Основные свойства промышленных пылей.

Для выбора аппаратов с целью эффективной очистки газа необходимо знать следующие основные свойства пыли, со­держащейся в технологических и вентиляционных газах: химический состав, плотность, угол естественного откоса, смачиваемость, удельное электрическое сопротивление, фор­му и структуру частиц, дисперсность, токсичность, воспла­меняемость и взрываемость, способность коагулировать.

Химический состав пыли. Он всегда характерен для данного производства или технологического процесса.

По химическому составу пыли судят о ее токсичности. Зная химический состав пыли, можно обоснованно выбрать мокрый или сухой способ очистки газа. Если пыль содер­жит компоненты, способные образовывать с водой или дру­гой жидкостью, подаваемой на орошение аппаратов, сое­динения, которые при оседании на стенках аппаратов и га­зоходов трудно удалять, применять мокрый способ очист­ки газов нельзя. При наличии в руде серы во время металлургических процессов в газ переходят ее оксиды, которые при мокром способе очистки образуют кислоты. В этом случае следует принимать меры по защите аппаратов и газоходов от коррозии и обеспечивать нейтрализацию шламовых вод. Поэтому для очистки таких газов целесооб­разнее применять сухой способ. При наличии в составе пы­ли оксидов кремния и аналогичных им соединений прини-мают меры по защите аппаратов и газоходов от механичес­кого истирания.

Воспламеняемость и взрывоопасность. Чем меньше раз­меры и пористее структура частиц, тем больше их удель­ная поверхность и выше физическая и химическая актив­ность пыли. Высокая химическая активность некоторых видов пыли является причиной ее взаимодействия с кисло­родом воздуха. Окисление частиц пыли сопровождается повышением температуры. Поэтому в местах скопления пыли возможны ее самовоспламенение и взрыв. Ввиду большой удельной поверхности возгонов и наличия в ряде случаев в их составе неокисленных металлов, углерода и серы возгоны более склонны к самовозгоранию. Взрыво­опасность пыли увеличивается с уменьшением ее зольности и влажности.

По степени пожаро- и взрывоопасности пыли делят на две группы и четыре класса. К группе А относят взрыво­опасные пыли с нижним концентрационным пределом взрываемости до 65 г/м³. Из них пыль с нижним пределом взрываемости до 15 г/м³ относится к I классу, а остальные — ко II классу.

В группу Б входят пыли, имеющие нижний концентра­ционный предел выше 65 г/м³. Из них пыли, температура воспламенения которых до 250°С, относятся к III классу, а пыли, воспламеняющиеся при температуре выше 250 °С,— к IV классу.

Горючая пыль вследствие сильно развитой поверхности контакта частиц с кислородом воздуха способна к само­возгоранию и образованию врывчатых смесей с воздухом. Взрыв взвешенной в воздухе пыли — это резкое увеличение давления в результате очень быстрого сгорания ее частиц. Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли: 20 — 500 г/м³, максимальные — около 700 —8000 г/м³. Чем больше содержание кислорода в газо­вой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила. При содержании ≤ 16% О₂ пылевое облако невзрываемо (на­пример, в смеси с СО₂, водяными парами и т.д.).

Взрывоопасность пыли различных видов топлива зави­сит от содержания летучих, влажности, зольности, тонкос­ти помола, концентрации пыли в воздухе, температуры воздуха и пыли. Угли с содержанием компонентов менее 10 % невзрывоопасны. Пыль угля с выходом летучих более 30 % взрывоопасна при 65—70°С. Наиболее опасны кон­центрации угольной пыли в пределах от 300 до 600 г/м³.

Нижним и верхним пределами взрываемости пыли на­зывается соответственно наименьшая и наибольшая кон­центрации взвешенной в газах или воздухе пыли, при кото­рой возможен взрыв смеси. Нижние пределы взрываемос­ти для большинства пылей составляют 2,5—35 г/м³. Такие концентрации соответствуют весьма высокой запыленности воздуха, при которой трудно различать предметы на рас­стоянии нескольких метров.

Смачиваемость пыли. Характеризует ее способность смачиваться водой. Обычно ее выражают в процентах. Чем меньше размер частиц пыли, тем меньше их способность смачиваться. В частности, возгоны плохо смачиваются во­дой. Смачиванию препятствует газовая оболочка, образую­щаяся вокруг мелких частиц пыли. Чем крупнее частицы пыли и чем округлее их форма, тем слабее силы, удерживающие газовую оболочку вокруг поверхности частиц и, следовательно, тем больше их способность смачиваться. Смачиваемость пыли зависит и от ее химического состава. Смоченные частицы лучше отделяются от газа в аппаратах газоочистки. Смачиваемость определяется путем измерения доли смоченного и погрузившегося на дно сосуда порошка, насыпанного тонким слоем на поверхность воды.

Пыли по смачиваемости разделяют на три группы: гидрофобная (плохо смачиваемая, менее 30 %), умеренно смачиваемая (30—80 %), гидрофильная (хорошо смачиваемая, 80—100 %). В зависимости от химического состава некото­рые пыли при смачивании водой схватываются (цементиру­ются, затвердевают). Такие пыли при оседании на стенки аппаратов и газоходов, образуют трудно удаляемые отло­жения, которые уменьшают сечение для прохода газа и ухудшают условия газоочистки.

Плотность пыли. Различают истинную плотность на­сыпной массы. Истинная плотность пыли обусловлена хи­мическим составом материала, из которого она образована, и измеряется отношением массы пыли к занимаемому ею объему. В некоторых случаях внутри частиц пыли могут быть поры и пустоты. Величина пор и пустот зависит от формы и размера частиц. Плотность такой пыли называют кажущейся. Она будет несколько меньше истинной плот­ности, так как газ, находящийся в порах, весит мень­ше, чем пыль. На практике эти поры, как правило, не учитывают и считают кажущуюся плотность равной ис­тинной.

В процессе очистки уловленная пыль собирается в оп­ределенную емкость и образует насыпную массу. Плотность насыпной массы в отличие от истинной плотности учитыва­ет наличие воздушных зазоров между отдельными частица­ми пыли и изменяется в зависимости от способа заполнения (уплотнения) пыли в заданном объеме. Величиной насып­ной плотности пользуются для определения объема, кото­рый занимает пыль в бункерах. Чем меньше размеры час­тиц пыли, тем меньше поверхность их соприкосновения и больше количество пустот между отдельными пылинками в насыпной массе, а следовательно, меньше насыпная плот­ность по сравнению с истинной. Для крупной пыли насып­ная плотность примерно в 2,5 раза меньше истинной плот­ности, а для мелкой пыли — в 20 раз.

Угол естественного откоса пыли представляет собой угол обрушения пыли в процессе или после наполнения пылью бункеров аппаратов газоочистки или других емкостей. Его отсчитывают между горизонтальной плоскостью и образующей конуса, получаемого при насыпании пробы пыли на плоскость. По углу естественного откоса пыли делают угол наклона бункеров пылеуловителей.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) представляет собой сопротивление образца пыли в форме куба с гранями 1 м прохождению электрического тока (Ом·м). Величина УЭС слоя пыли на электродах электро­фильтра является одним из важных факторов, влияющих на эффективность работы сухих электрофильтров.

Все пыли по УЭС разде­ляют на три группы.

Частицы пыли, имеющие УЭС меньше 10⁴ Ом-м (1-я группа), легко разряжаются и, приобретая одноименный с осадительными электродами заряд, отрываются от по­верхности и попадают в газовый поток, способствуя увели­чению вторичного уноса. Примером такой пыли могут слу­жить частицы недогоревшего топлива (недожог) в дымо­вых газах котельных агрегатов, плохо улавливаемые в электрофильтрах . Такие пыли предпочтительнее улавливать в рукавных фильтрах.

Частицы пыли с удельным сопротивлением 10⁴ — 10¹⁰ Ом-м (2-я группа) удовлетворительно улавливают­ся в электрофильтрах. При осаждении на электроде эти пыли разряжаются не сразу, а через некоторое время, до­статочное для накопления слоя и формирования из мелких осажденных частиц агломератов под действием электричес­ких и аутогезионных сил. Размер агломератов обычно та­ков, что основная часть пыли при встряхивании электродов: попадает в бункер электрофильтра и только небольшое количество уносится газовым потоком, образуя вторичный унос. К таким пылям можно отнести огарковую (при про­изводстве серной кислоты в печах с кипящим слоем) и це­ментную пыль (при производстве цемента мокрым спо­собом ).

При УЭС пыли выше 10¹⁰ Ом-м (3-я группа) возника­ют наибольшие трудности, нарушающие протекание процесса электрической фильтрации. Возникает обратная ко­рона.

Обратная корона на осадительном электроде возникает в результате того, что разность потенциалов (напряжений) между поверхностью слоя и поверхностью осадительного электрода превышает пробивное напряжение слоя, и в его порах возникает тлеющий разряд, внешне напоминающий коронный, направленный от острых кромок, расположенных у трещин в пылевом слое, к коронирующему электроду.

В условиях обратного коронного разряда уменьшается пробивное (рабочее) напряжение, вследствие чего резко снижается эффективность работы электрофильтра, в ре­зультате чего увеличивается пылевынос.

Дисперсность пыли. Размер частиц пыли является од­ной из основных характеристик, определяющих выбор типа аппарата или системы аппаратов для очистки газа. Круп­ная пыль лучше, чем мелкая, оседает из газового потока и может быть уловлена в аппарате простейшего типа. Для очистки газа от мелкой пыли зачастую требуется не один, а несколько аппаратов, установленных последовательно по ходу газа. Под дисперсностью пыли понимают совокуп­ность размеров всех составляющих ее частиц.

Одной из классификаций пыли по размерам служит ее разделение на крупную пыль (размером более 10 мкм) и мелкую (размером менее 10 мкм). Возгоны содержат ча­стицы в основном размером менее 1 мкм. Пыль, образован­ная в результате механических операций (дробления, транспортировки и т.п.), обычно имеет размеры более 5— 50 мкм. В любых технологических газах металлургическо­го производства в зависимости от его физико-химических характеристик содержится пыль самого разнообразного дисперсного состава.

Токсичность пыли. Глубина проникновения частиц пы­ли в органы дыхания человека зависит от величины частиц. Особенно опасны в этом отношении туманы. Токсичность пыли зависит от их материала, из которого она образована (например, свинца, мышьяка, ртути и др.).

Главную опасность для человека представляет пребы­вание в сильно запыленной среде, при котором значитель­ное количество пыли попадает в организм. При этом созда­ются условия для длительного контакта относительно большой массы пыли со слизистой поверхностью дыхатель­ных путей, которая наиболее восприимчива к ее действию. Большое значение имеет размер пылинок, так как, чем мельче частицы пыли, тем глубже они проникают в дыха­тельную систему. Если относительно крупные пылинки при вдыхании в большой степени задерживаются в верхних дыхательных путях и постепенно удаляются оттуда со сли­зью, то мелкая пыль, как правило, проходит в легкие и осе­дает там на длительный срок, вызывая поражение легоч­ной ткани. Следовательно, высокодисперсная пыль представ­ляет большую опасность, чем крупная. Пылинки могут проникнуть в поры потовых и сальных желез, закупоривая их и затрудняя функции этих желез. Попавшие вместе с пылью микробы в закупоренных про­токах сальных желез могут развиваться, вызывая гнойнич­ковые заболевания кожи — пиодермию. Закупорка потовых желез пылью в условиях горячего цеха вызывает уменьше­ние потоотделения, что затрудняет терморегуляцию.

Нетоксичные пыли, находясь в легких длительное вре­мя постепенно вызывают разрастание вокруг каждой пы­линки соединительной ткани, которая не способна воспри­нимать кислород из вдыхаемого воздуха, насыщаться кро­вью и выделять углекислоту, как это делает легочная ткань. Этот процесс разрастания соединительной ткани протекает медленно, как правило, годами. При длительной работе в условиях высокой запыленности, разрастаясь, соедини­тельная ткань постепенно замещает легочную, снижая та­ким образом основную функцию легких — усвоение кисло­рода и выделение углекислоты.

Методы и аппаратура для определения дисперсного состава пылей (аэрозолей)

Свойства аэрозолей и способы их улавливания определяются, главным образом, концентрацией и размерами частиц дисперсной фазы.

Фотоэлектрическийсчетчик аэрозольных частиц типа АЗ – 5 выпускается в системе радиоэлектронной промышленности.

Действие прибора основано на том, что каждая аэрозольная частица в оптическом датчике генерирует электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна диаметру фиксируемой частицы. Прибор позволяет определить счетную концентрацию аэрозолей в пределах от 1 до 300 тыс. частиц в 1 л исследуемого воздуха.

Продолжительность единичного измерения не превышает 1 мни. Объемная скорость просасывания воздуха 1,2 л/мин. Прибор позволяет также судить о дисперсном составе частиц и пределах 0,4—10 мкм. Погрешность определения счетной концентрации аэрозоля не превышает ±20% по отношению к эталонному прибору, на пре­деле 0,7 мкм. Прибор включают в сеть переменного тока напряже­нием 220±10 В или к источнику постоянного тока напряжением 12 В. Масса прибора—не более 8,5 кг.

В практике пылеулавливания дисперсный состав пылен в долях от массы определяют методом воздушной сепарации или седиментационным способом, пользуясь приборами собственной конструкция и изготовления. Методы определения дисперсного состава аэрозолей основаны на законе Стокса — наиболее универсальном законе дви­жения тел в вязкой среде.

Плотность вещества аэрозольных частиц, как правило, колеб­лется в пределах 1—4 г/см³, что в несколько тысяч раз превосходит плотность воздуха. Несмотря на такое различие в плотностях среды и частицы, высокодисперсные аэрозоли отличаются сравнительной устойчивостью в поле тяготения, обусловленной большой удельной поверхностью частиц.

К группе прямых методов определения гранулометрического со­става порошкообразных материалов относится ситовой анализ. Ме­рилом крупности частиц в этом случае является размер ячейки сита. Сито представляет собой обечайку с днищем из металлической сет­ки. Обечайки могут плотно вставляться одна в другую, образуя набор сит с уменьшающимися сверху вниз размерами ячеек. Набор заканчивается поддоном а сверху плотно закрывается крышкой.

Ситовой анализ сводится к просеиванию определенной навески порошкообразного материала через набор сит и раздельному взве­шиванию остатка на каждом сите, а также взвешиванию фракции на поддоне. Относя навеску к весу исходной пробы, определяют про­центное содержание каждой фракции.

Для комплектования набора сит используют металлические сет­ки, изготовленные согласно ГОСТ 3584-73 (сетки проволочные, тканые, с квадратными ячейками и высокой точности).

Для выполнения ситового анализа применяют различные встряхивающие устройства, действующие по заданному режиму. Продол­жительность просеивания устанавливают опытным путем приме­нительно ккаждому виду исследуемого порошкообразного мате­риала.

При определении дисперсного состава пылей в широком диапа­зоне исследуют фракцию пыли, прошедшую через сито с наимень­шими размерами ячеек (т. е. собранную на поддоне), и анализируют, применяя более тонкие методы фракционирования. При иссле­довании промышленных пылей наибольшее распространение полу­чили седиментометрическнй метод в жидких средах и способ воз­душной сепарации.

Седиментометрический анализ в жидкой среде основан на зако­не Стокса и позволяет разделять фракции от 2 — 3 до 63 мкм (при объемных весах вещества 2—3 г/см³). Из многочисленных вариантов аппаратуры для седиментометрического анализа получил практичес­кое применение прибор с подъемной пипеткой, изготавливаемый экс­периментальными мастерскими Ленинградского института охраны труда ВЦСПС.

Для выполнения на приборе двух параллельных определений дисперсного состава требуется 5—10 г пыли. Продолжительность седиментации при анализе относительно высокодисперсных пылей достигает 5 — 6 ч, не считая затрат времени на многочисленные под­готовительные операции. Недостатком седпментометрического спо­соба является то, что для каждого ранее не изученного вида пыли необходимо подбирать подходящую жидкую среду, инертную по отношению к исследуемой дисперсной фазе

Широкое распространение нашел также метод центробежной воздушной сепарации. Этот принцип положен в основу конструкции воздушной центрифуги «Бако», выпускаемой фирмой “NEU” (Франция) и позволяющей разделять навеску исследуемой пыли около 10 г на восемь фракций в пределах от 1—2 до 60 мкм в те­чение примерно 2 ч.

Для устранения погрешностей, связанных с возможным изме­нением дисперсного состава пыли при накоплении навески и при повторном ее диспергировании в жидкой пли газовой фазах, пред­ложены методы и аппаратура для разделения пыли на фракции не­посредственно в процессе отбора пробы.

К этой группе приборов относятся: ротационный анализатор дисперсности пыли РАД-1; импактор конструкции физико-химиче­ского института им. Карпова; струйный сепаратор (импактор) НИИОГАЗ.