Основные принципы и методы очистки технологических газов от пыли и аэрозолей

В различных отраслях промышленности при энергетических, металлургических и механических процессах в атмоа|х?ру выделяется большое количество твердых и жидких частиц. Знание физико-химических свойств этих частиц позволяет выбрать наиболее эффективную систему очистки газов, разработать методы контроля работы газоочистного оборудования и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [1].

Основные понятия и определения. Физико-химические свойства пылей и аэрозолей, эффективность их улавливания

Пыль представляет собой дисперсную систему с газообразной дисперсной средой и твердой дисперсной фазой, состоящей из частиц от квазимолекулярного до макроскопического размеров, обладающих свойством находиться во взвешенном состоянии более или менее продолжительное время.

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы с газообразной дисперсной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Скорость оседания частиц аэрозоля очень мала и они могут неопределенно долгое время находиться во взвешенном состоянии. Наиболее тонкие частицы аэрозоля по размерам приближаются к наиболее крупным молекулам, а наиболее крупные достигают 1 мкм. В технической литературе термины «грубый аэрозоль» и «пыль» являются синонимами.

Твердые частицы обычно классифицируют по размерам пылинок. Одна из таких классификаций, наиболее удобная при рассмотрении процессов улавливания пылей, приведена ниже.______

Твердые частицы: грубая пыль (> 10 мкм); мелкая пыль (1-10 мкм); дым (< 1 мкм).

Жидкие частицы: брызги (> 10 мкм); туман ( <1 мкм).

Аэрозоли, образовавшиеся в результате механических процессов, обычно содержат пылинки крупнее 5-10 мкм. Аэрозоли, образовавшиеся в процессе конденсации и химических реакций (так называемые возгоны) обычно состоят из первичных частиц мельче 1 мкм. Промышленные аэрозоли, т. е. промышленные запыленные газы, в большинстве случаев состоят из частиц различных размеров. Например, газы шахтных печей свинцового или медеплавильного производства содержат мелкие частицы - возгоны (окислы свинца, цинка, мышьяка и т. д.) и одновременно частицы шихты, унесенные потоком газа. При этом размеры таких пылинок различны. Пыли, содержащие частицы разных размеров, называют полидисперсными.

Реже встречают аэрозоли с пылинками почти одинаковых размеров. Обычно аэрозоль такого типа образуется, если первоначально газы не содержали пыли механического происхождения, и аэрозоль образовался только в результате химической реакции или конденсации. Такой аэрозоль называется монодисперсным.

Большинство аэрозолей неустойчиво, т. с. со временем изменяются число пылинок и их масса в единице объема газа. Объясняется это следующими причинами. Крупные пылинки под влиянием силы тяжести выделяются из газа на дно аппарата (газохода), в котором они находятся, часть пылинок может выноситься под действием центробежных, т. е. инерционных сил. Часть мелких пылинок может укрупняться под действием броуновского движения, при этом частицы сталкиваются друг с другом и слипаются.

Плотность частиц

Различают истинную, насыпную и кажущуюся плотность частиц.

Истинная плотность твердой частицы определяется как отношение массы ее вещества к занимаемому ею объему за вычетом объема пор и газовых включений, которые может иметь частица.

Кажущаяся плотность определяется как отношение массы частицы к занимаемому ею объем} , включая объемы пор и газовых включений. Для гладких монолитных твердых частиц (так же как и для жидких) кажущаяся плотность совпадает с истинной. Ощутимое снижение кажущейся плотности по сравнению с истинной наблюдается у пылей, склонных к коагуляции или спеканию частиц (сажа, окислы цветных металлов и т. д.). Например, истинная плотность частиц газовой сажи составляет 1,8-1,9 г/см3, а кажущаяся - около 0,13 г/см3.

Для расчетов, связанных с выбором или оценкой работы пылей и золоулавливающих аппаратов, необходимы данные о кажущейся плотности частиц, так как именно кажущаяся плотность наряду с некоторыми другими факторами определяет поведение частиц в газовых потоках.

Насыпная плотность определяется отношением массы свежена-сыпанных твердых частиц к занимаемому ими объему, при этом учитывается наличие воздушных промежутков между частицами. Величиной насыпной плотности пользуются для определения объема, который занимают зола или пыль в бункерах сухих газоочистных аппаратов.

Дисперсный состав пыли

В комплексе физико-химических свойств пыли ее дисперсный состав является одной из наиболее важных характеристик. Не зная степени дисперсности промышленных пылей, нельзя объективно оценить степень очистки в действующих пылеочистных устройствах и прогнозировать ее для проектируемых установок.

Различают пылеулавливающие установки, которые могут улавливать определенные минимальные размеры частиц пыли. Так, например, по данным А.И. Родионова рассмотрим некоторые виды пылеулавливающего оборудования, приведенные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Улавливание частиц пыли и аэрозолей в пылеулавливающих аппаратах

11аименование аппаратов

Размер улавливаемых частиц, мкм

Пылеосадительные камеры

40-1000

Циклоны:

  • -диаметром 1-2 м
  • -диаметром 1 м

20-1000 5-1000

Скрубберы

20-100

Тканевые фильтры

0,9-100

Волокнистые фильтры

0,05-100

Электрофильтры

0,01-10

Методы расчета эффективности многих пылеуловителей основаны на использовании данных о дисперсном составе пыли как функции фракционной степени очистки. В свою очередь, фракционные степени очистки газа от пыли в каком-либо аппарате можно определить только на основе достаточно достоверных анализов дисперсного состава исходной уловленной или вынесенной пыли.

В зависимости от происхождения (при измельчении, обжиге, нагреве, транспортировании и пересыпании сыпучих материалов, при конденсации паров, в ходе химических превращений) неоднородные газовые системы разделяют на механические (размер частиц пыли колеблется в пределах 50-100 мкм) и конденсированные (размер частиц для дымов 0,3-5 мкм, для туманов 0,3-3 мкм).

Дисперсность - качественная характеристика системы, определяющая величину измельчения сыпучего материала или дисперсной фазы. Степень дисперсности (Д), т. е. степень раздробленности вещества дисперсной фазы, представляет собой величину, обратную размеру частиц (б/ч): Д = 1/ d4.

Следует уплывать, что размер частицы (<УЧ), определяющий ее крупность, диаметр, длину стороны частицы или ячейки сита, наибольший размер проекции частицы и т. п., точно характеризует только шарообразные частицы. Если частица не имеет правильной геометрической формы, в расчетах используют так называемый эквивалентный диаметр частицы (<7Э). При использовании тех или иных расчетных формул следует обращать внимание на то, какое понятие об эквивалентном диаметре использует автор: эквивалентный диаметр частиц выражают как диаметр шара, объем которого равен объему частицы (где V - объем частицы), или как диаметр круга, площадь которого равна площади проекции частицы, определяемый, как правило, по данным микроскопирования.

Расчетное определение дисперсности затрудняется тем, что пылегазовые потоки обычно содержат частицы разного диаметра, т. е. являются полидисперсными. Однако исследователи установили, что распределение показателей запыленности воздуха подчиняется нормальному закону распределения. Поэтому достаточно легко можно найти (например, используя метод малой выборки) число проб, необходимое для экспериментального (или контрольного) определения той или иной величины.

В пылеулавливании используют также седиментационный диаметр частицы любой формы, характеризующий скорость ее осаждения.

Седиментационный диаметр находят как диаметр шара, плотность которого, а также скорость осаждения под действием силы тяжести равны плотности и скорости осаждения частицы соответственно.

Для сравнительной оценки работы пылеулавливающих установок, как правило, дисперсность оценивают по соотношению масс фракций, полученных при ситовом анализе. О степени дисперсности пыли в таком случае можно приближенно судить по медианному диаметру. Медианным диаметром частиц (б/50) или (550) называют такой размер частиц, по которому пыль можно разделить на две равные доли. Масса всех частиц мельче d50 составляет 50 % всей массы пыли, так же как и масса частиц крупнее <У5о составляет оставшиеся 50 %.

Дисперсный состав пыли большей частью задается в виде таблиц экспериментальных данных. Эти данные могут быть записаны как содержание отдельных фракций пыли, представляющей собой доли массы АД или числа частиц между двумя значениями их диаметров 6 (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Дисперсный состав кварцевой пыли

8, мкм

ДД % от общей массы пыли

<2,5

5,8

2,5-4

3,4

4-6,3

5,8

6,3-10

6,5

10-16

9,5

16-25

1 1,2

25^10

11,8

40-63

11,0

63-100

6,0

> 100

29,0

Данные седиментометрических и ряда других методов анализа обычно представляют в виде таблиц, в которых указаны содержание частиц (в процентах от общей массы пыли или от общего числа частиц), имеющих размер меньше или больше 8 (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Содержание в кварцевой пыли частиц разных размеров

8, мкм

д,%

Я,%

8, мкм

Д,%

7?, %

2,5

5,8

94,2

25

42,2

57,8

4,0

9,2

90,8

40

54,0

46,0

6,3

15,0

85,0

63

65,0

35,0

10,0

21,5

78,5

100

71,0

29,0

16,0

31,0

69

масс.

100,0

0

По аналогии с данными ситового анализа доля частиц мельче значения их диаметров называется проходом и обозначается Д, а доля частиц крупнее их диаметров соответственно называется остатком и обозначается R. В табл. 3.2 данные, указанные в табл. 3.1. пересчитаны на значения проходов и остатков.

Удельная поверхность пыли

Удельной поверхностью пыли называется отношение поверхности частиц пыли к их массе или объему. По величине удельной поверхности частиц пыли можно судить о степени ее дисперсности: чем она больше, тем выше степень дисперсности. В практике пылеулавливания, а также в производственной технологии такая характеристика представляет определенные преимущества, так как степень дисперсности может быть выражена одной величиной - удельной поверхностью.

Для определения удельной поверхности в настоящее время рекомендуется применять .метод Товарова, основанный на протекании воздуха через слой порошка при постоянном расходе воздуха и давлении, близком к атмосферному.

Удельная поверхность как характеристика дисперсности широко используется при определении или сравнении интенсивности процессов, идущих на поверхности частицы (сорбционных, ионообменных и др.).

Смачиваемость пыли

Экспериментально установлено, что смачиваемость пыли оказывает существенное влияние на эффективность пылеулавливания в мокрых аппаратах, особенно при работе с рециркуляцией. Гладкие части цы смачиваются лучше, чем частицы с неровной поверхностью, так как последние в большей степени оказываются покрытыми абсорбированной газовой оболочкой, затрудняющей смачивание.

По характеру смачивания все твердые тела разделяют на три основные группы:

  • • гидрофильные материалы - хорошо смачиваемые (кальций, кварц, большинство силикатов и окисленных минералов, галогениды щелочных металлов);
  • • гидрофобные материалы - плохо смачиваемые (графит, уголь, сера);
  • • абсолютно гидрофобные (парафин, тефлон, битумы).

Гигроскопичность частиц

Способность пыли впитывать влагу зависит от химического состава, размера, формы и степени шероховатости поверхности частиц. Гигроскопичность способствует их улавливанию в аппаратах мокрого типа.

Абразивность пыли

Абразивность пыли характеризует интенсивность износа металла при одинаковых скоростях газов и концентрации пыли. В особенности это касается сухих инерционных аппаратов (в том числе циклонов), стенки которых подвержены интенсивному износу. Абразивность зависит от твердости, формы, размера и плотности частиц и учитывается при расчетах аппаратуры (выбор скорости газа, толщины стенок аппаратуры и облицовочных материалов).

Электрическая проводимость слоя пыли

Этот показатель оценивается по удельному электрическому сопротивлению слоя пыли (УЭС), которое зависит от физико-химических свойств отдельных частиц (от поверхности и внутренней электропроводности, формы и размеров частиц, химического состава частиц, температуры и т. д.), а также от структуры слоя и параметров газового потока. Величина УЭС оказывает существенное влияние на работу электрофильтров.

В зависимости от УЭС пыли подразделяют на три группы.

• Низкоомные пыли УЭС < 104 Ом см. При осаждении на электроде частицы этой пыли мгновенно разряжаются, что может привести к вторичному уносу пыли.

  • • Пыли с УЭС = 104—1010 Ом см. Эти пыли хорошо улавливаются в электрофильтре, так как разрядка частиц происходит не сразу, а в течение времени, необходимого для накапливания слоя.
  • • Пыли с УЭС = 1010—1013 Ом см. Улавливание пылей этой группы в электрофильтрах вызывает большие трудности. Частицы пыли этой группы образуют на электроде пористый изолирующий слой.

Электрическая зараженность частиц

Знак заряда частиц зависит от способа их образования, химического состава, а также от свойств веществ, с которыми они соприкасаются. Этот показатель оказывает влияние на эффективность улавливания в пылегазоочистных аппаратах, на взрывоопасность и адгезионные свойства частиц.

Пожаро- и взрывоопасность пыли

Многие ВИДЫ пыли из-за сильно развитой поверхности (~1 М2/г) контакта частиц с кислородом воздуха способны к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом. Интенсивность взрыва пыли зависит от ее химических и термических свойств, от размеров и формы частиц, их концентрации в воздухе, от влагосодсржания и состава газов, размеров и температуры источника воспламенения и относительного содержания инертной пыли.

Способностью к воспламенению обладают некоторые пыли органических веществ, образовавшиеся при переработке красителей, пластмасс, волокон, а также пыли металлов: магния, алюминия, цинка.

За нижний предел воспламенения пылегазового потока твердых веществ принимается наименьшая концентрация вещества в воздухе, при которой смесь способна воспламеняться. Наибольшая концентрация пыли в воздухе, при которой возможен взрыв, называется верхним пределом взрыва (воспламенения). Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли - примерно 20-500 г/м, максимальные - 700-800 г/м3. Чем больше содержание кислорода в газовой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила. При содержании кисло-родаменее 16 % пылевое облако не взрывается.

Химический состав пыли и аэрозолей

Каждая отдельная твердая частица, входящая в состав аэрозоля, может состоять из нескольких химических компонентов. Однако химический анализ в этом случае затруднен вследствие малого количества анализируемого материала. Поэтому для определения химического состава в настоящее время используют два метода отбора проб: полную фильтрацию и использование каскадного импактора. Фильтрация распространена наиболее широко. При достаточно высокой степени эффективности фильтра можно получить информацию об усредненном химическом составе для всех размеров частиц и всего интервала отбора проб.

Данные о зависимости химического состава от размера частиц можно получить, используя каскадный импактор, подвергая анализу каждую фракцию, получаемую при разделении. Эти данные можно использовать при разработке методов контроля над содержанием твердых частиц, позволяющих удалять из отходящих газов наиболее опасные частицы; при определении экономической целесообразности использования уловленных пылей и т. д.

Концентрация частиц пыли и аэрозолей

Концентрацию частиц (пыли) выражают числом или массой частиц в единице объема. Концентрация по числу частиц представляет собой отношение числа частиц в данном объеме к величине этого объема. Концентрацию по числу частиц обычно измеряют методами рассеивания света, путем определения электрической подвижности и с помощью подсчета числа центров конденсации.

Концентрация по массе представляет собой отношение массы частиц в данном объеме к величине этого объема. Концентрация по массе может быть определена путем фильтрации известного объема газа и взвешивания, отделенных от газа частиц.

Степень очистки газа в пылеуловителе

Степень очистки газа в пылеуловителе (коэффициент полезного действия) выражается отношением количества уловленной массы пыли к массе пыли, поступившей в пылеуловитель [2]. Степень очистки газа в пылеуловителе определяют по формуле:

G'-Gn v;-c'-v;-cn g;

n=---;— = —---;—(1-1)

g v;-c v;-c

где G',G"- масса пыли, содержащейся в газах, соответственно поступивших и выходящих из аппарата, кг/с;

И/, К/ - объемный расход газов при О °C и 760 мм рт. ст. (101,3 кПа) соответственно поступающих и выходящих из аппаратов, м3/с;

С, С" - концентрация частиц в газах, соответственно поступающих в аппарат и выходящих из аппарата, кг/м3;

Gm - количество уловленной пыли, кг.

Если объем газов в процессе очистки изменяется, например за счет

подсоса, то эффективность ц = 1 - Кп

С’

где Кп - коэффициент под

соса.

Известно, что эффективность очистки для частиц пыли различных размеров неодинакова. Так как лучше улавливается крупная пыль, то коэ(|х|)ициент очистки газов часто определяется по фракционной эффективности - степени очистки газов от частиц определенного размера.

Фракционная эффективность определяется по формуле:

Ф'-Ф"(1-Г|)

(1-2)

“ ф'

где Ф', Ф" - содержание фракции в газах соответственно на входе и на выходе из аппарата, %.

Зная фракционную степень очистки газов, можно определить общую эффективность аппарата:

Пф1-Ф1 ! Пф2-Фг ! t Пф„ Ф„

100 100 ?” 100 ’ 1 ? 7

Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде коэффициента проскока частиц (степени неполноты улавливания), который представляет собой отношение концентрации частиц за аппаратом к их концентрации перед ним. Коэффициент проскока используют, когда надо оценить конечную запыленность или сравнить относительную запыленность газов на выходе из различных аппаратов.

Коэффициент проскока /Спр - рассчитывают по формуле: Л?пр = 1 - ц • Суммарную степень очистки газов от пыли, достигаемую в нескольких последовательно установленных аппаратах, рассчитывают по формуле:

П = 1-(1-П1)(1-П2)...(1-Пи), (1-4)

где Ц1, т|2 > Ли _ степень очистки газов от пыли соответственно в первом, втором и и-м аппарате.________

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >