Очистка выбросов в атмосферу

Основным направлением охраны атмосферного воздуха от вредных выбросов должна быть разработка малоотходных и безотходных технологических процессов. Однако та­кую задачу следует полагать стратегической и рассчитанной на дли­тельный период. А в настоящее время наиболее распространенным и технически более простым решением указанной проблемы является разработка эффективных систем очистки, улавливания и переработки газообразных, жидких и твердых примесей (рис. 8.1.).

Рис.8.1. Системы и методы очистки вредных выбросов.

 

Для выбора очистного устройства и расчета всей системы очистки необходимо знать основные характеристики, в т. ч. эффективность, гидравлическое сопротивление и производительность.

Общая эффективность очистки η определяется по соотношению:

η= (С_вх – С_вых )/ С_в ,

где С_вх и С_вых - массовые концентрации примеси в газе до и после ап­парата (фильтра).

Если последовательно соединено несколько аппаратов, то общая эффективность очистки будет:

η = 1 -(1 – η ₁) - (1 – η ₂) ... (1 – η _n),

где η _1, η ₂,… η _n — эффективность очистки 1-го, 2-го и п-го аппаратов.

Гидравлическое сопротивление ∆р определяется как разность давле­ний воздушного потока на входе р_вх и выходе р_вых из аппарата. Величина ∆р_вх находится экспериментально или рассчитывается по формуле:

 

∆р= р_вх - р_вых =εр V²/2,

где р и V— плотность и скорость воздуха в расчетном сечении аппара­та; ε— коэффициент гидравлического сопротивления.

Величина гидравлического сопротивления аппаратов имеет боль­шое значение для расчета гидравлического сопротивления всей сис­темы.

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

Улавливание промышленных пылей

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие 4 класса: механическая пыль – образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса; возгоны – образуются в результате объемной конденсации паров ве­ществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат; летучая зола – содержащийся в дымо­вом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, об­разуется из его минеральных примесей при горении; промышленная сажа – входящий в состав промышленного выброса твердый высоко­дисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или терми­ческом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, – это их размер, который колеблется в широких пределах – от 0,1 до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны для человека частицы от 0,5 до 5 мкм.

Аппараты обеспыливания газов можно разбить на 4 группы: 1) су­хие пылеуловители – механические устройства, в которых пыль отде­ляется под действием сил тяжести, инерции или центробежной силы; 2) мокрые, или гидравлические, аппараты, в которых твердые части­цы улавливаются жидкостью; 3) пористые фильтры, на которых осе­дают мельчайшие частицы пыли; 4) электрофильтры, в которых час­тицы осаждаются за счет электрической ионизации газа и содержа­щихся в них пылинок.

Сухие пылеуловители. К этим устройствам относятся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны.

Весьма простыми устройствами являются пылеосадительные каме­ры, в которых за счет увеличения сечения воздуховода скорость пыле­вого потока резко падает, вследствие чего частицы пыли выпадают под действием сил тяжести. Пылеосадительные камеры использу­ют для очистки от крупных частиц пыли и применяют в основном для предварительной очистки воздуха. Эффективность улавливания в них зависит от времени пребывания газов в камере и расстояния, проходи­мого частицами под действием гравитационных сил. В свою очередь время пребывания газов зависит от объема камеры и скорости потока.

Эффективными пылеуловителями являются инерционные аппа­раты, в которых пылевой поток резко изменяет направление своего движения, что способствует выпадению частиц пыли. К ним относят­ся аппараты, в которых действие удара о препятствие используется в большей степени, чем инерция. Широко распространенными инерционными пылеуловителями являются циклоны. В них частицы пыли движутся вместе с вращающимся га­зовым потоком и под воз­действием центробежных сил оседают на стенках. Циклоны широко применя­ются для улавливания час­тиц размерами около 10 мкм при скоростях газового по­тока от 5 до 20 м/с. По кон­струкции циклоны подраз­деляются на циклические, конические и прямоточ­ные.

Эффективность улавливания частиц пыли в циклоне пропорцио­нальна линейной скорости газов в степени 1/2 и обратно пропорцио­нальна диаметру аппарата в степени также 1/2. Так что процесс целе­сообразно вести при больших линейных скоростях газового потока и небольших диаметрах циклонов. Однако увеличение скорости: может привести к резкому увеличению гидравлического сопротивления. По­этому целесообразно увеличивать эффективность циклона за счет уменьшения диаметра аппарата, а не за счет роста скорости газа.

Средняя эффективность обеспыливания газов в циклонах достав­ляет 0,98 при размере частиц пыли 30-40 мкм, 0,8 - при 10 мкм, 0,6 - при 4-5 мкм. Производительность циклонов лежит в диапазоне от нескольких сот до десятков тысяч кубических метров в час. Преиму­щество циклонов — простота конструкции, небольшие размеры, от­сутствие движущихся частей; недостатки — затраты энергии на вра­щение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку циклонов (батарею). Это позволяет не увеличивать диа­метр циклона, что положительно сказывается на эффективности очи­стки. Запыленный газ входит через общий коллектор, а затем распре­деляется между циклонными элементами.

Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуловителей, например, ротационные, вихревые, радиальные. При общих принципах действия они различаются системами пылеулавливания и способами пода­чи воздуха. К наиболее эффективным следует отнести ротационный пыле­уловитель. Благодаря актив­ному действию такие системы имеют эффективность 0,95—0,97.

В основе работы пористых фильтров, предназначенных для тонкой очистки, лежит процесс фильтрации газов через пористую перегород­ку, в результате чего твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь неё.

Перегородки применяемые в фильтрах, могут быть различных типов:

- в виде неподвижных зернистых слоев, например гравия. Такие фильтры дешевы, просты в эксплуатации, их эффективность 0,99. Они используются для очистки от пылей механического происхождения (мельниц, дробилок, грохота);

- гибкие пористые (различные ткани, войлоки, губчатая резина, пенополиуретан). Указанные фильтры широко используются для тонкой очистки газов от примесей, но имеют и недостатки: относительно низкая термостойкость, малая прочность;

- полужесткие пористые (прессованные спирали и стружка, вя­занные сетки). Такие фильтры изготавливаются из различных сталей, меди, бронзы, никеля и других металлов. Они могут ра­ботать при повышенных температурах и в агрессивных средах;

- жесткие пористые (пористая керамика, пористые металлы).

Фильтры последнего типа технологичны и находят широкое при­менение для очистки горючих газов и жидкостей, выбросов дыма, туманов, кислот, масел, так как материалы (керамика, металлы) обладают высокой прочностью, кор­розионной стойкостью и жаропроч­ностью (выдерживают 500°С).

Из пористых фильтров наиболь­шее распространение получили ру­кавные фильтры, что обусловлено и созданием в последнее время новых температуростойких и устойчивых к воздействию агрессивных газов тка­ней, например, стекловолокно вы­держивает температуру 250°С.

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 со шнеком для выгрузки пыли.

В типичных фильтровальных тканях размер сквозных пор между нитями составляет 100—200 мкм. Остаточная концентрация пыли пос­ле тканевых фильтров составляет 10—50 мг/м³. Эффективность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером более 0,5 мкм. Удельный расход энергии — 0,3—0,6 кВтч на 1000 м³ газа.

В электрофильтрах очистка газов от пыли происходит под действием
электрических сил. В процессе ионизации молекул газов электрическим разрядом происходит заряд содержащихся в них частиц (коронирующий электрод). Ионы адсорбируются на поверхности пылинок, а
затем под действием электрического поля пылинки перемещаются к
осадительным электродам. Зарядка частиц в поле коронного разряда
происходит по двум механизмам: воздействием электрического поля
(частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффузией 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. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм –
диаметру частицы.

По способу удаления осажденной на электродах пыли электро­фильтры делятся на сухие и мокрые. В сухих электрофильтрах пыль удаляется с электродов путем встряхивания. Нормальная работа сухих аппаратов обеспечивается при температуре очищаемых газов выше температуры точки росы, что необходимо для предотвращения кон­денсации влаги и увлажнения осажденной пыли. Появление влаги в сухих аппаратах может вызвать осложнение при удалении пыли с элек­тродов и их коррозию.

В мокрых электрофильтрах удаление пыли производится путем смыва ее с поверхности электродов орошающей жидкостью. Темпера­тура очищаемого газа при этом должна быть выше или близкой к тем­пературе точки росы. Мокрые электрофильтры могут также применять­ся для улавливания из газовых потоков жидких частиц в виде тумана или капель. В этом случае применяются аппараты без устройства для промывки электродов, так как осажденная влага самостоятельно сте­кает с них.

Электрофильтры способны очищать большие объемы газов от пыли с частицами размером от 0,01 до 100 мкм при температуре газов до 400- 450°С. Затраты электроэнергии составляют 0,36-1,8 МДж на 1000 м³ газа. Эффективность работы электрофильтров зависит от свойств пыли и газа, скорости запыленного потока в сечении аппарата и т.д. Чем выше напряженность поля и меньше скорость газа в аппарате, тем луч­ше улавливается пыль.

Эксплуатационные затраты на содержание и обслуживание элект­рофильтров, установленных на электростанциях, составляют около 3% общих расходов.

Мокрые пылеуловители. Указанные устройства имеют одну весьма важную особенность: они обладают высокой эффективностью очист­ки от мелкодисперсной (менее 1 мкм) пыли. Имеются и другие досто­инства, среди которых: 1) относительно небольшая стоимость и высо­кая эффективность улавливания взвешенных частиц; 2) возможность очистки газов при относительно высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгорания и взрывов очищенных газов или уловленной пыли. В качестве существенного недостатка мож­но указать на то, что уловленная пыль представлена в виде шлама, а это вызывает необходимость обработки сточных вод, т. е. удорожает процесс.

Работают указанные системы по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инер­ции и броуновского движения.

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерцион­ного, барботажного и других типов (рис.8.2.).

 

Рис.8.2. Классификация мокрых пылеуловителей

Большое распространение (в основном из-за простоты конструк­ции) получили полые форсуночные скрубберы. Они представ­ляют собой колонну круглого сечения, в которой осуществляется кон­такт между запыленным газом и каплями жидкости (обычно водой). Высота скруббера составляет ~ 2,5 ее диаметра. Удельный расход оро­шающей жидкости выбирают в пределах 0,5—8 л/м³ газа.

Более эффективными мокрыми пылеуловителями являются скруб­беры Вентури, у которых эффективность очистки достигает 0,97— 0,98, расход воды 0,4—0,6 л/м³ газа. Полый скруббер пред­ставляет собой колонну круглого сечения, в нее подается жидкость через систему форсунок, число которых может достигать 14—16 по се­чению колонны. В насадочном скруббере используется си­стема поперечного орошения с наклонно установленной насадкой. Эф­фективность таких систем достигает 0,9.

Среди систем мокрой пылеочистки высокая эффективность отмече­на в скрубберах ударно-инерционного действия. В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется при ударе газового потока о поверх­ность жидкости с последующим про­пусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигу­рации или непосредственным отво­дом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы.

Надежной и простой конструкцией мокрого пылеуловителя явля­ется промывная башня (скруббер), заполненная кольцами Рашига, стекловолокном или другими насадками.

Запыленный газ подается снизу вверх через распыляющее устройство. Одновременно сверху вниз поступает вода. В том случае, когда пыль являеся плохо смачиваемым веществом, в воду добавляют поверхностно-актив­ные вещества (ПАВ). Расход энергии составляет 2 кВт-ч/1000 м³ газа.

К недостаткам процесса мокрого пылеулавливания относят: а) возмож­ность щелочной или кислотной корро­зии при очистке некоторых газов; б) ухудшение условий последующего рассеивания через заводские трубы очищенного, но увлажненного газа, тем более охлажденного (снижается подъемная сила); в) происходит загряз­нение отводимой из аппарата воды вредными для водоемов ПАВ.

Весьма эффективны комбиниро­ванные методы очистки от пыли. Так, хорошие результаты дает очистка агло­мерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах.