Предельно-допустимая концентрация примесей (ПДК).

Основной физической характеристикой примесей атмосферы является кон­центрация - масса(мг) вещества в единице объема (м3) воздуха при нормальных условиях. Концентрация примесей определяет физическое, химическое и другие виды воздействия веществ на человека и окружающую среду и служит основ­ным параметром при нормировании содержания примесей в атмосфере.

ПДК - это максимальная концентрация примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни на окру­жающую среду в целом вредное действие (включая отдаленные последствия).

Различают допустимую максимальную разовую и среднесуточную концен­трацию примесей.

Максимальная разовая ПДК_max - основная характеристика опасности вредного вещества. Она устанавливается для предупреждения рефлекторных ре­акций у человека (ощущение запаха, световой чувствительности, изменение биоэлектрической активности головного мозга и др.) при кратковременном воз­действии атмосферных примесей.

Среднесуточная ПДК_cc - установлена для предупреждения общетоксиче­ского, канцерогенного, мутагенного и другого влияния веществ на организм че­ловека.

В таблице 3.1. приведены ПДК некоторых наиболее характерных веществ, загрязняющих атмосферный воздух в городах и населенных пунктах.

Таблица 3.1.

Вещества	Класс опасности	ПДК, мг/м^3
максимальная разо­вая	среднесуточная
NO2		0,085	0,04
СO		5,0	3,0
Пыль неорганическая		0,15-0,5	0,05-0,15
Сажа		0,15	0,05
SO2		0,5	0,05
H2S		0,008	-
HNO3		0,4	0,15
Бензин			1,5
Свинец и его соединения		-	0,0003

 

Наибольшая концентрация «с» каждого вредного вещества в приземном слое не должна превышать максимально-разовой предельно допус­тимой концентрации, т.е. с < ПДК_max, при экспозиции не более 20 минут. Если время воздействия вещества превышает 20 минут, то с < ПДК_сс.

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять уравнению:

C₁/ПДК₁ + с₂/ПДК₂ + с_n/ПДК_n < 1,

где: с₁ с₂ - концентрации вредных веществ в одной и той же точке местно­сти, мг/м3;

ПДК₁ ПДК₂ - предельно-допустимая концентрация вредных веществ в ат­мосфере, мг/м³.

Например, высоту труб современных ТЭС рассчитывают из условия, что концентрация SO₂ и NO_x предельном слое атмосферы удовлетворяет условию:

(Cso₂ /ПДКsо₂ + C_Nox/ПДК_Nox) < 1

Предельно-допустимые выбросы (ПДВ) примесей. В соответствии с тре­бованиями ГОСТ для каждого проектируемого и действующего предприятия ус­танавливается предельно-допустимый выброс вредных веществ в атмосферу при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника в совокупности с другими источниками (с учетом перспективы их развития) не создадут призем­ную концентрацию, превышающую ПДК.

При определении ПДВ примесей от расчетного источника необходимо учи­тывать ее концентрацию в атмосфере, обусловленную выбросами от других ис­точников, соблюдая для приземного слоя условие:

С_ф + С < ПДК,

где: с - концентрация вещества в приземном слое, создаваемая расчетным источником выброса;

с_ф - фоновая концентрация вещества.

Расчет ПДВ в тоннах за год как количества вредных веществ, которое не разрешается превышать при выбросе в атмосферу, производят на основе методов, разработанных Главной геофезической обсерваторией.

Параметры процесса пылеулавливания

Процесс очистки газов от твердых и капельных примесей в различных ап­паратах характеризуется несколькими параметрами, в том числе общей эффек­тивностью очистки η:

 

η=(с_вх-с_вых)/с_вх (1)

 

где: с_вх, с_вых - массовые концентрации примесей в газе соответственно до и после пылеуловителя.

Если очистка ведется в системе последовательно соединенных аппаратов, то общая эффективность очистки будет:

η=1-(1- η₁)(1- η₂)……(1- η_n),

где: η_1, η_2, η_n - эффективность очистки 1,2,...n-го аппаратов.

Для оценки эффективности процесса очистки также используют коэффициент проскока частиц через пылеуловитель К:

К с_вых / с_вх. (2)

Как следует из (1) и (2), коэффициент проскока и эффективности очистки связаны соотношением:

К = 1 – η. (3)

При сравнительной оценке задерживающей способности пылеуловителей используют понятие «медианой тонкости очистки» d_so. Она определяется разме­рами частиц, для которых эффективность осаждения в пылеуловителе составля­ет 0.5.

Гидравлическое сопротивление пылеуловителей ΔP определяют как раз­ность давлений газового потока на входе Р_вх и выходе Р_вых из аппарата. Величи­ну P определяют экспериментально или рассчитывают по формуле:

P = Р_вх - Р_вых = ξρω²/2,Па (4)

где: ξ - коэффициент гидравлического сопротивления;

ρ,ω- плотность и скорость газа в расчетном сечении аппарата.

Величина гидравлического сопротивления и объемный расход Q очищаемого газа определяют мощность N привода устройства для подачи газа к пылеуловителю:

N = K P Q/(η_мη_в) 1000. (5)

где: К - коэффициент запаса мощности;

η_м ~ КПД передачи мощности от электрического двигателя к вентиля­тору;

ηв ~ КПД вентилятора.

Удельная пылеемкость пылеуловителя зависит от количества пыли, ко­торое им удерживается за период непрерывной работы между двумя очередны­ми регенерациями. Применительно к фильтрам удельную пылеемкость оцени­вают как массу осадка, приходящуюся на единицу площади рабочей поверхно­сти фильтрующего элемента. Удельную пылеемкость используют в расчетах продолжительности работы фильтра между регенерациями.

Процесс фильтрации характеризуется скоростью фильтрации ω_ф - отноше­нием объемного расхода фильтруемого газа к площади фильтрования:

ω_ф = Q/F_ф.

Скорость фильтрации позволяет оценить удельную массовую пропускную способность фильтрующих материалов ρω_ф, где р - плотность фильтруемого газа. Для оценки скорости движения газа непосредственно в порах фильтроэлемента используют понятие скорость в порах ω_п. При этом ω_п = ω_ф/П, где П - по­ристость фильтроматериала.

В процессах пылеулавливания весьма важны физико-химические характе­ристики пыли и туманов, а именно: дисперсный состав (фракционный), плот­ность, адгезионные свойства (слипаемость), смачиваемость, электрическая заряженность частиц, удельное сопротивление слоев частиц и др. Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы прежде всего сведения о дисперсном составе пыли и туманов.

По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп: 1 - очень крупно­дисперсная пыль

d_so> 140 мкм;

2 - крупно дисперсная пыль d= 40-140 мкм;

3 - среднедисперсная пыль d 10-40 мкм;

4 - мелкодисперсная пыль d_so 1 - 10 мкм;

5 - очень мелкодисперсная пыль d_so< 1 мкм.

Важным параметром пыли является ее плотность. Различают истинную и кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плотность слоя пыли.

Кажущаяся плотность частицы - это отношение ее массы к объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности численно совпа­дает с истинной плотностью.

Насыпная плотность слоя пыли равна отношению массы слоя к его объе­му и зависит не только от пористости частиц пыли, но и от процесса формиро­вания пылевого слоя и от времени.

Насыпная плотность слежавшейся пыли примерно в 1.2 - 2.5 раза больше, чем у свеженасыпанной. Насыпная плотность пыли необходима для определения объема пыли в бункерах.

Склонность пыли к слипаемости определяется ее адгезионными свойства­ми. Чем выше слипаемость пыли, тем больше вероятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и налипания пыли на газоходах. Чем мельче пыль, тем выше ее слипаемость. Слипаемость значительно возрастает при ее увлажнении.

Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пы­леуловителей, а электрическая заряженность частиц на их поведение в пылеуло­вителях и газоходах.

К общим параметрам пылеуловителей относят их производительность по очищаемому газу и энергоемкость, определяемую величиной затрат на очистку 1000 m³ газа.

Сухие пылеуловители

Классификация пылеулавливающего оборудования основана на принципи­альных особенностях процесса отделения твердых частиц от газовой фазы:

- оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которому отно­сятся циклоны, пылеосадительные камеры, вихревые циклоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры.

-оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к которому от­носятся скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, пенные аппараты.

Для очистки воздуха применяют пылеуловители пяти классов.

Класс пыле­уловителя	Размеры улавливаемых пылевых частиц, мкм	Группа пыли по дисперсности	Эффективность пылеуловителя
	Более 0.3		0.8 0.8-0.999
	Более 2		0.45-0.92 0.92-0.999
	Более 4		0.8-0.99 0.99-0.999
	Более 8		0.95-0.999 0.999
	Более 20		0.99

 

Циклоны

Циклоны очень широко применяются для сухой очистки газов. Газовый по­ток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхно­сти корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который с частью газа попадает в бункер. Отделение частицы пы­ли от газа, попавшего в бункер, происходит при повороте газового потока в бун­кере на 180*. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь, давая на­чало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 3. Для нормаль­ной работы циклона необходима герметичность бункера, так как если бункер не­герметичен, то из-за подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком выходную трубу.

Выпускаются цилиндрические (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и конические (СК-Цн-34, СК-ЦН-34М и СКД-ЦН-33) циклоны НИИОГаза (госу­дарственный научно-исследовательский ин-т по промышленной и санитарной очистке газа).

Для всех циклонов бункеры имеют цилиндрическую форму диаметром Д_б, равным 1.5Д для цилиндрических и (1.1-1.2)Д для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера составляет 0.8Д, днище бункера выполняется с углом 60* между стенками. Выходное отверстие бункера имеет диаметр 250 и 500 мм. Избыток давления газов, поступает

Производительность циклона зависит от его диаметра, увеличиваясь с рос­том последнего.

Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны, состоя­щие из нескольких параллельно установленных циклонных элементов. Опыт эксплуатации батарейных циклонов показал, что эффективность очистки таких установок несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока газов между циклонами элемента.

Ротационные пылеуловители

Ротационные пылеуловители относят к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемещением воздуха очищают его от фракций пыли крупнее 5 мкм. Они обладают большой компактностью, т.к. вентилятор и пыле­уловитель обычно совмещены в одном корпусе.

Рассмотрим конструктивную схему простейшего пылеуловителя ротацион­ного типа.

При работе вентиляторного колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного корпуса 2 и движутся по ней в направлении выхлопного отверстия 3. Часть газа с пылью через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ посту­пает в выхлопную трубу 4. Такие аппараты обеспечивают достаточно высокую эффективность очистки воздуха при улавливании сравнительно крупных частиц пыли (свыше 20-40 мкм).

Для очистки воздуха от пыли с размерами частиц >5 мкм предназначены противоточные ротационые пылеотделители - ПРП. Пылеотде- литель состоит из встроенного в кожух 1 полого ротора 2 с перфорированной поверхностью и колеса вентилятора 3. Ротор и колесо вентилятора насажены на общий вал. При работе пылеотделителя запыленный воздух поступает внутрь кожуха, где закручивается вокруг ротора.

В результате вращения пылевого потока возникают центробежные силы, под действием которых взвешенные в воздухе частицы пыли стремятся выде­литься из него в раздельном направлении. Одновременно на эти частицы в про­тивоположном направлении действуют силы аэродинамического сопротивления. Частицы, центробежная сила которых больше силы аэродинамического сопро­тивления, отбрасываются к стенкам кожуха и поступают в бункер 4. Очищенный воздух через перфорацию ротора всасывается в вентилятор и затем выводится наружу.

По сравнению с циклонами ПРП обладают рядом преимуществ: габарит­ные размеры циклона в 3-4 раза больше, а удельные энергозатраты на очистку 1000 м3 газа на 20-40% больше, чем у ПРП при прочих равных условиях. Однако широкого применения ПРП не получили из-за относительной сложности конструкции и процесса эксплуатации.

Радиальные пылеуловители

В радиальных пылеуловителях отделение твердых частиц от газового пото­ка происходит при совместном действии гравитационных и инерционных сил. По­следние возникают при повороте газового потока на 180* за срезом входной трубы 2. Средняя скорость подъема газа ω_г в корпусе 1 обычно не более 1 м/с. При этом для оседающих частиц должно выполнятся условие ω_в > ω_г, ω_п скорость витания частиц. Эффективность очистки газа от частиц размером 25 -30 мкм обычно составляет 0.65-0.85. Из-за малой эффективности радиальные пыле­уловители не применяют для очистки от мелкодисперсной пыли.

 

Жалюзийный пылеотделитель

Применяется для разделения газового потока на очищенный газ и газ, обогащенный пылью.

 

На жалюзийной решетке 1 газовый поток расходом Q разделяется на два потока с расходами Qi и Q2. Обычно, Qi = (0.8 - 0.9) Q, a Q2= (0.1 - 0.2)Q. Отделение частиц пыли от основного газового потока на жалюзийной решетке происходит под действием инерционных сил, возникающих при повороте газо­вого потока на входе в жалюзийную решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от поверхности решетки при соударении. Обогащенный пылью газовый поток после жалюзийной решетки направляется к циклону, где очищается от частиц и вновь вводится в трубопровод за жалюзийной решеткой. ЖП отличает­ся простотой конструкции и хорошо компонуются в газоходах, обеспечивая эф­фективность очистки 0.8 и более для частицы размером больше 20 мкм. Они применяются для очистки дымовых газов от крупнодисперсной пыль при темпе­ратуре до 450-600*С.

Электрофильтры

Одним из наиболее совершенных способов очистки газов от взвешенных частиц пыли и тумана является электрическая очистка. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах.

Заряженные газы, поступающие в электрофильтр, всегда оказываются час­тично ионизированными за счет различных внешних воздействий. Поэтому, по­падая в пространство между двумя электродами, они способны проводить элек­трический ток. Сила тока зависит от числа ионов и величины напряжения между электродами. При увеличении напряжения в движение между электродами во­влекается все большее число ионов, и сила тока растет до тех пор. пока в движе­нии не окажутся все ионы, имеющиеся в газе. При этом величина тока становит­ся постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший рост напряжения.

При некотором достаточно большом напряжении движущиеся ионы и электроны на­столько ускоряются, что, сталкиваясь с молекулами газа ионизируют их, пре­вращая нейтральные молекулы в положительные ионы и электроны. Образовав­шиеся ионы и электроны ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, ионизируют новые молекулы газа.

Этот процесс, называемый ударной ионизацией газа, устойчиво протекает лишь в неоднородном электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора. В зазоре между коронирующим 1 и осадительным 2 электродами создается электрическое поле убывающей напряженности с силовыми линиями направленными от осадительного электрода к коронирующему электроду (или наоборот).

Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим и осади­тельным электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая при этом электрический заряд, и получают ускорение, направленное в сторону элек­трода с зарядом противоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от подвижности ионов, траектории движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, электрофильтры обычно де­лают с короной отрицательной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц - доли секунды.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием аэродинамических сил, силы взаимодействия электрического поля и заряда частицы, силы тяжести.

Основная масса пыли (отрицательно заряженные аэрозольные частицы) осаждается на положительном осадительном электроде и лишь относительно небольшая - на отрицательном коронирующем.

Сухие фильтры типа УГМ (унифицированные горизонтальные малогаба­ритные) рекомендуется применять для тонкой очистки газов от пыли различных видов Jsr2 и 4 групп дисперсности. Производительность по газу, тыс. м3/ч - 36- 950; наибольшая температура газов 250*С; эффективность очистки - до 0.999.

Фильтры

Фильтры широко используются для тонкой очистки газовых выбросов от примесей.

Рассмотрим схему процесса фильтрования в пористой перегородке.

Частицы примесей оседают на входной части пористой перегородки и за­держиваются в порах, образуя на поверхности перегородки слой 3, и таким об­разом становятся для вновь поступающих частиц частично фильтровой перегородкой что увеличивает эффект очистки к перепаду давления па фильтроэлемен­те. Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конст­рукции фильтра и его назначения, тонкости очистки.

По типу перегородки фильтры бывают: с зернистыми слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы); с гибкими пористыми перегород­ками (ткань, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополистирол и др.); с полужесткими пористыми перегородками (вязанные и тканные сетки, прессованные спирали и стружка); с жесткими пористыми перегородками (по­ристая керамика, пористые металлы).

По конструктивному признаку газовые фильтры делят на рукавные, ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные.

Наиболее распространены рукавные фильтры, в которых запыленный газ подается во внутреннюю полость рукавов. Частицы загрязнения за счет ситового и других эффектов оседают в ворсе и образуют пылевой слой на внутренней по­верхности рукавов. Очищенный воздух выходит из фильтра через патрубок. При достижении максимально допустимого перепада давлений на фильтре его от­ключают от системы и производят регенерацию встряхиванием рукавов и про­дувкой их сжатым газом.

Для изготовления рукавов применяют ткани, войлоки и сетки. Производи­тельность фильтра по газу зависит от типа рукавов, объединенных в общий кор­пус. В крупногабаритных фильтрах большой производительности число рукавов может достигать нескольких сотен штук. Промышленность выпускает серийно рукавные фильтры типа ФРО, ФР и др. ФРО служит для очистки от пыли раз­личных видов 3 и 4 групп дисперсности; производительность по газу тыс. м3/ч - до 50; наибольшая температура газов 130*С (рукав из лавсана), 230 (рукав из стеклоткани); эффективность очистки 0.98.

Пылеуловители различных типов, в том числе и электрофильтры, применя­ют при повышенных концентрациях примесей в воздухе. Фильтры используют для тонкой очистки воздуха с концентрациями примесей не более 50 мг/м3. Если требуемая тонкая очистка воздуха идет при больших начальных концентрациях примесей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуло­вителей и фильтров.

Мокрые пылеуловители

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение. Они ха­рактеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной пыли с диаметром >= (0.3 - 1.0 мкм), а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов.

Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков:

1. образование в процессе очистки шламов, что требует специальных сис­тем для их переработки;

2. вынос газов в атмосферу, образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до температуры точки росы;

3. необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеулови­тель.

Принцип работы аппарата мокрой очистки основан на осаждении частиц пыли на поверхность либо капель жидкости, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури, фор­суночные и центробежные скрубберы, аппараты ударно-центробежного типа, барботажно-печные аппараты и др.

Рассмотрим схемные решения наиболее распространенных мокрых пылеулови­телей.

 

Скруббер Вентури

Основная часть скруббера - сопло Вентури 2, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа, а через центробежную форсунку 1 жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости 15-20 м/с до скорости в узком сечении сопла 30-2000 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхно­стью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфу­зорной части сопла.

В диффузорной части сопла поток тормозится до скорости 15-20 м/с и подается в каплеуловитель 3. Каплеуловитель обычно выполняют в виде проточного циклона.

Скруббер Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей со средним размером частиц 1-2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м3. Удельный расход воды при этом составляет 0.1-6.0 л/'м3.

Скруббер Вентури (ГВПВ газопромыватель Вентури прямоточный высоконапор­ный) - допустимая входная концентрация пыли 30 г/м3; производительность по газу тыс.м3/ч - 1.7-84; эффективность очистки - 0.96 - 0.98; наибольшая температура газов – 400*С.

Разновидностью аппаратов для улавливания пыли осаждением частиц на каплях являются форсуночные скрубберы.

Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, подаваемых в скруббер через форсуночные пояса 2.

Удельный расход воды в форсуночных скрубберах составляет 3.0 - 6.0 л/м".

Общая эффективность очистки, получаемая на форсуночных скрубберах, невы­сока, порядка 0.6-0.7. В форсуночных скрубберах эффективно улавливаются частицы размером >10 мкм.

Туманоуловители

Предназначены для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и дру­гих жидкостей. В туманоуловителях используют волокнистые фильтрующие эле­менты. Принцип действия туманоуловителей основан на осаждении капель на поверхность пор с последующим стечением жидкости под действием сил тяжести. Туманоуловители делят на низкоскоростные (скорость фильтрации меньше или равна 0.15 м/с), в которых преобладает механизм диффузионного осаждения капель и высокоскоростные (скорость = 2.-2.5 м/с), где осаждение происходит под действием инерционных сил.