Pidrychnuk

13.2. Класифікація методів і апаратів для очищення аерозолів

Під знешкодженням газоповітряних викидів розуміють відділення від газу аерозольних домішок або перетворення на нешкідливий стан забруднюючих домішок.

Процес знепилювання повітря в загальному вигляді включає наступні основні етапи:

запобігання розповсюдженню “початкової” аеродисперсної системи в повітрі робочої зони і збільшення стійкості цієї системи у напрямі строго обмеженої заздалегідь виділеної області (процес пиловловлювання);
руйнування пилового аерозолю, що полягає у виділенні пилу з повітря (процес пилоочистки);
подальше зниження стійкості пилового аерозолю, що зберігся після реалізації попередніх етапів, що полягає в інтенсифікації розповсюдження пилових частинок, що залишилися в повітрі, і аерації дисперсного середовища в приземному шарі атмосфери (процес розсіювання пилу).

На кожному етапі передбачається введення штучних аеродисперсних систем або організація направлених зовнішніх силових полів. Процес знепилювання включає три елементи: пиловловлювання (ПВ), полоочистку (ПО) і розсіювання пилу (РП). Кожен елемент системи можна реалізувати різними методами (аеродинамічним, гідродинамічним, електромагнітним, теплофізичним, механічним і ін.), які визначаються характером направлених зовнішніх дій на пиловий аерозоль. Будь-який метод може бути здійснений різними способами (зрошуванням, піною, парою, туманом і ін.), а спосіб − технічними засобами.

Основним елементом систем полоочистки є апарат очищення повітря від пилу.

Серед початкових даних для вибору способів, технічних засобів і параметрів пиловловлювання найбільш важливими є технологічні і пилоаеродинамічні.

Найповніша класифікація апаратів ґрунтується на використанні наступних способів знепилювання:

фізичні способи включають: механічний (аеродинамічний, гідродинамічний, фільтраційний), електричний, магнітний, акустичний, оптичний, іонізуючий, термічний;
хімічний;
фізико-хімічний;
біохімічний;
фізико-біохімичний.

Кожен з вказаних способів має певну область застосування і широту використання. В їх основі лежить один (або декілька) з наступних процесів знепилювання: осадження, коагуляція, видалення, знезараження, спалювання і вловлювання.

Для знешкодження аерозолів (пилу і туманів) використовують сухі, мокрі і електричні методи. В основі сухих методів лежать гравітаційні, інерційні, відцентрові механізми осадження або фільтраційні механізми. При використанні мокрих методів очищення газових викидів здійснюється шляхом тісної взаємодії між рідиною і запиленим газом на поверхні газових міхурів, крапель або рідкої плівки. Електричне очищення газів засноване на іонізації молекул газу електричним розрядом і електризації зважених в газі частинок.

При обробці викидів, що містять тверді аерозольні забруднювачі, низьких величин проскакування (1...2% і менше) можна досягти, як правило, тільки двоступінчатим очищенням. Для попереднього очищення можуть бути застосовані жалюзійні решітки і циклонні апарати (іноді для невеликих викидів − пилоосаджувальні камери), а для остаточної − пористі фільтри, електрофільтри або мокрі пилоосаджувачі.

Рідкі аерозолі (тумани) можуть бути скоагульовані за допомогою зміни параметрів стану (охолодження і підвищення тиску) з метою осадження в подальшому з використанням як правило мокрих способів вловлювання в скруберах, пористих і електричних фільтрах, в абсорберах.

Мокрі способи очищення твердих і рідких аерозолів мають істотний недолік − необхідність відділення вловленого забруднювача від вловлюючої рідини. З цієї причини мокрі способи слід застосовувати тільки за відсутності інших методів очищення, віддаючи перевагу способам з мінімальною витратою рідини.

В основу дії апаратів для очищення аерозольних викидів покладений певний фізичний механізм. У вловлюючих пристроях знаходять застосування наступні способи відділення зважених частинок від повітря (газу): осадження в гравітаційному полі, осадження під дією сил інерції, осадження у відцентровому полі, фільтрування, осадження в електричному полі, мокре очищення і ін.

За основним механізмом відділення частинок аерозолів і носить назву пиловловлюючий апарат.

У пристрої для очищення аерозольних викидів, разом з основним механізмом вловлювання, зазвичай використовуються і інші закономірності. Завдяки цьому загальна і фракційна ефективність апарату досягає більш високого рівня.

Гравітаційне осадження. Частинки аерозолів осідають з потоку забрудненого повітря під дією сили тяжіння. Для цього необхідно створити відповідний режим руху забрудненого повітря в апараті з урахуванням розміру частинок, їх густини і так далі.

Інерційне осадження. Інерційне осадження ґрунтується на тому, що частинки аерозолів і повітря (газ), зважаючи на значну різницю густини володіють різною інерцією. Аерозольні частинки, рухаючись за інерцією, відділяються від газового середовища.

Осадження під дією відцентрової сили. Відбувається при криволінійному русі забрудненого газоповітряного потоку. Під дією виникаючих відцентрових сил аерозольні частинки відкидаються на периферію апарату і осідають.

Ефект зачеплення. Частинки аерозолів, зважені в повітряному (газовому) середовищі, затримуються у вузьких звивистих каналах і порах при проходженні газоповітряного потоку через фільтрувальні матеріали.

Мокре очищення. Змочування поверхні елементів апаратів водою або іншою рідиною сприяє затриманню аерозольних частинок на даній поверхні.

Осадження в електричному полі. Проходячи електричне поле, частинки аерозолів отримують заряд. Рухаючись до електродів протилежного знаку, вони осідають на них.

На практиці вловлювання аерозольних частинок знаходять застосування і інші методи: укрупнення частинок в акустичному полі, термофорез, фотофорез, дія магнітного поля, біологічне очищення.

Пиловловлююче устаткування при всьому його різноманітті може бути класифіковане за рядом ознак: за призначенням, за основним способом дії, за ефективністю, за конструктивними особливостями.

Апарати очищення залежно від розмірів вловлюваних частинок і ефективності їх вловлювання розділені на п’ять класів (табл. 13.5).

Таблиця 13.5

Класифікація пиловловлювачів

Клас апарату	Розміри ефективно вловлюваних частинок, мкм	Ефективність за масою пилу, при групі дисперсності пилу
Клас апарату	Розміри ефективно вловлюваних частинок, мкм	I	II	III	IV	V
І	понад 0,3-0,5	-	-	-	99,9-80	<80
II	понад 2	-	-	99,9-92	92-45	-
ІІІ	понад 4	-	99,9-99	99-80	-	-
ІV	понад 8	˃99,9	99-95	-	-	-
V	понад 20	˃99	-	-	-	-

Примітка. Межі ефективності відповідають межам зон класифікації груп пилу.

Часто залежно від коефіцієнта очищення апарати ділять на дві групи: грубого очищення і тонкого знепилення. Проте поняття грубого очищення і тонкого знепилення є відносними залежно від виду виробництва і завдань знепилення.

Устаткування для санітарного очищення газів і повітря від зважених дисперсних частинок підрозділяється на дві категорії: апарати сухого очищення і апарати мокрого очищення.

У свою чергу апарати, що використовують сухі методи очищення, по суті фізичних явищ, що відбуваються в них, підрозділяються на гравітаційні, інерційні, фільтраційні і електричні.

В залежності від способу відділення пилу від повітряного потоку конструюють наступне пиловловлююче обладнання: устаткування для вловлювання пилу сухим способом, при якому відокремлені від повітря частинки пилу осідають на суху поверхню; устаткування для вловлювання пилу мокрим способом, при якому відділення частинок від повітряного потоку здійснюється з використанням рідин.

Пиловловлююче устаткування за принципом дії підрозділяється на групи, за конструктивними особливостями на види і діє за сухим (табл. 13.6) і мокрим (табл. 13.7) способом.

Таблиця 13.6

Групи і види пиловловлюючого устаткування для вловлювання пилу сухим способом

Група устаткування	Вид устаткування	Область застосування
Група устаткування	Вид устаткування	повітряних фільтрів	пиловловлювачів
Гравітаційне	Порожнисте	-	+
Гравітаційне	Поличне		+
Інерційне	Камерне	-	+
	Жалюзійне	-	+
	Циклонне	-	+
	Ротаційне	-	+
Фільтраційне	Тканинне	-	+
	Волокнисте	+	-
	Зернисте		+
	Сітчасте	+	-
	Губчасте	+
Електричне	Однозонне		+
Електричне	Двозонне	+	+

Таблиця 13.7

Групи і види пиловловлюючого устаткування для вловлювання пилу мокрим способом

Група устаткування	Вид устаткування	Область застосування
Група устаткування	Вид устаткування	повітряних фільтрів	пиловловлювачів
Інерційне	Циклонне	−	+
	Ротаційне	−	+
	Скруберне	−	+
	Ударне	−	+
Фільтраційне	Сітчасте	+	−
Фільтраційне	Пінне	−	+
Електричне	Однозонне	−	+
Електричне	Двозонне	+	+
Біологічне	Біофільтр	−	+

Примітка. Знак «+» означає застосування; знак «-» означає незастосування.

Апарати мокрого очищення підрозділяються на інерційні, фільтраційні і електричні.

Найбільш поширеним устаткуванням для вловлювання дисперсних частинок з газоповітряних потоків є: сухі гравітаційні і інерційні вихрові осаджувачі, фільтри різних конструкцій, мокрі пиловловлювачі, електрофільтри.

В цілому система очищення повітря і газів може містити устаткування декількох типів, сполучене в послідовний ланцюжок у міру підвищення ефективності пиловловлювання. Пиловловлююче устаткування, в якому відділення пилу від повітряного потоку здійснюється послідовно в декілька ступенів, що відрізняються за принципом дії, конструктивними особливостями і способом очищення, відносять до комбінованого пиловловлюючого устаткування.

В даний час використовуються різні методи і апарати для вловлювання аерозольних домішок з повітря. На практиці для цього найчастіше застосовують апарати гравітаційні, інерційні сухі і мокрі, такі, що фільтрують в пористому шарі і в електричному полі. До основних представників інерційних сухих пиловловлювачів відносять жалюзійні пристрої, циклони одиночні і групові, мультициклони, а мокрих − промивачі порожнисті і насадочні, пінні, ударно-інерційної дії (струменеві, імпакторні, ротоклони), скрубери Вентурі. Пористі фільтри розрізняють за фільтруючим матеріалом (фільтри з волокнистих − тканих і нетканих, сипких матеріалів, ущільнених металевих і металево-керамічних порошків, металевих і полімерних сіток), а потім − за конструкцією, типорозмірами і окремим ознакам. У електрофільтрів основною роздільною ознакою вважається горизонтальний або вертикальний напрям руху оброблюваного потоку.

Вибір устаткування при формуванні системи пиловловлювання залежить від конкретних вимог виробництва і фізико-хімічних властивостей дисперсних частинок.

В основі оригінальної концепції класифікації сепараторів зважених частинок, яка була запропонована А.І.Пірумовим, лежить принцип розділення пиловловлювачів на класи за розмірами ефективно вловлюваних частинок (табл. 13.8). Така класифікація надає істотну допомогу при виборі засобів пиловловлювання.

Таблиця 13.8

Класифікація пиловловлювачів за розмірами ефективно вловлюваних частинок

Клас сепаратора	I		II			III	IV		V
Мінімальний розмір ефективно вловлюваних частинок, мкм	0,3		2			4	8		20
Група пилу по дисперсності	V	IV	IV	III	III	II	II	I	I
Медіанний діаметр частинок, мкм*	менше 1	1...10	1...10	10...40	10...40	40...120	40…120	понад 120	понад 120
Максимальний ступінь очищення, %	80	80...99	45...92	92...99	80...99	99...99,9	95...99,9	понад 99,9	понад 99

*Примітка. Група пилу і відповідний їй розмір частинок, які можуть бути вловлені з максимальним ступенем очищення в даному класі сепаратора.

У табл. 13.9 приведені характеристики різних пиловловлювачів. Ці відомості значно полегшують вибір відповідного устаткування для систем очищення газоповітряних викидів від зважених частинок.

Таблиця 13.9

Структурні характеристики різних систем пиловловлювання

Показники	Пиловловлювачі					Фільтри
	гравітаційні	відцентрові		мокрі
		низьконапірні	среднена порные	низьконапірні	високонапірні	тканинні	електричні
Гідравлічний опір	до 100	100-300	750-1250	750-1500	5000-12500	750-1500	100-400
Характерний параметр	m_Т	ω		S_tk		при d_Т <0,3мм D; при d_Т >0,3мм S_tk	K_e
Залежність ефективності уловлювання: від розміру частинок	f(d_Т ²C_k)					при d_Т <0,3мм f(C_k/d_Т); при d_Т>0,3мм f(d_Т²/C_k)	f(d_Т C_k)
від температури	практичнемає	f(C_k/μ_г)		практично не визначається		при d_T<0,3мм f(C_kТ_г/μ_г); при d_T>0,3мм f(C_k/μ_г)	f(C_k/μ_г)
від концентрації	немає	визначається діаметром апарату і властивостями пилу		визначається системою водопостачання і можливими витратами енергії		визначається типом фільтру (зазвичай не більш 20 г/м³)	гранична с=n_иeρ_Td_T/12ξ₀E
від вологості	немає			сприяє зростанню ефективності		немає	сприяє зростанню ефективності
Орієнтовний мінімальний розмір частинок, що вловлюються з високою ефективністю, мкм	50-40	40-30	25-8	5-2	1-0,1	0,1	1,0-0,25
Максимально допустима температура газу, °С	визначається матеріалом, з якого виготовлений апарат					визначається матеріалом перегородки, що фільтрує (<220-250)	визначається складом газу і властивостями пилу
Нижня гранична температура газу	вище за точку роси			будь-яка		вище за точку роси
Стійкість до корозії	достатньо стійкі			за наявності в газах кислот, лугів потрібний антикорозійний захист		стійкі при температурі, що перевищує точку роси
Вибухо- і вогненебезпечність	незначна			мінімальна		велика
Орієнтовна вартість очищення по відношенню до низьконапірних циклонів		1,0-1,5	2,0-3,0	2,5		3,0-7,5	5,0-15,0

Позначення: m_Т, d_T − вага, діаметр частинки; ω − центробіжний фактор осадження; S_tk = d_Т²с_Tх_г/(18м_г) − критерій Стокса; D − коефіцієнт дифузії; К_е − коефіцієнт напруженості; с − концентрація пилу; Т_г, м_г, х_г, с_г абсолютна температура, динамічна в’язкість, швидкість, густина газу; n_і − концентрація іонів в 1 м³ ; е − діелектрична стала; Е − напруженість електричного поля.

Прості методи обробки викидів сучасних виробничих процесів також швидше за все не забезпечать належного ступеня очищення, що запобігає відчутному збитку навколишньому середовищу. Так, наприклад, прості пиловловлювачі − осаджувальні камери, жалюзійні решітки, циклони можуть бути вдало застосовані в двоступінчатій схемі очищення для попередньої обробки викидів. Проте, слід було б відмовитися від використання мультициклонів як єдиного засобу очищення димових газів парогенераторів електростанцій. Об’єми викидів теплоенергетичних установок сягають 400...500 м/с, і тому проскакування забруднювача в 1...2% може представляти серйозну небезпеку навколишньому середовищу, тоді як мультициклони забезпечують ступінь очищення не більш ніж на 85...90%.

Всі компоненти, що підлягають видаленню, необхідно оцінити за фізико-хімічними і санітарно-гігієнічними властивостями. По аерозольних забруднювачах необхідні зведення про розміри частинок, абразивності, злипаємості, питомому електричному опорі, характері взаємодії з рідинами.

Рідкі аерозолі (тумани) можуть бути скоагульовані за допомогою зміни параметрів стану (охолодження і підвищення тиску) з метою осадження в подальшому з використанням, як правило, мокрих способів вловлювання в мокрих скруберах, пористих і електричних фільтрах, в абсорберах.

Якщо тверді або рідкі аерозолі по елементному складу не містять інших елементів, окрім вуглецю, водню і кисню (пил рослинного походження, шерстяні волокна, тумани мінеральних масел і ін.), то вони можуть бути знешкоджені в одну стадію − безпосереднім спалюванням в топках котлів і печей.

Содержание