубкам могут быть присоеди­нены заключенные в специальные патроны бумажные или тканевые фильтры или цилиндрические стеклянные фильтровальные патроны соответствующих размеров, набитые стеклянной ватой и асбестовым волокном, прокаленным при 400°С. Стеклянные фильтро­вальные патроны присоединяются к пылезаборной трубке и отсосной линии с по­мощью резиновых пробок с отверстиями (рис 1.6). 1 - стеклянная вата или стекловолокно; 2 - асбестовый тампон; 3 - металлическая сетка. Рисунок1.6 - Стеклянный фильтровальный патрон. Бумажные фильтры изготовляются из обычной фильтровальной бумаги и приме­няются при температуре проходящего че­рез них газа, не превышающей 105 °С. В бумажном фильтре можно осадить от 1,5 до 7 г пыли (в зависимости от ее дис­персности). В тканевом фильтре можно осадить 50 - 80 г пыли. Для фильтрации газов с температурой до 100 °С применяют­ся ворсистые шерстяные ткани, а с темпе­ратурой свыше 100 °С (до 350 °С) - ткань из стекловолокна. Во избежание конденсации паров воды патроны для бумажных или тканевых фильтров имеют электрообогрев, стеклянные трубки теплоизолируют­ся. Теплоизоляция стеклянных трубок должна быть легкосъемной, так как ее приходится удалять перед, взвешиванием. Для измерения рас­хода газов при отборах пpоб на запылен­ность обычно пользуются реометрами или ротаметрами. При этом могут быть исполь­зованы реометры как заводского, так и местного изготовления. Реометр может быть изготовлен в стеклодувных мастер­ских предприятий. Приближенную градуировку такого реометра можно произвести при помощи газового счетчика. Трудность изготовления стеклянных диафрагм с точно заданными размерами отверстий требует тарировки каждой диафрагмы. Из-за несимметрично­сти профиля оплавленного отверстия стек­лянной диафрагмы изменение направления движения газа в ней может значительно изменить показания прибора. Поэтому на диафрагму наносится стрелка, указываю­щая направление движения газа, при кото­ром производилась тарировка.Ротаметр представляет собой верти­кальную трубку, несколько расширенную кверху в виде конуса, внутри которой на­ходится поплавок, свободно плавающий в измеряемом газовом потоке. Поплавок при протекании газового потока поднима­ется до тех пор, пока кольцевой зазор между поплавком и стенкой трубки не уве­личивается настолько, что подъемная сила, воздействующая на поплавок, уравновесится весом поплавка. Прибор должен устанавливаться строго вертикально. Основные технические характеристики ротаметров типа PCспределами показа­ний, которые позволяют использовать их при пылегазовых замерах, приведены в табл. 1.1. Недостатком (ротаметров является то, что они очень чувствительны к конденсации влаги на стенках трубки и поплавке. Если это происходит, прибор начинает давать заметные погрешности, значительно большие, чем реометр. Таблица 1.1 - Технические характеристики стеклянных ротаметров типа РС Тип Пределы показаний по воздуху, м3/ч, и масса поплавка m, г Сталь 1Х18Н9Т Дюралюминий анодированный Эбонит макс. мин. m макс. мин. m макс. мин. m РС-З РС-5 1.0 10 0,2 1.6 1,05 15,8 0,63 6,3 0,1 1.0 0,35 6,25 0,35 4,0 0,04 0,63 0,2 2,73 Возможный вариант компоновки оборудования для определения запыленности газов приведен на рис. 1.7. Рисунок 1.7 - Установка для определения запыленности газов 1.5.2 Косвенные методы определения запыленности Косвенные методы определения запы­ленности газов основаны на использовании различных физических явлений, протекание которых изменяется в зависимости от кон­центрации частиц в газовой среде. В опти­ческих приборах для определения запылен­ности газов используют либо измерение интенсивности рассеянного частицами пыли света, либо измерение интенсивности свето­вого пучка, ослабленного вследствие погло­щения, рассеяния и преломления света, про­ходящего через пылегазовую среду. В элек­трических приборах о концентрации частиц судят по величине снимаемого с них элек­трического заряда. Приборы с использо­ванием фильтрации газов позволяют оце­нивать запыленность по некоторым свойст­вам осевшего на фильтрующем материале слоя содержавшихся в газах частиц: по гидравлическому сопротивлению этого слоя, ослаблению проходящего через слой света или радиоактивного излучения и т. п. Любой из приборов для определения запыленности газов косвенными методами нуждается в предварительной калибровке на данный вид пыли прямым методом. Кроме этого, ни один из используемых в настоящее (время косвенных методов не обладает достаточной надежностью в при­емлемо широком диапазоне изменений за­пыленности газов и дисперсного состава, частиц. 2 ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ Работа любого пылеулавливающего аппарата основана на ис­пользовании одного или нескольких механизмов осаждения взве­шенных в газах частиц[2]. Гравитационное осаждение (седиментация) проис­ходит в результате вертикального оседания частиц под действием силы тяжести при прохождении их через газоочистной аппарат. Осаждение под действием центробежной силы отмечается при криволинейном движении аэродисперсного пото­ка, когда развиваются центробежные силы, под действием кото­рых частицы отбрасываются на поверхность осаждения. Инерционное осаждение происходит в том случае, ког­да масса частицы или скорость ее движения настолько значитель­ны, что она не может следовать вместе с газом по линии тока, оги­бающей препятствие, а, стремясь по инерции продолжить свое движение, сталкивается с препятствием и осаждается на нем. Зацепление (эффект касания) наблюдается, когда расстояние частицы, движущейся с газовым потоком, от обтекае­мого тела равно или меньше ее радиуса. Диффузионное осаждение. Мелкие частицы испытыва­ют непрерывное воздействие молекул газа, находящихся в броу­новском движении, в результате которого возможно осаждение этих частиц на поверхности обтекаемых тел или стенок аппарата. Электрическое осаждение. В процессе ионизации га­зовых молекул электрическим разрядом происходит заряд частиц, содержащихся в газах, а затем под действием электрического по­ля они осаждаются на электродах. Электрическое осаждение воз­можно и при взаимодействии частиц с каплями (или пузырями), причем электрические заряды могут быть подведены к частицам, к орошающей жидкости, или одновременно и к частицам, и к жидкости. Электрическое осаждение частиц может происходить и при прохождении аэрозоля через фильтрующие перегородки. Помимо указанных выше основных механизмов осаждения можно перечислить и ряд других: термофорез, диффузиофорез, фотофорез, воздействие магнитного поля, радиометрических сил и др. Наиболее перспективные из них с точки зрения использова­ния в промышленной практике, будут рассмотрены ниже. Влияние того или иного механизма на осаждение частиц опре­деляется целым рядом факторов, и в первую очередь их размером. Обычно при расчете промышленных газоочистных аппаратов ис­пользуются методы теории подобия. Согласно этой теории, эффек­тивность осаждения частиц за счет определенного механизма их осаждения может быть качественно охарактеризована соответ­ствующим безразмерным параметром, а общая эффективность улавливания частиц в аппарате ηявляется функцией этих пара­метров и критерия Re, определяющего характер движения газовой среды η= ƒ(Re; G; ω; Stk; R; D; КE) (2.1) где G; ω; Stk; R; D; КE- безразмерные параметры осаждения частиц соответ­ственно за счет эффектов седиментации, центробежной силы, инерции, касания, диффузии и электрических сил. Значения этих параметров будут раскрыты ниже. 2.1 Гравитационное осаждение частиц В аппаратах, использующих этот принцип улавливания пыли, осаждение взвешенных частиц происходит под действием силы тяжести. При падении частица пыли испытывает сопротивление среды. Наиболее просто это сопротивление описывается при пря­молинейном и равномерном движении шаровой частицы, т. е. в том случае, когда можно пренебречь турбулентностью потока и конвекционными токами. Сила сопротивления, действующая на частицу при ее движе­нии, Fс (H) может быть выражена уравнением: где ζч- коэффициент лобового сопротивления частицы; sч- площадь сечения частицы, перпендикулярного направлению движения, м2; υч- скорость движения частицы, м/с; ρг- плотность газа, кг/м3. В случае шаровой частицы sч =/4, где -диаметр части­цы (м), и Коэффициент ζч зависит от критерия Рейнольдса для частицы (/, где - динамическая вязкость газов, Па·с). Эта зависимость приведена на рис. 2.1. При обычно соблюдаемом в промышленной практике соотноше­нии >>i(где i - средняя длина свободного пробега молекул газов, м) сопротивление среды описывается законом Стокса 1 - область действия закона Сток­са; 2 - стандартная кривая; 3 - об­ласть действия формулы Ньютона. Рисунок 2.1 - Зависимость коэффициента лобового сопротивления шаровой частицы от критерия . Для частиц размером 0,2-2,0 мкм в уравнение (2.4) вводится поправка Кенингема - Милликена, учитывающая повышение по­движности частиц, размер которых сравним со средней длиной свободного пробега газовых молекул Поправка рассчитывается по уравнению: В свою очередь можно рассчитать по уравнению (2.7) где - масса 1 кмоль газов, кг/кмоль; -универсальная газовая постоян­ная; = 8314 Дж/(кмоль·К); - абсолютная температура газов, К. Для воздуха при tг=20°С и нормальном атмосферном давле­нии = 6,5·10-8 м. Ниже приведены значения поправок в соответствии с урав­нением (2.6) для воздуха при нормальных условиях: , мкм ....……..0,003 0,01 0,03 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0 ……………….90,0 24,5 7,9 2,9 1,57 1,16 1,03 1,0 Подставляя (2.4) в выражение (2.3), получим для области действия закон Стокса ζч = 24/ (2.8) Закон Стокса применим при ламинарном движении частиц, когда ≤2. Причем решающее значение для определения при­менимости закона Стокса принадлежит в обычных практических условиях размеру частиц. Для турбулентного режима движения частиц (>500) ко­эффициент ζч можно принимать постоянным, равным 0,44 (фор­мула Ньютона). Для переходного режима (2<<500) значе­ние ζч может быть найдено из выражения ζч= 18,5/ (2.9) При значениях в пределах от 100 до 1000 возможна до- статочно точная линейная аппроксимация зависимости ζч от [2] ζч = 55/ (2.10) В более широком диапазоне значений - от 0 до 104 для расчета величины ζч можно воспользоваться эмпирической фор­мулой [3] lgζч = 0,113(lg)2-0,311 lg + l,4 (2.11) Относительная погрешность при расчетах по формуле (2.11) не превышает 5%. В случае не шарообразных частиц вводится понятие динами­ческого коэффициента формы х, определяемого из вы­ражения (2.12) где - эквивалентный диаметр частицы, равный диаметру шара, объем кото­рого равен объему данной частицы, м. При определении скорости осаждения частиц не шарообразной формы в расчетных формулах величина ζч заменяется на ζчх, а вместо диаметра подставляется эквивалентный диаметр . Ниже приводятся значения динамического коэффициента фор­мы для частиц Форма частицы Динамический коэффициент формы Шаровая 1 Округленная с неровной поверхностью 2,4 Продолговатая 3 Пластинчатая 5 Для смешанных тел 2,9 Величина ζч для изометрических частиц в широком интерва­ле значений может быть найдена из графика, при­веденного на рис. 2.2, в зависимости от коэффициента сферично­сти хс, представляющего собой отношение поверхности шара с объемом, равным объему данного тела, к поверхности последнего. В общем виде конечная скорость частицы υч (м/с), достигае­мая при установлении равенства между силой сопротивления сре­ды и внешней силой Fв (H), действующей на частицу, определяется по формуле Рисунок2.2 - Зависимость коэффициента сопротивления изометрических частиц от критерия при различных значениях с:1 - 670; 2 - 806; 3 - 846; 4 - 245; 5 - 100 В области действия закона Стокса выражение (2.13) принимает вид: (2.14) При гравитационном осаждении шаровой частицы где - плотность частицы, кг/м3. Откуда скорость осаждения (в области действия закона Стокса) Если пренебречь ρг, то величина υcсоставит где τр- время релаксации частицы, с. Из формулы (2.17) сле­дует, что скорость осажде­ния взвешенных частиц в газоочистных аппаратах, ис­пользующих действие силы тяжести, прямо пропорцио­нальна квадрату диаметра частицы. Ниже приводятся скорости падения частиц плотностью ρч=1000 кг/м3 в неподвижном воздухе под действием силы тяжести: Диаметр частицы, мкм100 10 1 Скорость падения, м/с 0,3 0,003 0,00003 Величину υс при гравитационном осаждении частиц в воздухе можно определить с помощью графика, приведенного на рис. 2.3. На графике приведены скорости осаждения при температуре воз­духа 15°С в зависимости от диаметра частиц и их плотности, а также скорости осаждения частиц, имеющих плотность ρч = 2000 кг/м3 и оседающих под действием силы, превышающей си­лу тяжести в 10, 100 и 1000 раз. 1 - под действием силы тяжести; 2 - 4 - под действием силы, превышающей силу тяжести соответственно в 10, 100, 1000 раз Рисунок 2.3 - Диаграмма для опреде­ления скорости осаждения частиц в воздухе. На рис. 2.4 приведена зависимость [2] модифицирован­ного коэффициента сопротивления от критерия и ускорения шаровых частиц ач. Как видно из рис. 2.4, при малых значениях Reч величина ζч имеет тот жепорядок, что и при равномерном движении. С увеличением сопротивление среды при ускорен­ном движении возрастает тем больше, чем выше ускорение. Рисунок2.4 - Зависимость коэффициента сопро­тивления сферической частицы, падающей с ускорением ач(м/с2) в воздухе, от кри­терия при различных значениях ач:1 - 7,81; 2 - 6,81; 5 - 5,81; 4 - 4,81; 5 - 3,81; 6 - 1,81; 7 - 0. Параметр гравитационного осаждения равен отношению си­лы тяжести (Н) и силе сопротивления среды и может быть выражен отношением скорости осаж­дения частицы к скорости газового потока υг(в м/с): Уравнение (2.18) может быть представлено также в виде от­ношения двух критериев G = Stk/Fr (2.19) где /критерий Стокса; Fr=/- критерий Фруда; -определяющий линейный параметр, м. С учетом уравнения (2.19) определяется и коэффициент осаж­дения частиц под действием гравитационных сил в подобных гео­метрических системах в виде зависимости 2.2 Центробежное осаждение частиц Этот метод осаждения получил весьма широкое распростране­ние в промышленности (в циклонах, мультициклонах, ротацион­ных аппаратах). Используется он и в мокром пылеулавливании при осаждении частиц на поверхности пузыря (например, при барботаже). В области существования закона Стокса скорость центробеж­ного осаждения шаровой частицы можно рассчитать, приравни­вая центробежную силу (Н), развивающуюся при вращении газового потока, стоксовой силе сопротивления среды (2.4): где - масса частицы, кг; υω- скорость вращения газового потока вокруг не­подвижной оси, м/с; - радиус вращения газового потока, м. Откуда Из выражения (2.22) также следует, что скорость осаждения взвешенных частиц в центробежных пылеуловителях прямо про­порциональна квадрату диаметра частицы. Величина же скорости осаждения при центробежном осаждении больше, чем при грави­тационном в раз. Значения скорости осаждения для частиц плотностью ρч = 2000 кг/м3 при отношении , равном 10, 100 и 1000, приведены на рис. 2.3. Если по аналогии свыше рассмотренным гравитационным осаждением, выразить параметр центробежного осаждения как отношение центробежной силы, действующей на шаровую частицу, к силе сопротивления среды, то получим Отношение в правой части уравнения (2.23) представляет со­бой не что иное, как критерий Стокса Stkω, в котором линейный параметр rпредставляет собой радиус вращения газового потока. Это позволяет выразить коэффициент осаждения частиц под дей­ствием центробежной силы в виде (2.24) Некоторые исследователи считают, что при центробежном осаждении частиц, например в циклоне, помимо центробежных сил на частицу оказывают влияние и гравитационные. Так, согла­сно теории приближенного моделирования, разработанной Коузовым, эффективность центробежного пылеулавлива­ния определяется при одинаковых гидродинамических условиях не только критерием , но и критерием , хотя влияние по­следнего невелико. В этом случае (2.25) В работе [2] на основании экспериментальных исследований прямоточных циклонов различного диаметра показано, что в ав­томодельном режиме эффективность очистки аппарата определя­ется исключительно критерием Стокса где - скорость газов на входе в циклон, м/с; - диаметр циклона, м. Тот факт, что сила тяжести (критерий ) не влияет на эффек­тивность очистки, авторы объясняют исключением возможности вторичного уноса и скольжения частиц, достигших стенки. 2.3 Инерционное осаждение частиц При обтекании твердого тела (или капли) запыленным пото­ком частицы вследствие большей инерции продолжают двигаться поперек изогнутых линий тока газов (рис. 2.5) и осаждаются на поверхности тела. Такое осаждение называется инерционным. Коэффициент эффективности инерционного осаждения ηStk опре­деляется долей частиц, извлеченных из потока, при обтекании им тела. Иногда его называют «эффективностью мишени». Траектория движения частицы в газовом потоке может быть описана уравнением где - объем частицы, м3; τ- время движения, с; - вектор скорости со­ответственно частицы и газов в месте нахождения частицы, м/с. Если газовый поток движется стационарно, а частица настолько мала, что для применим закон Стокса (включая по­правку Кенингема - Милликена), уравнение (2.26) можно запи­сать в следующем виде: где - радиус-вектор частицы, м. Уравнение (2.27) удобно привести к безразмерному виду, вве­дя следующие обозначения: / - безразмерная координата частицы, где - характерный размер обтекаемого тела (например, радиус шара или цилиндра в м); / -безразмер­ная скорость газов, где - скорость газов вдали от обтекаемого тела в м/с;(/)- безразмерное время. Тогда после соответствующих подстановок и упрощений получим где - критерий Стокса, или «инерционный параметр», характеризующий отношение инерционной силы, действующей на частицу к силе гидравли­ческого сопротивления среды. Критерий численно равен отношению расстояния, проходимого частицей с начальной скоростью υгпри отсутствии внешних сил до остановки/к характерному размеру обтекаемого тела (например диаметру шара или цилиндра). Если движение частицы осуществляется в области, где закон Стокса неприменим, необходимо ввести поправку, учитывающую отношение истинной силы сопротивления к стоксовскому сопро­тивлению, равную /- критерий Рейнольдса для частицы. Критерий является единственным критерием подобия инер­ционного осаждения. Это означает, что уравнение (2.28) примени­мо к геометрически подобным системам с одинаковым значением Re; в этом случае подобие конфигураций линий тока будет соблю­дено вне зависимости от различий между скоростями движения. Из уравнения (2.28) следует, что при = 0 (у частиц с бесконечно малой массой)/ т. е. частица точно следует по линии тока, не соприкасаясь с поверхностью обтекаемого тела. Оче­видно, такое же явление будет наблюдаться и при достаточно малых значениях критерия Стокса. Существует определенное ми­нимальное, так называемое критическоезначение числа Стокса , при котором инерция частицы оказывается достаточной, что­бы преодолеть увлечение ее газовым потоком, и она достигает поверхности тела. Таким образом, захват частицы телом возмо­жен при условии: >. Следует отметить, что теория инерционного осаждения рас­сматривает осаждение частиц на фронтальной (передней) части обтекаемого тела и не учитывает их осаждение на задней поверх­ности тела, которое может происходить за счет турбулентных пульсаций газового потока. Это явление становится существенным при малых значениях критерия , т. е. при улавливании суб­микронных частиц пыли. Поэтому даже при < эффектив­ность осаждения не равна нулю. Траектория движения частицы, включая крайние траектории, может быть определена с помощью уравнения (2.28). Однако про­интегрировать это уравнение в общем виде пока не удалось. По рис. 2.5 легко проследить и влияние критерия на инер­ционное осаждение. При ламинарном течении потока (Re=υгℓρг/ /μг<2) эффективность осаждения не будет зависеть от этого критерия пока можно пренебречь су­ществованием пограничного слоя вокруг обтекаемого тела (вяз­кое обтекание). С увеличе­нием значения критерия при перехода к турбулентному движению потока на поверхности обте­каемого тела образуется погра­ничный слой, толщина которого уменьшается по мере роста кри­терия . При значениях боль­ше критического (Re>500) линии тока сильнее изгибаются (потенциальное обтекание)и обтекают тело на более близком от него расстоянии, вследствие чего при том же значении критерия эффективность осаждения будет выше. Этот рост эффективности будет продолжаться с уменьшением толщины пограничного (ламинарного) слоя вокруг тела, т. е. с увеличением критерия . Таким образом, при потен­циальном обтекании эффективность осаждения зависит как от критерия , так и от критерия . Рисунок2.5 - Осаждение частиц на шаре: -движение газов; ------------движение частиц. Еще более сложный характер приобретает пограничный слой при развитом турбулентном течении потока. Поэтому целесооб­разно рассматривать только системы с одинаковым значением критерия или системы, в которых режим движения потока при­ближается к автомодельному, и критерий можно не учитывать при расчетах. Ниже приводится ряд диаграмм и эмпирических формул, по­зволяющих рассчитать значения . При получении этих формул предполагалось, что инерционное осаждение частиц происходит на стороне тела, обращенной навстречу потоку, т. е. не учитыва­лось влияние завихрения на подветренной стороне тела, которое также может способствовать осаждению частиц. В области ≥ 1 при потенциальном обтекании коэффици­ент осаждения на шаре может быть определен по эмпирической формуле [3] Величина (в качестве определяющего линейного пара­метра в критерии принят диаметр шара ), соответствующая = 0 составляет 0,0417. При выводе формулы (2.30) было при­нято, что идеальный поток движется вдоль поверхности тела, т. е. совершенно не учитывалось существование пограничного слоя. Путем аналитического решения уравнения (2.28) при потенци­альном обтекании шара вблизи точки на бегания потока было по­лучено [7] близкое значение критерия = 1/24. 1 - по теоретическим данным; 2 - по экс­периментальным данным. Рисунок 2.6 - Инерционное осаждение ча­стиц на шаре при потенциальном его обтекании. На рис. 2.5 приведены теоретические и экспериментальные за­висимости эффективности осаждения частиц на шаре при потенциальном его обтекании. Данные, приведенные на рис. 2.6, могут быть использованы и при практических расчетах эф­фективности пылеулавливающих установок, в которых осаждение осуществляется на телах шарообразной формы (например, на капле). При этом, если тела расположены не очень тесно, заметно­го искажения потока не будет. При тесном расположении обтека­емых тел эффективность может увеличиваться по сравнению с теоретической величиной ηStk для одиночного тела, что объясня­ется более близким прохождением линий токов. На рис. 2.7 приведены значения ηStk при потенциаль­ном обтекании цилиндра для различных отношений. Величина в этом случае равна 1/16. Рисунок2.7 - Инерционное осажде­ние частиц при потенциальном обтекании цилиндра при раз­личных значениях : 1 - φ = 0; 2 - φ=100; 3 - φ=1·103; 4 - φ=1·104; 5 - φ=5·104. Практика показывает, что функция ηStk =f(Re, Stk) является нормально-логарифмической. Поэтому на графике с вероят­ностно-логарифмической шкалой ординат в определенном гидроди­намическом режиме ( = const) она может быть изображена в виде прямой линии. В переходной области обтекания цилиндра (0,2<< 150) прямая для инерционного осаждения частиц на цилиндре описы­вается уравнением 0,5= l,253 (2.31) 2.4 Осаждение частиц за счет касания (зацепления) Размер частиц играет важное значение при захвате частиц за счет касания частицей поверхности обтекаемого тела. Если пре­небречь инерционными эффектами и считать, что частица точно следует в соответствии с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее траектория пересечется с поверх­ностью тела, но и в случае пересечения линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу. Таким образом, эффектив­ность зацепления выше нуля и тогда, когда инерционное осажде­ние отсутствует. Эффект зацепления характеризуется параметром , который представляет собой отношение диаметров частицы и обтекаемого тела . При потенциальном обтекании шара, когда величина столь мала, что можно пренебречь инерционными эффектами, эффектив­ность зацепления составляет [2] В этом же случае для цилиндра верно соотношение В другом предельном случае, когда за счет большого значения инерционных эффектов траектории оседающих частиц прямоли­нейны, имеем следующие соотношения для шара (2.34) для цилиндра (2.35) Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффектив­ность механизма зацепления находится в пределах 2R - 3R, а при потенциальном обтекании цилиндра R - 2R. Для определения эффективности осаждения частиц за счет ка­сания при вязком обтекании цилиндра предложены следующие уравнения Из приведенных выше уравнений следует, что эффект зацепле­ния становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффекта зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени определяется режимом течения газово­го потока. Эффективность осаждения частиц на обтекаемом теле зацеп­лением может быть представлена и в критериальной форме. В этом случае помимо критерия Стокса следует учитывать и дру­гой комплекс, представляющий собой отношение критериев где /- критерий Рейнольдса для обтекаемого тела Тогда эффективность осаждения при зацеплении может быть пред­ставлена в виде 2.5 Диффузионное осаждение Частицы малых размеров подвержены воздействию броунов­ского (теплового) движения молекул. Перемещение частиц в этом случае описывается уравнением Эйнштейна [2], согласно которо­му средний квадрат смещения частицы составляет (2.40) где Dч- коэффициент диффузии частицы, характеризующий интенсивность броу­новского движения, м2/с При справедливости закона Стокса, когда размер частиц боль­ше среднего пути пробега молекул, коэффициент диффузии можно выразить как функцию размера частиц где - постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К. При <коэффициент диффузии может быть рассчитан по уравнению где ρг- абсолютное давление газов, Па Коэффициент диффузии Dч входит в безразмерный комплекс, характеризующий отношение сил внутреннего трения к диффузи­онным силам. Этот комплекс получил название критерия Шмидта Sc, иногда называемого диффузионным критерием РrD Другим критерием, используемым в практике диффузионных расчетов, является критерий Пекле Ре, представляющий собой от­ношение конвективных сил к диффузионным силам где - определяющий линейный параметр обтекаемого тела. Величина, обратная критерию Ре, является параметром диф­фузионного осаждения и обозначается через D. Ниже приведены значения коэффициента диффузии частиц, рассчитанные по формуле (2.41) (для воздуха при нормальных условиях) и значения критерия Sc: Размер частиц, мкм………………… 10 1,0 0,1 Коэффициент диффузии, м2/с…... 2,4·10-12 2,7·10-11 6,1·10-10 Критерий Sc………………………… 6,4·106 5,6·105 2,5·104 Как видно из приведенных данных, коэффициент диффузии резко увеличивается с уменьшением размера частиц. Однако ско­рость диффузии даже субмикронных частиц весьма мала по срав­нению со скоростью диффузии молекул газов, поскольку коэффи­циент диффузии частиц на несколько порядков меньше. Для расчета величины осаждения частиц за счет диффузии можно использовать формулы, полученные при рассмотрении про­цессов молекулярной диффузии. Так согласно [4], массовую скорость частиц Gч (кг/с), диффундирующих на шар при <3 и ≈106, можно рассчи­тать по формуле где - концентрация частиц в потоке, кг/м3. при ReT= 600 - 2600 и том же значении критерия можно воспользоваться формулой [6] а при =100 -700 и ≈1·103- формулой [7] Для расчета эффективности диффузионного осаждения частиц при обтекании газовым потоком шара было предложено выражение Уравнение для расчета эффективности диффузионного осаж­дения на цилиндре при вязком его обтекании имеет вид [5] а при потенциальном осаждении Согласно вышеприведенным уравнениям, эффективность диф­фузионного осаждения обратно пропорциональна размерам час­тиц и скорости газового потока. 2.6 Осаждение под действием электрических зарядов Электрическая зарядка частиц может быть осуществлена тре­мя путями: при генерации аэрозоля, за счет диффузии свободных ионов и при коронном разряде. При применении первых двух способов число частиц, получивших положительный и отрицатель­ный заряды, приблизительно одинаково. Коронный разряд, нао­борот, приводит к зарядке частиц одним знаком. Зарядка частиц при коронном разряде осуществляется по двум механизмам: воз­действием электрического поля (частицы бомбардируются иона­ми, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффу­зии ионов. Первый механизм доминирует при размерах частиц более 0,5 мкм, второй - при размерах частиц менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2 - 0,5 мкм эффективны оба механизма, при­чем минимальная скорость зарядки наблюдается для частиц раз­мером около 0,3 мкм. Величина заряда q(Кл), приобретаемого под воздействием электрического поля, проводимой частицей сферической формы может быть рассчитана по формуле где - диэлектрическая проницаемость ( = 8,85-10-12 Ф/м); Е-напряжен­ность электрического поля коронного разряда, В/м. Величина заряда, приобретаемого непроводящей частицей, рас­считывается по формуле где -относительная диэлектрическая проницаемость частицы. При диффузионном механизме зарядки величина заряда (Кл) находится из выражения где е- величина заряда электрона, Кл (е= 1,6-10-19); - начальная концен­трация ионов коронного разряда, ионов/м3; - масса иона, кг. Для обычно встречающихся на практике условий (Тг=420-670К, =1014 ионов/м3) уравнение (2.53) можно значительно упростить qD≈108dчe (2.54) Таким образом, максимальная величина заряда частиц раз­мером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм - диаметру частицы. Электростатическая сила FE(Н), действующая на заряженную частицу в электрическом поле напряженностью Е, равняется FE = qE (2.55) В области применимости закона Стокса можно рассчитать, приравнивая кулоновскую силу стоксовой силе, скорость осаждения заряженных частиц Значение qнаходится из формул (2.51) - (2.53) в зависимости от свойств и размера частиц. На методе электрического осаждения частиц основана работа электрофильтров. Однако электрические силы могут оказывать влияние на осаж­дение частиц и в мокрых пылеуловителях, где наблюдаются раз­личные электрические силы [2]: 1)силапритяжения или отталкивания (кулоновская сила) между заряженными частицами и осадителем - шаром (каплей): 2)сила индукции между зарядом на осадительном шаре (капле) и индуцированным зарядом (противоположном по знаку) на частице: 3)сила индукции между зарядом на частице и индуцированным зарядом на осадителе: 4)сила взаимодействия между заряженной частицей и другими частицами, заряженными униполярно: 5)сила взаимодействия между заряженными частицами и заряженным коллектором, индуцирование заряда на котором осуществляется другими частицами, заряженными диполярно по отношению к улавливаемым: где qч-заряд частицы, Кл; qк- заряд осадителя, капли, Кл; r- расстояние между частицей и каплей, м; n- концентрация частиц в единице объема, м-3; R- радиус аэрозольного облака, частицы которого оказывают воздействие на осадитель, м. Отношения различных сил электрического взаимодействия к стоксовой силе сопротивления среды движению частицы (), где - скорость невозмутимого газового потока вдали от капли при r, равном радиусу капли - безразмерный па­раметр осаждения, обозначаемый буквой К с соответствующим индексом. Значения этих параметров приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 - Параметры электростатического осаждения Характер взаимодействия Условия взаимодействия Параметр и его значение* Притяжение между заряжен­ной частицей и заряженным сферическим осадителем Постоянный заряд Индуцирование заряда на ча­стице заряженным сферическим осадителем Постоянный заряд Индуцирование заряда на сфе­рическом осадителе заряженной частицей - Отталкивание униполярных за­ряженных частиц - Индуцирование заряда на сфе­рическом осадителе другими частицами, заряженными униполярно по отношению к улавливаемым Постоянное напряжение * - заряд, приходящийся на единицу поверхности капли, Кл/м2. Эффективность осаждения частиц за счет электрических сил на капле, когда заряжены и частицы и коллектор, может быть приближенно представлена выражением а при индуцировании заряда на частицах заряженным осадителем выражением Зависимости (2.62) и (2.63) не отражают совместного действия двух или более видов электростатических сил и не могут быть применены в случае незаряженного коллектора. Коэф­фициенты осаждения на проводящем сферическом коллекторе из потенциального и вязкого потоков были вычислены с учетом эффек­та зацепления, но без учета инерции частиц. На рис. 2.8 приведены результаты расчетов для случая заряженного коллектора и незаря­женных частиц; на рис. 2.9 - для случая незаряженного изоли­рованного коллектора и биполярно заряженного аэрозоля; на рис. 2.10 - для случая заряженного коллектора и аэрозоля с уни­полярными зарядами обратного знака. Было показано, что простое суммирование приближенных эффективностей различных механизмов электростатического осаж­дения дает завышенную эффективность, причем различие, состав­ляя в среднем 5%, может достигать 25%. Расчеты и эксперименты показали, что наибольшая эффектив­ность осаждения при воздействии электростатических сил в мок­рых пылеуловителях (на каплях) достигается, когда заряжены и частицы, и капли, велико время пребывания частиц в пылеулови­теле, а также низка относительная скорость между частицами и каплями. Обычно из различных механизмов электростатического осаж­дения частиц на каплях существенным может быть только один. При наличии заряда на частицах и каплях определяющим явля­ется параметр осаждения .Когда только частицы имеют за­ряд, ведущая роль принадлежит параметру . Эффективность осаждения частиц при действии параметра весьма мала, и его влияние обычно не учитывают. Влияние параметров и становится существенным только при высокой концентрации частиц в газах (n107 см-3). Рисунок 2.8 - Осаждение незаряженных частиц на заряженном сферическом коллек­торе при различных значениях dч/dк(1 – 5 – потенциальное течение; 6 – вязкое течение):1 - 0,5; 2 - 0,2; 3 - 0,1; 4 - 0,001; 5 - 0; 6 - 0,001 и 0. Рисунок2.9 - Осаждение биполярно заряженных частиц на незаряженном изолиро­ванном сферическом коллекторе при различных значениях dч/dк (1 – 3 – потен­циальное течение; 4 - вязкое течение):1 - 0,5; 2 - 0,1; 3 - 0; 4 - 0. Рисунок2.10 - Осаждение униполярно за­ряженных частиц на заряженном об­ратным знаком сферическом коллек­торе при различных значениях dч/dк(1-2 - потенциальное течение; 3 - потенциальное и вязкое течение):1 - 0,2; 2 - 0,1; 3 - 0. 2.7 Термофорез Термофорез представляет собой отталкивание частиц на­гретыми телами, вызванное силами, действующими со стороны га­зообразной фазы на находящиеся в ней неравномерно нагретые частицы аэрозоля. Механизм этих сил существенно зависит от от­ношения размера частицы и средней длины свободного пробега газовых молекул. При термофоретическая сила Fт (H), действующая на частицу, может быть определена по формуле [2] где ρг- абсолютное давление газов, Па; - градиент температуры в газах, К/м. Согласно формуле (1.67), термофоретическая сила пропорцио­нальна квадрату диаметра частиц и не зависит от давления, так как . Скорость частиц при термофорезе в этом режиме равна где α- доля рассеянных частицей молекул газа; для частиц неправильной фор­мы и с очень гладкой поверхностью (аморфные и жидкие) α≈0,9; для частиц, образованных механическим путем и с острыми углами а≈1,0. Таким образом, не зависит от размера частиц и мало за­висит от их свойства. В случае для расчета скорости термофореза можно вос­пользоваться формулой где и - коэффициент теплопроводности соответственно газов и частицы Вт/(м·К). Тогда термофоретическая сила с учетом формулы (1.66) мо­жет быть представлена в виде Экспериментально установлено, что формула Эпштейна хоро­шо совпадает с практическими замерами для частиц с низкой теплопроводностью (/. Для частиц с высокой теплопроводностью экспериментальные измерения термофоретической ско­рости отличались в 20-100 раз. Поэтому была пред­ложена другая формула для расчета υчТ при термофорезе: где с1 и с2- коэффициенты, соответственно равные 1,875-2,48 и 1,0-1,27. Это уравнение дает удовлетворительные результаты (ошибка не превышает 25%) для частиц как хорошо, так и плохо прово­дящих тепло. Также была предложена формула для расчета скорости при термофорезе частиц больших размеров Экспериментальный анализ приведенных выше трех формул для расчета показал, что наилучшую сходимость с прак­тическими результатами дает уравнение (2.72). Если выразить параметр осаждения за счет термофоретической силы как отношение этой силы к стоксовой силе сопротивле­ния среды, то для наиболее распространенного на практике слу­чая () С учетом того, что теплопроводность газов значительно меньше теплопроводности твердых и жидких тел, уравнение можно запи­сать в следующем виде Если для расчета скорости термофореза применять формулу (1.72), вид термофоретического параметра несколько упростится: Практическое применение явления термофореза до настоящего времени в основном ограничивалось исследованием аэрозолей (термопреципитация). Было установлено, что термопреципитация может играть существенную роль при улавли­вании частиц из горячих газов в случае прохождения последних через холодные насадки. В узких каналах при разнице темпера­тур 50°С можно получить температурный градиент 1000 К/см. Расчеты показывают, что это должно привести к осаж­дению на 98,8% частиц 0,1 мкм в слое насадки глубиной 230 мм при 500°С. Представляет большой интерес зависимость скорости термофореза от температуры. Это явление не было изучено эксперимен­тально. На рис. 2.11 показано, что когда размер частиц больше 1 мкм, отношение конечной скорости термопреципитации к теп­ловому градиенту увеличивается с температурой, в то время как для частиц меньше 1 мкм оно уменьшается. Рисунок2.11 -Зависимость отношения / от темпе­ратуры газов при термопреципитации частиц раз­личного диаметра dч(мкм): 1 - 0,01; 2 - 0,1; 3 - 1,0; 4 - 10,0. Необходимо отметить, что явление термофореза приводит и к отрицательным результатам. Так, твердые частицы, оседающие из горячих газов на холодных стенках котлов и теплообменников, образуют слой с низкой теплопроводностью, что приводит к зна­чительному снижению коэффициента теплопередачи. 2.8 Диффузиофорез Диффузиофорез - движение частиц, вызванное градиен­том концентрации компонентов газовой смеси. Явление диффузио-фореза отчетливо проявляется в процессах испарения и конден­сации. При испарении с поверхности капли (или пленки жидкости) возникает градиент концентрации пара, но поскольку общее дав­ление пара должно оставаться постоянным, происходит гидроди­намическое течение парогазовой смеси, направленное перпендику­лярно к поверхности испаряющейся капли и компенсирующее диффузию газов к этой поверхности. Это гидродинамическое тече­ние, называемое стефановским, может оказывать существен­ное влияние на осаждение частиц. Так, при улавливании частиц распыленной водой при недосыщении газов водяным паром стефановское течение препятствует, а при перенасыщении - способст­вует захвату частиц каплями. Математическое выражение рассмотренного явления, которое носит название закона Стефана, при конденсации паров име­ет следующий вид: где - количество вещества, продиффундирующего за 1 с через1 м2 поверх­ности, кг/(м2·с); - давление парогазовой смеси, Па; - парциальное давле­ние пара, Па; -коэффициент диффузии пара, м2/с; Мп- масса 1 кмоль пара, кг/кмоль; - изменение парциального давления пара по оси, нормальной к по­верхности капли (пленки жидкости), - градиент парциального давления пара, Па/м. Уравнение Стефана справедливо и при испарении: в этом слу­чае меняется только знак потока вещества - появляется минус в правой части уравнения (2.73). Скорость диффузионного движения частицы (м/с), учиты­вающая как диффузию самих частиц, так и стефановское течение, при в парогазовой смеси составляет где - парциальное давление сухих газов, Па. Для расчета скорости диффузиофореза при Гольдшми-том и Меем предложена формула [26] Если принять, что сила воздействия диффузиофореза на ча­стицу равна, параметр осаждения за счет диф­фузиофореза Dф(для случая ) может быть получен анало­гично параметрам осаждения за счет действия электрических за­рядов и термофореза: Была получена формула, позволяю­щая рассчитать скорость осаждения частиц на сферической капле при конденсации на ней пара, т. е. при совместном действии диф­фузии самих частиц и стефановского течения: где - скорость осаждения частиц на капле, 1/с; уг, ук- концентрация пара, соответственно, в газовом потоке и у поверхности капли, кг/м3; у' - концентра­ция неконденсирующегося газа, кг/м3. Из уравнения (2.77) следует, что стефановское течение не влияет на осаждение частиц на капле только при малых значе­ниях отношения Эффективность осаждения частиц при конденсации паров на растущей капле ηD может быть определена из выражения: Уравнение (2.78) показывает, что для малых частиц эффек­тивность захвата с уменьшением их размера (при прочих равных условиях) остается почти постоянной и что желательно присут­ствие в потоке капель возможно меньшего размера. Однако, с другой стороны, капли должны быть и достаточно большими, что­бы не расходовалась значительная энергия на их распыливание и для их осаждения можно было использовать простейшие каплеуловители. 2.9 Осаждение частиц в турбулентном потоке Характер влияния турбулентных пульсаций на поведение ча­стиц представляет исключительный интерес для пылеулавлива­ния, поскольку в аппаратах чаще всего наблюдается турбулент­ное течение запыленного газового потока. Однако поведение ча­стиц в турбулентном потоке менее изучено, чем в ламинарном. Так, до конца не изучен вопрос о степени увлечения частиц тур­булентными пульсациями. Расчеты показывают, что практически полное увлечение частиц пульсациями происходит при τр≤0,01, т. е. при dч≤60 мкм для частиц с плотностью ρч = 1000 кг/м3. Частицы же размером порядка 1 мм практически не участвуют в пульсациях среды. При Reг>104 в прямоуголь­ном канале (за исключением пограничного слоя) коэффициент турбулентной диффузии частиц DT(м2/с) является постоянной ве­личиной и может быть определен по формуле Другая формула для оценки коэффициента турбулентной диф­фузии частиц на расстоянии zот поверхности (опять-таки вне по­граничного слоя) где - характерная для данного потока скорость турбулентных пульсаций, м/с. При движении газа по трубам (или другим каналам) величи­на зависит как от турбулентности газового потока, так и от шероховатости поверхности и рассчитывается экспериментально по формуле где RTP- радиус трубы, м; - изменение давления (градиент давления) по длине трубы, Па/м. Величина может быть рассчитана с учетом фактора трения из выражения где и тогда В гладких трубах при <105 для расчета величины мож­но воспользоваться формулой 1.9. При турбулентном течении газового потока особо важную роль играет пограничный слой. Скорость диффузионного осаж­дения частиц j в 1/(м2·с) из турбулентного потока на стенках трубы для модели пограничного слоя может быть рассчитана по формуле где -начальная концентрация частиц в потоке, 1/м3; - диаметр тру­бы, м. При выводе формулы учитывалась диффузия как за счет тур­булентного, так и за счет молекулярного процесса переноса вещества, причем ввиду малой скорости диффузионного осаждения и больших скоростей газового потока при расчете было принято допущение, что концентрация аэрозоля не изменяется в направ­лении течения и зависит лишь от расстояния до стенки трубы. Диффузионный поток частиц на сферу (каплю), взвешенную в турбулентном потоке, может быть оценен по формулам, применение которых определяется соотношением диаметра шара dши величиной внутреннего масштаба турбулентности λ0. При dш>>λ0 а при dш<<λ0 где - скорость газового потока относительно сферы, м/с. Ниже приводятся данные по скорости диф­фузионного осаждения частиц на стенке из турбулентного потока в виде зависимости безразмерного отношения (скорость осаждения частиц за счет турбулентной диффузии, м/с) от диаметра частиц (при = 0,15 см2/с): Диаметр частиц, мкм 10-3 0,19 10-2 0,0056 10-1 0,000034 1 0,0000052 Из приведенных данных следует, что скорость осаждения час­тиц за счет диффузии невелика и к тому же резко уменьшается с ростом размера частиц. Значительно большее значение на практике имеет инерцион­ное осаждение частиц из турбулентного потока. Известно, что скорости пульсаций по мере приближения к стенке возрастают и начинают убывать лишь на очень малом расстоянии от нее. С другой стороны, диаметр вихрей по мере приближения к стенке убывает, а перпендикулярные к стенке мелкомасштабные пульса­ции наблюдаются уже на расстоянии от стенки порядка несколь­ких микрометров. Поэтому несмотря на полное увлечение частиц турбулентными пульсациями в центральной части потока вблизи стенок на них могут воздействовать значительные инер­ционные силы, способствующие их осаждению. Инерционное осаждение в турбулентном потоке происходит и при обтекании газом тел, установленных или движущихся на­встречу потоку. Осаждение происходит как на наветренной, так и на подветренной стороне тела, причем иногда на подветренной стороне осаждение происходит интенсивнее. Последнее обстоя­тельство объясняется описанными выше гидродинамическими условиями обтекания тела. Наилучшие условия для подветренно­го осаждения достаточно вы­сокая для инерционного осаждения частиц скорость в вихрях и не слишком быстрое их удаление от обтекаемого тела. Примером использования турбулентности для инерционного осаждения частиц из газового потока, очевидно, может служить скруббер с плоскопараллельной насадкой [2]. В этом аппарате газовый поток движется по щелевым каналам шириной 6 мм меж­ду вертикально установленными стальными листами насадки. Скруббер обеспечивал высокую эффективность при улавливании высокодисперсной свинцовой пыли, причем степень очистки возра­стала с повышением скорости в каналах с 3,2 до 7,8 м/с. Удельное орошение насадки изменялось в пределах от 0,2 до 0,5 л/м3. Среди экспериментальных исследований по инерционному осаждению частиц из турбулентного газового потока наибольший интерес представляют опыты, проведенные со сферическими частицами размером 0,8-0,5 мкм в вертикальных трубах диамет­ром 0,54-2,4 см. Результаты опытов с частицами dч = 0,8 мкм в трубе диаметром 0,54 см приведены на рис. 2.12 в виде зависимо­сти j/n'. Как видно из графиков, приведенных на этом рисунке, осаждение частиц наблюдается не сразу за входом газов в трубу, а на определенном рас­стоянии от входа (вм), соответствующих значе­нию /.Подобное значение соответствует началу турбулизации пограничного слоя у пластины с острыми краями. Рисунок 2.12 - Осаждение частиц размером dч = 0,8 мкм на стен­ках трубы длиной при тур­булентном течении: 1 - = 14900; 2 - =12800. Есть предположение, что осаждаются все части­цы, которые приблизились к стенке на расстояние инерционного пробега частицы , причем начальная скорость , сообщаемая частице, соответствует средней квадратичной скоро­сти турбулентных пульсаций в перпендикулярном стенке направ­лении на расстоянии от стенки. Величина определялась из соотношения = 0,9 *. В результате было получено выражение для расчета осажде­ния частиц Для расчета эффективности осаждения частиц при турбулент­ном течении газового потока на трубчатых и пластинчатых поверх­ностях было предложено использовать формулу, аналогичную известной формуле Дейча где - скорость турбулентного осаждения взвешенных частиц, м/с; -длина трубы или канала, м; Dэ- эквивалентный диаметр канала (для плоско-параллельных каналов Dэ = 2h, где h- ширина канала), м. На основании теории турбулентной миграции частиц в сторону стенки предложена корреляционная зависимость где /- относительная скорость турбулентного осаждения; А - коэффициент пропорциональности;/- корреляционный параметр. В результате математической обработки экспериментальных данных, полученных различными исследователями, была получена эмпирическая зависимость Зависимость (2.90) верна до значения K=16,6, выше которого , и формула (2.88) предельно упрощается. 2.10 Использование электромагнитного поля для осаждения взвешенных частиц Если твердая частица, не имеющая природных магнитных свойств, но получившая электрический заряд q(Кл) при движе­нии в газах со скоростью υч, будет введена в магнитное поле с напряженностью Н (А/м), она будет подвержена действию силы Fм(Н), направленной под прямым углом и в направлении поля, и в направлении ее движения. В результате такого воздействия части­ца будет вращаться вокруг оси, проходящей через частицу и па­раллельной магнитному полю. Благодаря вращению направление результирующей силы непрерывно меняется и частица описывает спираль. Броуновское движение препятствует ориента­ции частиц, поэтому степень ориентации возрастает с увеличени­ем Н. Уравнение, характеризующее поведение частицы в магнитном поле (в вакууме), имеет следующий вид: где - абсолютная магнитная проницаемость вакуума (=1,257· ·10-6 Г/м); R- радиус вращения частицы, м. В случае применимости закона Стокса конечная скорость час­тицы в магнитном поле может быть рассчитана по формуле гдеμ - относительная магнитная проницаемость. В соответствии с формулой (2.92) скорость дрейфа частицы в магнитном поле пропорциональна скорости газов, т. е. при боль­шей скорости газов частица скорее может быть выведена из газо­вого потока. При вводе в магнитное поле свободно вращающихся маленьких частиц, имеющих магнитные свойства, можно предположить, что они будут перестраиваться в соответствии с направлением силовых линий магнитного поля (их концы будут притягиваться противо­положными по знаку полюсами магнитного поля). Расчет движе­ния магнитной частицы в этом случае достаточно сложен, так как необходимо учитывать геометрию магнитного поля и газового по­тока, а также положение частицы относительно магнитных полю­сов. Если частица находится в середине магнитного поля (между полюсами), действие сил притяжения и отталкивания уравновеши­вается, и частица будет двигаться через магнитное поле вдоль его оси. Во всех других случаях частица будет перемещаться в сторо­ну ближайшего к ней полюса и, в конечном итоге (при отсутствии действия на нее других сил, помимо магнитных), может столкнуться с другими взвешенными частицами, образуя укрупненные агло­мераты. Этот способ осаждения частиц еще не нашел промышленного применения, однако теоретические и экспериментальные работы показывают, что в определенных условиях (при улавливании ферромагнитных частиц) его можно будет использовать практи­чески. 2.11 Суммарная эффективность улавливания частиц под воздействием различных механизмов осаждения Обычно улавливание частиц аэрозоля осуществляется в пыле­уловителе под воздействием нескольких механизмов осаждения одновременно. Предложен ряд эмпирических формул для расчета эффективности при совместном действии двух и более механизмов осаждения. Например, для расчета суммарного воздействия трех механизмов осаждения: инерции, зацепления и диффузии - было предложено следующее уравнение: Поскольку отдельные механизмы осаждения взаимосвязаны, общую эффективность нельзя представить в виде суммы Лучшее приближение достигается при допущении, что частицы, не уловленные в результате действия одного из механизмов, будут улавливаться за счет действия других. Общая эффективность осаждения в этом случае может быть описана уравнением вида Если один или два механизма играют решающую роль при улавливании частиц, то в этом конкретном случае следует рассчи­тывать величину η по наиболее вероятным механизмам осажде­ния. Остальные механизмы в этом случае будут играть второсте­пенную роль и ими можно пренебречь. 3 КОАГУЛЯЦИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Увеличение среднего размера частиц в результате коагуляции (процесс слияния частиц при соприкосновении друг с другом) зна­чительно облегчает последующее их осаждение. Сближение ча­стиц может происходить за счет броуновского движения (тепловая коагуляция) или под действием гидродинамических, электриче­ских, гравитационных и других сил, которые накладываются на броуновское движение и упорядочивают движение частиц. Скорость коагуляции многих аэрозольных частиц подчиняется следующему закону: где n- концентрация частиц в некоторый момент времени т, 1/м3; К - констан­та коагуляции, м3/с. Скорость убывания счетной концентрации частиц в результате процесса коагуляции может быть определена из выражения где N - скорость коагуляции - величина, соответствующая числу встреч частиц в единице объема в единицу времени, 1/(м3·с). Согласно выражению (3.2), в начальный момент времени, ког­да счетная концентрация частиц велика, коагуляция протекает с большой скоростью, но затем скорость ее быстро падает. 3.1 Тепловая коагуляция Константа тепловой коагуляции Кбр(в м3/с) может быть рассчитана по формуле В тех случаях, когда средняя длина пробега газовых молекул соизмерима с размером частиц, в выражение (3.3) вводится по­правка Кинингема - Мелликена: При сравнении экспериментальных величин констант тепловой коагуляции было установлено, что процесс коагуляции мало зависит от природы аэрозоля. Согласно теоретическим и экс­периментальным данным, полидисперсные аэрозоли коагулируют быстрее монодисперсных. Особенно быстро происходит поглоще­ние мелких частиц крупными, однако увеличение скорости коагу­ляции за счет полидисперсности не превышает 10%. Скорость броуновской коагуляции в 1/(м3·с) может быть подсчитана по формуле Как следует из выражения (3.5), скорость тепловой коагуля­ции растет с увеличением температуры газов Тг. Но, поскольку вязкость газов, влияющая на величину Dч, также растет с повышением температуры, будет увеличивать­ся не прямо пропорционально Тг. Скорость коагуляции малых час­тиц возрастает также с понижением давления (благодаря увели­чению СK). Броуновская коагуляция имеет существенное значение в самый начальный момент образования высокодисперсного аэрозоля, так как способствует практически мгновенному укрупнению частиц. За счет броуновской коагуляции дисперсный состав пыли в техноло­гических газах, поступающих на газоочистку, практически всегда характеризуется большей крупностью частиц, чем в момент их об­разования в реакторе (источнике пылеобразования). Средняя масса частиц mч(кг) в момент времени τ при К=const может быть определена по формуле [8]: где z- массовая концентрация частиц, кг/м3. 3.2 Градиентная коагуляция При наличии поперечного градиента скорости газов в потоке происходит градиентная коагуляция. В ка­честве примера можно привести течение газов у твердой стенки. Частица, находящаяся ближе к стенке, движется с меньшей ско­ростью, чем частица, расположенная дальше от нее. Если при этом расстояние между ними меньше суммы их размеров, то частицы должны встретиться. Скорость градиентной коагуляции (в 1/м3·с) может быть определена по формуле где Г- градиент скорости, 1/с. Отношение скоростей градиентной и тепловой коагуляции для монодисперсного аэрозоля равно При dч=1мкм и Г=20 1/с отношение/= , т. е. эффект градиентной коагуляции ничтожен. У грубодисперсного аэрозоля ( = 20 мкм) при том же значении Г, равном 20 1/с, отношение /= 16, т. е. коагуляция происходит даже при не­большом градиенте. Градиентная коагуляция весьма интенсивна в при стенном слое при турбулентном движении газового потока. Значение градиен­та у стенки составляет где Гст- градиент скорости у стенки, 1/с. Как уже указывалось выше, в гладких трубах при Reг<105 значение может быть найдено из выражения (1.9). Причем отно­шениепри Reг = 300 - 100000 находится в пределах 14 - 28. Отсюда при =10 м/с и νг=15-10-6 м2/с значение Гст=1041/с. В этом случае для частиц размером dч=10-7м (Dч = 6,1··10-10 м2/с) отношение Nгр/Nбр= 0,07, а для частиц размером dч=10-6 м составляет Nгр/Nбр= 160, т. е. в при стенном слое значи­тельное ускорение градиентной коагуляции наблюдается уже при: dч = 1мкм. Градиентная коагуляция ограничена в основном тонким при­ стенном слоем и поэтому оказывает существенное влияние при движении потока по длинным трубам или при развитой поверхно­сти контакта. 3.3 Турбулентная коагуляция При турбулент­ном движении газового потока решающую роль в организации встреч частиц играют турбулентные пульсации. В турбулентном потоке возможны два механизма коагуляции. Первый реализуется при полном увлечении частиц аэрозо­ля турбулентными пульсациями. Этот механизм имеет преимуще­ственное распространение при плотности частиц, мало отличаю­щейся от плотности потока. В случае аэрозольных частиц, плот­ность которых примерно в 103 раза больше плотности газов пол­ного увлечения частиц не происходит. Поэтому для аэрозольных частиц этот механизм имеет второстепенное значение. Наибольший коагуляционный эффект в турбулентном газопылевом потоке осу­ществляется благодаря второму механизму, получившему назва­ние механизм ускорения. Коагуляция за счет механизма ускорения осуществляется бла­годаря различию в плотности газового потока и частиц аэрозоля. Скорости, приобретаемые частицами, зависят от их массы и имеют существенное различие в полидисперсных системах. Благодаря различию в скоростях движения частиц и происходит встреча этих частиц, сопровождающихся их коагуляцией. Скорость турбулентной коагуляции по первому механизму мо­жет быть выражена в виде формулы Подставляя значение εт в формулу (3.10), получим для случая движения потока по трубе (=Dтр) Формулы (3.10) и (3.11) справедливы при условии, что до самого соприкосновения частиц преобладает турбулентная диффу­зия, т. е. Dт>Dч, для чего необходимо соблюдение неравенства При несоблюдении неравенства (3.12) даже в турбулентном потоке коагуляция определяется формулой (3.5). Расчеты показывают, что при скорости воздуха 10 м/с, диамет­ре трубы 1 м и температуре 20°С (=15-10-6 м2/с) неравенство (3.12) будет иметь место для частиц размером dч≥10-6м. Более мелкие частицы порядка dч=10-7м коагулируют исключительно за счет броуновской коагуляции. Скорость турбулентной коагуляции по второму механизму (ме­ханизму ускорения) определяется по формуле [2] где - коэффициент, характеризующий распределение частиц по размерам; - средний размер частиц, м. Как уже указывалось, подобный механизм коагуляции возмо­жен только в случае полидисперсного аэрозоля. Подставляя в формулу (3.14) значение εт, получим Таким образом, при прочих равных условиях скорость коагуля­ции за счет механизма ускорения в значительной степени опреде­ляется скоростью газового потока(). При турбулентном дви­жении сильнее искажаются линии тока мелких частиц аэрозоля, движущихся мимо более крупной частицы, чем инерционные силы. Поэтому при рассмотрении турбулентной коагуляции, каждая встреча, рассчитанная на основе прямолинейных траекторий, при­водит к коагуляции. Сравним оба механизма коагуляции в турбулентном потоке с броуновской коагуляцией. Согласно формулам (3.5) и (3.13), отношение между скоростью коагуляции, вызванной турбулентным перемешиванием, и скоростью коагуляции, происходящей благода­ря броуновской диффузии, можно представить в виде При υг=10 м/с; Dтр=1 м; νг=15·10-6 м2/с (воздух при темпе­ратуре 20°С) и dч=10-7 м (Dч=6,1·10-10 м2/с) отношение Nт/Nбр≈0,007; при тех же условиях, но большем размере частицdч=10-6 м (Dч = 2,7-10-11 м2/с), а Nт/Nбр≈15. Таким образом Nт>≈Nбрдля частиц размером dч=10-6м и более. Сравнивая скорость коагуляции со скоростью коагуляции Nти принимая ρч/ρг≈103, а β=1 получим: Если сохранить принятые выше условия течения газа по трубе (диа­метром 1 м), то Nуск/Nт≈56·106dч. Таким образом, второй меха­низм при турбулентной коагуляции частиц в газовом потоке являет­ся преобладающим даже для частиц диаметром dч=10-7 м, когда коагуляция протекает в основном за счет броуновской диффузии. Для частиц же размером dч=10-6м Nуск во много раз превосхо­дитNт. Сопоставим скорость турбулентной коагуляции, протекающей по второму механизму, со скоростью градиентной коагуляции в при стенном слое (при турбулентном движении потока). В этом случае при ρч/ρг≈103, а β=1 Если принять υг=10 м/с; Г=104 1/с; Dтр=1 м и νг= 15·10-6 м2/с, то Таким образом, можно сделать вывод, что механизм ускорения преобладает над градиентной коагуляцией уже при dч=10-6 м. 3.4 Кинематическая коагуляция Процесс ки­нематической коагуляции протекает при относительном движении частиц различного размера, возникающем под воздействием внеш­них сил и при разных скоростях. Наиболее распространенный при­мер кинематической коагуляции - осаждение частиц на каплях, падающих под действием силы тяжести (гравитационная коагуляция). Теория кинематической коагуляции различна для крупных и мелких частиц, причем в первом случае можно пренебречь диффузией час­тиц. Если рассматривать процесс при свободном падении со скоро­стью υс крупной шарообразной ча­стицы (капли) через аэрозоль, со­стоящий из мелких частиц, ско­рость, падения которых незначи­тельна, то число мелких частиц, захваченных в 1 с крупной частицей (каплей), или другими словами скорость кинематической коа­гуляции может быть определена по формуле где dк- диаметр капли, м; - коэффициент захвата частиц. В этом случае коэффициент захвата можно рассматривать как эффективность осаждения за счет инерционных сил. Соответству­ющая величина при потенциальном обтекании шарообразного тела в зависимости от критерия Stk приведена на рис. 2.6. Для расчета величины при потенциальном обтекании можно воспользоваться также формулой (2.30). Рисунок3.1 - Зависимость коэффициента за­хвата каплями частиц от отношения dч/dкдля капель различных диаметров (мкм): 1 - 38; 2 - 40; 3 - 50; 4 - 60. Если скоростью осаждения мелких частиц пренебречь нельзя, то расчеты следует вести по относительной скорости движения. В этом случае распределение скоростей в обтекающем крупную частицу газовом потоке и коэффициент захвата несколько изменя­ются, причем это изменение будет расти по мере сближения разме­ров крупных и мелких частиц. Значения коэффициента захвата падающими водяными каплями в случае вязкого течения при dч/dк>0,2 приведены на рис. 3.1. Согласно данным, приведенным на этом рисунке, при dк<36 мкм маленькие частицы ими не захватываются. Однако зна­чение не равно нулю для частиц любой величины. Ниже приво­дятся рассчитанные минимальные значения коэффициента захвата, отнесенные к поперечнику большой частицы: dч/dк……………... 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 Коэффициент за­хвата : при вязком течении…………. 1,25 0,83 0,48 0,22 0,06 0,014 0,0036 0,001 при потенциальном течении……. 3,50 2,69 1,93 1,25 0,62 0,30 0,15 0,075 Действительные значения должны быть выше приведенных, что объясняется изменением линий движения мелких частиц при падении большой частицы. На кинематической коагуляции основано осаждение частиц рас­пыленной водой в мокрых пылеуловителях. При этом капли либо движутся через аэрозоль только под действием силы тяжести (по­лые форсуночные скрубберы), либо вводятся в аэрозоль со ско­ростью, превосходящей скорость их седиментации (скрубберы Вентури). Оценим первый случай, рассчитав скорость кинематической коагуляции при свободном падении капель жидкости размером 2·10-4 м. При потенциальном обтекании капли газовым потоком величину коэффициента захвата можно рассчитать по формуле (1.30). Для принятых условий (μг= 18·10-6 Па·с, υc = 0,7 м/с, ρч= 2·103) коэффициент можно считать реальным для частиц размером dч = 3·10-6 м (≈0,14). С уменьшением размера частиц величина будет стремиться к нулю, и кинематическая коагуля­ция практически не протекает, учитывая, что отношение dч/dкмало и эффектом зацепления можно пренебречь. Отношение Nкин/Nбрв этом случае (dч=3·10-6м, Dч = 8,210-12 м2/с) составит а отношение Nкин/Nуск(при υг=10 м/с; Dтр=1 м; ρч/рг≈103и β≈1) будет равно Из формул (3.20) и (3.21) следует, что даже при такой не­значительной величине коэффициента захвата, как = 0,14, кине­матическая коагуляция доминирует как над броуновской, так и над турбулентной. Для распространения эффекта кинематической коагуляции в направлении более мелких частиц (10-6 м и менее) необходимо применять второй метод, т. е. создавать высокие относительные скорости между каплями и газом. Однако он связан со значитель­ными расходами энергии. Так, например, для достижения анало­гичной эффективности кинематической коагуляции при тех же ус­ловиях для частиц размером dч=10-6м потребуется относитель­ная скорость 6,48 м/с, а для частиц dч=10-7 м - 648 м/с (послед­нее, конечно, не реально). Расчеты показывают, что при относительной скорости 100 м/с и сохранении исходных условий та же величина Nкинбудет сохра­няться для частиц размером dч=2,54·10-7 м (Dч=1,6·10-10 м2/с). В этом случае (с учетом υг=100 м/с) преобладание кинематиче­ской коагуляции как над броуновской, так и над турбулентной бу­дет еще большим: Nкин/Nбр≈4,3·108 и Nкин/Nуск≈107. Это указывает на более интенсивный характер кинематической коагуляции по сравнению с другими видами слияния частиц при соприкосновении за счет механических сил. 3.5 Электрическая коагуляция Во многих слу­чаях взвешенные в газах частицы в зависимости от происхожде­ния и химического состава несут на себе положительный или отри­цательный электрический заряд. Этот естественный электрический заряд взвешенных частиц ус­ловно носит название трибозаряда. Электрические заряды можно сообщать взвешенным частицам и искусственно, путем, например, воздействия на газы различных ионизаторов, использования коронного разряда (электрофильт­ров), создания контакта с заряженными телами. В большинстве случаев неметаллические взвешенные частицы в естественных ус­ловиях заряжаются положительно, а металлические частицы - от­рицательно; соли заряжаются в зависимости от их химического состава. В промышленных газах число положительно заряженных частиц, получивших естественные электрические заряды, может быть равно числу отрицательно заряженных, что, как правило, на­блюдается для весьма мелких частиц при их однородном химиче­ском составе. В ряде случаев преобладают частицы, несущие заряд одного знака. При коагуляции монодисперсных частиц, с зарядами q1и q2(одинакового или противоположного знака) си­лы электрического взаимодействия накладываются на броуновское движение, увеличивая или замедляя коагуляцию в зависимости от знака заряда частиц. Отношение скорости коагуляции частиц при наличии на них электрических зарядов NE к скорости броуновской (тепловой) коагуляции Nбp можно представить в виде β= NE/Nбp (3.22) Отбрасывая индукционные силы, как не оказывающие большо­го влияния, Н. А. Фукс получил достаточно простые формулы для расчета величины β в случае биполярной зарядки частиц при одноименных зарядах (отталкивание): и при разноименных (притяжение): Здесь величина находится из выражения Так как на практике в большинстве случаев происходит сим­метричная биполярная зарядка, примем величину = 0,5. Тогда для разноименных зарядов β=1,271 и для одноименных -0,770, т. е. частицы с разноименными зарядами будут коагулировать не­сколько быстрее, а с одноименными - медленнее, чем нейтраль­ные частицы. Поскольку среднеарифметическое значение, состав­ляет 1,02, суммарный эффект зарядки на коагуляцию весьма не­значителен. Обычно естественный заряд взвешенных частиц составляет от 1 до 10% искусственного заряда, который частица может полу­чить, например, в зоне коронного разряда. В табл. 3.1 приведены результаты расчета предельного числа зарядов частиц разных размеров, находящихся в электрическом поле, заполненном ионами одного знака. Таблица 3.1 - Предельное число элементарных зарядов, получаемых частицей в электрическом поле, заполненном ионами одного знака Диаметр частицы, мкм Относительные диэлектри­ческие свойства частицы Число зарядов, получаемое частицей ε Воздействием поля Е, В/м За счет ионной диффузии 1,5·105 3,0·105 0,4 1 4 ∞ 1 2 3 4 8 13 8 16 25 38 1,0 1 4 ∞ 1 2 3 26 52 78 52 104 157 95 2,0 1 4 ∞ 1 2 3 105 210 314 210 420 630 207 10,0 1 4 ∞ 1 2 3 2600 5220 7870 5220 10450 15680 1050 20,0 1 4 ∞ 1 2 3 10500 21000 31400 21000 42000 63000 2100 Когда частицы попадают в электрическое поле, на них инду­цируется заряд и скорость коагуляции значительно возрастает. Электрическое поле напряженностью Е возбуждает в находящих­ся в нем шаровых частицах с диаметром dч электрические диполи с моментом Р (Н/м), равным Сила взаимодействия между двумя такими диполями, центры которых находятся на расстоянии друг от друга, определя­ется: где - угол между направлением поля и линией центров частиц. Частицы притягиваются в том случае, когда они расположены вдоль направления поля, и отталкиваются при расположении пер­пендикулярно к нему. Строгое решение задачи коагуляции частиц в электрическом поле представляет значительные трудности. В случае упрощения, задачи (при отсутствии учета теплового движения частиц) ско­рость движения двух частиц навстречу друг другу, соответствую­щая максимальному притяжению (=0), равняется а время τ (в с), необходимое для соприкосновения частиц, находящихся в начальный момент τ’=0 на расстоянии , составит Оценим продолжительность соприкосновения частиц по форму­ле (1.127) при следующих условиях: μг=18·10-6 Па·с (воздух при 20°С), Е=3·105 В/м, массовая концентрация пыли z= 5 г/м3; ρч=103 кг/м3. Тогда, счетная концентрация частиц размером dч=10-7 м составит n=1016 1/м3, а расстояние между ними (при рав­номерном распределении частиц в газовом потоке) = 5·10-6 м. Для частиц размером =10-6м соответственно получим n=1013 1/м3 и = 5·10-5м. Продолжительность соприкосновения для час­тиц обеих диаметров τ составит ≈5,6·103 с. Для того, чтобы частицы соприкоснулись уже через 1 с, необ­ходимо частицы размером =10-7 м сблизить на расстояние ≈1,4·10-7 м, а частицы размером =10-6 м - на расстояние ≈1,4·10-6м. Отсюда следует, что механизм коагуляции частиц в электриче­ском поле заключается в предварительном сближении их под дей­ствием диффузии на расстояние, достаточное для активного воз­действия на них электрических сил. Что величина β в случае поляризации частиц в электрическом поле является функцией величины α1, оп­ределяемой по формуле Ниже приводятся данные, характеризующие влияние электри­ческого поля на скорость коагуляции туманов (в виде зависимости среднего значения от : …… 1 2 3 5 10 20 ……. 1,0 0,95 1,07 1,7 3,4 6,8 Далее Оценим величину при нормальной температуре (Тг=293 К). В этом случае При достаточно сильном электрическом поле Е = 3·105 В/м для частиц размером dч=10-6м величина ≈90, а для частиц разме­ром dч=10-7м ≈0,09. Таким образом, для частиц порядка 1 мкм величина 30, а для частиц порядка 0,1 мкм она меньше 1. 1 - броуновский; 2 - турбулентный; 3 - электриче­ский (Е=3·105 В/м); 4 - градиентный (градиент ско­рости у стенки 104 1/с"); 5 - ускорения; 6 - кинема­тический (относительная скорость газов и частиц υог =0,7м/с; dK=2·10-4 м); 7 - кинематический (υог =100 м/с; dK=2·10-4 м). Условия: скорость газов в газоходе 10 м/с; диаметр газохода 1м; ρч=1000 кг/м3. Рисунок 3.2 - Сопоставление механизмов коагуля­ции (в воздухе при нормальных условиях). Из приведенных выше расчетов следует, что заметное ускоре­ние электрической коагуляции достигается лишь при сильных электрических полях. Скорость электрической коагуляции резко падает с уменьшением размера частиц, и у частиц порядка 10-7 м преобладает коагуляция за счет броуновской диффузии. При коагуляции в электрическом поле твердых частиц образующийся «двойник» ориентируется своей длин­ной осью параллельно полю, и его дипольный момент в этом положении значительно больше, чем у первичных частиц. Коагуляция «двойника» с дру­гими частицами происходит преиму­щественно у его концов, благодаря чему он растет в длину. Ско­рость коагуляции при этом достаточно быстро возрастает, а полу­чаемые в результате коагуляции агрегаты приобретают форму ни­тей или цепочек. Сравнительную оценку рассмотренных выше механизмов коа­гуляции можно сделать на основании рис. 3.2, где приводятся за­висимости N/(n')2от dч. Помимо приведенных на рис. 3.2 можно перечислить и другие механизмы коагуляции частиц: акустический, магнитный, за счет вибрации частиц в вибрирующем газовом потоке и др. Из них наи­более изучена коагуляция частиц в ультразвуковом поле. 3.6 Акустическая коагуляция Устройство, реализующее данный процесс состоит из камеры коагуляции, генератора звуковых волн и бункера для сбора наиболее крупных частиц пыли, осаждаемых из газа при коагуляции пыли. Для получения звуковых волн применяют электро­магнитные, электростатические, газоструйные, пьезоэле­ктрические и механические генераторы. Электростати­ческие и электромагнитные генераторы по принципу действия сходны с репродукторами с небольшой выход­ной мощностью. В промышленных установках большей частью применяют механические газоструй­ные генераторы, к которым относятся сирены, дающие возможность менять частоту колебания звуковых волн изменением числа оборотов ротора (рис. 3.3). Ротор таких сирен вращается со скоростью 12 -16 тыс. об/мин. Расход электроэнергии составляет 10 кВт на каждые 1000 м3 газа в 1 ч; давление возбуди­теля колебаний (воздух, газ, пар) 200 кН/м2 (2 ат). Уровень силы звука для успешной коагуляции пыли должен быть равным 100 - 170 дБ. Эффективность коагуляции зависит как от частоты звука, так и его ин­тенсивности. Для коагуляции частиц пыли под воздействием звуковых волн основное значение имеют условия передачи колебаний от газовой среды к частицам пыли. В России применяют частоту колебаний звуковых волн равной 3 - 5 кГц при интенсивности звука 0,5 Вт/см2 и продолжительности действия от 2 до 4 с. За рубежом частота излучения составляла от 1 до 30 кГц. При этом интенсивность звука составляла от 0,04 до 0,1 Вт/см2. 1 - труба для ввода запы­ленного газа; 2 - камера коагуляции; 3 - генератор звука; 4 - трубопровод сжа­того воздуха; 5 - компрес­сор; 6 - труба для вывода газа Рисунок 3.3 - Схема акустического пыле­уловителя. Для обеспечения эффективной коагуляции частиц пы­ли необходимо, чтобы звуковые волны действовали на запыленный газовый поток определенное время. В част­ности, исследования показали, что при воздействии звуковых волн продолжительностью 2,8 -3,6 с степень коагуляции пыли составляла 65%. При повышении времени действия от 14 - 21 с она возросла до 70 - 95%. В Японии время действия звука на газовый поток составляло 10 с, а степень коагуляции пыли 89 - 98%. Акустическая коагуляция проходит более интенсивно при высокой температуре газа. Пылеулавливающие установки акустического дей­ствия отличаются простотой и компактностью. Они дают возможность улавливать частицы размером менее 1 мкм при высокой температуре газа. Акустические пылеуло­вители взрыво- и пожаробезопасны. К недостаткам акустических пылеуловителей следует отнести высо­кий расход энергии (0,7 - 2 кВт на 1000 м3 газа), боль­шой расход возбудителя колебаний (около 1 м3 воздуха на 1 м3 очищаемого газа), тяжелые условия труда обслу­живающего персонала. 4 МОКРОЕ ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запы­ленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взве­шенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки газов от пыли считается достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом обеспыливания. Мокрые пылеуловители имеют ряд преимуществ перед аппара­тами других типов. 1. Аппараты мокрого типа отличаются сравнительно неболь­шой стоимостью и более высокой эффективностью улавливания взвешенных частиц по сравнению с сухими механическими пыле­уловителями. 2. Мокрые пылеуловители (например, скрубберы Вентури) мо­гут быть применены для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм. 3. Мокрые пылеуловители не только могут успешно конкуриро­вать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как ру­кавные фильтры или электрофильтры, но и использоваться в тех случаях, когда эти аппараты обычно не применяются, например при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгораний и взрывов очищенных газов или улавливае­мой пыли. 4. Аппараты мокрого типа могут одновременно с очисткой газов от взвешенных частиц улавливать парообразные и газообразные компоненты, т. е. их можно использовать в качестве абсорберов, а также для охлаждения и увлажнения газов в качестве теплооб­менников смешения. Однако метод мокрого обеспыливания имеет и ряд недостат­ков. 1. Улавливаемый мокрыми пылеуловителями продукт выделя­ется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточ­ных вод и, следовательно, с удорожанием процесса очистки. 2. При охлаждении очищаемых газов до температуры, близкой к точке росы, а также при механическом уносе из газоочистного аппарата газовым потоком капель жидкости пыль может осаж­даться в газопроводах, дымососах и дымовых трубах. Кроме того, брызгоунос приводит к безвозвратным потерям орошающей жид­кости. В случае очистки агрессивных газов аппаратуру и коммуни­кации необходимо защищать антикоррозионными материалами. В качестве орошающей жидкости в мокрых пылеуловителях чаще всего применяется вода; при совместном решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обусловливается процессом абсорбции. Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей до на­стоящего времени не имеется. Обычно они подразделяются на группы в зависимости от поверхности контакта или по способу действия: 1) полые газопромыватели (оросительные устройства; промывные камеры; полые, форсуночные скрубберы); 2) насадочные скрубберы; 3) тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты); 4) газопромыватели с подвижной насадкой; 5) мокрые аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны); 6)мокрые аппараты центробежного действия; 7) механические газопромыватели (механические скрубберы, динамические скрубберы); 8) скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури, эжекторные скрубберы). Помимо перечисленных групп к мокрым пылеуловителям в ка­кой-то степени могут быть отнесены также мокрые электрофиль­тры, орошаемые волокнистые фильтры и аппараты конденсацион­ного действия. Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту груп­пу входят форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые центро­бежные аппараты и др. К средненапорным мокрым пылеуловите­лям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па отно­сятся некоторые динамические скрубберы, газопромыватели удар­но инерционного действия, эжекторные скрубберы. Группа высоко­напорных газопромывателей с гидравлическим сопротивлением больше 3000 Па включает в основном скруббера Вентури и дезинтеграторы. В результате контакта запыленного газового потока с жидкостью образуется межфазная поверхность контакта (поверхность осаждения), которая имеет большое значе­ние при анализе работы и расчете эффективности мокрых пыле­уловителей. Поверхность контакта зависит от метода ввода (диспергирова­ния) одной фазы в другую. При диспергировании газового потока в жидкость (тарельчатые аппараты) образуются газовые струи и пузырьки, причем по мере потери энергии газовые струи вновь рас­падаются на отдельные пузырьки. При диспергировании жидкости в газовый поток образуются жидкие струи, распадающиеся на кап­ли. Помимо пузырьков и капель в ряде аппаратов роль поверхно­сти контакта играет пленка жидкости, стекающая по поверхности насадки (насадочные скрубберы) или по внутренним стенкам ап­парата (циклон с мокрой пленкой). Ниже приведены виды поверхности контакта фаз, характерные для различных мокрых пылеуловителей: Мокрый пылеуловитель Вид поверхности контакта Полый форсуночный скруббер Капли Насадочный скруббер Пленка Тарельчатый аппарат Газовая струя и пузырьки Скруббер с подвижной насадкой Газовая струя, пузырьки и пленка Центробежный скруббер Капли и пленка Аппараты ударно-инерционного действия Капли Динамический газопромыватель » Скруббер Вентури » Таким образом, в ряде аппаратов встречаются два и более видов контакта газового потока с орошающей жидкостью. В дейст­вительности различные виды поверхностей контакта фаз наблюдаются в большинстве мокрых пылеуловителей. Поэтому приведенные данные следует рассматривать как наиболее характерные для данного типа аппарата. 4.1 Гидродинамика пузырьков В мокрых пылеуловителях поверх­ность контакта между газом и жидкостью в виде пузырьков встре­чается главным образом в тарельчатых аппаратах. Диаметр пузырька зависит от скорости газов и определяется критерием Re0 (для отверстия в тарелке), который равен где - скорость газов в свободном сечении аппарата, м/с; - эквивалентный диаметр отверстия, м; - свободное сечение тарелки, м2/м2. При Re0≈200 диаметр пузырька (м) может быть рассчитан по формуле [2] где - поверхностное натяжение, Н/м. С ростом скорости газового потока размер образующихся пу­зырьков увеличивается. Подобная картина наблюдается при 200<<<2500. Дальнейшее увеличение скорости газов приводит уже к образованию большого числа маленьких пузырьков. При зна­чениях =2100-10000, наиболее характерных для практических условий, величина dпможет быть определена из выражения Скорость подъема пузырьков (м/с) зависит от критерия . Маленькие пузырьки диаметром менее 0,01 см (l начинаются отклоне­ния от закона Стокса. В области 1≤≤10000 закон сопротив­ления при подъеме пузырей имеет тот же вид, что и для твердых шариков при тех же величинах . Поскольку плотность и вяз­кость газов обычно малы по сравнению с плотностью и вязкостью жидкости, величину для случая 500) величина = 0,44 и сопротивление движению капли со стороны окружающей среды рассчитывается по формуле Ньютона. При движении ма­леньких капель применим закон сопротивления Стокса. Таким образом, величину можно определять по тем же фор­мулам, что и коэффициент сопротивления для твердых частиц. На рис. 4.1 показана полученная Ван дер Лиденом кривая, характеризующая зависимость сопротивления среды движению жидких капель диаметром от критерия Вебера []. Эта кривая хорошо согласуется с эксперименталь­ными данными при значениях We = 1 - 5. Экспериментальные исследования конечной скорости падения капель воды в воздухе показали, что до значения диаметра капель ≈0,8 мм их скорость падения не отличается от скорости падения равновесных твердых шариков. Рисунок 4.1 - Зависимость коэффициента сопротивле­ния движения капель от критерия We. Большинство исследователей считают, что при неравномерном (ускоренном) движении капель коэффи­циент сопротивления среды выше, чем при равномерном. Более низкие значения коэффициента сопротивления при ускоренном дви­жении капель были получены Ингебо. Они описываются фор­мулой Капли жидкости, движущиеся в газовом потоке, могут дробить­ся на более мелкие в том случае, когда внешние силы, действую­щие на каплю, преодолевают силы поверхностного натяжения. Дробление одиночных капель, падающих в газовой среде, начинается при диаметре капель более 0,6 - 0,7 см. Оценить величину критического диаметра капли (диаметра, при котором начинается дробление) (в м) можно по формуле где - критическая скорость газов, при которой наступает дробление, м/с. Диаметр капли, образующейся при дроблении, (в м) может быть определен из уравнения где - коэффициент, показывающий, какая часть динамического напора, обу­словленного изменением пульсационных скоростей по длине капли, передается поверхности капли; - линейный масштаб потока, м. При больших значениях величину находят по формуле При малых скоростях газового потока дробления капель не происходит. Лишь с увеличением скорости капля теряет устойчи­вость и начинает дробиться. Граница устойчивости капли обычно определяется критерием We. Однако единого мнения о критической величине критерия Weкр, соответствующей началу дробления, нет. С учетом данных различных исследователей мож­но ограничить значения Weкр следующими пределами: 7400 на смену ламинарному режиму течения приходит турбулентный. Кроме того, при очень малых толщинах пленки про­исходит ее распад на отдельные капли. Распад этот происходит под действием капиллярных сил и зависит от условий смачивания поверхности. Экспериментальное изучение пленочного течения производи­лось для условий стекания жидкости по наклонной или вертикаль­ной стенке. В случае ламинарного течения пленки под влиянием силы тя­жести были получены формулы для расчета основных ее парамет­ров. Значение средней скорости пленки по всему поперечному сече­нию слоя жидкости определяется из выражения где - угол наклона к вертикальной оси. Толщина пленки определяется по одной из формул где - объемный расход жидкости, м3/с; L- ширина пленки, м. Экспериментально было установлено, что профиль скоростей жидкости в пленке представляет собой параболу, причем макси­мальное значение скорости наблюдается на ее поверхности. При ламинарно-волновом течении пленки ее толщина может быть оценена по формуле [2]: При наличии внешних возмущений волновой режим течения пленки переходит в турбулентный даже при значениях , мень­ших 400. Турбулентное течение пленки представляет собой част­ный случай турбулентного течения жидкости со свободной поверх­ностью. В жидкости образуется турбулентный пограничный слой, начинающийся от стенки и на расстоянии от начала пленки поряд­ка (50-100) охватывающий всю пленку. Скорость течения жидкости по толщине пленки (в м/с) под­чиняется степенному закону где у - расстояние от стенки, м. Толщина пленки при турбулентном течении может быть опре­делена из выражения 4.4 Осаждение взвешенных частиц на каплях Улавливание взве­шенных частиц каплями жидкости может происходить за счет дей­ствия практически всех механизмов осаждения. При этом капли рассматриваются как жесткие шары. Влиянием формы капель и их возможным колебанием в пространстве на эффективность осаж­дения частиц можно пренебречь. Сравнительная оценка различ­ных механизмов осаждения показывает, что влияние их на эффективность пылеулавливания далеко не одинаково. На рис. 4.2 приведены получен­ные расчетным путем зависимости параметров осаждения от диамет­ра частиц. Расчеты проводились при следующих условиях: темпера­туре очищаемых газов - 20 °С; (=18∙10-6 Па∙с; =2000 кг/м3; = dк = 2∙10-4м; =0,7 м/с; Е=2,5∙105 В/м; = 2,3. (Заряд частиц рассчитывался с учетом воз­действия электрического поля и диффузии ионов.) Из рис. 3.2 сле­дует, что инерционный параметр является преобладающим даже для частиц диаметром dч=10-7м. Он уступает только электроста­тическому параметру при наличии достаточно сильного поля, причем с ростом размера частиц (в области dч=10-6-10-5 м) их значения сближаются. Рисунок 4.2 - Сопоставление механизмов осажде­ния частиц и эффективности инерционного осаждения по отношению к диффузионному при ламинарном и турбулентном течении газового потока (в воздухе при нормальных условиях; dк = 2·10-4 м; = 0,7 м/с; = 2000 кг/м3; Е = 2,5·105 В/м). Ниже приведены результаты вычислений параметров осажде­ния, проведенных при очень высокой скорости газового пото­ка =152 м/с (горловина трубы Вентури): Улавливаемый продукт Размер частиц, мкм Плотность частиц, кг/м3 Stk D∙106 Сульфат аммония 1,22 1500 3,65 5 13 7,5 Хлорид аммония 0,27 1500 1,8 26 5 0,47 Дибутилфталат 0,58 1000 8,2 11 7 1,7 При расчете электростатических сил исходили из максималь­ной плотности заряда (2,65∙10-9 Кл) на 1 см2 заряженных поверхностей (считая, что более высокие заряды будут стекать в результате ионизации воздуха). Относительную диэлектрическую проницаемость частиц принимали равной: для солей аммония - 6,8; для дибутилфталата - 6. Из приведенных данных видно, что с ростом скорости инерционные силы приобретают несравненно большее значение, чем другие, даже для частиц, значительно мень­ших 1 мкм, и наличии весьма сильного поля зарядки (Е≈13∙105 В/м). Электростатические же силы с уменьшением размера частиц понижаются (прежде всего за счет уменьшения величины заряда). Осаждение за счет броуновской диффузии незначитель­но даже для частиц хлорида аммония размером 0,27 мкм. Для сравнения величины диффузионного осаждения с инер­ционным в работе вводится понятие эффективного ко­эффициента осаждения , который определяется как отношение диффузионного потока к потоку осаждающихся частиц при прямо­линейном движении. Для случая осаждения на капле (шаре) имеем: Величину подставляем из формулы (1.45), принимая dш= dк. Тогда Оценим зависимость (4.18) для случая осаждения на падающей в воздухе при 20 °С и нормальном давлении капли диаметром dк = 2∙10-4 м частиц размером dч=10-6м. При относительной ско­рости капли = 0,7 м/с величина критерия = 9,3; критерия Sc = 5,6∙105 и соответственно =1,33∙10-4. Если осаж­даются частицы диаметром dч=10-7 м, то Sc = 2,5∙104 и =2,310-2. Таким образом, подтверждается сделанный выше вывод о сравнимости по эффективности диффузионного осаждения с инер­ционным при размере частиц, значительно меньшем 1 мкм. Этот прием может быть использован и для оценки диффузион­ного и инерционного, осаждения частиц на каплю, взвешенную в турбулентном потоке. При условии dч0,6∙10-3 м3/м3) целесооб­разно вводить в формулу (2.30) поправку, учитывающую эту ве­личину. Так, для значений порядка 2,0 л/м3 используют формулу действительную в интервале 1≤Stk≤170. При значениях Stk>170 эффективность осаждения частиц на каплях во всех случа­ях выше 0,99, т. е. практически полная. Рассмотрим теперь влияние на эффективность осаждения ча­стиц на каплях направленных движений частиц, для чего сравним эффективность улавливания частиц одиночными каплями за счет инерционной силы и диффузиофореза при следующих допущениях: 1) эффектом зацепления можно пренебречь (dч/dк<5 мкм. Рисунок4.5 - Коэффициент проскока при прохождении тарелки запыленным газо­вым потоком:1 - дырчатая тарелка; 2 - щелевая тарелка. Таким образом, эффективность улавливания в подтарельчатой зоне может влиять на общую эффективность только при улавливании частиц крупнее 5 мкм и достигает значитель­ной величины уже при dч>10 мкм. Рисунок 4.6 - Эффективность осаждения частиц при входе газов в слой пены на тарелке. Рассмотрим теперь инерционное осажде­ние частиц при входе запыленного газового потока в слой пены на тарелке. В этом случае струи газов, сформировавшиеся в отверстиях (щелях) тарелок, с относительно высокой скоростью проникают в слой жидкости на тарелке, образуя газовые пузырьки, диаметр которых dп несколько больше диаметра отвер­стий и ширины щели. При на бегании газовых струй на поверх­ность пузырька за счет сил инерции происходит интенсивное осаж­дение частиц пыли на поверхности пленки, аналогичное осажде­нию частиц в щелевых приборах. Эффективность подобного вида осаждения (иногда называемо­го «механизмом удара»), как и любого другого инерционного осаждения, определяется критерием Стокса. Эффективность осаждениярассматривалась в зависимости от , причем эффективность при круглых (дырча­тых) отверстиях размером d0была примерно в 1,5 раза больше, чем у щелевых шириной b = d0. Очевидно, это указывает на иден­тичность обеих зависимостей при условии, что в критерия в качестве линейного параметра входит эквива­лентный диаметр отверстия dэ, равный d0(при дырчатых отверсти­ях) и b(при щелевых). Величина представляет собой истинную скорость газов в отверстиях. На рис. 4.6 приведена кривая, характеризующая зависи­мость от , пересчитанная на значения критерия Stk, при =dэ. Как видно из рисунка, при критерии Stkкр, равном 0,049, =0, а при значении Stkкр, равном 0,32, =l. Можно также использовать другое выражение для расчета эф­фективности осаждения взвешенных частиц в момент образования пузырьков: где - высота исходного слоя жидкости на тарелке, м; - высота слоя пены, м. Отношение /находится в пределах от 0,35 до 0,65. 4.6 Осаждение взвешенных частиц в пузырьках В обычных усло­виях в пузырьках осаждение частиц происходит под действием трех механизмов: инерции, гравитации и диффузии. Оценим влияние каждого из них. При движении пузырьков через слой жидкости внутри их воз­никает пульсация газов, причем у поверхности пузырька эту цир­куляцию можно выразить формулой где - скорость циркуляции у поверхности пузырька, м/с; - угол между радиусом-вектором и направлением движения пузырька, град. Для упрощения расчетов принимаем, что пузырьки имеют ша­рообразную форму, и пренебрегаем эффектом зацепления, посколь­ку размер частиц значительно меньше размера пузырьков. Инерционное осаждение частиц в пузырьке происходит под действием центробежной силы. Скорость движения частиц при этом описывается уравнением Тогда за 1 с в пузырьке осядет число частиц , равное где n- концентрация частиц, 1/м3. Число частиц, осевших на 1 см пути пузырька, составит Коэффициент инерционного осаждения при прохождении пу­зырьком 1 см пути будет равен За счет силы тяжести в пузырьке за 1 с осядет частиц, а эффективность гравитационного осаждения при прохождении пузырьком 1 см пути составит Для расчета эффективности диффузион­ного осаждения в пузырьке при прохожде­нии 1 см пути предложено выражение [2]: Анализ приведенных выше формул по­казывает, что в пузырьке диаметром dп=0,2 - 1,0 см при обычно принимаемой ско­рости их подъема = 0,28 м/с инерционное осаждение на порядок больше грави­тационного и что эффективность осажде­ния на поверхности пузырька сильно воз­растает с уменьшением его диаметра. На рис. 4.7 приведены коэффициенты , и , рассчитанные по формулам (4.38) - (4.40), в случае осаждения частиц различного диаметра при dп = 4,5·10-3 м; =0,28 м/с; = 2000 кг/м3; =18·10-6 Па·с. Кривые на рис. 4.7 показывают, что с ростом размера частиц ко­эффициенты и возрастают, а коэффициент , наоборот, уменьшается. Однако и для частиц размером менее 1 мкм величи­на коэффициента весьма незначительна. Рисунок4.7 - Коэффициенты осаждения частиц на поверхности пузыря при прохождении 1 см пути: 1 - ; 2 - ; 3 - . В работе [2] рассмотрено осаждение предварительно заряженных частиц крупнее 0,3 мкм в пузырьке за счет совместного действия центробежной силы и электрического заряда. Принима­ется, что пузырьки поднимаются в жидкости, являющейся провод­ником, и что нулевой потенциал существует при r, равном радиусу пузырька, т. е. на поверхности осаждения. Теоретическим путем авторами работы получено выражение, описывающее эффектив­ность осаждения частиц в пузырьке при совместном действии двух механизмов + KE Также была проведена оценка эффективности осажде­ния частиц пыли за счет термофореза при охлаждении воздуха с температурой от 100 до 250 °С водой, имеющей температуру 20 °С, в аппарате с провальными тарелками. В условиях развитой тур­булентной пены (а = 8 см2/см3) приНп = 6 см были построены зна­чения в зависимости от критерияотношения (Тг—Тж)/(Тг+Тж) (рис. 4.8). Кривые, приведенные на рис. 4.8, свидетельствуют о том, что эффективность осаждения при термофорезе в тарельчатом аппарате не превышает 3 - 4%, т. е. весьма незначительна. Рисунок4.8 - Зависимость эффективности осаждения частиц в пузырьке при термофорезе от критерия при различных значениях отношения (Тг—Тж)/(Тг+Тж): 1- 0,120; 2 - 0,182; 3 - 0,282. Эффективность осаждения час­тиц в пузырьке при диффузиофорезе зависит главным образом от разности парциальных давлений параи . Необходимо сразу остановиться на различном влиянии диффузиофореза при испарении и конденсации. В испарительном процес­се диффузиофорез играет отрицательную роль, так как приводит к снижению скорости частиц, движущихся за счет сил инерции к поверхности пленки жидкости. Как показали расчеты, отрицательное влияние диффузиофореза на осаждение частиц пы­ли в тарельчатых аппаратах невелико и не оказывает существен­ного влияния на эффективность пылеулавливания. При осуществлении процесса конденсации роль диффузиофореза, напротив, резко возрастает. Рисунок 4.9 - Зависимость эффективности осажде­ния частиц в пузырьке при диффузиофорезе от разности парциальных давлений пара. Для случая охлаждения воздуха при нормальном давлении с точ­кой росы, изменяющейся от 80 до 40°С, водой с температурой 5°С результаты приведены на рис. 4.9, из которого видно, что эффективность осаждения частиц довольно резко возрастает с увеличением разности - . Таким образом, из всех механизмов осаждения, возникающих, при осуществлении теплообмена в слое пены, существенным с точ­ки зрения изменения эффективности очистки, причем в большую сторону, является диффузиофорез, возникающий при конденсации. 4.7 Осаждение взвешенных частиц на пленку жидкости Действие различных сил на частицу пыли, подведенную к по­верхности жидкости, показано на рис. 4.10. Поскольку наибольший интерес представляет перемещение частицы в перпендикулярном по отношению к поверхности пленки направлении, суммируем дей­ствие всех вертикальных слагающих этих сил: где - длина периметра смачивания, м; - равновесный угол, град; - пло­щадь частицы на уровне трехфазной границы, м2; - разность высот уровня жидкости и периметра смачивания, м; - масса вытесненной частицей жид­кости, кг. Рисунок 4.10 - Равновесие частицы пыли на поверхности пленки жидкости. Объяснение см. в тексте. С другой стороны (где и - соответственно угол смачивания и формы, град). Величина hв уравнении (4.42) является функцией уг­ла , которая определяется формой поверхности жидко­сти. По мере уменьшения раз­меров погружаемого тела эта форма приближается к цилиндрической и для небольших по величине частичек пыли можно вос­пользоваться формулой где - радиус цилиндра, м. Согласно уравнениям (4.42) и (4.43), угол а уменьшается с уменьшением внешней силы и массы частицы. Для частиц, раз­меры которых по всем трем направлениям не превышают 100 мкм, лри угол практически равен 0 и соответственно . Угол формы для выпуклых частиц может принимать сколь угодно малые значения только на верхней грани частицы или на верхнем горизонтальном участке поверхности. Значения больше 90° он может принимать только на нижней грани или на нижнем горизонтальном участке поверхности. Поэтому хорошо смачивае­мые частицы, у которых угол очень мал, плавают целиком по­груженные в жидкость. Не смачиваемые частицы (>90°) нахо­дятся в газовой среде. С увеличением внешней силы равновес­ный угол возрастает до некоторого максимального значения, по­сле чего частица тонет в жидкости. Смачиваемая частица тонет при = . Для частиц кубической формы размером меньше 100 мкм сила, необходимая для погружения смачиваемой частицы в жидкость, может быть определена по формуле: где - сторона куба, м. Частица, не смачиваемая жидкостью, тонет в ней, когда =90°, . При погружении частицы в жидкость необходимо осу­ществить работу погружения А (Дж): где Н - путь, проходимый частицей при ее погружении в жидкость, м. Для смачиваемых частиц небольшого размера а для не смачиваемых где Приравнивая работу погружения частицы ее кинетической энер­гии (где - скорость погружения, м/с), можно определить минимальную нормальную скорость, с которой должна удариться частица о поверхность жидкости, чтобы утонуть в ней. Поскольку работа погружения в жидкость шара меньше, чем рав­новеликого куба, то минимальные скорости, при которых частица начнет тонуть в жидкости, будут несколько меньше, чем получае­мые по приведенному выше расчету. Расчетом установлено, что при толщине пленки, большей попе­речного размера частицы, работа отрыва частицы значительно превосходит работу, необходимую для ее погружения в слой жид­кости. Поэтому для предотвращения вторичного уноса частиц га­зовым потоком после удара их о свободную поверхность жидкой пленки толщина пленки должна составлять не менее 0,2-0,3 мм. Частица может возвратиться в газовый поток, если при ударе она столкнется с другой частицей, уже закрепившейся в слое жидко­сти. Поэтому увеличение концентрации частиц и недостаточно ин­тенсивный отвод их жидкостью приводит к снижению эффективно­сти захвата частиц стекающей пленкой. 4.8 Энергетический метод расчета эффективности мокрого пылеулавливания Многими исследователями установлено, что эффективность ра­боты мокрых пылеуловителей определяется в первую очередь за­тратами энергии на процесс очистки газа. При этом должна быть учтена как энергия, затраченная на движение газа через пылеуловитель, так и энергия, израсходован­ная на подачу и диспергирование жидкости. В обоих случаях следует учитывать только энергию, затрачен­ную в пределах аппарата. Главным энергетическим параметром мокрого пылеуловителя является суммарная энергия соприкосновения Кт, т. е. расход энергии на обработку жидкостью определенного объема газов в единицу времени. Численную величину этого параметра определяют из следую­щего выражения, кДж/1000 м3 газа: где - гидравлическое сопротивление аппарата, Па; - давление распыляемой жидкости при входе в ап­парат, Па; и - объемные расходы жидкости и газа, соответ­ственно, м3/с. В соответствии с энергетическим методом расчета коэффициент эффективности очистки мокрого пылеуловителя может быть опре­делен по формуле где В и - константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава пыли. При высоких степенях очистки оценку эффективности работы аппарата удобнее выражать не коэффициентом эффективности очистки , а числом единиц переноса - понятием, используе­мым в теории тепло- и массообмена, связанным с следующей за­висимостью: Из сопоставления выражений (4.50) и (4.51) следует, что: Рисунок 4.11 - Зависимости коэффициентов очистки мокрых пылеуловителей от энергетических затрат Зависимость (4.52) аппроксимируется в логарифмических коор­динатах Кт - прямой линией, угол наклона которой к горизонту дает величину , а величина В определяется как значение при Кт= 1. На рис. 4.11 нанесены прямые, характеризующие зависимость (4.52) для некоторых пылей и туманов. Величины В и , приве­денные в табл. 4.1, могут быть определены только эксперименталь­ным путем. Энергетический подход чрезвычайно упрощает расчет эффек­тивности мокрых пылеуловителей и дает результаты, подтвер­ждаемые опытом работы промышленных аппаратов. Эффектив­ность очистки определяется в основном полезными энергозатратами. Таблица 4.1 - Характеристика некоторых видов пылей и туманов Номер прямой на рис. 4.11 Виды пыли и тумана В 1 Конверторная пыль (при продувке кислородом сверху) 9,88·10-2 0,4663 2 Тальк 0,206 0,3506 3 Туман фосфорной кислоты 1,34·10-2 0,6312 4 Ваграночная пыль 1,355·10-2 0,6210 5 Мартеновская пыль 1,915·10-2 0,5688 6 Колошниковая (доменная пыль) 6,61·10-3 0,891 7 Пыль известковых печей 6,5·10-4 1,0529 8 Пыль, содержащая окислы цинка из печей, выплавляющих латунь 2,34·10-2 0,5317 9 Щелочной аэрозоль из известковых печей 5,53·10-5 1,2295 10 Аэрозоль сульфата меди 2,14·10-4 1,0679 11 Дурнопахнущие вещества 1,09·10-5 1,4146 12 Пыль мартеновских печей, работающих на дутье, обогащенном кислородом 1,565·10-6 1,619 13 Пыль мартеновских печей, работающих на воздушном дутье 1,74·10-6 1,594 Номер прямой на рис. 4.11 Виды пыли и тумана В 14 Пыль из доменных печей 0,1925 0,3255 15 Пыль из томасовского конвертора 0,268 0,2589 16 Пыль образующаяся при выплавке 45%-ного ферросилиция в закрытых электропечах 2,42·10-5 1,26 17 Пыль, образующаяся в печах при производстве целлюлозы 4·10-4 1,05 18 Пыль производства черного щелока при обработке увлажненных газов 1,32·10-3 0,861 19 То же, при обработке сухих газов 9,3·10-4 0,861 20 Частицы поташа из МГД - установок открытого цикла 0,016 0,554 21 Пыль, образующаяся при выплавке силикомарганца, в закрытых электропечах 6,9·10-3 0,67 22 Пыль каолинового производства 2,34·10-4 1,115 23 Сажа, образующаяся при электрокрекинге метана 10-5 1,36 5 УЛАВЛИВАНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ Технологические и дымовые газы промышленных пред­приятий в большинстве случаев содержат газообразные компоненты (S02, H2S, Cl2, НСl и др.), которые попада­ют вместе с этими газами в атмосферу и вызывают ее за­грязнение. Многие из них после улавливания могут быть использованы для по­лучения в промышленных условиях кислот, серы, удоб­рений и других ценных химических продуктов. Очистить газы от определенных газообразных компонентов можно следующими методами: 1. Абсорбцией - поглощением паров и газообразных компонентов жидкими поглотителями (абсорбентами) вследствие диффузии этих компонентов в жидкий погло­титель. Подбирая нужный абсорбент, можно очистить газ только от требуемого ценного или вредного газового компонента. В промышленности абсорбцией пользуются для поглощения водяных паров, содержащихся в газе, используя в качестве поглотителя концентрированную серную кислоту; поглощением из газа серного ангидрида олеумом; поглощением аммиака и хлористого водорода водой и т. п. Процесс абсорбции может быть прерывистым и непре­рывным. При прерывистом процессе абсорбцию осущест­вляют до полного насыщения растворителя газообраз­ным компонентом. При непрерывном процессе очищае­мый газ постоянно контактируется со свежей промывной жидкостью. 2. Адсорбцией - поглощением газов или паров по­верхностью твердых тел, называемых адсорбентами. Ад­сорбенты отличаются высокой пористостью и большой удельной поверхностью. Распространенными адсорбента­ми являются активированный уголь и селикагель (гель кремневой кислоты). Адсорбенты используют в виде зе­рен размером 2 - 8 мм или в пылевидном состоянии. Адсорбцию применяют для поглощения паров и газооб­разных компонентов, содержащихся в незначительном количестве в очищаемом газе. 3. Десорбцией - процессом, обратным абсорбции. Де­сорбцией можно выделить из раствора растворенный в нем газовый компонент в токе инертного газа (воздуха, водяного пара), в вакууме или при выпаривании раство­ра. Десорбцию применяют в том случае, когда газообраз­ный компонент не используют или он может быть исполь­зован при невысокой концентрации, а также для получе­ния более концентрированной смеси, чем исходная газовая смесь. 4. Химической абсорбцией - удалением из газа от­дельных газообразных компонентов в процессе промывки газа растворами, которые вступают с этими компонента­ми в химические реакции. 5. Каталитическая очистка является перспективной в случаях, когда иные методы малоэффективны (малые концентрации компонента, низкие температуры и т.д.). В результате применения активных каталитических систем удается превратить загрязняющие вещества в безвредные продукты – азот, воду, диоксид углерода. В металлургической промышленности для очистки га­зов от газообразных примесей большей частью исполь­зуют абсорбцию и химическую абсорбцию. Зачастую эти два процесса проходят одновременно. Хемосорбцией очи­щают газы от S02, H2S, Сl2 и других компонентов. Для химической очистки газа от отдельных газообразных компонентов в процессах абсорбции и химической аб­сорбции применяют аппараты, называемые абсорберами. К ним относятся аппараты, в которых обеспечивается хо­роший контакт газа с промывной жидкостью: скрубберы с насадками, барботажные и пенные аппараты, турбу­лентные промыватели, колонны с колпачковыми, сетча­тыми и провальными тарелками, механические скруббе­ры. В барботерах и турбулентных промывателях хими­ческая очистка газа проходит эффективно, но они созда­ют большое гидравлическое сопротивление проходу газа и требуют повышенного расхода энергии на преодоление этого сопротивления. 5.1 Физические основы процесса абсорбции Растворимость газа в жидкости зависит от свойств газа и жидкости, от температуры и парциального давле­ния газового компонента в газовой смеси над жидкостью и характеризуется законом Генри: где - парциальное давление газового компонента над жидкостью, Н/м2, т. е. это давление, которое имел бы этот компонент в объеме газовой сме­си, если бы в этом объеме не было других газо­вых компонентов; - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящий от свойств растворенного газового компонента, жидкости и температуры; - содержание газового компонента в жидкости, кг/кг поглотителя. Зная парциальное давление газового компонента в га­зовой смеси, можно найти его объемную концентрацию где М - молекулярная масса компонента, кг; - парциальное давление газового компонента, Н/м2; R- газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кг·°С); - температура газа, °С. Чем выше парциальное давление газового компонента в газовой среде над жидкостью, тем большее его коли­чество может раствориться в жидкости. С повышением температуры растворимость газа в жидкости понижает­ся. По истечении некоторого времени между жидкостью и газом всегда устанавливается равновесное состояние, при котором в жидкость будет поступать из газа и из жидкости будет выделяться в газ одинаковое количество газообразного компонента. Если в жидкости отсутствует газообразный компонент, способный в ней раствориться, то как бы ни было мало его количество в газе над жидкостью, часть его перейдет в жидкость. Такое же яв­ление наблюдают при переходе газового компонента из жидкости в газ, в котором он отсутствует. Растворимость газа в жидкости зависит и от характе­ристики жидкости. В некоторых жидкостях газ может хорошо растворяться, в других - плохо. Поэтому для очистки газа от какого-либо газообразного компонента необходимо применять определенную промывную жид­кость. Закон Генри не применим к высококонцентриро­ванным растворам и тогда, когда между растворяемым компонентом и жидкостью осуществляется химическое взаимодействие. Таким образом, в процессе абсорбции происходит массообмен между газом и жидкостью, в ре­зультате чего определенный газовый компонент постепен­но переходит в жидкость. Количество жидкости, которое требуется для растворения данного количества газооб­разного компонента, определяется на основании мате­риального баланса массообмена. Рассмотрим процесс массообмена, происходящий в насадочном скруббере, в котором газ движется снизу вверх навстречу орошающей его жидкости. Обозначим количество газа, которое тре­буется очистить, Gкг/с, а количество жидкости, требуе­мой для растворения содержащегося в газе газообразно­го компонента, Lкг/с. Пусть концентрация газового ком­понента, подлежащего удалению из газа, была в газе на входе его в аппарат ункг/кг, а на выходе из аппарата ук кг/кг. Содержание этого же газообразного компонента в жидкости, поступающей на орошение, будет хикг/кг, а на выходе из аппарата хккг/кг. Тогда количество газо­вого компонента, которое должно быть выведено из газа, составит M=G(yн—ук) кг/с. Это же количество газового компонента растворится в жидкости М = L(хк—хн) кг/с. Следовательно, можно записать уравнение материально­го баланса массообмена G(yн—ук)= L(хк—хн) (5.3) откуда количество промывной жидкости составит Из уравнения (5.4) можно найти удельный расход поглотительной жидкости Эта формула представляет собой уравнение прямой с тангенсом угла наклона, равным m, которое характери­зует изменение концентрации газового компонента по высоте аппарата. Такую линию называют рабочей лини­ей процесса массообмена. Количество газового компо­нента, переходящего в единицу времени из газовой среды в жидкость, зависит от разности концентраций этого компонента в газе и жидкости, от поверхности соприкос­новения газовой среды с жидкостью и способа их сопри­косновения, а также от свойств газа и жидкости: М = KFΔкг/с, (5.6) где F- поверхность соприкосновения газа с жидко­стью, м2; ∆ -движущая сила массопередачи (абсорбции) представляет собой среднюю разность концен­траций поглощаемого газового компонента в газовой среде в начале процесса и равновесной концентрации этого компонента над поглощае­мым раствором. Движущая сила процесса мо­жет быть выражена в любых единицах, приме­няемых для выражения состава фаз, кг/м3, Н/м2, кг/кг; К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массопередачи, который харак­теризует скорость растворения газового компо­нента в жидкости. Размерность К зависит от размерности движущей силы процесса массопе­редачи. Из уравнения (5.6) можно найти значение поверх­ности соприкосновения газовой и жидких фаз, которая определяет размер аппарата для очистки таза Для получения аппаратов меньшего размера нужно создать такие условия, при которых значения коэффи­циента массопередачи К и движущей силы массопереда­чи Δ были бы максимальными. 5.2 ОСновы расчета процесса массообмена (абсорбции) Рассмотрим процесс массообмена между газовой и жидкой фазами (рис. 5.1). Рисунок 5.1 - Схема процесса массообмена между газом и жидкостью Между газовой фазой Gи жидкой фазой Lимеется поверхность раздела. Пусть концентрация газового компонента в газовой среде будет больше, чем в жидкой. На некотором расстоянии от по­верхности раздела фаз в каждой из фаз проходит интен­сивная конвективная диффузия молекул, и можно счи­тать, что концентрация газового компонента у во всех точках газовой фазы и кон­центрация этого же компо­нента х во всех точках жид­кой фазы будут постоянны­ми. В пограничных слоях с разных сторон поверхности раздела фаз движение мо­лекул осуществляется как молекулярной, так и конвек­тивной диффузией. Скорость конвективной диффузии зна­чительно больше скорости молекулярной диффузии. Чем ближе к поверхности раздела фаз, тем меньше становится скорость конвек­тивной диффузии и возрас­тает скорость молекулярной диффузий. Таким об­разом, для того чтобы газовый компонент раство­рился в жидкости, он должен из общей массы газовой смеси в результате конвективной диффузии подойти к по­граничному слою, под влиянием молекулярной диффузии перейти поверхность раздела фаз и в результате конвек­тивной диффузии проникнуть в жидкость. В процессе перехода из газовой в жидкую фазу кон­центрация газового компонента постепенно уменьшается в газовой фазе и возрастает в жидкой. Переход газового компонента из газовой фазы в жидкую будет проходить до тех пор, пока концентрация его в этих двух фазах не станет равновесной. Следовательно, движущая сила про­цесса массообмена может быть выражена разностью концентраций газообразного компонента ун—yр=Δ в га­зовой фазе и хр—хн=Δ в жидкой фазе. Равновесная кон­центрация поглощаемого компонента yр в газовой фазе, которая характеризует окончание процесса массообмена, может быть определена из закона Генри по формуле где Мк, Мсм - молекулярные массы соответственно га­зового компонента и смеси газа, в кото­ром находится этот компонент, кг; и - парциальное давление газового компо­нента в смеси и общее давление газовой смеси, Н/м2. Движущая сила массообмена неодинакова на входе газа в аппарат и на выходе его из аппарата. Поэтому при расчете аппаратов для химической очистки газа в формулу (5.7) следует подставлять ее среднее зна­чение. Если обозначить Δ1 движущую силу массообмена на входе газа в аппарат, а Δ2 - на выходе из аппарата, то в аппаратах, в которых между газом и жидкостью осуществлен принцип противотока, значение средней движущей силы массообмена будет при Δ1/Δ2>2: При условии 0,5<Δ1/Δ2<2 В противоточных аппаратах газ перед выходом из ап­парата соприкасается со свежей жидкостью, которая спо­собна в большей мере поглощать определенный газооб­разный компонент, и в результате газ более полно очищается, чем в прямоточных аппаратах. Поэтому в противоточных аппаратах значение движущей силы мас­сообмена (абсорбции) больше, чем в прямоточных. Коэффициент массопередачи, определяющий скорость абсорбции, может быть представлен из уравнения (5.7) следующей формулой: Таким образом, коэффициент массопередачи опреде­ляет количество газового компонента, который переходит из газовой среды в жидкую через единицу поверхности раздела (F=l) при Δср=1. Для определения коэффи­циента массопередачи выразим уравнение конвентивного массообмена между газовой и жидкой фазами. Количество газового компонента, которое перейдет из газовой фазы к поверхности раздела фаз, будет: Количество газового компонента, которое перейдет от поверхности раздела фаз в жидкость: где , - коэффициенты массоотдачи соответственно для газовой и жидкой фаз, м/с. Представим, что линия равновесия фаз будет прямой с тангенсом угла наклона m. Ее уравнение имеет вид Из этого уравнения выразим концентрацию компонен­та в жидкой фазе через его концентрацию в газовой фазе: где уг - концентрация компонента в газовой фазе, рав­новесная с его концентрацией в общей массе жидкой фазы. Подставив эти значения в уравнение (5.13) и сде­лав преобразования в уравнениях (5.12) и (5.13), получим Сложив эти уравнения, получим выражение движу­щей силы абсорбции: Обозначив выражение в скобках через 1/К, найдем выражение коэффициента массопередачи (абсорбции): Член 1/ выражает сопротивление переходу газооб­разного компонента в газовой фазе, а член / - в жид­кой фазе. Для хорошо растворимых газов процесс аб­сорбции определяется в основном сопротивлением в га­зовой фазе; в этом случае сопротивление жидкой фазы мало и им можно пренебречь. При плохо растворимых газах можно пренебречь сопротивлением газовой фазы и учитывать только сопротивление жидкой фазы. Раз­мерность коэффициента абсорбции К может быть полу­чена из формулы (5.11) в зависимости от размерности движущей силы процесса абсорбции: Если Δ выражена в единицах объема (кг/м3), то Кс будет выражен в кг/(м2·с·кг/м3) или м/с. При выражении Δ через единицы давления (Н/м2) Kр будет иметь размерность кг/(м2·с·Н/м2) или с/м. Если Δ выражена в массовых единицах (кг/кг), то Связь между Кр и Кс выражается зависимостью Коэффициент массоотдачи определяют по эмпиричес­ким формулам, найденным опытным путем для различ­ных процессов. По формулам (5.9), (5.10), (5.15) получают точные результаты для расчетов процесса абсорбции газов в случае, если линия равновесия является прямой. В дру­гих случаях расчет аппаратов осуществляют графо- аналитическим методом (расчетом числа единиц переноса). 5.3 Адсорбционная очистка газов от сернистого ангидрида Сухие методы очистки газов от S02 твердыми поглотителями при­влекают внимание исследователей и производственников своей прос­тотой, компактностью оборудования относительно небольшой вели­чиной капитальных затрат на их сооружение. Однако энергозатраты и эксплуатационные расходы при сухой очистке газов являются зна­чительными. При сухих методах очистки в дымовую трубу выбрасы­ваются нагретые газы (более чем до 100° С), в результате чего улучшается (по сравнению с мокрыми методами очистки) их рассеи­вание в атмосфере. В настоящем разделе рассмотрены адсорбционные ме­тоды очистки газов от S02, применение которых в агломерационном производстве в ряде случаев может оказаться целесообразным. В качестве поглотителей S02 можно применять угольные сорбенты, силикагели и синтетические смолы. Угольные сорбенты имеют очень развитую поверхность (до 1500 м2/г). На этой поверхности из дымовых газов при 40 - 150 °С адсорбируются кислород и пары воды. В этих условиях на поверхности пор угля происходит окисле­ние S02 в S03, который взаимодействует с адсорбированной водой и образует серную кислоту. Она постепенно заполняет поры адсор­бента и процесс очистки газа прекращается. Лучшим угольным сор­бентом для очистки газов от S02 является каменноугольный адсорбционный кокс, полученный из предварительно окислен­ного воздухом каменного угля и сформированный прессованием. Для осущест­вления промышленного ме­тода очистки газов от S02 насыщенный сорбент нужно регенерировать. Существуют три вида регенерации насы­щенного сорбента: продувка сорбента инертным газом при 200 - 450 °С; промывка сорбента водой или водным раствором аммиака с полу­чением разбавленной серной кислоты или раствора суль­фата аммония; обработка сорбента восстановительным газом при 600 - 900 °С с об­разованием сероводорода, являющегося сырьем для получения чистой серы и серной кислоты. Тот или иной способ ре­генерации связан с местны­ми условиями (наличием аммиачной воды, восстано­вительного газа, вторичных энергетических ресурсов). Силикагели по сравне­нию с угольными сорбентами, имеют более низкую поглотительную способность, что связано, по-видимому, с меньшей поверхностью пор (600 м2/г). Ряд исследова­телей считают, что силикагели перспективны для промышленной очистки небольших количеств газа от S02. Синтетические смолы име­ют большую адсорбционную емкость, чем другие поглотители. Луч­шими поглотителями S02 являются анионит ЭДЭ-10П и цеолит 5А. Их емкость составляет 18-20%. Отработанные аниониты регенери­руют щелочными растворами. Очистка газов от S02 угольными адсорбентами в кипящем слое не требует предварительной глубокой очистки от пыли, что являет­ся существенным преимуществом этого метода. Однако зерна сор­бента в кипящем слое изнашиваются, что приводит к дополнитель­ному расходу сорбента. Схема этого процесса представлена на рис. 5.2. [9] 1 - бункер с сорбентом; 2 - затвор; 3 - многополочный адсорбер; 4 - циклон; 5 - приемный бункер; 6 - десорбер; 7 - подогреватель; 8 - газодувка; 9 - сито. Рисунок 5.2 - Схема очистки газов от S02 в кипящем слое сорбента Газ, подлежащий очистке, поступает в многополочный ад­сорбер кипящего слоя, проходит через дырчатые полки снизу вверх и поддерживает сорбент на полках в псевдосжиженном состоянии. 1 - труба Вентури; 2 - се­паратор влаги и пыли; 3 - абсорберы; 4 - сборник кис­лоты; 5 - циркуляционный насос. Рисунок 5.3 - Схема процесса «Лурги» очистки газов от S02. Сорбент в виде гранул угля поступает в адсорбер из бункера через питатель. Далее газ поступает в циклон, где он очищается от золы, которая свободно проходит с газом через адсорбер. Очищенный газ выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу. Из адсорбера сорбент через приемный бункер и питатель самотеком попадает в десорбер, представляющий собой стальной цилиндр, обогреваемый снаружи. Температура сорбента в нем доводится до 400 -450 °С. В десорбере происходит выделение S02. Для лучшей десорбции адсорбер продувается током рециркулирующего газа, к которому под­мешивается инертный газ или водяной пар. Для побуждения цирку­ляции установлена газодувка, а для нагрева инертного газа - подо­греватель. S02 в смеси с инертным газом отводится к потребителю. Сорбент из десорбера попадает на сито, где отсеивается мелочь, по­явившаяся в результате механического износа зерен угля. Просев удаляется из системы, а крупные зерна идут на повторное исполь­зование в адсорбере. Рекомендуемый размер гранул сорбента 1,5 - 3,0 мм, соответствующая скорость газового потока 1,3 -1,5 м/с; содержание S02 в десорбированной газовой смеси 40 - 50%. При при­менении в качестве сорбента специальных углей для поглощения 1 т S02 нужно пропустить через адсорбер 5 - 6 т угля. Потери адсорбента зависят от скорости газа и прочности зе­рен. При очистке газа с содержанием 0,2% S02 и применением в ка­честве сорбента угля типа СКТД потери сорбента доходят до 40 кг на каждую тонну уловленного S02. Перспективы применения дан­ного способа значительно повысятся при создании более дешевого и прочного сорбента. Применение формированных гранулированных сорбентов на основе каменноугольного кокса и полукокса может существенно повысить конкурентоспособность данного метода очист­ки газов от S02. Очистка газов в слое неподвижного сорбента разработана в не­скольких вариантах. Известны процессы, предложенные фирмами «Лурги» и «Хитачи», а также процесс Штратмана. Принципиальная схема процесса «Лурги»[9] представлена на рис. 5.3. Загрязненный газ предварительно очищают от пыли в трубе Вентури и сепараторе. Затем его направляют на адсорбцию. Устанавливают два параллельно включенных адсорбера. Они работают попеременно: в одном происходит поглощение S02 из газа, а во вто- ром его десорбция. В поглотительном адсорбере газ, содержащий S02, проходит через увлажненный слой сорбента (активированного угля). Сернистый газ адсорбируется сорбентом, окисляется до S03 и превращается в серную кислоту. Затем адсорбер переводят на ре- жим регенерации, для чего включают орошение сорбента водой. Отмытая разбавленная 10—15%-ная серная кислота поступает в сборник, а оттуда насосом подается в трубу Вентури, для очистки и охлаждения газов. В трубе Вентури за счет испарения воды концентрация серной кислоты повышается. При очистке хорошо обеспыленных газов концентрацию серной кислоты удается повысить до 65%, а при очистке запыленных газов - до 25%. Степень очистки газа на опытной установке достигала 98-99%. Поглотитель работал более трех лет без потери активности. 5.4 Каталитическая очистка газов Главным источником загрязнения атмосферы СО и SO2в энергетике являются газы, полученные при сжигание различных газов. Различными организациями проделана большая работа по разработке наиболее эффективных катализаторов и технологии процесса окисления СО. Однако задача каталитической очистки от СО осложняется наличием в газах S02 и пыли. При этом содержание пыли в очищенном газе до катализа с применением стационарного слоя не должно превышать 20 - 50 мг/м3. Такая глубокая очистка может быть получена лишь в электрофильтрах, тканевых фильтрах или трубах Вен­тури. В настоящее время имеется большое число катализаторов реакции окисления СО в СО2. Это оксиды металлов Fe2О3, CuO, Сr2О3, MnО2, V2О5 и другие, смеси этих оксидов, металлы платиновой группы, в частности палладий. Хорошие результаты дает промотированние окисных катализаторов металлами платиновой группы. Довольно подробно изучен марганцевокислый катализатор, который оказался пригодным при больших объемных скоростях процесса. Однако все окисные катализаторы насыщаются S02 со скоростью, зависящей от концентрации S02 в газах, температуры и вида катализатора. Самым устойчивым является катализатор из оксида хрома на γ-глиноземе; однако и его активность со временем падает в присут­ствии S02. Потеря катализаторами активности в присут­ствии в газах S02 объясняется образованием сульфатов. Катализаторы из оксидов металлов непригодны для окисления СО в СО2 в присутствии S02. Они являются, эффективными лишь для бессернистых газов или газов, предварительно очищенных от S02. Наиболее надежными катализаторами, которые дли­тельное время могут работать в присутствии S02, являются катализаторы из металлов платиновой группы, в частности палладиевые. Они надежно работают при температуре выше 300оС. При больших содержаниях серы в газах целесообразно производить комплексную их очистку от СО и S02 окислением на катализаторах с по­следующей переработкой S03 в серную кислоту. Схема комплексной очистки газов от СО и S02 представлена на рис. 5.4. Запыленные газы очищаются от круп­ных фракций пыли в аппаратах циклонного типа и с со­держанием ее около 1 - 2 г/м3 поступают в аппараты тонкой очистки сухим способом. В качестве аппаратов тонкой очистки можно применить электрофильтры или тканевые фильтры, которые обеспечивают более глубо­кую очистку от пыли (до 10 - 20 мг/м3) и являются в ­данном случае предпочтительными, так как полностью исключают засорение слоя катализатора. 1 - рукавный фильтр; 2 - контактный аппарат; 3 - холодильник-конденсатор; 4 - сборник серной кислоты; 5 - эксгаустер; 6 - дымовая труба. Рисунок 5.4 - Схема комплексной очистки газов от пыли, СО и S02 Очищенные от пыли газы поступают в контактный аппарат, где СО окисляется в СО2, aS02 в S03. Далее газы поступают в холодильник-конденсатор, охлаждае­мый водой (или воздухом), где температура газов сни­жается и происходит конденсация серной кислоты, ко­торая образуется из S03 и водяных паров. В установке такого типа можно получать H2S04 концентрацией до 80%. Серная кислота из конденсатора через гидрозатвор отводится в сборник, а очищенные от СО и S02 газы эксгаустером выбрасываются в дымовую трубу. Процесс очистки непрерывный, степень очистки от СО приближа­ется к 100%, а от S02 к 90%. 1 - кожух; 2 - крышка; 3, 4 - кассеты с катализатором для окисления соот­ветственно S02 в S03 и СО в СО2; 5 - трубчатый теплообменник; 6 - смеси­тельная решетка; 7 - горелочное устройство; 8 - трубопровод для пода­чи дополнительного топлива. Рисунок 5.5 - Схема контактного аппарата для окисления СО и S02. Схема контактного аппарата конструкции Гидрогазоочистки представлена на рис. 5.5. Контактный аппарат представляет собой трубчатый теплообменник, внутри которого в полом цилиндре размещены две кассеты с катализаторами. Нижняя кассета заполнена палладиевым катализатором для окисления СО в СО2, верхняя кассета - катализатором из пятиокиси ванадия для окисления S02 в S03. Нагретые до 150° С агломерационные газы поступают в теплообменник контактного аппарата, где подогреваются теплом отходящих из аппарата газов. Если этого тепла окажется недостаточно, чтобы нагреть газы до температуры процесса окисления СО (300—350° С) и температуры окисления S02 (400—450°С), то нужно расходовать дополнительное тепло сжиганием топлива, например доменного газа. Дополнительное топливо подводится в нижнюю часть аппарата специальным горелочным устройством. 5.4.1 Очистка газов от сернистого ангидрида каталитическим окислением Данный метод ос­нован на окислении S02 в S03 на катализаторе с после­дующей абсорбцией S03 и образованием серной кисло­ты. Окисление S02 в S03 протекает по реакции S02+ 1/2О2= S03+ +96 кДж/моль. Константа равновесия этой реакции определяется уравнением (5.16) Вычисленные по этой формуле константы равновесия реакции и соответствующие величины степени превраще­ния S02 в S03 имеют следующие значения: Температура, °С………390 425 475 525 600 650 Константа равновесия КР, МПа……………….. 57,5 24,5 8,23 3,2 0,95 0,47 Степень превращения S02 в S03, %.....................99,0 98,4 95,2 91,0 73,0 57,0 Таким образом, по условиям равновесия повышение температуры не благоприятствует окислению S02 в S03. Энергия активации этой реакции очень велика, поэтому без катализатора реакция гомогенного окисления S02 в S03 практически не проходит даже при высокой тем­пературе. В качестве катализатора при производстве серной кислоты применяют в основном контактную массу БАВ, названную по начальным буквам элементов, входящих в ее состав (бария, алюминия, ванадия), и контактную массу СВД (сульфованадиеводиатомовую). Контактную массу формуют в виде гранул, таблеток или колец. Зависимость константы скорости реакции окисления S02 в S03 на катализаторах БАВ и СВД приведена на рис. 5.6. Перелом кривой при 440 °С связан с изменением энергии активизации в этой точке. Таким образом, при увеличении температуры с 400 до 500 °С константа ско­рости реакции увеличивается более чем в 30 раз, а кон­станта равновесия уменьшается в 9 раз. Следовательно, процесс окисления S02 в S03 зависит от двух величин, одна из которых с повышением температуры увеличива­ется, а другая уменьшается. Анализ показывает, что кривая зависимости скорости образования S03 имеет максимум. Наиболее благоприятная температура процес­са равна 460 - 480° С. При объемной скорости газов 10000 ч-1 достигается степень окисления S02 не менее 90%. Рисунок 5.6 - Зависимость константы скорости реакции окисления S02 в S03 от температуры на ванадиевых катализаторах БАВ и СВД. Высокая температура протекания реакции окисле­ния S02 создает трудности при практическом осуществ­лении данного процесса в производственных условиях. Как было показано, основными загрязнителями атмосферы S02 являются аглофабрики и котельные, отходящие газы которых имеют тем­пературу около 150° С, при которой контактное окисле­ние газов является невозможным. Поэтому в схеме кон­тактного окисления нужно предусмотреть нагрев агло­мерационных газов до 450 °С. Источником тепла может явиться готовый агломерат, нагретый до высокой темпе­ратуры в зоне обжига. Этот агломерат нужно охладить, поэтому целесообразно совместить узел охлаждения аг­ломерата и нагрева газов перед контактным аппаратом. Принципиальная схема контактного окисления S02, содержащегося в агломерационных газах, до S03 пред­ставлена на рис. 5.7. Агломерационные газы, содержа­щие S02, проходят грубую очистку от пыли в инерци­онном пылеуловителе и тонкую очистку в электрофиль­тре. Затем эти газы подогревают со 150 до 450 °С нагре­тым воздухом, охлаждающим агломерат. Превращение S02 в S03 происходит в контактном аппарате. После этого агломерационные газы охлаждают до 250 °С в теп­лообменнике воздухом, подаваемым на охлаждение аг­ломерата. Образовавшийся при охлаждении туман сер­ной кислоты улавливают электрофильтром. Очищенный воздух из электрофильтра выбрасывают в атмосферу, а серную кислоту сливают в сборник и используют в ка­честве товарного продукта. Данная схема очистки тре­бует существенной переделки агломерационной машины. 1 - инерционный пылеуловитель; 2 - электрофильтр для тон­кой очистки газов от пыли; 3 - контактный -аппарат для окис­ления S02 в S03; 4 - теплообменник для охлаждения газов и выделения из них серной кислоты; 5 - электрофильтр для улавливания серной кислоты Рисунок 5.7 - Схема процесса очистки дымовых газов от S02. Разновидностью описанного способа очистки газов от S02 является процесс «Кийоура ТИТ», разработанный в Японии. Данный процесс отличается тем, что окислен­ный горячий газ охлаждают до температуры ниже точ­ки росы серной кислоты и вводят в газовый поток газо­образный аммиак, который взаимодействует с S02 с об­разованием сульфата аммония. Последний образуется в виде крупных кристаллов (≈100 мкм), благодаря че­му хорошо улавливается в электрофильтрах. Разработаны схемы последовательного двойного кон­тактного окисления S02. В одной из этих схем газы пос­ле окисления в первом контактном аппарате и отделения из них серной кислоты поступают во второй кон­тактный аппарат. Благодаря этому общая степень очи­стки является относительно высокой. Недостатком дан­ного способа является большой расход тепла на нагрев газов перед вторым контактным аппаратом и большое число аппаратуры. Агломерационные газы содержат наряду с S02 также СО, которая неблагоприятно влияет на процесс контакт­ного окисления S02 в S03. Установлено, например, что в присутствии СО при 450 °С и содержании 0,4% S02, объемной скорости газа 12 000 ч-1 степень окисления S02 снижается с 90 до 80%. Таким образом, очистка агломерационного газа в контактных аппаратах по схеме очистки дымового газа котельных недостаточно эффективна. Поэтому целесо­образно применять комплексную очистку газа от S02 и СО, т. е. окислять СО в СО2 на палладиевом катализа­торе. При такой схеме очистки достигают подачи на ва­надиевый катализатор газа, очищенного от СО, и повы­шения его температуры примерно на 100 °С за счет окис­ления СО в СО2. В результате этого на ванадиевом катализаторе достигают необходимой температуры. 5.5 Химическая очистка газов Если в жидкости, помимо конвективной диффузии га­зового компонента, происходит и химическое взаимодей­ствие его с жидкостью, то скорость абсорбции (проник­новения) этого компонента в жидкость (следовательно, скорость очистки газа от этого компонента) возрастает. Поэтому для очистки газов в металлургии наряду с аб­сорбцией широко применяют хемосорбцию. Кроме абсорбции и хемосорбции, для улавливания отдельных газовых компонентов из газа используют и адсорбцию. Абсорбцию применяют в основном для очистки венти­ляционного воздуха, отсасываемого от травильных ванн и ванн металлопокрытий листопрокатных, проволочных и трубопрокатных цехов заводов черной металлургии, а также при очистке технологических газов. Хемосорбция находит применение в основном при очистке технологических газов. 5.5.1 Очистка газов от сернистого ангидрида Развитие промышленности и энергетики связано со значительным загрязнением атмосферного воздуха сер­нистым ангидридом. Основными источниками выделения газов, содержащих SO2, являются аглофабрики и марте­новские печи, работающие на содержащем серу сырье, а также тепловые электростанции и котельные, в кото­рых сжигают высокосернистое топливо. Существуют различные методы очистки газа от S02. Все они основаны на хемосорбции. Процессы, связанные с очисткой газа от S02, можно разделить на нецикличес­кие и циклические. В нециклических процессах реагент не регенерируется. В циклических процессах наряду с ре­генерацией реагента получают сернистые соединения: двуокись серы высокой концентрации, серную кислоту, элементарную серу, сульфат аммония. Методы очистки технологических газов от сернистого ангидрида хемосорбцией можно разделить на известко­вый, аммиачный, магнезитовый и цинковый. Помимо это­го, газы очищают от S02 каталитическими методами на основе использования солей натрия и органических ве­ществ. Рассмотрим некоторые из них. Известковый способ. В качестве реактивов, связыва­ющих S02, применяют известняк, известь, мел. Процесс основан на следующих реакциях: S02 + СаС03 = СаС03 + С02; S02 + Са0 = CaS03; 2CaS03 + 02 = 2CaS04. Сульфат кальция плохо растворим в воде и выпадает из раствора в виде мелких кристаллов. Другим вариантом этого способа является промывка газа раствором извести или известняка: Са (ОН)2 + 2S02 = Са (HS03)2; СаС03 + 2S02 + Н20 = Са (HS03)2 + С02; CaS03 + S02 + Н20 = Са (HS03)2. Бисульфит кальция, реагируя с поглотителем, образу­ет малорастворимый сульфит кальция, частично окисля­ющийся в сульфат кальция. В настоящее время в России известковым способом очищают газы на установках общей производитель­ностью более 2,5 млн. м3/ч. Этот метод широко использу­ют также в США, Англии, Германии, Японии, Швеции, Кана­де для очистки дымовых газов электростанций, где сжи­гают серосодержащие угли и мазут. Рисунок 5.8 - Схема установки для очистки газа от сернистого ангидрида по известково­му способу методом Мицубиси Схема установки, работающей по методу Мицубиси (Япония) для очистки газа от S02 известковым спосо­бом, изображена на рис. 5.8. Дымовой газ поступает в полый скруббер где его охлаждают до 55 - 60° С и освобождают от твердых частиц. Затем газ проходит последовательно через два абсорбера 1-й и 2-й ступени 2, где осуществляется абсорбция S02. После нагрева газа в подогревателе 3 он выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу 4. Отработавшая суспензия кальция из 1-го абсорбера поступает в реактор 5 для окисления сульфита кальция до сульфата под воздействием воздуха 9, подаваемого под давлением. Шлам сульфата кальция обезвоживают на центрифуге 6. Кристаллы сульфата кальция сушат с целью получения товарного гипса. Шлам 8 отфильтровывают на центрифуге 7. Аммиачный способ. Очищенные от пыли и охлажден­ные до 30 - 35°С газы, содержащие S02, промывают вод­ным раствором (NH4)2S03: S02 + 2NH3 + Н20 = (NH4)2 S03; (NH4)2 S03 + S02 + H20 = 2NH4HS03. Бисульфит аммония при нагревании под вакуумом разлагается: 2NH4HS03→ (NH4)2 SO3 + S02 ↑ + H2O. В результате получают раствор сульфита аммония, который повторно используют для улавливания из газов S02, а полученный в результате реакции S02 высокой концентрации отгоняют для получения серной кислоты, серы и других ценных продуктов. Такой метод называют циклическим. Циклический метод используют и при обработке суль­фита аммония и бисульфита аммония бисульфатом аммония с образованием сульфата аммония и высококон­центрированного S02: (NH4)2 S03 + 2 NH4HS04 = 2 (NH4)2 S04 + S02 ↑ + H20; NH4HS03 + NH4HS04 = (NH4)2 S04 + S02 ↑ + H20. Сульфат аммония подвергают термическому разло­жению на бисульфат аммония и аммиак, которые воз­вращают в процесс: (NH4)2S04 →NH4HS04 + NH3. Такой метод применяют в США. Его схема показана на рис. 5.9. 1 - абсорбер; 2 - реактор; 3 - аппарат для разложения сульфата аммония; 4 - установка Клауса; 5 - газ на очист­ку; 6 - сброс очищенного газа в дымовую трубу; 7 - избы­точный сульфат аммония; 8 - подача тепла; 9 - восстанови­тель; 10 – элементарная сера; 11 - циркуляционный насос Рисунок 5.9 - Принципиальная схема установки для очистки газа от сер­нистого ангидрида по аммиачному способу, применяемая в США. При нециклическом методе газы, содержащие S02, обрабатывают водными растворами сульфита аммония, а полученный бисульфит аммония заставляют реагиро­вать с серной кислотой: 2NH4HS03 + H2S04 = (NH4)2 S04 + 2S02 ↑ + 2H20. Возможна и обработка сульфита аммония серной кис­лотой: (NH4)2 S03 + H2S04 = (NH4)2 S04 + S02↑ + H20, В результате получают высококонцентрированный сернистый ангидрид и сульфат аммония, используемый для получения азотнофосфорных минеральных удоб­рений. Имеются и другие методы очистки газа от S02 ам­миачным способом (аммиачно-известковый, аммиачно-автоклавный и др.). Магнезитовый способ. Ведущая роль в изучении маг­незитового способа очистки газа от S02 принадлежит советским ученым. Этот способ основан на связывании двуокиси серы окисью магния Mg0 + S02 = MgS03. При нагревании сульфит магния разлагается на окись магния, возвращаемую для поглощения S02 из газа, и высококонцентрированную (до 20%) двуокись серы. Недостатками магнезитового способа являются частая забивка аппаратуры и трубопроводов твердой фазой и большой расход топлива на регенерацию магнезита. Улучшения работы аппаратуры при сохранении поглоти­тельных характеристик магнезитового процесса достига­ют при поташно-магнезитовом процессе, когда в ороси­тельной системе применяют хорошо растворимые в воде карбонат и сульфит калия. Принцип этого метода осно­ван на следующих реакциях: К2С03+ S02= K2S03 + С02; K2S03 + S02 + Н20 = 2KHS03. Раствор бисульфита калия нейтрализуется окисью магния: 2KHS03 + Mg0 + 6Н20=MgS03·6Н20↓ + K2S03 + Н20. K2S03 снова используют для улавливания из газа S02. Сульфит магния подвергают термической диссоциа­ции, так же как и при магнезитовом методе. Поэтому та­кой процесс является циклическим. Цинковый метод. Этот метод извлечения из газов двуокиси серы аналогичен магнезитовому: Zn0 + S02 = ZnS03. Он также разработан советскими специалистами. Образовавшийся сульфит цинка плохо растворим и выпа­дает в осадок в виде кристаллов ZnS03·2,5H20. После сушки его подвергают термическому разложению с по­лучением концентрированного сернистого газа и окиси цинка. Недостатком этого метода является необходимость тонкой очистки газа от пыли, накопление в системе нерастворимых веществ и большой расход цинка в ре­зультате окисления сульфита цинка до сульфата. 5.5.2 Очистка газа от цианистого водорода При получении кокса на коксохимических заводах приходится очищать коксовый газ от цианистого водоро­да и сероводорода. Ее осуществляют как сухим, так и мокрым метода­ми. Сухая очистка газа болотной рудой является наибо­лее простым методом. При этом попутно поглощается и сероводород. Степень извлечения цианистого водорода болотной руды колеблется от 85 до 95%. Ввиду того что содержание цианистых солей в газоочистной массе не превышает 8%, эти соли направляют в отвал. Из мокрых методов наибольшее распространение по­лучило извлечение цианистого водорода из коксового газа в скрубберах раствором многосернистого аммония с получением роданистого аммония по следующей реакции (NH4)2Sn+ NH3 + HCN=NH4CNS + (NH4)2Sn-1 Активность рабочего раствора восстанавливается при взаимодействии его с серой: (NH4)2Sn-1 + S = (SH4)2Sn. Роданистый аммоний используют для приготовления реактивов. 5.5.3 Очистка газов от сероводорода Сероводород из коксового газа извлекают в основном мокрыми способами: мышьяково-щелочным и вакуум-карбонатным. При мышьяково-щелочном способе в скруббер на орошение подают раствор оксисульфомышьяковистого натрия. При этом происходит реакция Na4As202S5 + H2S = Na4As2S60 + Н20. Регенерация раствора осуществляется в результате окисления сульфомышьяковой соли натрия: 2Na4As2S60 + 02 = 2Na4As2S502 + 2S. При вакуум-карбонатном методе сероводород извле­кается из коксового газа при воздействии раствора по­таша или соды: К2С03 + H2S = КНСО3 + KHS; Na2C03 + H2S = NaHCO, + NaHS. 5.5.4 Очистка газов от окислов азота Очистку газов от окислов азота N0 и N02 с высокой концентрацией осуществляют адсорбцией на селикагелях и цеолитах. В дымовых газах металлургического производства и ТЭЦ окислы азота содержатся в неболь­ших количествах. Их удаляют из газов при помощи кис­лотостойких цеолитов, которые обладают достаточной механической прочностью в условиях многократной цир­куляции в цикле адсорбция - десорбция. При этом по­лучаются концентрированные смеси N02 и N204 или азотная кислота в зависимости от состава дымовых га­зов. 6 РАССЕИВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРЕ Поступление вредных веществ в атмосферу за счет естественных про­цессов в природе примерно в 10 раз превышает выбросы от производ­ственной деятельности людей. Промышленные выбросы сосредоточе­ны обычно в густонаселенных промышленных районах. Поэтому рас­сеивание выбросов в атмосфере с помощью дымовых труб является составной частью проблемы защиты атмосферы. В литературе, особенно в последнее время, часто высказывают мнения, согласно которым рассеивание вредных выбросов в атмосфе­ре малоэффективно, так как все равно вся выброшенная с дымовы­ми газами пыль рано или поздно осядет на землю; на землю же воз­вращаются и ядовитые газы, вымытые из атмосферы дождевыми осадками, а оставшиеся в атмосфере вредные вещества все равно будут причинять вред людям, животному и растительному миру. Та­кой взгляд на процесс рассеивания выбросов является ошибочным, он несовместим с реальным подходом к оздоровлению атмосферы. Эта ошибочная точка зрения могла возникнуть в результате недостаточной осведомленности в вопросах рассеивания вредных выбросов в атмосфере с помощью дымовых труб. Комплексность рассмотрения проблемы защиты атмосферы пре­дусматривает применение одновременно трех мероприятий: снижение величины вредных выбросов путем усовершенствования технологи­ческих процессов, конструкций агрегатов и использования отходов; очистку технологических газов от вредных выбросов; рассеивание вредных выбросов в атмосфере при помощи дымовых труб [9]. Рассеивание вредных выбросов является очень сложным физическим процессом. В этом процессе имеют большое значение движение крупных воздушных масс (ветры), явления массообмена в атмосфере, а также ряд местных условий. Основным источником энергии, вызывающим общую циркуляцию атмосферы, является тепло, излучаемое солнцем. Эта энергия, достиг­нув поверхности земли, превращается в тепло. Количество тепла, по­лучаемое земной поверхностью, зависит от широты и времени года. Рассмотрим связь между распределением температуры по высоте атмосферы и рассеиванием загрязнителей. При вертикальном перемещении воздушных масс давление внутри них будет изменяться. При движении вверх оно будет уменьшаться, при движении вниз увеличиваться. Процесс этот является адиабатическим, поэтому движение воздуха вверх сопровождается охлаждением, а движение вниз нагреванием. Если при этом не происходит конденсации водяных паров, то при повышении на 100 м температура воздуха уменьшается на 1°С. Эта величина на­зывается сухоадиабатическим градиентом температуры [9]. Известно, что температура воздуха убывает с высотой. Градиент температур по высоте не постоянен и зависит от времени года, по­годы, характера местности и других причин. В приземном слое ат­мосферы иногда температура воздуха вверху больше, чем внизу. Такие случаи температурной инверсии встречаются довольно редко. Градиент температуры по высоте может быть равным сухоадиабатическому градиенту, быть большим или меньшим. В соответствии с этим можно наметить три характерных состояния атмосферы: без­различное, неустойчивое и устойчивое, При безразличном состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры по величине равен сухоадиабатическому градиенту. При этом каждый элементарный объем воздуха при изменении своего по­ложения по высоте будет иметь ту же самую температуру и плот­ность, что и окружающая его атмосфера. Следовательно, если оп­ределенную массу воздуха вывести из состояния покоя, то условия равновесия не изменяются, и эта масса воздуха не будет стремиться перемещаться вверх или вниз. Графически безразличное состояние атмосферы показано на рис. 6.1, А. При неустойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры превышает сухрадиабатический. В этом случае каждый опускающийся элемент объема воздуха будет всегда холоднее и тя­желее окружающей атмосферы и поэтому будет стремиться двигать­ся вниз. Вместе с тем каждый поднимающийся вверх элемент объе­ма воздуха будет всегда теплее и легче окружающей атмосферы, по­этому он будет стремиться продолжать свое движение вверх. Таким образом, первоначальный импульс, сообщенный объему воздуха, будет в дальнейшем развиваться и движение будет тем ин­тенсивней, чем больше разность температур между этим объемом и окружающей его атмосферой. Графически неустойчивое состояние атмосферы представлено на рис. 6.1, Б. Неустойчивое состояние ат­мосферы способствует интенсивному рассеиванию вредных веществ. При устойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры меньше сухоадиабатического. При перемещении вниз элементарного объема воздуха его температура будет выше окружа­ющей атмосферы и он как более легкий будет стремиться подняться вверх и занять прежнее положение. При перемещении элементарного объема воздуха вверх его температура будет ниже, чем окружаю­щей атмосферы, его плотность будет большей и он будет стремиться опуститься вниз и занять прежнее положение. Таким образом, при устойчивом состоянии атмосферы создаются неблагоприятные условия для перемешивания верхних и нижних слоев воздуха и рассеивания загрязнений. Устойчивое состояние ат­мосферы показано на рис. 6.1, В. Особо устойчивое состояние атмос­феры отмечается при так называемой температурной инверсии. При этом температура в приземном слое возрастает с высотой. Толщина инверсионного слоя может достигать нескольких сотен метров. При­чины возникновения температурных инверсий многообразны. Штили, сопровождающиеся плотными туманами, могут явиться причиной длительных приземных инверсий. В данном случае некоторая доля солнечного излучения задерживается туманом и не достигает поверх­ности земли. В результате слой воздуха у поверхности земли будет холоднее верхнего слоя, расположенного на высоте 100 - 150 м. Ин­версии такого рода могут продолжаться несколько дней. Рисунок 6.1 - Рассеивание загрязнений в атмосфере: А – при безразличном состоянии атмосферы; Б – при неустойчивом состоянии атмосферы; В – при устойчивом состоянии атмосферы; Г – при температурной инверсии; Д – при расположении устья трубы выше инверсионного слоя; а – температурный график; б – схема распространения загрязнений в атмосфере; 1 – изменение температуры; 2 – сухоадиабатический градиент. Температурная инверсия может быть вызвана также испарением влаги после обильных осадков. Расход тепла на испарение может привести к понижению температуры почвы и похолоданию приземно­го слоя атмосферы. Температурная инверсия может произойти от перемещения больших масс воздуха. Когда опускающиеся массы воздуха приближаются к земле и растекаются на некотором от нее расстоянии, в горизонтальном направлении образуется обширная территория, занятая воздухом, нагретым от адиабатического сжатия. Если воздух в приземном слое холоднее, то наступает температур­ная инверсия атмосферы. Такие явления часто наблюдаются в цент­ральных районах континентов в период господства там антицикло­нов. В качестве примеров влияния метеорологических условий на рассеивание загрязнителей рассмотрим ряд типичных случаев. Рассеивание загрязнителей при неустойчивом состоянии атмосфе­ры показано на рис. 6.1, Б. Происходит интенсивное перемешивание загрязнителя с окружающей атмосферой в результате перемещения воздуха в вертикальном направлении. Загрязнитель быстро перено­сится в верхние слои атмосферы и рассеивается. Рассмотрим рассеивание загрязнителей при устойчивом состоя­нии атмосферы для трех вариантов. 1. Уменьшение температуры равномерно по высоте (см. рис. 6.1, В) способствуют загрязнению атмосферы. Шлейф дыма из заводских труб тянется без рассеивания на большую длину. 2. Если граница инверсинного слоя расположена выше дымо­вой трубы (рис. 6.1, Г), то это самый неблагоприятный случай. Под действием ветра факел загрязнителя перемещается горизонтально. Массообмен с атмосферой выше инверсионного слоя отсутствует. Загрязнитель перемешивается с воздухом, находящимся в инверсион­ном слое. При штиле, слабом ветре концентрация загрязнителя в приземном слоем атмосферы может достичь очень больших величин. 3.В том случае, когда граница инверсионного слоя расположе­на ниже дымовой трубы (рис. 6.1, Д), перемешивание загрязнителя с атмосферой (рассеивание) будет происходить над инверсионным слоем. В приземный слой загрязнитель в значительных количествах не проникает. Распространение загрязнений в атмосфере связано с направлением и скоростью ветра, вертикальным градиентом температуры характером источников загрязнений и свойств загрязнителей, взаимодействием загрязнителей с поверхностью земли и выпадающими осадками. Наблюдения и расчеты показывают, что вредные выбросы из ды­мовой трубы, распространяясь вдоль направления ветра, имеют раз­личную концентрацию в приземном слое атмосферы. На некотором расстоянии от дымовой трубы наблюдается максимальное значение концентрации загрязнителя. Степень опасности загрязнения приземного слоя воздуха оцени­вается по наибольшей величине приземной концентрации загрязни­теля См, которая устанавливается на некотором расстоянии от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает «опасного» значения и имеет место интен­сивный вертикальный турбулентный массообмен. Максимальная при­земная концентрация загрязнителя См(мг/м3) от одиночного точеч­ного источника выброса при неблагоприятных атмосферных услови­ях определяется по формуле[9] где - коэффициент, зависящий от распределения температуры по высоте атмосферы; - количество загрязнителя, выбрасываемого в атмосферу точечным источником, г/с; - высота источника выброса (дымовой трубы) над уровнем земли, м; - объем выбрасываемых дымовых газов, м3/с; - разность между температурой выбрасываемых дымовых газов Теи температурой окружающего атмосферного воздуха Тв, °С; - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере; - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода дымовых газов из устья дымовой трубы; – коэффициент, учитывающий рельеф местности. 7 ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис.4, а) газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер. Значение центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов u, м/с, можно определить по выражению , где r —плотность частицы, кг/м3. Движению частицы к поверхности осаждения препятствует сила лобового сопротивления FС, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется но закону Стокса: , где m - динамическая вязкость газа, Па×с. Приравнивая выражения для F и FC, определяется скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения: , где - время релаксации, с. Временем релаксации называется время разгона частицы от нулевого до заданного значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа J) при постоянном значении ускорения а (в рассматриваемом случае а=u2/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды. Кинематический параметр для циклонных золоуловителей принимает вид . Параметр формы определяется исходя из рис.4, а: , где h – высота потока в циклоне, м, ; D0 - диаметр внутреннего цилиндра циклона, u -число оборотов потока до выхода из циклона. Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид . Вторая дробь в формуле определяется формой циклона - относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего к циклону патрубка. Входящая в формулу времени релаксации динамическая вязкость m для условии золоулавливания меняется мало, составляя при температуре газов 150О С в среднем 22×10-6 Па×с. В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклопов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500…700 Па. В качестве элемента батарейных циклопов используется большое число модификаций: • с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями; • с тангенциальным подводом газа; • прямоточные; • др. Широко применяются для энергетических установок элементы с тангенциальным улиточным подводом газа типа “Энергоуголь” с внутренним диаметром 231 мм (рис.4, б). Нормальный ряд таких циклонов для колов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в табл.4. В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например, 4´14´m означает 4-ех секционный аппарат с 14-ю элементами в глубину с m элементами по ширине (их может быть от 7 до 24). Расчет батарейного циклона Расчет батарейного циклона рекомендуется проводить в следующей последовательности. 1. Определяется расход газов, м3/с, при котором обеспечиваются оптимальные условия работы циклонного элемента, по формуле , где wОПТ – оптимальная скорость потока в элементе, м/с (табл.4); D – внутренний диаметр элемента, м. Таблица 4 Технические характеристики батарейных циклонов серийного изготовления Тип циклона, завод изготовитель, ОСТ или ТУ Число элементов в секции n, шт. Оптимальная скорость газа в элементе w, м/с Производительность по газу одной секции Q, м3/с Коэффициент сопротивления x Область промышленного применения ЦБ-254Р, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77, ОСТ 26-14-2003-77 25, 30, 40, 50, 60, 80 4,5 5,6…16,2 90 Очистка газа при температуре до 400 ОС ЦБ-23IV, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77 12, 16, 20, 25, 30, 42, 56, 63 4,5 2,2…11,7 110 То же ЦБ-2, Кусинский машиностроительный завод, ОСТ 108-033 взамен ОСТ 24-03-001 20, 25, 30 4,5 4,84…13,6 70 Очистка газа при температуре до 150 ОС ПЦБ, карагандинский машиностроительный завод №2, ТУ 12-44-21-038-75 24, 36, 48, 96 3,5 4,2…15,7 150 Очистка газа при температуре до 120 ОС. Аппараты выпускаются во взрывобезопасном исполнении 2. Число циклонных элементов, необходимое для оптимальной работы батарейного циклона, определяется как , где Q – общий расход газа, м3/с. 3. По табл.4 подбирают батарейный циклон с ближайшим к nОПТ количеством циклонных элементов n. Число элементов выбранного батарейного циклона n желательно выбрать таким, чтобы оно не более чем на 10% отличалось от nОПТ. Далее определяют действительную скорость потока в элементе, w, м/с: . 4. Потери давления (аэродинамическое сопротивление) в батарейном циклоне, Па: , где x - коэффициент гидравлического сопротивления, принимается по табл.4. 5. Необходимая площадь сечения батарейного циклона определяется по выражению: , где Z – число батарейных циклонов на котел; V – количество очищаемого газа при нормальной нагрузке котла, м3/с. 6. Параметр улавливания определяется по приближенному выражению: , где di – средний диаметр фракции, мкм; uД – скорость газов м/с. 6. По параметру Пi определяется степень уноса каждой фракции (по выражению ei=exp(-Пi)), а затем общая степень уноса золоуловителя: , где k – число фракций. Положительный опыт длительной эксплуатации батарейных циклонов на многих электростанциях позволяет рекомендовать их для ряда случаев, в частности для очистки: • дымовых газов от золы при сжигании малозольных топлив, главным образом – бурых углей; • рециркуляционых газов котлов от золы с целью защиты дымососов системы рециркуляции от износа; • сушильного агента от невзрывоопасной угольной пыли, например марок АШ, в системах подготовки топлива. 7.1 Прочие инерционные пылеуловители Не так широко, как циклоны или батарейные циклоны применяются на ТЭС другие типы инерционных золоуловителей. Однако, в промышленной теплоэнергетике, металлургии, нефтегазовой промышленности, деревообрабатывающем производстве и некоторых других семейство циклонных пылеуловители представлено достаточно разнообразно. К ним относят: • жалюзийные пылеуловители; • вихревые пылеуловители; • отражательные инерционные пылеуловители; • ротационные пылеуловители. Кроме того, для улавливания частиц размером от 100 до 1000 мкм применяют также осадительные камеры. Жалюзийные пылеуловители Жалюзийные пылеуловители - это аппараты для очистки газов от пыли инерционного действия. Движущийся в газопроводе запыленный поток встречается с жалюзийной решеткой, состоящей из ряда наклонно установленных пластин, рис.5. Рис. 5. Схема действия жалюзийного пылеуловителя Огибая пластины, струи газа резко меняют направление движения, проходят на другую сторону решетки и движутся в прежнем направлении. Частицы пыли, встречаясь с пластинами решетки, стремятся по инерции сохранить первоначальное направление движения, не огибают пластину, а ударяются о ее поверхность и отражаются в сторону, противоположную движению газов. Затем опять поворачивают по направлению газового потока, ударяются о следующую по ходу газов пластину и т.д. В результате газы, прошедшие через решетку, очищаются, а газы, оставшиеся по другую сторону решетки, обогащаются пылью. Эта часть газового потока (около 10% газов) направляется для окончательной очистки в другой пылеуловитель - циклон. Жалюзийный пылеуловитель применяют для улавливания пыли размером >20 мкм. Вихревые пылеуловители Вихревые пылеуловители (ВПУ) - это аппараты центробежного действия для очистки газов от пыли. Отличительная особенность ВПУ - высокая степень очистки газов от тончайших фракций (<3...5 мкм) пыли. Существует две основные разновидности ВПУ: сопловой (рис.6, а) и лопаточный (рис.6, б). Процесс обеспыливания в ВПУ происходит следующим образом: запыленный газ поступает в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного закручивания запыленного газа в камеру 5 встроен лопаточный завихритель типа розетки 2. Двигаясь вверх к выходному патрубку 6, газовый поток подвергается воздействию вытекающих из завихрителя 1 (наклонные сопла в ВПУ соплового типа, наклонные лопатки в ВПУ лопаточного типа) струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное движение. Под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, частицы пыли устремляются к периферии, откуда спиральными струями вторичного потока перемещаются вниз аппарата, в кольцевое межтрубное пространство. Безвозвратный спуск пыли в бункер обеспечивается подпорной шайбой 3. Вторичный воздух в ходе спирального обтекания потока очищаемого газа постепенно проникает в него. Отражательные инерционные пылеуловители Отражательные инерционные пылеуловители - это аппараты для выделения пыли из газового потока, в которых происходит изменение направления газового потока. Сталкиваясь с каким-нибудь телом, обтекая его, частицы пыли или капли, обладающие большей инерцией, ударяются о поверхность тела и оседают на ней. Некоторые типы отражательных пылеуловителей приведены на рис.7. Рис.6. Вихревые пылеуловители: сопловой (а) и лопаточный (б) Рис.7. Отражательные инерционные пылеуловители: а - с перегородкой; б - с плавным поворотом газового потока; в - с расширяющимся конусом; г - с боковым подводом газа; Ротационные пылеуловители Ротационные пылеуловители - это аппараты для очистки газов от пыли, центробежного действия, которые одновременно с перемещением газов очищают его от фракций пыли крупнее 5 мкм. Конструктивная схема простейшего пылеуловителя ротационного типа представлена на рис.8. При работе вентиляторного колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и двигаются по ней в направлении выходного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в пылевую трубу 4. Рис.8. Пылеуловитель ротационного типа: 1 - вентиляторное колесо; 2 - кожух; 3 - пылеприемное отверстие; 4 - выхлопной патрубок 8 МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ Простейшим типом мокрого золоуловителя является центробежный скруббер (рис.9, а). Главным отличием его от сухого инерционного золоуловителя является наличие на внутренней стенке стекающей пленки воды. Отсепарированная за счет центробежных сил зола лучше отводится из скруббера в бункер, при этом уменьшается вторичный захват зольных частиц со стенки газовым потоком. Характер зависимостей описывается такими же теоретическими формулами, как и для сухих инерционных золоуловителей. Золоуловитель тина МП-ВТИ (мокропрутковый конструкции Всесоюзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского) во входном патрубке 1 (рис.9, а) имеет шахматный пучок горизонтальных прутков диаметром 20 мм. Прутковые решетки орошаются водой, распыливаемой механическими форсунками, установленными но ходу очищаемых газов перед решетками. Улавливание золы в аппарате МП-ВТИ проходит две ступени: на орошаемых решетках за счет осаждения частиц золы и на внутренней орошаемой поверхности скруббера. Эффективность золоулавливания составляет 88...90%. Недостатками золоуловителей МП-ВТИ кроме низкой эффективности золоулавливания являются следующие: • возникновение отложений золы в прутковых пучках, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и снижению нагрузки котла; • повышенный расход воды для обеспечения нормального функционирования золоуловителя. Уральским отделением Союзтехэнерго совместно с ВТИ разработаны и внедрены на многих электростанциях более эффективные мокрые золоуловители с коагуляторами Вентури (рис.9, б). Основными достоинствами этих аппаратов являются стабильная степень очистки газов от золы, составляющая 94...96% при умеренном аэродинамическом сопротивлении (1100 -1300 Па), относительно небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, а также возможность работы на оборотной воде. Попытки осуществить питание аппаратов типа МП-ВТИ оборотной осветленной водой с золоотвала, чтобы избежать ее сброса в водоемы общего пользования, приводили к образованию в прутковых пучках трудноудаляемых минеральных отложений, серьезно нарушающих работу золоуловителя. При этом наблюдалось: • падение степени очистки газов; • возрастание аэродинамического сопротивления; • появление интенсивного брызгоуноса. Коагуляторы Вентури могут устанавливаться как вертикально, так и горизонтально с небольшим уклоном. Принцип работы мокрого золоуловителя с коагулятором Вентури заключается в следующем, рис.9, б. В конфузор 3 коагулятора через форсунки подается орошающая вода, которая дополнительно диспергируется (распыляется) скоростным газовым потоком на мелкие капли. Летучая зола при прохождении с дымовыми газами через коагулятор частично осаждается на каплях и на его орошаемых стенках. Далее капли и неуловленные частицы золы поступают в корпус аппарата - центробежный скруббер, где дымовые газы освобождаются от капель и дополнительно очищаются от золы, после чего дымососом выбрасываются в атмосферу. Гидрозоловая пульпа сбрасывается через гидрозатвор в канал системы гидрозолоудаления (ГЗУ). Рис.9. Мокрые золоуловители: а - центробежный скруббер; 1 - входной патрубок запыленного газа; 2 - корпус золоуловителя; 3 - оросительные сопла; 4 - выход очищенного газа; 5 - бункер; б - золоуловитель с коагулятором Вентури; 1 - входной патрубок запыленного газа; 2 - подача воды через оросительные сопла; 3, 4, 5 - конфузор, горловина и диффузор коагулятора Вентури; 6 - скруббер-каплеуловитель В конфузоре пылегазовый поток разгоняется от 4...7 до 50...70 м/с. Дополнительное дробление капель воды осуществляется в горловине 4. В диффузоре 5 происходит столкновение частиц золы с каплями воды (кинематическая коагуляция) и снижение скорости пылегазового потока, который, в свою очередь, тангенциально вводится в скруббер. Размер капель тем меньше, чем больше скорость газа в горловине. Средний диаметр капель dК, м, можно определить , где ur - скорость газа в горловине, м/с. Захват частиц золы каплями может происходить по двум причинам: • быстро несущиеся со скоростью газов частицы золы попадают в капли, которые еще не успели разогнаться потоком газа. Тогда они попадают в каплю за счет разности скоростей (ur- uК), где uК - скорость движения капли; • за счет турбулентных пульсаций частиц золы, которые попадают в практически мало пульсирующие капли. Если принять за основу коагуляции второй механизм, то параметр золоулавливания для трубы Вентури определяется из выражения , где eТ - степень турбулентных пульсаций, определяемая как отношение скорости дрейфа к скорости газа в горловине; qЖ - удельный расход орошающей жидкое на 1 м3 очищаемого газа, л/м3; L - расстояние между горловиной трубы и скруббером. В отличие от других золоуловителей для мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури в формулу () для расчета параметра золоулавливания не входит диаметр частиц d. В первом приближении можно принять, что все частицы от мелких до крупных улавливаются одинаково, и их дисперсный состав не учитывать. В отечественной практике применение получили два тина мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури: МВ-УО ОРГРЭС и МС-ВТИ. Первый тип золоуловителя выполняется с вертикальным и горизонтальным расположением коагулятора Вентури круглого сечения, второй только с горизонтальным расположением трубы прямоугольного сечения. Основные характеристики золоуловителя МС-ВТИ представлены в табл.5. Типоразмеры золоуловителей МС-ВТИ Таблица 5 Каплеуловитель Горловина трубы Вентури Диаметр, м Высота, м Активная площадь сечения, м2 Сечение входного патрубка, м2 Размеры, м Площадь сечения, м2 2,8 9,66 5,72 1,37 0,39´1,17 0,455 3 10,32 6,6 1,67 0,43´1,23 0,53 3,2 10,98 7,54 1,95 0,48´1,4 0,644 3,6 12,2 9,62 2,41 0,45´1,8 0,81 4 13,61 11,93 3 0,50´2 1 4,5 15,25 15,2 3,88 0,57´2,28 1,3 Расчет золоуловителей подобного типа ведется в следующей последовательности. 1. Определяется диаметр каплеуловителя, м, причем скорость газов в его сечении принимается в среднем w=5 м/с: , где Q - общий расход газа м3/с. Затем по табл. 5 подбирают типоразмер аппарата. 2. В зависимости от принятой степени проскока e находят по табл. 3 параметр золоулавливания П и выбирают qЖ и ur, таким образом, чтобы соблюдалось равенство . Обычно ur=50...70 м/с, qЖ=0,12...0,2 кг\м3. 3. Определяют площадь сечения горловины Вентури по выражению . По табл.5 подбирают сечение горловины и корректируют соответственно действительную скорость газов. По выражению уточняют значение П и, затем, по табл.3 степень проскока e. 4. Общее гидравлическое сопротивление коагулятора Вентури и каплеуловителя, Па, рассчитывается по формуле: , где r - плотность газа перед золоуловителем, кг/м3; uВХ - скорость газа при входе в каплеуловитель, равная . Обычно uВХ=20 м/с. 5. Конечная допустимая температура очищенных газов, °С, принимается исходя из известной точки росы водяных паров t’’Р из соотношения: t³ t’’Р +21. Не рекомендуется применять мокрые золоуловители для топлив, содержащих в составе золы более 15...20% оксида кальция СаО. Приведенная сернистость топлива должна быть не более 0,3 %×кг/МДж. Жесткость орошаемой воды не должна превышать 15 мг-экв/л. В соответствии с п.5 температуру газов за мокрым золоуловителем следует поддерживать не менее чем на 21 ОС выше точки росы для предотвращения коррозии газоходов. Обязательным условием нормальной работы мокрого золоуловителя является предотвращение отложений в его орошающих устройствах. Чтобы обеспечить это условие, прежде всего необходимо очистить орошающую воду от механических примесей, для чего применяются гравийные фильтры. Основной причиной возникновения отложений является кристаллизация солей кальция из пересыщенной ими орошающей воды или пульпы, а также недостаточное по различным обстоятельствам орошение каких-либо участков стенок золоуловителя. Орошающая вода не должна быть пересыщена сернокислым кальцием (СаSO4), что можно достигнуть, например, добавкой к оборотной воде некоторого количества свежей воды. При проектировании мокрых золоуловителей следует учитывать, что SO2 и SO3 содержащиеся в дымовых газах, частично растворяются в пульпе. При этом если диоксид серы улавливается в мокром золоуловителе до 25%, то триоксид серы до 85%. В результате рН пульпы снижается до 3,5 и требуется защита стенок золоуловителя от коррозии. Улавливание SO3 приводит также к изменению точки росы дымовых газов. 9 ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ Одним из хорошо зарекомендовавших себя и перспективным типом золоуловителей для крупных ТЭС являются электрофильтры, которые могут обеспечить высокую степень очистки газов при аэродинамическом сопротивлении не более 150 Па практически без снижения температуры и без увлажнения дымовых газов. Рис.10. Принцип работы электрофильтра: 1 - осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 - частицы золы; 4 - электрическое поле; 5 - слой осевшей золы; 6 - заряженная зола В электрофильтрах запыленный газ движется в каналах, образованных осадительными электродами 1 (рис.10), между которыми расположены через определенное расстояние коронирующие электроды 2. Сущность процесса электрической очистки газов заключается в следующем. Запыленный газ проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов 7 и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов 2, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком. При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (ток короны). Рис.11. Электрофильтр типа УГ: 1 - корпус; 2 - электрод осадительный; 3 - электрод коронирующий; 4 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 - механизм встряхивания осадительных электродов; 6 - газораспределительная решетка; 7 - бункер для золы; 8 - изолятор Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток, который и представляет ток короны. Частицы золы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов. Процесс электрогазоочистки можно разделить на следующие стадии: • зарядка взвешенных в газе частиц; • движение заряженных частиц к электродам; • осаждение частиц на электродах; • удаление этих частиц с электродов. Коронный разряд возникает при достижении определенной напряженности и электрического ноля, называемой критической или начальной, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении н температуре 20 ОС составляет около 15 кВ/см. При дальнейшем повышении напряженности нарушается электрическая прочность газового промежутка между электродами, наступает искровой или дуговой электрический разряд. К коронирующим электродам подводится отрицательный заряд, так как подвижность отрицательных ионов выше положительных. Кроме того, при отрицательной короне удается поддержать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами. Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными. На большинстве электростанций, оснащенных электрофильтрами, применены аппараты тина УГ (унифицированный горизонтальный). Запыленные газы после газораспределительной решетки 6 (рис.11) поступают в коридоры, образованные вертикально висящими широкополосными осадительными электродами С-образной формы. Коронирующие электроды представляют собой профильные ленточные элементы с штампованными иглами, укрепленные в специальной рамке. Для удаления осевшей на электродах золы предусмотрены встряхивающие устройства в виде молотков, ударяющих по наковальням электродов. Осевшая зола попадает в бункера и затем через гидравлические затворы направляется в систему ГЗУ. Расчетная температура газов до 250 ОС. Электрические поля имеют самостоятельное питание и систему встряхивания. На рис.11 показан трехпольный электрофильтр типа УГ. В первом поле оседает наибольшее количество золы, в последнем - минимальное. Важным условием, определяющим эффективность работы электрофильтра, является агрегат электрического питания. Каждый агрегат обслуживает одно поле (или половину поля), состоит из трех узлов: • повысительно-выпрямительного блока с высоковольтным распределительным устройством; • блока магнитных усилителей; • дросселей и пульта управления. Для поддержания напряжения в любой момент работы электрофильтра на грани пробивного, когда обеспечивается наилучшая ионизация газов, применена автоматическая схема регулирования. Электрофильтры серии УГ имеют две разновидности: УГ2 - с высотой электрода 7,5 и активной длиной каждого поля 5 м и УГЗ - с высотой электрода 12,2 и длиной поля 4 м. Число полей n в каждом электрофильтре может быть три и четыре. Поперечные сечения для прохода газов Fr, м2, для электрофильтров УГ2 имеют следующие значения: 26, 37, 53, 74; для электрофильтров УГЗ: 88, 115, 177, 230, 265. Параметры золоулавливания электрофильтра рассчитываются по выражению П=J×f, где J - скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения); f=A/V - удельная площадь поверхности осаждения на 1 м3/с очищаемого газа. Здесь А - площадь поверхности канала золоулавливания, м2; V - расход газа, м3/с. Степень осаждения определяется двумя факторами - скоростью дрейфа частиц золы J и удельной поверхностью осаждения f . Увеличивая f, можно получить высокую степень улавливания, однако это связано с большими расходами металла и увеличением габаритов электрофильтров. Скорость дрейфа J, м/с, определяется в основном электрическими характеристиками электрофильтра и пылегазового потока и выражается как: , Рис.12. Влияние удельного сопротивления летучей золы на работу электрофильтра: а - зависимость удельного сопротивления летучей золы при работе электрофильтра от температуры; б - зависимость скорости осаждения от удельного сопротивления пыли; 1 - цементная пыль; 2 - зола уноса котлов где e0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; e - относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы; ЕЗ - напряженность электрического поля зарядки, В/м; ЕОС - напряженность электрического поля осаждения, В/м. Из приведенного выражения следует, что скорость дрейфа пропорциональна произведению напряженностей полей зарядки и осаждения и диаметру частицы (влияние остальных факторов менее существенно). Однако определить теоретическим путем величины ЕЗ и ЕОС затруднительно, из-за чего расчет но приведенному выражению возможен при наличии опытных данных но электрическим характеристикам. Основными факторами, определяющими скорость дрейфа, являются электрические свойства пылегазового потока и в первую очередь электрическое сопротивление золы. На рис.12, а показана зависимость удельного сопротивления летучей золы r, 0м×м, при работе электрофильтра от температуры. Максимум электрического сопротивления золы соответствует температуре 100...130 ОС. Наибольшее r имеет зола углей с малым содержанием горючих в уносе, низким содержанием серы и влаги в топливе. К углям, зола которых имеет наиболее высокое электрическое сопротивление, относятся экибастузский и кузнецкий каменные угли. На рис.12, б показано изменение скорости дрейфа J от удельного сопротивления r. В области r=108...109 0м×м происходит резкое падение скорости дрейфа. Анализ работы электрофильтров на ТЭС показал, что основная причина менее эффективной очистки заключается в высоком удельном электрическом сопротивлении (УЭС) r слоя золы, образующемся на осадительных электродах электрофильтра. Вследствие высокого УЭС проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению потенциала поверхности слоя, увеличению падения напряжения в слое при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные разряды. Это явление, вызывающее образование и выброс в межэлектродное пространство ионов со знаком, обратным знаку ионов, образующихся в основном процессе, принято называть обратной короной. Положительные ионы, образовавшиеся в зоне обратной короны, под действием электрического ноля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы, заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень очистки газов в электрофильтре. Устойчивая обратная корона характеризуется появлением в слое пыли точек локализованных разрядов голубого цвета. Высокое УЭС летучей золы обусловлено как параметрами дымовых газов (концентрация серного ангидрида и зависящая от него кислотная точка росы, парциальное давление водяных паров, температура газов и др.), так и химическим составом самой золы, главным образом соотношением в ней алюмосиликатов (Al2O3+SiO2) и щелочных металлов, в первую очередь натрия и лития. При определенной комбинации низких содержании серы, водорода и влаги в угле с низкими концентрациями щелочных металлов в золе при общепринятых в котельной практике температурах уходящих газов 120...150 ОС удельное электрическое сопротивление золы вырастает до 1010...1012 0м×м. При таких параметрах обратная корона возникает и развивается в электрофильтре исключительно быстро. На степень улавливания золы большое влияние также оказывает равномерность распределения поля скоростей дымовых газов по сечению электрофильтра. С целью создания достаточно равномерного поля скоростей газов на входе в электрофильтр устанавливают газораспределительные решетки. Современные электрофильтры серии ЭГА - горизонтальные, модификации А, изготавливаются в широком диапазоне типоразмеров при глубокой унификации узлов и деталей. Такие фильтры рассчитаны на максимальную температуру газов до 330 ОС. Электродная система - система, составленная из широкополосных (ширина элемента 40 мм) элементов открытого профиля и рамных коронирующих электродов с игольчатыми элементами. Шаг между одноименными элементами составляет 300 мм. В электрофильтрах по ширине размещается от 10 до 88 газовых проходов. Номинальная высота электродов принимается из ряда 6; 7,5, 9; 12 м. В связи с повышением мощности энергоблоков потребовалось создание двухъярусного фильтра. Для энергоблоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1 разработан и изготовлен на базе серии ЭГА электрофильтр типа ЭГД (горизонтальный, двухъярусный) (рис.13). Электрофильтры серии УВ (рис.14) - унифицированные вертикальные пластинчатые сухие для очистки газов с температурой до 250 ОС, выпускаются взамен электрофильтров ДВП и ДВПН. Электрофильтры типа УВ имеют одно поле активной длины 7,4 м и разделены по газу на одну - три секции. Осадительные электроды - пластинчатые с нижним молотковым стряхиванием. Коронирующие электроды - рамные с верхним подвесом и молотковым встряхиванием. Электрофильтры УВ рассчитаны на невысокую запыленность газов и скорость их в активном сечении до 1 м/с. Расчет электрофильтра для ориентировочного определения его размеров ведется в следующем порядке. Рис.13. Электрофильтр типа ЭГД: 1 - подводящие газоходы; 2 - газораспределительная решетка; 3 - коронирующий электрод; 4 - осадительный электрод; 5 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 6 - механизм встряхивания осадительных электродов; 7 - бункер для пересыпки золы из верхнего яруса Рис.14. Электрофильтр УВ 1. Определяется активное сечение для прохода газов, м2, эктрофильтра: , где Z - число параллельно включенных корпусов (рекомендуется устанавливать один-два корпуса на котел, обычно по числу выбранных дымососов); u - скорость газов в активном сечении, принимается для золы с неблагоприятными характеристиками (r>5×109 0м×м) в пределах 1,3—1,5 м/с, для остальных топлив ((r<5×109 0м×м до 1,8 м/с). Далее подбирается ближайшее поперечное сечение электрофильтра wД, выбирается высота электрода и уточняется действительная скорость газов для подобранного сечения. 2. Принимается схема газораспределения электрофильтра и оценивается степень заполнения объема m. По заданной степени уноса e определяется степень уноса при равномерном потоке eР, по выражению . Степень заполнения m определяется экспериментально на моделях электрофильтра с примыкающими газоходами. 3. По табл.3 определяется по найденной степени уноса при равномерном поле параметр золоулавливания П. 4. Задаваясь скоростью дрейфа J в зависимости от используемого на ТЭС топлива рассчитывается поверхность осаждения . При расчете электрофильтров можно принимать для различных топлив следующие скорости дрейфа частиц J м/с: Кузнецкий СС, экибастузский - 5,5×10-2; Донецкий промпродукт - 5,5×10-2; Канско-ачинский - (6...6,5)×10-2; Донецкий: ГСШ - 7×10-2; АШ - (8...9)×10-2; Подмосковный (10...12)×10-2. 5. Число полей электрофильтра при заданной длине поля определяется по выражению , где t - расстояние между одноименными электродами (для электрофильтров УГ t=0,275 м); l - длина поля. Выбирается действительное число полей электрофильтра nД. Уточняется действительное значение параметра золоулавливания ПД и соответственно eРД и eД. 9.1 Особенности улавливания золы с неблагоприятными электрофизическими свойствами Решение проблемы эффективной электрической очистки дымовых газов, имеющих неблагоприятные электрофизические свойства, состоит в разработке методов снижения интенсивности или предотвращения образования обратной короны, т. е. создании условий, обеспечивающих стабильную работу электрофильтров. В современных электрофильтрах уже достигнута близкая к максимально возможной равномерность распределения тока короны по поверхности осадительных электродов путем, например, использования игольчатых коронирующих электродов с рациональной геометрией. Важным направлением в решении проблемы улавливания золы с высоким УЭС является кондиционирование дымовых газов, которое заключается в изменении их свойств при добавлении к ним химических веществ или водяного пара, адсорбирующихся па поверхности частиц золы и увеличивающих их поверхностную проводимость. Химические методы кондиционирования. В качестве кондиционирующих добавок применяются триоксид серы, водяной пар, аммиак и другие соединения. Сравнительно небольшое количество триоксида серы, добавленное к продуктам сгорания топлив, существенно уменьшает электрическое сопротивление слоя золы, осаждающейся на электродах. При добавке к продуктам сгорания триоксида серы в количестве около 20 миллионных долей но объему (20 РРМ) эффективность улавливания высокоомной золы заметно растет. Дальнейшее увеличение этой добавки, как правило, не сопровождается заметной интенсификацией золоулавливания. Триоксид серы для целей кондиционирования может быть получен с помощью одного из следующих способов: кипячением серной кислоты, разложением олеума, превращением диоксида серы в триоксид, испарением стабилизированного триоксида серы, сжиганием серы в присутствии катализатора. Применение одного из способов получения триоксида серы определяется в основном экономическими соображениями. Увеличение содержания водяных паров в очищаемых газах, как известно, не только снижает УЭС золы за счет роста проводимости поверхностной пленки, но также обеспечивает возможность повышения рабочего напряжения на коронирующих электродах благодаря увеличению диэлектрической прочности дымовых газов. Так, например, при работе электрофильтра на чистом воздухе увеличение содержания в нем водяных паров от 30 до 75 г/м3 позволяет повысить пробивное напряжение на 15— 20%. В то же время исследования показали, что влияние влагосодержания на работу электрофильтра может быть существенно различным в зависимости от температуры газов. С ростом температуры для сохранения одинакового эффекта электрической очистки влагосодержание газов может быть более значительным. Эффективность различных кондиционирующих агентов можно сравнить по относительному изменению скорости дрейфа частиц в электрическом поле. На рис.15 показана зависимость этого параметра от содержания в дымовых газах различных кондиционирующих добавок: триоксида серы, аммиака, фосфора и водяного пара, а также диоксида серы. Температурный метод кондиционирования. Зависимость УЭС золы от температуры носит экстремальный характер (см. рис.12). Такой вид зависимости можно объяснить различиями в протекании электрического тока через слой золы. Рис.15. Влияние ввода различных присадок в дымовые газы на изменение скорости дрейфа частицы золы Установлено, что сопротивление слоя золы определяется как его поверхностной проводимостью, так и объемной. При низкой температуре УЭС золы определяется поверхностной проводимостью, обусловленной адсорбцией (поглощением) поверхностью золы влаги и различных химических веществ (в первую очередь серного ангидрида) из дымовых газов. При высоких температурах газов УЭС золы определяется объемной проводимостью, обусловленной механизмом ионной проводимости, при которой главными переносчиками зарядов являются ионы щелочных металлов. Для данного химического состава золы ее объемное сопротивление зависит также от температуры газов и напряженности электрического поля. Из рассмотрения зависимости удельного электрического сопротивления золы от температуры следует, что преодоление высокого омического сопротивления летучей золы и обратного коронирования в электрофильтре, а также обеспечение высокой степени очистки газов при приемлемых габаритах электрофильтра могут быть достигнуты различными технологическими путями. Одним из путей является создание котлов, рассчитанных на весьма низкую температуру уходящих газов путем сооружения более развитых, чем обычнее, хвостовых поверхностей нагрева (использование левой ветви зависимости удельного электрического сопротивления от температуры). Исследования показали, что снижение температуры газов до 100 ОС приводит к снижению УЭС золы примерно на один порядок. Когда УЭС исходной золы превышает значение 5×1011 0м×см, необходимо более глубокое охлаждение газов до температуры примерно 80...90 ОС. При этом, однако, увеличиваются габариты и стоимость котлов. Могут существенно усложниться их эксплуатация и ремонт в связи с интенсификацией абразивного износа низкотемпературных поверхностей. Поэтому при сжигании топлив, зола которых обладает чрезмерно высоким УЭС, как правило, не идут по пути глубокого охлаждения уходящих газов, хотя в ряде случаев таким способом можно существенно снизить выбросы в атмосферу. Другой путь снижения омического сопротивления золы заключается в размещении электрофильтров перед воздухоподогревателем в области температур газов около 350...400 ОС (использование правой ветви зависимости удельного сопротивления слоя золы от температуры (рис.12, а). Опыт применения таких электрофильтров имеется в США. Преимущество этого направления состоит не только в достижении эффективной и стабильной очистки газов от высокоомной золы, но и в предотвращении загрязнения золой поверхности воздухоподогревателя. Скорости движения газов в активном сечении «холодных» и «горячих» электрофильтров должны быть примерно одинаковыми, чтобы обеспечить в обоих случаях высокую степень очистки газов. Удельные объемы продуктов сгорания при температуре 350...400 ОС примерно в 1,5 раза выше, чем при температуре 140...150 ОС. Поэтому требуются большие проходное сечение и габариты горячих электрофильтров, что приводит к увеличению капитальных затрат и затрудняет компоновку аппаратов в заданной ячейке блока. Необходимые поверхности осаждения для обеспечения одинаковой степени очистки газов при использовании горячих и холодных электрофильтров оказываются одинаковыми. В этих расчетах, однако, не учитывается, что при установке горячих электрофильтров происходят дополнительные потери теплоты с золой, имеющей температуру 350...400 ОС. Для углей с малой зольностью потери теплоты относительно невелики. Для высокозольных углей (например, экибастузского) установка горячих электрофильтров перед воздухоподогревателями котла приведет к снижению КПД котла примерно на 1%, что вряд ли можно считать оправданным. Размещение электрофильтров в области температур 350...400 ОС, при обеспечении их нормальной работы и при наличии золы с высоким УЭС, связано с определенными затруднениями в очистке газов, поскольку при этом изменяются их свойства. Так, например, возрастает вязкость газов и поэтому уменьшается при прочих равных условиях скорость дрейфа частиц золы. С увеличением температуры газов становятся более сложными аппараты вследствие больших термических расширений элементов конструкций, попадания горячей золы в систему золоудаления, дополнительных присосов воздуха перед воздухоподогревателем. Температурно-влажностное кондиционирование. Одним из эффективных путей улучшения очистки продуктов сгорания с неблагоприятными электрофизическими свойствами является предварительное изменение свойств дымовых газов путем использования преимуществ как температурного, так и влажностного кондиционирования газов, рационального сочетания их, т. е. Путем использования температурно-влажностного кондиционирования. Установлено, что применение температурно-влажностного кондиционирования продуктов сгорания экибастузского угля позволяет существенно снизить УЭС золы. При температуре газов 99 ОС и одновременном увеличении их влагосодержания на 8 г/м3 УЭС золы снизилось в 70 раз по сравнению с УЭС золы при 136 ОС без дополнительного увлажнения. Снижение температуры до 82 ОС и увеличение влажности газов на 22 г/м3 уменьшает УЭС на 23 порядка. Температурно-влажностное кондиционирование дымовых газов может быть осуществлено различными способами. Для высокозольных топлив типа экибастузского угля, когда запыленность очищаемых газов близка к критическому значению по условиям запирания коронного разряда или превосходит его, ВТИ и Союзтехэнерго разработали комбинированную золоулавливающую установку, состоящую из включенных последовательно по ходу газов мокрой ступени, предназначенной для предварительной очистки газов и их температурно-влажностного кондиционирования, и многопольного электрофильтра. При использовании этой золоулавливающей установки нужно учитывать, что сильное увлажнение продуктов сгорания в мокрой ступени приводит к коррозии металла осадительных электродов. Большие перспективы имеют охлаждение и увлажнение дымовых газов путем полного испарения влаги в газоходе перед электрофильтром. Это наиболее дешевый и простой способ кондиционирования, практически не требующий громоздкого дополнительного оборудования. Особенно целесообразен этот способ при испарении различных химических стоков и жидких отходов, содержащих соединения натрия, лития и другие кондиционирующие вещества. Этот способ применим в основном при сжигании в котлах средне- и малозольных углей, когда в электрофильтре отсутствует проблема запирания коронного разряда из-за чрезмерно высокой запыленности очищаемых газов. Метод импульсного питания. Принципиально новым способом борьбы с обратной короной, разрабатываемый в последние годы, может стать применение импульсного напряжения для питания электрофильтров. Одним из преимуществ применения импульсного напряжения для питания электрофильтров является то, что импульсная прочность воздушных промежутков выше их электрической прочности при постоянном напряжении, что позволяет увеличить амплитудное значение напряжения. Импульсное питание электрофильтров устраняет обратное коронирование. Результаты промышленных испытаний свидетельствуют об эффективности использования импульсной формы волны питающего напряжения. Достижение более высоких амплитудных значений питающего напряжения позволяет предполагать, что при этом будет получен больший удельный заряд пыли. Первые опыты по применению метода импульсного питания показали, что запыленность на выходе из электрофильтра снижается в 1,5...1,6 раза, а мощность, потребляемая электрофильтром, в 20 раз. Метод питания электрофильтра знакопеременным напряжением. Другим перспективным способом улавливания высокоомной золы является питание электрофильтра напряжением переменной полярности. Способ питания электрофильтра знакопеременным напряжением низкой частоты прямоугольной формы позволяет устранить обратную корону. Суть способа заключается в том, что полярность электрического напряжения меняется каждый раз, когда напряженность в слое приближается к пробивному значению. После переключения полярности, слой на электроде перезаряжается, заряд частиц в межэлектродном пространстве также меняет свой знак и сила, действующая на частицы, по-прежнему оказывается направленной к осадительному электроду. Метод предварительной ионизации. Одним из перспективных способов улавливания высокоомной золы является ее предварительная зарядка. Принципиально устройство состоит из параллельных групп электродов, через которые проходит газовый поток. Высокое напряжение низкой частоты подается на противоположные по заряду группы электродов. При этом напряженность электрического поля примерно в 10 раз превышает таковую в традиционном электрофильтре. Скорость зарядки очень высокая, что позволяет установить рассматриваемое устройство, например, на входе электрофильтра и использовать его при скорости газового потока выше 10 м/с. 9.2 Краткие сведения об улавливании золы на мазутных ТЭС Котлы, сжигающие жидкое топливо, как правило, не оснащены золоуловителями в связи с низким содержанием золы в топливе (АР=0,05...0,15%). В последние годы в связи с возросшим загрязнением атмосферного воздуха и более глубоким изучением состава твердых выбросов, образующихся при сжигании мазута, в России и за рубежом проводится работа по опытному промышленному внедрению золоуловителей на мазутных котлах. Состав минеральной части отечественных мазутов в пересчете на оксиды колеблется в следующих пределах: оксид натрия - 20...40%; пентаксид ванадия - 20...30%; оксид кремния - 5-20%; триоксид серы - 20...40%; триоксид железа - 3...20%; оксид кальция - 3...10%; оксид магния - 3...10%; оксид никеля - 1...10%. Наряду с минеральной частью топлива в выбрасываемых дымовых газах имеются соединения недогоревшего углерода. На отечественных энергетических котлах твердые частицы в дымовых газах содержат до 60% горючих. Недогоревшие соединения углерода имеют вид сажистых частиц, среди которых наибольшую опасность представляет бенз(а)пирен. Золовые частицы и сажа осаждаются на трубах поверхностей нагрева котлов и набивке регенеративных воздухоподогревателей (РВП). При обдувке РВП и дробевой очистке поверхностей нагрева происходит так называемый «залповый» выброс твердых частиц. Для того чтобы выбрать тип улавливающих устройств, обеспечить надежную эвакуацию уловленной золы и сажи, необходимо учитывать свойства уловленных частиц. Дисперсность частиц характеризуется тем, что 20% имеет размер менее 10,5 мкм, а остальные крупнее, причем 55% частиц крупнее 35 мкм. Важным показателем является насыпная плотность. Средняя насыпная плотность составляет 160 кг/м3. Электрическое сопротивление частиц составляет около 105 0м×см, поэтому такой материал относится к малоомному и трудно улавливаемому в электрофильтрах. Химический анализ уловленных на мазутных котлах твердых частиц показывает, что содержание триоксида серы в них в сотни раз выше, чем в потоке газа. Другой особенностью уловленных частиц является их высокая гигроскопичность и пожароопасность. Наибольшее распространение в мировой практике на котлах, сжигающих мазут, нашли инерционные золоуловители, как наиболее дешевые при сооружении и простые в эксплуатации. В России инерционные золоуловители на мазутных котлах испытаны на Новосалаватской ТЭЦ и ТЭЦ-16 Мосэнерго. Эффективность улавливания в них составляет 60—80%. В США, Японии и других странах применяются также и электрофильтры. Наибольшую трудность при эксплуатации электрофильтров представляет налипание твердых частиц на электродах. С налипанием борются обычно впрыскиванием аммиака в газоход перед электрофильтром. Периодически осуществляется водная промывка электрофильтров. Удаление уловленных твердых частиц на мазутных котлах представляет собой более сложную задачу, чем при работе на твердом топливе. Это объясняется гигроскопичностью, высоким содержанием горючих и потерей сыпучести золы при температуре ниже 150 ОС. Поэтому применяется пневматическая или гидравлическая система эвакуации мазутной золы. В связи с тем что в уловленном материале велико содержание углерода, в некоторых схемах предусматривается возврат уловленных частиц на повторное дожигание. Следует отметить, что улавливание золы на ТЭС и котельных, сжигающих мазут, не только решает вопрос снижения токсичных выбросов, но и дает возможность утилизировать цепные, дефицитные компоненты на основе ванадия и никеля. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие функции предполагает комбинированная газоочистка? 2. Что включает в себя технологическая схема газоочистки? 3. По какому параметру делятся аэродисперсные системы? 4. Какими параметрами характеризуются очищаемые газы? 5. Как меняется влагосодержание газа при его нагреве? 6. Перечислите основные свойства пылей. 7. Как может меняться насыпная плотность слежавшейся пыли? 8. Чем определяется слипаемость частиц пыли? 9. Какие параметры определяют абразивность частиц? 10. Хорошо или плохо улавливаются в мокрых системах газоочистки гидрофобные материалы? 11. Хорошо или плохо улавливаются с высоким удельным электрическим сопротивлением? 12. При какой поверхности контакта частицы склонны к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей? 13. Что такое фракция пыли? 14. Как меняется величина коэффициента лобового сопротивления в частице в пределах числа Рейнольдса от 2 до 500? 15. Как определяется параметр гравитационного осаждения частиц? 16. При каких условиях невозможно гравитационное осаждение частиц? 17. Как определяется параметр центробежного осаждения? 18. Как влияет режим движения газа на эффективность инерционного осаждения? 19. Чему равна эффективность инерционного осаждения при значении числа Стокса равного 0? 20. Как влияет число Фруда на эффективность центробежного осаждения? 21. Каково влияние скорости газа на осаждение частиц по механизму касания? 22. Что характеризует число Шмидта? 23. Какой параметр в наибольшей степени определяет интенсивность диффузионного осаждения? 24. Каков эффект диффузиофореза при относительной влажности газа 50%? 25. Чему равна эффективность турбулентного осаждения частиц крупностью 60 мкм и плотностью 7500 кг/м? 26. Чему равна эффективность турбулентного осаждения частиц при значении числа Рейнольдса потока равного1000? 27. По какому механизму происходит зарядка крупных частиц в электрофильтре? 28. При каких условиях происходит запирание короны? 29. Какое электрическое поле используется в электрическом осаждении частиц? 30. Как меняется скорость коагуляции в некотором объеме времени? 31. Каково влияние полидисперсности частиц на скорость Броуновской коагуляции? 32. Каково влияние давления газа на скорость Броуновской коагуляции? 33. Каков знак трибозаряда неметаллических частиц? 34. Какими параметрами определяется величина коэффициента захвата в любом режиме течения? 35. По какому механизму протекает коагуляция частиц в турбулентном потоке, если плотность частиц значительно больше плотности газа (ρч>>ρг). 36. Назовите область в потоке газа (в трубе) где градиентная коагуляция протекает с большей эффективностью? 37. Расставить механизмы коагуляции в порядке возрастания их эффективности при прочих равных условиях. 38. Перечислить преимущества мокрых пылеуловителей. 39. Какие мокрые аппараты относятся к средненапорным? 40. Назвать поверхности контакта фаз, используемых в мокрых пылеуловителях. 41. Каковы предельные значения поверхности фазового контакта в пенных пылеуловителях? 42. Назвать 3 самых эффективных механизма осаждения частиц на каплях. 43. От чего зависит поведение пленки? 44. Когда происходит дробление капель жидкости? 45. Какова зависимость между эффективностью очистки газов и затратами энергии? 46. Какова размерность у суммарной энергии соприкосновения? 47. Какова средняя скорость движения пузырьков в развитом слое пены? 48. В каких пределах находятся критические значения числа Вебера при дроблении капли? 49. В каком случае толщина пленки жидкости остается постоянной? 50. В каком случае при работе мокрого пылеуловителя эффективность диффузиофореза увеличивается в насыщенном газе? 51. При каком условии частица улавливается в пленке жидкости? 52. При каких максимальных концентрациях пыли могут работать катализаторы? 53. Чем осложняется каталитическое окисление СО до СО2? 54. Перечислить используемые катализаторы реакции окисления СО до СО2. 55. При каких температурах происходит процесс каталитического окисления СО и SO2? 56. Для чего охлаждают газ после каталитической очистки от SO2 и до какой температуры? 57. В чем преимущества сухих методов химической очистки газов? 58. Какова удельная поверхность угольных сорбентов? 59. Какие существуют виды регенерации насыщенных сорбентов и при каких температурах? 60. За счет чего повышается концентрация Н2SO4 в установке очистки газов от SO2 с неподвижным сорбентом? 61. Назвать главный недостаток способа очистки газов от SO2 в кипящем слое. 62. При каком способе мокрой очистки дыма от вредного газообразного компонента нельзя достичь его равновесного состояния? 63. Какие виды переноса определяют массообмен абсорбции? 64. При каких условиях возможно создание контактных адсорберов? 65. Какой параметр определяет сопротивление переходу газообразного компонента в жидкой фазе? 66. Какой продукт получается при известняковом способе улавливания SO2? 67. При каких температурах протекает процесс аммиачной очистки газа от SO2? 68. Назовите наиболее дешевый метод химической очистки газов от SO2? 69. Какие мероприятия в комплексе решают проблему защиты атмосферы от вредных выбросов? 70. Как изменяется давление и температура воздушных масс при вертикальном перемещении? 71. Что такое сухоадиабатический градиент температуры? 72. Какие характерные состояния атмосферы возникают в природе и от чего они зависят? 73. Что собой представляет явление температурной инверсии и по какой причине оно возникает? 74. Какое состояние атмосферы способствует интенсивному рассеиванию вредных выбросов? 75. Какой должна быть наибольшая концентрация вредного вещества в приземном слое атмосферы? 76. От чего зависит величина максимальной приземной концентрации вредных веществ при выбросе из одиночного источника? 77. Как влияют температура газа, выходящего из устья дымовой трубы, и атмосферного воздуха на условия рассеивания? 78. Перечислить основные меры по временному снижению загрязнения атмосферного воздуха от выбросов металлургического производства при неблагоприятных метеоусловиях. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки: учебник для вузов/ В.В. Белоусов. – М.: Металлургия, 1988. – 256 с. 2. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от пыли/ В.Н.Ужов, А.Ю. Вальберг, Мягков Б.И. [и др.]–М.: Химия, 1981. – 392 с. 3. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена/ А.А. Гухман. – М.: Высшая школа, 1967. – 304 с. 4. Алиев Г.М. Пылеулавливание в производстве огнеупоров/ Г.М. Алиев. – М.: Металлургия, 1991. – 224 с. 5. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве: учебник для вузов: издание 2-е, перераб. и доп./ С.Б. Старк. – М.: Металлургия, 1990. – 400 с. 6. Русанов А.А. Справочник по пыле- и золоулавливанию/ А.А. Русанов. – М.: Энергия, 1985. – 296 с. 7. Гордон Г.М. Контроль пылеулавливающих установок/ Г.М. Гордон, И.Л. Пейсахов. – М.: Металлургия, 1973. – 384 с. 8. Ужов В.Н. Подготовка промышленных газов к очистке/ В.Н. Ужов, А.Ю. Вальтберг. – М.: Химия, 1975. – 216 с. 9. Толочко А.И.Очистка технологических газов в черной металлургии/ А.И. Толочко, В.И. Филипов, О.В. Филипьев. – М.: Металлургия, 1982. – 280 с. Учебное издание Сергей Георгиевич Коротков ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВ Конспект лекций Редактор Подписано в печать Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л. 9,36. Уч.-изд.л. 9,96. Тираж 50 экз. Заказ 679 Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г.Новокузнецк, ул.Кирова, 42. типография СибГИУ