Системы обеспыливания; очистка запыленных выбросов

Тема: Защита атмосферы от загрязнений Тема 1. Системы обеспыливания. Очистка запыленных выбросов Производственная пыль является наиболее распространенным вред­ным фактором производственной среды. Многочисленные технологи­ческие процессы и операции в промышленности, на транспорте, в сель­ском хозяйстве сопровождаются образованием и выделением пыли, воз­действию которой могут подвергаться работающие. Пыль выводит из строя оборудование, снижает качество продукции, уменьшает освещенность производственных помещений, может быть причиной профессиональных заболеваний органов дыхания, пораже­ния глаз и кожи, острых и хронических отравлений работающих. Некоторые виды производственной пыли способны к самовозгора­нию и даже взрыву, что позволяет относить пыль не только к вредным, но и опасным производственным факторам. 1. Понятие, классификация и свойства пыли Определение. Производственной пылью называют взвешенные в воздухе, медлен­но оседающие твердые частицы размерами от нескольких десятков до долей мкм. Пыль представляет собой аэрозоль, т.е. дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсион­ной средой — воздух. Пыль — это физическое состояние твердого вещества. Специфиче­ской особенностью пылевидного состояния является раздробленность вещества на мельчайшие частицы и, следовательно, чрезвычайно боль­шая поверхность твердых частиц, в связи с чем, свойства пыли приобре­тают самостоятельное значение. Классификация производственной пыли приведена на рис. По происхождению пыль разделяют на органическую, неорганическую и смешанную. Органическая пыль может быть естественной, животно­го или растительного происхождения (древесная, хлопковая, льняная, костяная, шерстяная и др.) и искусственной (пыль пластмасс, резины, смол, красителей и других синтетических веществ). Неорганическая пыль может быть минеральной (кварцевая, силикатная, асбестовая, це­ментная, наждачная и др.) и металлической (цинковая, же­лезная, медная, свинцовая, марганцевая). В условиях производства осо­бенно распространена пыль смешанного состава, состоящая из мине­ральных и металлических частиц (смесь пыли железа и крем­ния), органическая и неорганическая (пыль злаков и почвы). В зависимости от способа образования различают аэрозоли дезин­теграции и аэрозоли конденсации. Аэрозоли дезинтеграции образуются при механическом измельчении, дроблении и разрушении твердых ве­ществ (бурение, дробление, размол и др.), при механической обработке изделий (шлифовка, полировка и др.). Аэрозоли конденсации образуют­ся при термических процессах возгонки твердых веществ (плавление, электросварка и др.) вследствие охлаждения и конденсации паров ме­таллов и неметаллов. Типичным примером образования аэрозоля кон­денсации из перенасыщенных паров является так называемый свароч­ный аэрозоль. Металл, входящий в состав стержня сварочного электро­да, а также компоненты обмазки электрода и флюса в значительной мере испаряются при температуре электрической дуги, а попав в более холод­ную зону, конденсируются в виде мельчайших частиц окислов железа и других элементов. Нередко встречаются аэрозоли, дисперсная фаза которых содержит частицы, образующиеся как при измельчении, так и конденсации паров (шлифовалыю-полировальные, заточные работы и др.). В зависимости от размера частиц (дисперсности) различают види­мую пыль размером более 10 мкм (быстро выпадающую из воздуха) ми­кроскопическую — размером от 0,25 до 10 мкм (медленно выпадающую из воздуха), ультрамикроскопическую — менее 0,25 мкм (длительно ви­тающую в воздухе по законам броуновского движения). Производствен­ная пыль, как правило, полидисперсна, т.е. в воздухе встречаются одно­временно пылевые частицы различных размеров. В любом образце пы­ли обычно число мелких частиц больше, чем крупных. В большинстве случаев до 60... 80% частиц пыли имеют диаметр до 2 мкм, 10... 20% — от 2 до 5 мкм и до 10% — свыше 10 мкм. Рис. Классификация пыли Свойства пыли. Выбор пылеуловителя определяется свойствами улавливаемой пыли. Частицы промышленной пыли имеют различную форму: шарики, палочки, пластинки, иглы, чешуйки, волокна и т.д. Дисперсность. В пылеулавливании принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения. Адгезионные свойства частиц определяют их склонность к слипаемости. Повышенная слипаемость частиц может привести к частичному или полному забиванию аппаратов. Пыли, у которых 60-70% частиц имеет диаметр меньше 10 мкм, ведут себя как слипающиеся, хотя те же пыли с размером частиц более 10 мкм обладают хорошей сыпучестью. Абразивность пыли характеризует интенсивность износа металла при одинаковых скоростях газов и концентрациях пыли. Смачиваемость частиц пыли водой оказывает влияние на эффективность мокрых пылеуловителей, особенно при работе с рециркуляцией. По характеру смачивания все твердые тела разделяют на три группы: 1) гидрофильные материалы – хорошо смачиваемые: кальций, кварц, галогениды щелочных металлов; 2) гидрофобные материалы – плохо смачиваемые: графит, уголь, сера; 3) абсолютно гидрофобные: парафин, тефлон, битумы. Растворимость – соли калия, натрия и др. Взрывоопасность является важным свойством некоторых пылей. Пылевые частицы, сорбируя кислород воздуха, становятся легко вос­пламеняющимися при наличии источников зажигания. Известны взры­вы каменноугольной, сахарной, мучной пыли. Способностью взрывать­ся и воспламеняться при наличии источника зажигания обладают также крахмальная, сажевая, алюминиевая, цинковая и некоторые другие ви­ды пылей. Для различных пылей взрывоопасная концентрация вещества не­одинакова. Для пыли крахмальной, алюминиевой и серной минималь­ной взрывоопасной концентрацией является 7г/м3 воздуха, для сахар­ной — 10,3 г/м3. Горючая пыль вследствие сильно развитой поверхности контакта частиц  1 м2/г с кислородом воздуха способна к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом. Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли – примерно 20-500 г/м3, максимальные – 700-800 г/м3. Чем больше содержание кислорода в газовой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила. При содержании кислорода в газовой смеси менее 16% пылевое облако не взрывается. Способностью к воспламенению обладают некоторые пыли органических веществ, образующиеся при переработке красителей, пластмасс, волокон, а также пыли металлов: магния, алюминия и цинка. Электрическая проводимость слоя пыли оценивается по удельному электрическому сопротивлению слоя пыли. В момент образования пыли (бурение, дробление, измельчение твердых веществ) большинство ча­стиц (85-95%) приобретает электрический заряд обоих знаков — поло­жительный и отрицательный. Часть пыли заряжается за счет адсорбции ионов из воздуха, а также в результате трения частиц в пылевом потоке. Величина наведенных зарядов различна и зависит от размеров, усло­вий образования и массы частиц. Установлено, что крупные пылинки несут больший заряд. Наличие разноименно заряженных частиц пыли приводит к укрупнению и выпадению частиц пыли из воздуха. 2. Влияние пыли на организм человека В зависимости от состава пыль может оказывать на организм фиброгенное, раздражающее, токсическое, аллергическое действие. Фиброгенпым называется такое действие пыли, при котором в лег­ких происходит разрастание соединительной ткани, нарушающее нор­мальное строение и функции органа. Очень высокой фиброгенной активностью обладает диоксид крем­ния или кремнезем. Пыль некоторых веществ и материалов (стекловолокна, слюды и др.) оказывает раздражающее действие на верхние дыхательные пути, слизистую оболочку глаз, кожи. Пыли токсичных веществ (свинца, хрома, бериллия и др.), попадая через легкие в организм человека, оказывают характерное для них ток­сическое действие в зависимости от их физико-химических и химиче­ских свойств. Пыль характеризуется совокупностью свойств, определяющих по­ведение ее в воздухе, превращение и действие на организм человека. Из различных свойств пыли наибольшее значение имеют химический состав, растворимость, дисперсность, взрывоопасность, форма частиц, электрозаряженность. 3. Мероприятия по борьбе с пылью Борьба с пылью на производстве и профилактика заболеваний, осуществляется комплек­сом санитарно-гигиенических, организационных и медико-биологических, технологических и технических мероприятий. Гигиеническое нормирование. Основой проведения мероприятий по борьбе с пылью является гигиеническое нормирование содержа­ния аэрозолей в воздухе рабочей зоны. Так, например, для аэрозолей, способных вызвать выраженный пневмокониоз, ПДК не превышает 1...2мг/мл; для аэрозолей, оказывающих фиброгенное действие сред­ней выраженности, — 4. . .6 мг/м3, для аэрозолей с незначительной фиброгенностыо — 8... 10мг/м3. Уровень допустимого содержания пыли с выраженным токсическим действием для большинства веществ зна­чительно меньше 1 мг/м3. В настоящее время установлены ПДК более чем для 100 видов пыли, оказывающих фиброгенное действие. Для оценки степени воздействия пыли на органы дыхания работа­ющих рассчитывают пылевую нагрузку (ПН) за весь период реального или предполагаемого контакта с пылью. В случае превышения среднесменной ПДК фиброгенной пыли расчет пылевой нагрузки является обяза­тельным. Пылевая нагрузка на органы дыхания работающего — это реальная или прогнозная величина суммарной экспозиционной дозы пыли, которую рабочий вдыхает за весь период фактического или предполагаемого профессионального контакта с пылью. ПН на органы дыхания рабочего рассчитывается исходя из: • фактических среднесменных концентраций АПФД в воздухе рабочей зоны; • объема легочной вентиляции, зависящего от тяжести труда; • продолжительности контакта с пылью: Рекомендуется использовать следующие усредненные величины объемов легочной вентиляции, которые зависят от уровня энергозатрат, соответственно, от категории работ согласно СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных поме­щений: • для работ категории Iа-Iб объем легочной вентиляции за смену — 4м3; • для работ категории IIа-IIб — 7 м3; • для работ категории III — 10 м3. Полученные значения фактической ПН сравнивают с величиной контрольной пылевой нагрузки, значение которой рассчитывают в за­висимости от фактического или предполагаемого стажа работы, пре­дельно допустимой концентрации пыли и категории работ. Организационные мероприятия. Производственный контроль. Минздравом утверждены нормативные документы по определению содержания пыли. Методы определения запыленности воздуха разделяют на две груп­пы: • с выделением дисперсной фазы из аэрозоля — весовой (гравиме­трический), счетный (кониметрический), радиоизотопный, фотометри­ческий; • без выделения дисперсной фазы из аэрозоля — фотоэлектриче­ские, оптические, акустические, электрические. В основу гигиенического нормирования содержания пыли в воздухе рабочей зоны положен весовой метод. Метод основан на протягивании запыленного воздуха через специальный фильтр, задерживающий пы­левые частицы. Зная массу фильтра до и после отбора пробы, а также количество отфильтрованного воздуха, рассчитывают содержание пыли в единице объема воздуха. Для отбора проб рекомендуется использовать аспиратор или автоматический одноканальпый пробоотборник АПП-6-1. Мето­ды и аппаратура, используемые для определения концентрации пыли, должны обеспечивать определение величины концентрации пыли на уровне 0,3 ПДК с относительной стандартной погрешностью, не пре­вышающей ±40% при 95% вероятности. Средства индивидуальной защиты — респираторы, специальные шлемы и скафандры с подачей в них чистого воздуха применяются в тех случаях, когда не удается снизить запыленность воздуха в рабочей зоне до допустимых пределов более радикальными технологическими мероприятиями. К индивидуальным средствам защиты от пыли относятся также защитные очки, специальная противопылевая одежда, защитные пасты и мази. Медико-биологические мероприятия направлены на повышение сопротивляемости организма человека и ускорение выведения из него пыли. Сопротивляемость развитию пылевого поражения повышается при ультрафиолетовом облучении в фотариях, применении щелочных ингаляций и специального питания. В соответствии с российским трудовым законодательством на работы в подземных условиях не до­пускаются лица моложе 20 лет, так как пневмокониозы в молодом возра­сте развиваются раньше и протекают тяжелее. Обязательным является проведение предварительных при поступлении на работу и периодиче­ских медицинских осмотров. Противопоказаниями к приему на работу, связанную с воздействием пыли, являются все формы туберкулеза, хро­нические заболевания органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, глаз, кожи. Защита временем. Используется защита временем при работе в условиях повышенной запыленности. Так, для горных рабочих установле­н сокращенный рабочий день, дополнительный отпуск, выход на пен­сию по возрасту в 50 лет. Технологические мероприятия: • автоматизация и механизация процессов, сопровождающихся вы­делением пыли; • рационализация технологического процесса, обработка пылящих материалов во влажном состоянии, например, внедрение мокрого буре­ния в горнорудной и угольной промышленности (бурение с промывкой канала водой); • дистанционное управление; • герметизация и изоляция пылящего оборудования, работа такого оборудования под вакуумом; • устройство местных вентиляционных отсосов, вытяжной или приточно-вытяжной вентиляции. Удаление пыли происходит непосред­ственно от мест пылеобразования. Перед выбросом в атмосферу за­пыленный воздух очищается с помощью пылеуловителей различной конструкции. При выборе технологических процессов следует отдавать предпочтение тем, которые характеризуются наименьшим количеством вредных и опасных производственных факторов. При конструировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации оборудования должны предусматриваться соответствующие меры по предупреждению или сниже­нию до минимума вредных выделений в воздух произ­водственных помещений. При этом большое значение имеет конструктивное совмещение защитных средств - встроенные в оборудование местные отсосы, позволяющие устранять вредности в местах их выделения. Поэтому очень важной является рабо­та в направлении оптимального решения задачи нормализации воз­духа рабочей зоны. Если невозможно полное устранение вредных выделений, следует по возможности ограни­чить их распространение в рабочих зонах помещений до величин, не превышающих предельно допустимых. Основным направлением защиты атмосферы от за­грязнений является создание малоотходных технологий с замкнутыми циклами производства и комплексным ис­пользованием сырья. Но это в идеале, в настоящее время очистка газов от пыли является единственным эф­фективным методом обезвреживания атмосферы. Для этого применяют различные типы устройств очи­стки в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки. 4. Системы обеспыливания 4.1. Классификация аппаратов очистки от пыли Для очистки газопылевых выбросов с целью их обезвреживания или извлечения из них дорогих и дефицитных компонентов применяют различное очистное оборудование и соответствующие технологические приемы. Классификация конструкций аппаратов для пылеулавливания Пылеулавливающие аппараты Механические Электрические Сухие Мокрые Однозонные Двухзонные Фильтрующие Гравитационные Инерционные Центробежные Волокнистые фильтры Тканевые фильтры Зернистые фильтры Капельные Пленочные Барботажные Сухие горизонтальные Сухие вериткальные Мокрые Как правило, пылеулавливающие аппараты подразделя­ются на четыре группы: 1) сухие или механические пылеуловители, в которых частицы пыли от­деляются от газа с помощью механической силы; чаще используются в каче­стве первой ступени перед более эффективными устройствами; 2) мокрые, в которых частицы пыли отделяются от газа с помощью про­мывки той или иной жидкостью, чаще водой; существует большое разнооб­разие таких устройств по конструкции и принципам действия; 3) фильтры, которые задерживают пыль при пропускании через них очи­щаемого газа (применяются тканевые, волокнистые, воздушные, зернис­тые и др.); 4) электрофильтры, в которых отделение частиц из газового потока осу­ществляется под действием электрических сил; пригодны для сухой и мок­рой очистки и обеспечивают для мелкодисперсных сред наибольшую ее эф­фективность. Физические методы очистки газов от твер­дых частиц связаны с использованием так называемого разделительного оборудова­ния, в котором в несколько стадий под действием тех или иных сил происходит перене­сение их на поверхности осадителей различных конструкций. Работа пылеулавливающих аппаратов основана на использовании различных механизмов осаждения час­тиц: • гравитационном осаждении под действием силы тяжести при прохождении частиц через аппарат; • инерционном осаждении, • осаж­дении при действии центробежной силы, • зацеплении (эффект касания), происходя­щем, если расстояние от частицы, движущейся с газо­вым потоком, до обтекаемого тола равно ее радиусу или меньше его; • электрическом осаждении, осуществляю­щемся в результате ионизации газа, при котором части­цы заряжаются и осаждаются на электродах. Каждый из указанных видов пылеудаления обладает специфическими особенностями и не позволяет добиться полной очистки, поэтому на практике в зависимости от требований к очистке используются комбиниро­ванные методы. Основной критерий выбора того или иного типа обо­рудования — степень очистки, которая зависит от свойств пыли и параметров газового потока. Степень очистки (коэффициент полезного действия) выражается отношением количества уловленного материала к количеству материала, поступившего в аппарат за определенный период времени. Степень очистки газа от пыли зависит от объемного расхода газа и размеров частиц. 4.2. Очистка газов в сухих механических пылеулавливателях К сухим механическим пылеуловителям относят аппараты, в которых использованы различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительные камеры), инерционный (камеры, осаждение пыли в которых происходит в результате изменения направления движения газового потока, или установки на его пути препятствия) и центробежной (одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители). Перечисленные аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуатации, их достаточно широко используют в промышленности. Однако эффективность улавливания в них пыли не всегда оказывается достаточной, в связи с чем, они часто выполняют роль аппаратов предварительной очистки газов. А) Пылеосадительные камеры Рис. Пылеосадительные камеры а) простейшая камера; б) камера с перегородками; в) многополочная камера; 1 – корпус; 2 – бункеры; 3 – перегородка; 4 – полка. Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Пылеуловительная камера представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости прямоугольный короб, в нижней части которого имеется отверстие или бункер для сбора пыли. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Скорость газа в камерах составляет 0,2-1,5 м/с, гидравлическое сопротивление 50-150 Па. Пылеосадительные камеры пригодны для улавливания крупных частиц размером не менее 50 мкм. Степень очистки газа в камерах не превышает 40-50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов. Б) Инерционные пылеуловители Рис. Инерционные пылеуловители а) с перегородкой; б) с плавным поворотом газового потока; в) с расширяющимся конусом; г) с боковым подводом газа; Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Для изменения направления движения газов устанавливают перегородки (рис.). При этом наряду с силой тяжести действуют и силы инерции. Пылевые частицы, стремясь сохранить направление движения после изменения направления движения потока газов, осаждаются в бункере. Газ в инерционном аппарате поступает со скоростью 5-15 м/с. Эти аппараты отличаются от обычных пылеосадительных камер большим сопротивлением и высокой степенью очистки газа. Данные аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуатации, их достаточно широко используют в промышленности. Но эффективность улавливания не всегда достаточна. В) Жалюзийные пылеуловители Рис. Жалюзийный пылеуловитель 1 – корпус; 2 – решетка (жалюзи). Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10-15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100 - 400 Па (10 - 40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%. Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода - быстрое истирание или забивание щелей. Для достижения приемлемой эффективности очистки газов необходимо, чтобы частицы находились в камере возможно более продолжительное время. При резком изменении направления движения газового потока в инерционных пылеуловителях частицы под воздействием инерционной силы будут стремиться двигаться в прежнем направлении и после поворота потока газов выпадают в бункер. Эффективность этих аппаратов небольшая. Г) Циклоны В зависимости от способа отделения материала в системах пневмотранспорта используют центробежные циклоны. Предпочтение отдается центробежным циклонам, выполняющим одновременно и роль пылеулавливающего аппарата. Эффективность улавливания пыли в циклонах повышается с уменьшением диаметра корпуса, но при этом снижается их пропускная способность. Циклоны рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами очистки (например, фильтрами или электрофильтрами). Воздух после циклонов, насыщенный субмикронными частицами, должен направляться на доочистку в пылеуловители. При выборе типа пылеуловителя в условиях работы таких установок учитывают следующие показатели: • степень пылеулавливания, равную отношению количества пыли, задержанной пылеуловителем, к количеству пыли, поступающей в пылеуловитель; • сопротивление пылеуловителя, от которого зависит экономичность процесса пылеулавливания; • габаритные размеры и масса пылеуловителя, надежность и простота его обслуживания. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок (рис.), далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда периодически удаляются. Ввод газового потока производится тангенциально, для закручивания потока. Частицы пыли под действием центробежной силы об­разуют на стенках циклона пылевой слой, который отделяется от газа при его повороте в бункере на 180°, пыль собирается в бункере, а очищенный газ вихревым потоком, покидает цик­лон через выходную трубу. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20000 м3/ч), степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d = 5-30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d == 2-5 мкм она составляет менее 40%. Для обеспечения соответствующей производительности пневмотранспортной установки небольшие циклоны группируют в батарею из двух, четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны). Коэффициент пылеулавливания батареи циклонов составляет 0,76-0,85 и несколько повышается с увеличением входной скорости (с 11 до 23 м/с). Конструктивной особенностью батарейных циклонов является то, что закручивание газового потока и улавливание пыли в них обеспечивается размещенными в корпусе аппарата циклонными элементами. 4.3. Очистка газов в фильтрах Фильтры (тканевые, зерни­стые) способны задерживать мел­кодисперсные частицы пыли (до 0,05 мкм). В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую перегородку, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов. Тканевые рукавные фильтры. Наибольшее распространение имеют тканевые фильтры, в частности, рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышен­ной термостойкостью (250-300°С), дающие высокую степень очистки. Степень очистки газов в них при соблюдении правил технической эксплуатации достигает 99,9%. В качестве фильтровальных материалов применяют ткани из природных волокон (хлопчатобумажные и шерстяные), ткани из синтетических волокон (нитроновые, лавсановые, полипропиленовые и др.), а также стеклоткани. Наиболее распространены лавсан, терилен, дакрон, нитрон, орлон, оксалон, сульфон. Последние два материала представляют полиамидную группу волокон, обладающих термостойкостью при температуре 250-280 °С. Применяют также нетканые материалы - фетры, изготовленные свойлачиванием шерсти и синтетических волокон. Волокнистые фильтры тонкой очистки используются в атомной энергетике, радиоэлектронике, точном приборостроении, промышленной микробиологии, в химико-фармацевтической и других отраслях. Их широко применяют для очистки радиоактивных аэрозолей. Фильтры тонкой очистки предназначены для работы на длительный срок (0,5-3 года). Регенерация отработанных фильтров неэффективна или невозможна. По истечении указанного срока фильтр заменяют на новый (рис). Отечественной промышленностью в настоящее время разработаны следующие тканевые фильтры: а) с импульсной продувкой каждого каркасного рукава. Регенерация осуществляется под действием импульсов сжатого воздуха и без отключения секций; б) с комбинированным устройством регенерации - механическим встряхиванием и обратной посекционной продувкой (ФРУ и др.) в) с обратной посекционной продувкой (ФР и др.) г) с регенерацией механическим встряхиванием (ФР-6П и др.). Регенерация рукавов осуществляется вручную или с помощью электромеханического устройства. Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены к раме, соединенной с встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер для пыли со шнеком для ее выгрузки. Встряхивание рукавов в каждой из секций производится поочередно (рис.). Рис. Рукавный фильтр 1 – корпус; 2 – встряхивающее устройство; 3 – рукав; 4 – распределительная решетка. Нагнетательный рукавный фильтр работает следующим образом. Воздух под давлением поступает в верхнюю распределительную коробку и затем в матерчатые вертикальные рукава. Пройдя через рукава и оставив на их внутренней поверхности пыль, очищенный воздух выходит в атмосферу (помещение). Подвижная рама с проволочной сеткой при подъеме и опускании сжимает рукава в поперечном сечении, благодаря чему пыль сбрасывается в пылесборник и удаляется винтовым конвейером. Недостатком таких фильтров является неудовлетворительная очистка фильтрующей ткани, в результате чего значительно возрастает сопротивление фильтра и снижается его КПД. Наибольшее распространение получил всасывающий рукавный фильтр, который состоит из ряда рукавов, заключенных в герметически закрытый корпус. Подлежащий очистке воздух подается через нижнюю приемную коробку в рукава, заглушенные сверху, проникает сквозь ткань рукавов и удаляется из корпуса через канал. Рукава фильтра очищаются от пыли с помощью специального встряхивающего механизма. Недостатком всасывающих фильтров является значительный подсос воздуха через неплотности (10-15% объема поступающего воздуха). Зернистые фильтры для очистки газов применяются реже, чем волокнистые фильтры. Различают насадочные (насыпные) и жесткие зернистые фильтры. В насыпных фильтрах в качестве насадки используется песок, галька, шлак. Широко распространены зернистые фильтры с движущейся средой. В зернистых жестких фильтрах зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, прессования или склеивания и образуют неподвижную систему (рис.). Рис. Фильтр с движущимися слоями зернистого материала 1 – короб для подачи свежего зернистого материала; 2 – питатели; 3 – фильтрующие слои; 4 – затворы; 5 – короб для вывода зернистого материала. Фильтр имеет корпус, фильтрующие элементы, бункер, систему импульсной регенерации. Между сетками засыпаются частицы слоем 150 мм размером 3-5 мм дробленого материала из магнезита, доломита, гравия и т.д. Перегородки и сетки образуют каналы треугольного сечения, по которым очищенные газы через отверстия в боковине проходят в короб. В каналах для прохода очищенного газа устанавливают перфорированные трубки, служащие для циклической подачи сжатого воздуха из коллектора. При импульсной продувке нижние ячейки работают в режиме фильтрации, а верхние - в режиме регенерации. Выводы. Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества - сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью. 4.4. Очистка газов в мокрых пылеуловителях Мокрые пылеуловители (скрубберы, га­зопромыватели и др.) требуют подачи воды и работают по прин­ципу осаждения частиц пыли на поверхность капель под дей­ствием сил инерции и броуновского движения. В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще всего используется вода. В результате контакта запыленного газового потока с жидкостью образуется поверхность из газовых пузырьков, газовых струй, жидких струй, капелек, пленок жидкости. В большинстве мокрых пылеуловителей наблюдаются различные виды поверхностей, поэтому пыль улавливается в них по различным механизмам. Для газов, содержащих горючие и ядовитые примеси, лучше использовать, аппараты мокрой очистки. Рис. Схемы основных способов мокрого пылеулавливания: а – в объеме жидкости; б – пленками жидкости; в – распыленной жидкостью; 1 – пузырьки газа; 2 – капли жидкости; 3 – твердые частицы. В зависимости от формы контактирования фаз способы мокрой пылеочистки можно разделить на: 1 – улавливание в объеме (слое) жидкости; 2 – улавливание пленками жидкости; 3 – улавливание распыленной жидкостью в объеме газа. Существует огромное разнообразие конструкций аппаратов мокрой очистки: 1) полые газопромыватели; 2) насадочные скрубберы: 3) с подвижной насадкой; 4) тарельчатые (барботажные и пенные); 5) ударно-инерционного действия (ротоклоны); 6) центробежного действия; 7) скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури и эжекторные). 8) механические газопромыватели; Наиболее распространены полые форсуночные скрубберы. По направлению движения газа и жидкости полые скрубберы делят на противоточные и с поперечным подводом жидкости. Скрубберы обеспечивают высокую степень очистки только при улавливании частиц пыли размером dч=10 мкм и малоэффективны при улавливании частиц размером dч5 мкм. Рис. Схема полого форсуночного скруббера 1 – входной патрубок; 2 – резервуар с жидкостью; 3 – сопло. Скоростные газопромываетели – скрубберы Вентури представляют собой сочетание трубы с каплеуловителем центробежного типа. Они обеспечивают очистку газов от частиц пыли практически любого дисперсного состава (рис.). В зависимости от физико-химических свойств улавливаемой пыли, состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Скорость газа в горловине 30-200 м/с. Эффективность очистки от пыли зависит от гидравлического сопротивления. Скрубберы Вентури эффективно работают при допустимой скорости очищаемых газов 30 г/м3, предельной температуре очищаемого газа 400°С и гидравлическом сопротивлении 6-12 кПа. Скрубберы Вентури обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм и, как все мокрые пылеуловители, незаменимы при очис­тке воздуха от пыли, взрывоопасных и горячих газов. Рис. Скруббер Вентури: 1 — центробежные форсунки; 2 — сопло; 3 — каплеуловитель Созданы скоростные скрубберы центробежные, вертикальные, батарейные СЦВБ-20, обеспечивающие производительность по газу 9000-20000 м3/ч при температуре не выше 60 °С, запыленности не более 10 г/м3 и гидравлическом сопротивлении скрубберов 1,7 кПа. Мокрую очистку пыли 2-3 мкм можно проводить в скрубберах центробежного типа, в которых жидкость дробится непосредственно запыленным газом. Шлам, оседающий в нижней части скруббера, выводится эрлифтом в контейнер, а осветленная жидкость вновь возвращается в скруббер. Производительность таких аппаратов 5000-20000 м3/ч, допустимая запыленность 2 г/м3, температура газов 800С, гидравлическое сопротивление 2,4 кПа, расход воды на очистку 0,05 м3. Необходимо стремиться к созданию мокрых промывателей с минимальным гидравлическим сопротивлением, работоспособных при низких расходах воды. Эффективность очистки пыли зависит от размеров улавливаемых частиц и от других свойств пыли. Необходимость концентрирования системы жидкость – твердое тело с возвратом очищенной воды на пылеулавливание, накопление в орошаемой жидкости растворимых компонентов пыли усложняет систему мокрого пылеулавливания. Целесообразно сочетание сухой и последующей мокрой очистки, которая в свою очередь может сочетаться с адсорбционной доочисткой. Развитая поверхность контакта фаз способствует увеличению эффективности пылеулавливания. 4.5. Очистка газов в электрофильтрах Электрофильтры применяются для очистки газов от взве­шенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0-99,5 %). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности коронирующих электродов. В процессе ионизации молекул газов электрическим разрядом происходит заряд содержащихся в них частиц (коронирующий электрод). Ионы абсорбируются на поверхности пылинок, а затем под действием электрического поля они перемещаются к осадительным электродам, имеющим знак, обратный заряду коронирующего электрода, и осаждаются. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: воздействием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффузии ионов. Первый механизм преобладает при размерах частиц более 0,5 мкм, второй – менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2 – 0,5 мкм эффективны оба механизма. При встряхивании электродов осажденные частицы пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли. Между электродами 1 и 2 создается коронный разряд, в межэлектродном простран­стве образуются электроны, очи­щаемый газ проходит между электродами, частицы пыли заряжаются («прилипание» электронов), основная масса пыли оседает на осадительном электроде, который периодически встряхивается и пыль собирается в бункере. Электрофильтры применяются там, где необходимо очищать очень большие объемы газа и отсутствует опасность взрыва. Эти установки используются для улавливания летучей золы на современных электростанциях, для улавливания пыли в цементной промышленности, а также в металлургии в мощных системах улавливания дыма, для пылеулавливания в системах кондиционирования воздуха и других смежных отраслях. Элект­рофильтры требуют большого расхода электроэнергии — это их основной недостаток. Тема 2. Физико-химические методы очистки воздуха от газообразных примесей Естественно, что газообразное вещество – загрязнитель из общего газо­вого потока с помощью сепараторов выделить, как правило, невозможно. Для очистки выбросов от токсичных газо- и парооб­разных примесей (NО, NО2, SO2 и др.) используются физико-химические методы. Эти методы можно разделить на две группы – 1) некаталитические (абсорбиционные и адсорбционные) и 2) каталитические. Наибольшее распространение получили абсорбционные методы. Некаталитические методы очистки по типу процесса делятся на абсорбционные, хемосорбционные и адсорбционные, а по характеру процесса — на регенерационные (циклические) и нерегенерационные. Абсорбция и хемосорбция – промывка выбросов растворителями примеси. Адсорбция – поглощение газообразных при­месей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой. Каталитический метод – удаление и обезвреживание примесей путем применения катализаторов. В меньших масштабах применяются биохимические и термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном. 1. Абсорбция Методы абсорбции и хемосорбции применяемые для очистки промышленных выбросов, называют мокрыми. Абсорбционный метод основан па поглощении вред­ных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом). Они основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе. Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСl, НS, Н2SO4), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.). Физическая абсорбция основана на подборе такой жидкости, при прохож­дении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем. Физическая аб­сорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. Химическая абсорбция происходит в тех случаях, когда абсорбенты вступают в хими­ческие реакции с очищаемым газом, например, при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью вод­ных растворов слабых оснований — аммиака, анилина, ксилидина. Метод хемосорбции и основан па поглощении газов и па­ров жидкими поглотителями с образованием мало­летучих или малорастворимых химических соединений. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей. Хемосорбционные методы широко применяют для очистки газов от СО, NxOy, SО2, H2S, НСl, CO2. Сущность методов заключается в поглощении удаляемых компо­нентой жидкими поглотителями — хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жид­кости. В процессе хемосорбционной очистки выделяемые из газов компоненты вступают в химические реак­ции с хемосорбентами, при этом образуются новые ве­щества, регенерирующиеся и возвращающиеся вновь на абсорбцию. Абсорбенты. При проведении абсорбции в качестве абсорбентов применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с из­влекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. Абсорбенты, применяемые в промышленности, оцениваются по следующим показателям: 1) абсорбционная емкость, т. е. растворимость извлекаемого компонента в поглотителе в зависимости от температуры и давления; 2) селективность, характеризуемая соотношением растворимостей разделяемых газов и скоростей их абсорбции; 3) минимальное давление паров во избежание загрязнения очищаемого газа парами абсорбента; 4) дешевизна; 5) отсутствие коррозирующего действия на аппаратуру. К абсорбентам предъявляют определенные требования. Они должны иметь возможно большую абсорбционную емкость, вы­сокую селективность, невысокое давление насыщенных паров и небольшую вязкость, быть термохимически устойчивыми, не проявлять коррозионной активности, легко регенерироваться, быть доступными и иметь низкую стоимость. Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов, при­ведены в табл.1. Для эффективного применения водных абсорбционных сред удаляемый компонент должен хорошо растворяться в абсорбционной среде и часто химически взаимодействовать с водой (например, при очистке газов от НСl, HF, NH3, NO2). Для абсорбции газов с меньшей растворимостью (SO2, Cl2, H2S) используют щелочные растворы на основе NaОН или Са(ОН)2. Добавки химических реагентов во многих случаях увеличивают эффективность абсорбции благодаря протеканию химических реакций в пленке. Для очистки газов от углеводородов этот метод на практике используют значительно реже, что обусловлено, прежде всего, высокой стоимостью абсорбентов. В качестве абсорбентов применяют воду, р-ры аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др. Газообразные цианистые соединения абсорбиру­ют, например, 5%-ным раствором железного купороса. Для хемосорбционной очистки газов от оксидов азота применяют растворы едкого натра, кальцинированной соды, едкого калия, извести, аммиака и др. Оксид углерода улавливают из газов аммиачными растворами углекислой меди. Таблица 1. Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов Регенерация. Абсорбционная очистка – непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрированно. Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы распространены шире. Их применяют для улавливания углеводородов, очистки от SO2 дымовых газов ТЭС, очистки вентгазов от сероводорода железно-содовым методом с получением элементарной серы и др. Аппараты. Очистная аппаратура аналогична аппаратуре мокрого улавливания аэрозолей. Устрой­ство, в котором осуществляют процесс абсорбции, называется абсорбером. При этом абсорберы должны иметь высокую про­пускную способность по газу, высокую эффективность, низкое гидравлическое сопротивление, простоту конст­рукции и удобство эксплуатации; аппаратура не должна забиваться осадками и корродировать. В зависимости от способа соприкосновения фаз различают поверхностные, барботажные и распыливающие абсорбционные аппараты. В первой группе аппаратов поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости или поверхность текучей пленки жидкости. Сюда же относятся насадочные абсорбенты, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в них насадки из тел различной формы. Во второй группе абсорбентов поверхность контакта увеличивается благодаря распределению потоков газа в жидкость в виде пузырьков и струй. Барботаж осуществляют путем пропускания газа через заполненный жидкостью аппарат либо в аппаратах колонного типа с тарелками различной формы. В третьей группе поверхность контакта создается путем распыления жидкости в массе газа. Поверхность контакта и эффективность процесса в целом определяется дисперсностью распыленной жидкости. Установ­ки для абсорбции могут быть разомкнутыми (без регенерации аб­сорбента) и циркуляционными (с регенерацией абсорбента). Для поглощения загрязняющих веществ при­меняется разнообразное абсорбционное оборудование: • пленочные аппараты, • пенные аппараты, • тарельчатые аппараты, • безнасадочный форсуночный абсорбер, • абсорбенты с плавающей насадкой, • скруббер Вентури и др. Достоинства и недостатки методов. Преимущество аб­сорбционных методов заключается в экономичности очистки боль­шого количества газов и осуществлении непрерывных технологи­ческих процессов. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Общими недостатками абсорбционных методов является: • образование жидких стоков и громоздкость аппаратурного оформления; • оборудование мокрых методов очистки требует создания системы жидкостного орошения; • насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки; • технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы; • пе­ред очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффек­тивности рассеивания остаточных газов в атмосфере • в процессе работы абсорб­ционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих собой смесь пыли, растворителя и продуктов поглоще­ния. В связи с этим возникают проблемы обеззараживания, транспортировки или утилизации шлама, что удорожает и осложняет эксплуатацию установок. 2. Адсорбция Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Адсорбция - это поглощение газов на поверхности твёрдого поглотителя, чаще всего используются твёрдые пористые вещества. Если между молекулами адсорбированного вещества и ад­сорбента не происходит никаких химических реакций, то подобный про­цесс относился к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции, когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата. В тех случаях, когда концентрации загрязнителей относительно невелики, а обработке подвергаются большие объемы воздуха, применение метода адсорбции может оказаться наиболее эффективным. Этот способ позволяет практически полностью извлечь примеси из газовых потоков и удалить неприятные запахи. Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Адсорбцию широко используют при удалении паров раствори­теля из отработавшего воздуха при окраске автомобилей, органи­ческих смол и парой растворителей и системе вентиляции пред­приятий по производству стекловолокна и стеклотканей, а также паров эфира, ацетона и производстве нитроцеллюлозы и бездым­ного пороха. Адсорбенты также применяют для очистки выхлопных газов автомобилей, удаления ядовитых компонентов (напри­мер, сероводорода из газовых потоков), выбрасываемых в атмосфе­ру через лабораторные вытяжные шкафы, и радиоактивных газон при эксплуатации ядерных реакторов, в частности радиоактивно­го йода. Адсорбционные установки очистки воздуха и газа позволяют эффективно удалять аммиак, сероводород и другие сернистые соединения, фенолы, оксиды. Ведутся активные работы по адсорбционному извлечению из газов оксидов серы и азота. Для удаления сероводорода и органических сернис­тых соединений из газа используют аппараты с несколь­кими псевдосжиженными слоями гранулированного оксида железа при температуре 340-300°С. Наибольшее распространение получили адсорбционные методы извлечения из отходящих газов растворителей, в том числе хлорорганических. Это связано с высокой эффективностью процесса очистки газов (95-99%), отсутствием химических реакций образования вторичных загрязнителей, быстрой окупаемостью рекуперационных установок (обычно 2-3 года) благодаря повторному использованию растворителей и длительным (до 10 лет) сроком службы АУ. Эффективность адсорбции зависит от свойств поглощаемых компонентов, их химической природы, размера молекул и определяется свойствами адсорбента, который должен иметь достаточную адсорбционную способность, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность, быть химически инертным по отношению к компонентам газовой смеси и иметь достаточно низкую стоимость. Слой сорбента должен создавать низкое сопротивление движению газового потока. Адсорбенты. Адсорбенты, используемые в сис­темах очистки отходящих газов, должны удовлетворять следую­щим требованиям: иметь большую адсорбционную способность при поглощении компонентов при небольших концентрациях их в газовых смесях, обладать высокой селективностью, иметь высо­кую механическую прочность, обладать способностью к регене­рации и иметь низкую стоимость. Площадь поверхности адсорбента может быть очень велика и для некоторых веществ составляет несколько квадратных метров на грамм вещества. Так, удельная поверхность активированного угля достигает 105-106 м2/кг. Поглощаемые вещества удерживаются, в порах либо химическими силами (это химическая адсорбция) либо силами Ван-дер-Ваальса - это физическая адсорбция. Основными промышленными сорбентами являются активированные угли, оксиды алюминия и других металлов, цеолиты, силикагели, глинозем, бентонит, алюмогели и другие импрегнированные сорбенты. Для адсорбции SО2 применяют активные угли, полу­коксы, активированный силикагель, доломит, карбонат кальция, подщелоченный оксид алюминия, активированный диоксид марганца. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он менее селективен, чем многие другие сорбенты, но является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых потоках. Повышение их адсорбционной емкости и расширение спектра поглощаемых вредных веществ достигается за счет введения различных активирующих добавок - импрегнации. Например, импрегнация активированного угля серной кислотой позволяет очищать такие слабо сорбируемые загрязнители как аммиак, сероводород, следы диоксида серы поглощаются щелочным импрегнированным углем. АУ используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации растворителей и т.д. Следует отметить эффективность очистки на АУ сотовой (ячеистой) структуры, обладающей улучшенными гидравлическими характеристиками. Такие сорбенты могут быль получены нанесением определенных композиций с порошком АУ на вспененную синтетическую смолу или вспениванием смеси заданного состава, содержащей АУ, а также выжиганием наполнителя из смеси, включающей АУ вместе со связующим. Недавно для удаления газовых загрязнителей и аэрозолей из воздуха начали использовать угольное волокно. Угольное волокно — это широкий спектр полиэстеров, полимеризированного угольного волокна, а также графитовых волокон, импрегнированных углем и используемых в качестве матрицы пластиков для создания структур, близких структуре волокна. Масса адсорбента при использовании волокнистых материалов меньше, чем при использовании АУ в 15-100 раз, а масса аппарата в 10 раз. Сопротивление слоя не превышает при этом 100 Па. Достоинства их по сравнению с активными углями следу­ющие: они обладают фильтрующими и адсорбционными свой­ствами, высокой скоростью процессов адсорбции—десорбции, а также высокой химической, термической стой­костью. Оксидные адсорбенты обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам в силу собственного неоднородного распределения электрического потенциала. В качестве адсорбентов применяют простые и комплексные оксиды (активированный глино­зем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетиче­ские цеолиты или молекулярные сита), которые обладают боль­шей селективной способностью, чем активированный уголь, повышенной термической и механической прочностью. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных газов. Силикагели используют для осушки газов и поглощения паров полярных органических веществ (например, метилового спирта). Промышленность выпускает кусковые и гранулированные сили­кагели с зернами размером 0,2—7 мм, насыпной плотностью 400—900 кг/м3. По сравнению с углями силикагели негорючи, имеют низкую температуру регенерации (100—200 °С), относительно высокую механическую прочность к истиранию и низкую стоимость. Алюмогели (активный оксид алюминия) используются для осушки газов и поглощения полярных органических веществ из газовых смесей. Промышленность выпускает гранулированные алюмогели в виде гранул цилиндрической формы (диаметр гранул 2,5-5,0 мм и высота 3-7 мм, насыпная плотность 500-700 кг/м3), а также шарообразной формы (диаметр частиц 3-4 мм, насыпная плотность 600-900 кг/м). Цеолиты — алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Они подразделяются на природные и синтетические. Из природных цеолитов практически используют­ся клиноптилолит, морденит, шабазит, эрионит. Синтетические цеолиты выпускаются в виде гранул шарооб­разной формы (диаметр 2-5 мм) и цилиндрической формы (d = 2-4 мм и длина 2—4 мм). Цеолит КА используется только для осушки газов; цеолит NаА адсорбирует газы, критический размер молекул которых не пре­вышает 4 • 1010 м (сероводород, сероуглерод, аммиак, этан, про­пилен, метан, оксид углерода и др.); цеолит СаА поглощает угле­водороды и спирты только нормального строения. Цеолиты СаХ и NаХ имеют большие входные «окна» и сорбируют все молекулы, адсорбируемые цеолитами МаА и СаА, а также нафтеновые и аро­матические углеводороды, органические сернистые, азотистые и кислородные соединения, галогензамещенные углеводороды с открытой цепью и др. Регенерация. Адсорбенты требуют регенерации. Можно выделить следующие основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки: 1. После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других примесей. 2. После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий, пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей. 3. После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемосорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов. Адсорбционное оборудование может быть весьма разнообразным в зави­симости от условий эксплуатации. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента. В сухом способе очистки дымовых газов фильтрация очищаемых выбросов происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся (кипящий) слой твердого поглотителя - адсорбента (адсорберы непрерывного действия). Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очи­щаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом реге­нерации адсорбента. Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допустимые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер (отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют). В простейшем случае адсорбер выпол­няется в виде цилиндра с сеткой на дне. На сетку насыпается слой адсор­бента, через который прогоняется очищаемый газ. По мере эксплуатации адсорбера происходит постепенное послойное насыщение адсорбента с пол­ной потерей адсорбционной способности при насыщении всего слоя, т.е. необходима замена адсорбента на свежий. Эффективность адсорбционного метода очистки может достигать 100%. В таких аппаратах адсорбцию проводят по стадиям: 1) адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка адсорбента и 4) ох­лаждение адсорбента. Новые конструкции адсорберов периоди­ческого действия позволяют более эффективно провести процесс. Конструктивно адсорберы (рис. 2.26) выполняются в виде верти­кальных и К ним относят также адсорбер полочного многосекционного типа (рис. 5.8). Предложены конструкции, в которых стадии адсорб­ции и десорбции совмещены в одном корпусе. Однако более интенсивны аппараты непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента и псевдоожиженным слоем ад­сорбента. Фильтрация газов происходит через неподвижный или движу­щийся слой адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем. Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тяже­сти или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность работы установки. Это позволяет полнее использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации оборудова­ния. Недостатком этих методов являются значительные потери ад­сорбента за счет ударов частиц друг о друга и истирания о стенки аппарата. Предложено несколько конструкций аппаратов непре­рывного действия. При проектировании или выборе конструкции адсорбера используют следующие исходные данные: объемный расход очищаемого газа (м/с), концентрацию удаляемой примеси (мг/м3) и давление отходящих газов (Па). В результате расчета определяют необходимую массу адсорбента, конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время защитного действия адсорбера. В настоящее время один из перспективных подходов к усовершенствованию адсорбционных систем, используемых для очистки промышленных газов и атмосферного воздуха, основан на применении пространственно упорядоченной упаковки планарных сорбирующих материалов - так называемых «активных фильтров». Меняя пространственное размещение сорбента в аппарате удается снизить диффузионное, термическое и аэродинамическое сопротивления. Адсорбционно-активные фильтры отличаются высокой компактностью и низкой материалоемкостью. Достоинства и недостатки методов. Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. Их применение позволяет вернуть в производство ряд ценных соединений. При концентрациях примесей в газах более 2-5 мг/мг очистка оказывается даже рентабельной. Получили распространение адсорбционные методы извлечения из отходящих газов хлорорганических растворителей, обеспечивающие высокую эффективность процесса очистки газов (95-99%), отсутствие химических реакций образования вторичных загрязнителей, быструю окупаемость установок газоочистки ( обычно 2-3 года) и длительным (до 10 лет) сроком службы. Известно, что экономичность сорбционных технологий газоочистки и очистки воздуха зависит от возможности многократного использования используемых сорбентов. В связи с этим важное значение имеет разработка технологии регенерации сорбентов после их использования. Достоинствами метода являются: ◦ Высокая степень очистки ◦ Отсутствие жидкостей ◦ Газы не охлаждаются ◦ Нет необходимости в насосах и энергии на перекачку. Недостатки метода: ◦ Очищаются только сухие и незапылённые газы ◦ Скорость движения газа через аппарат очень мала Качество адсорбционной очистки воздуха зависит от его температуры и влажности. С повышением температуры в адсорбере эффективность очистки снижается. С повышением влажности очищаемого воздуха качество его очистки снижается, содержание влаги в воздухе должно быть не более 80 - 85 %. Снижение качества очистки происходит также по мере насыщения адсорбента загрязняющими веществами. Основной недостаток адсорбционного метода заключается в большой энергоемкости стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет его применение для многокомпонентных смесей углерода и азота. 3. Каталитические методы очистки воздуха Каталитические методы очистки газов основаны на гетероген­ном катализе и служат для превращения примесей в безвредные или легко удаляемые из газа соединения. Особенность процессов каталитической очистки газов заклю­чается в том, что они протекают при малых концентрациях уда­ляемых примесей. Каталитическое окисление экономически оп­равдывает себя при необходимости очистки смесей, когда они либо не го­рючи, либо процесс горения возможен при предварительном нагреве смеси до высокой температуры (до 800°С). Обычно при нормальных условиях реакции окис­ления или восстановления идут очень медленно. Поэтому для ускорения процессов используются процессы катализа. Эти методы связаны с химическими превращениями токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. При этом получаемые продукты являются либо конеч­ными, либо промежуточными и пригодными для дальнейшей переработки или становятся почти полностью удаляемыми с помощью других известных методов. Каталитическим методом токсичные компоненты промышленных выбросов превращают в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Процессы катализа протекают на поверхности катализаторов. Катализаторы должны обладать определенными свойствами: ак­тивностью, пористой структурой, стойкостью к ядам, механичес­кой прочностью, селективностью, термостойкостью, низким гид­равлическим сопротивлением, иметь небольшую стоимость. Катализаторы представляют собой либо металлы, либо соединения, на­несенные на инертную подложку (огнеупорные матери­алы-носители). Температура начала контактирования при восстановлении — 400-470°С. Чаще всего применяются платина, пал­ладий или другие металлы платиновой группы, а также железо, никель, ванадий, медь, молибден и их сплавы. Чаще применяют палладиевый ката­лизатор, нанесенный на оксид алюминия. Широко применяют палладийсодержащие и ванадиевые катализаторы, с помощью которых происходит каталитическое дожигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида. Возможно также восстановление оксидов азота аммиаком до элементарного азота. Применение катализаторов обеспечи­вает быстрое и практическое полное протекание химических процессов при низких температурах. Например, полнота прохождения химических ре­акций с использованием современных катализаторов достигает 90% при тем­пературе 300°С и 99% — при 350 °С. Оборудование для каталитического окисления также достаточно разно­образно, тем не менее, включая в себя три основных узла: камеру сгорания, она же смеситель, реактор, где происходят химические реакции, и тепло­обменник для отвода выделяемого тепла. Каталитические реакторы могут быть с неподвижным, движу­щимся и псевдоожиженным слоем катализатора (рис. 5.20). Они ра­ботают по принципу идеального вытеснения или идеального сме­шения. Для определения размеров реакторов производят кинети­ческие расчеты, а также расчет материальных и тепловых балансов. Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне слоев катали­затора, а в реакторах со взвешенным слоем — теплообменники, расположенные внутри слоев катализатора. Поверхность теплооб­мена рассчитывают по уравнению теплоотдачи. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от выше рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами). В промышленности применяют также каталитическое восстановление и гидрирование токсичных примесей в выхлопных газах. Каталитические методы очистки промышленных отходящих газов при­меняются в производстве акрилатов, лаков, красок, синтетического каучу­ка и др. В последние годы во всем мире ведутся работы по созданию уст­ройств на основе применения катализаторов для нейтрализации и дожигания выхлопных газов автомобилей. На селективных катализаторах гидрируют СО до СН4 и Н2О, оксиды азота — до N2 и Н2О. Каталитическое дожигание также может быть полезно при удалении запахов некоторых органических соединений в про­мышленных выбросах. Широко распространен способ каталитического окисления токсичных органических соединений и оксида углерода в составе отходящих газов с применением активных катализаторов, не требующих высокой температуры зажигания, например металлов группы платины, нанесенных на носители. На практике широко распространено каталитичес­кое разложение оксидов азота. Сущность способа за­ключается в том, что оксиды азота восстанавливаются газом — восстановителем в присутствии катализаторов. В качестве восстановителей используют метан, коксовый и природный газ, оксид углерода, водород, аммиак. Катализаторами служат плати­новые металлы: палладий, рутений, платина, родий либо сплавы, содержащие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и др. Сте­пень очистки достигает 96%. Восстановление метаном: СН4 + O2 = CO2 + 2H2O; СН4 + 4NO = CO2 + 2H2O + 2N2; СН4 + 4NO2 = CO2 + 2H2O + N2; Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9%) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны. Основным достоинством метода является то, что он дает высокую степень очистки, а недостатком — образова­ние новых веществ, которые надо удалять из газа адсорбцией или абсорбцией, что усложняет установку и снижает общий экономический эффект. Выбор методов и аппаратов очистки газов Выбор того или иного типа устройства зависит от конкретных условий работы установок и требований, предъявляемых к его работе: наибольшее значение коэффициента осаждения материала, надежность в эксплуатации. Существенный фактор, вли­яющий на очистку газов, — их влажность. Тканевые фильтры из-за образования корки грязи на поверхности осаждения мо­гут выйти из строя, нормальная работа циклонов и электрофильтров в этом случае также существенно затрудняется. Для улавливания пыли, содержащей неорганические вещества (абразивные вещества, минеральные соли, аэрозоли металлов) применяют механические и мокрые пылеуло­вители, фильтры, электрофиль­тры. При этом частицы размером более 5 мкм улавлива­ются в циклонах, а для улавливания частиц меньших раз­меров используют тканевые фильтры и электрофильтры, а также аппараты мокрой очистки. Для пыли, содержащей органические компоненты (древесная пыль, табачная, мучная и др.) потребляют механические пылеуловители. Все методы очистки делятся на регенеративные и деструктивные. Первые позволяют возвращать в производство компоненты выбросов, вторые трансформируют эти компоненты в менее вредные. Если в газовом потоке содержатся ценные вещества (например, летучие растворители), может быть выгоднее использовать регенеративные методы (но все опять-таки определяется экономической целесообразностью: возможно, себестоимость выделения этих компонентов будет больше их цены). Все зависит от характеристик загрязнителя и его концентрации в газовом потоке: чем она меньше, тем дороже выделение. Для любого предприятия важно, чтобы схема очистки выбрасываемых газов была наиболее дешевой при выбранной степени очистки (как по капитальным, так и по текущим затратам), позволяла повторно использовать ценные компоненты, находящиеся в выбросных газах, а аппаратура и сооружения занимали бы возможно меньшую площадь. В целом выбор системы очистки определяется мно­гими факторами, важнейшие из которых: • номенклатура и концентрация загрязнителей, их вредность; • требуемая степень очистки (с учетом фонового загрязнения); • объемы выбросов, их температура и влажность; • наличие сорбентов и реагентов; • потребность в продуктах утилизации; • стоимостные оценки. Для современного производства, как правило, тре­буется многоступенчатая очистка, особенно если номенклатура примесей многообразна. Так, при производстве электронной аппаратуры количество вредных веществ доходит до 20-30 наименований: от углекислого газа и пыли до соединений меди и свинца, формальдегида и др. Поэтому необходимы разнообразные аппараты. Для производства основная за­дача — уменьшение объема и перечня отходов, их рециклизация, создание замкнутых циклов.