Концентрации пыли

При переработке сырья, получении полуфабрикатов и готового продукта в промышленности образуются пыли – взвешенные в газах мелкодисперсные твердые частицы. Отходящие промышленные газы, содержащие пыли, подвергают очистке. При переработке сырья, например, каменного угля, колчедана, руды, пыль образуется при его измельчении. Пылевидные полуфабрикаты используют в лакокрасочной промышленности – пигменты красок, в резинотехнической промышленности – сажу и т.д.

Пыль образуется также при получении и транспортировке готового продукта: цементная пыль – в производстве цемента, пыль железных окатышей – в горно-металлургической промышленности, тонкодисперсные пыли – в производстве минеральных удобрений и сыпучих продуктов химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

На размер и концентрацию частиц пыли в газах существенное влияние оказывает технология получения продукта. Пылеобразование может происходить при механическом измельчении твердых материалов (дробление, истирание), а также при пересыпке и транспортировке сыпучих материалов. Размеры частиц пыли при этом составляют 5–100 мкм и более. Пыль также образуется в химико-термических производствах (конвертерная выплавка стали, меди и других металлов, процессы в доменных и шахтных печах, в печах для обжига колчедана, в сажевых генераторах). Пыль может выделяться в результате физических процессов, например, конденсации паров с получением жидких или твердых дисперсных продуктов. Примерами взвесей при конденсации являются туман смол, образующийся в генераторных и коксовых газах,
пыль цветных металлов (олова, цинка, сурьмы, свинца и др.) в цветной металлургии. При этом размеры частиц составляют менее 5 мкм.

Концентрация пыли в газе может изменяться в очень широком интервале: от долей миллиграммов до десятков и сотен граммов на один кубический метр. Как правило, степень улавливания установок очистки газа от пыли достигает 95–98% и, следовательно, концентрация пыли на входе и выходе установки отличается на два порядка.

Методы определения концентраций пыли разделяют на две группы: с одновременным определением ее дисперсности (фракционного состава) и без ее определения. Нахождение концентраций пыли может осуществляться: путем отбора проб пыли с ее осаждением в пробе (например, гравиметрический метод) или путем измерения концентраций пыли без отбора проб по изменению показателей физических свойств запыленного газа. Последнее предпочтительней, так как при этом определение концентрации не влияет на движение запыленного потока в системе очистки газа.

Для нахождения концентраций пыли в потоке необходимо предварительно найти скорости движения газа в различных точках сечения газохода и определить расход газа. Скорости потока в сечении газохода можно измерить механическими анемометрами, пневмометрическими трубками, лазерными, ультразвуковыми анемометрами и другими приборами.

Механические анемометры используются для непосредственного измерения скорости воздуха, в вентиляционной практике применяются чашечные и крыльчатые анемометры, а также электро- и термоанемометры.

Крыльчатый анемометр(рис.1) служит для измерения скоростей воздуха обычно в пределах 0,2–6 м/с и 0,3–10 м/с. Он состоит из колеса с алюминиевыми лопастями, укрепленного на оси. Вращение колеса под действием потока воздуха посредством червячной передачи сообщается стрелкам, движущимся по циферблату. Время измерения обычно принимают по секундомеру в пределах 30–60 с.

При измерениях прибор должен располагаться так, чтобы ось крыльчатого колеса была параллельна потоку воздуха. До начала замеров фиксируется положение стрелок на циферблате. Счетный механизм пускают с помощью рычажка одновременно с секундомером через 0,5–1 мин после установки прибора в потоке воздуха. Остановив одновременно счетный механизм и секундомер, фиксируют время замеров и снимают показания счетчика.

Разность показаний по циферблату до и после замеров делят на число секунд, в течение которых происходил замер, затем по полученному результату, пользуясь тарировочным графиком анемометра, определяют скорость движения воздуха. В одной и той же точке делают два замера. Если они различаются более чем на 2–3%, замер повторяют. В качестве результата измерения принимают среднее значение из двух определений. С помощью анемометров определяют скорость воздуха в проемах, в приточных и вытяжных отверстиях и т. п.

Чашечный анемометр(рис. 2) служит для измерения скоростей воздуха 1–20 м/с. Прибор состоит из вертушки, вращающейся под действием потока воздуха, и счетного механизма. В потоке воздуха чашечный анемометр должен быть расположен так, чтобы его ось была перпендикулярна направлению движения потока воздуха. Техника измерения чашечным анемометром такая же, как и крыльчатым.

Для измерения малых скоростей воздушного потока может быть применен термоанемометр.

Для измерения скорости газов в газоходах часто используются пневмометрические трубки. Наиболее распространены и просты по конструкции комбинированные пневмометрические трубки (рис. 3). Они имеют небольшие размеры; их удобно вводить в газоход через штуцеры малого диаметра. Пневмометрические трубки, как правило, имеют два канала. Выходное сечение одного из них направлено строго навстречу потоку газа, и, следовательно, в этом канале измеряют полное давление р; сечение второго параллельно потоку, в нем измеряют статическое давление р_ст. Разность между полным и статическим давлением представляет собой динамическое давление

(17)

Тогда скорость потока газа в данной точке

, (18)

где ρ – плотность газового потока, кг/м³.

Для измерения давления пневмометрическую трубку присоединяют к U-образному манометру или микроманометру.

U-образный манометр изображен на рис .4. Трубка манометра заполняется подкрашенной водой или спиртом до нулевой отметки. Разность давлений соответствует вертикальному расстоянию между менисками в обеих ветвях манометра. Когда манометр залит жидкостью плотностью 1 г/см³, указанное выше расстояние h в миллиметрах будет выражать разность давлений в миллиметрах водяного столба, т. е. в кГ/м². Давление в Паскалях может быть определено из соотношения:

1 мм вод. ст. = 1 кГ/м² = 9,81 Па.

В общем случае, когда трубка манометра заполнена жидкостью с другой плотностью, давление, Па, определяют по формуле:

, (19)

где h – разность уровней жидкости в трубках, м; ρ – плотность залитой в трубку жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

U-образные манометры рекомендуется применять для измерения давлений не менее 100 Па. Точность отсчетов при этом будет ±5 Па. Для более точного измерения давлений применяют тягомеры и микроманометры. Повышенная точность в этих приборах по сравнениюс U-образным манометром обеспечивается благодаря наклонномуположению трубки с жидкостью. Точность измерений обратно пропорциональна синусу угла α, образованного трубкой с горизонтальной плоскостью.

Для измерения избыточного давления или разряжения в пылегазоочистных аппаратах используют обычно микроманометры. Широкое распространение получил микроманометр чашечный многопредельный ММН (рис. 5), рабочей жидкостью в котором является спирт с плотностью
ρ = 0,8095 г/см³. Заполнение бачка 1 спиртом производится через отверстие 2. Вращая регулятор 3, можно уровень спирта в трубке 4 вывести на нулевое деление.

На крышке бачка имеется трехходовой кран 5 с тремя штуцерами, а также с отверстием для сообщения с атмосферой. Первый штуцер используется для постоянного соединения крана со стеклянной трубкой. При измерении избыточного (над атмосферным) давления используется второй штуцер; а при измерении разряжения – третий штуцер. При повороте крана по часовой стрелке до упора производят замеры, а при повороте против часовой стрелки до упора – контроль куля.

На стеклянной трубке через 1 мм нанесены деления от нуля до 250 мм. Стеклянная трубка может находиться в пяти наклонных положениях, отмеченных на стойке цифрами 0,8; 0,6; 0,4; 0,3 и 0,2. Эти цифры означают величину произведения А = ρ₀i, где i – синус угла наклона стеклянной трубки.

Перепад давлений определяется по формуле, Па

, (20)

где k – тарировочный коэффициент микроманометра; ρ – плотность спирта во время замера, кг/м³ ; h – уровень спирта при замере, м [6].

Если плотность спирта измерялась ареометром при какой-либо температуре t₀, а опыт ведется при иной температуре t, плотность спирта
, (21)

где ρ₀ – плотность спирта при температуре t₀.

Микроманометр ММН может применяться для измерения давлений в пределах от 10 до 2000 Па, т. е. примерно 1–200 мм вод. ст.

При определении динамического давления также необходимо учитывать размеры и конструкцию пневмометрической трубки. Измеренное с помощью трубки давление может отличаться от фактического давления газа в газоходе. Чтобы получить истинное значение давления вводят поправочный коэффициент K, определяемый на тарировочных стендах в специализированных лабораториях опытным путем. Новую изготовленную трубку можно также оттарировать по трубке, поправочный коэффициент которой известен. Таким образом, истинное динамическое давление р_д:

р_д = Kр, (22)

где р – давление, измеренное трубкой.

Определять скорость воздуха в воздуховоде следует на достаточно ровном прямом участке, длина которого должна быть не менее 4–5 диаметров после местного сопротивления и не менее 2 диаметров от точки замеров до последующего по движению воздуха местного сопротивления.

При соблюдении всех требований, предъявляемых к выбору сечений для замеров, в них сохранится некоторая неравномерность динамических давлений. Каждое измерение пневмометрической трубкой относится лишь к одной точке сечения газохода, поэтому измерения приходится вести в разных местах сечения с вычислением среднего значения динамического давления.

Газоходы круглого сечения условно разбивают на ряд концентрических колец с равновеликими площадями и динамические давления пневмометрической трубкой замеряют в отдельных кольцах. Замеры производят в четырех точках каждого кольца по взаимно перпендикулярным диаметрам.

Газоходы прямоугольного сечения обычно разбивают на ряд равновеликих прямоугольников, подобных по форме сечению газохода и замеры выполняют в центре каждого прямоугольника. Считается, что достаточно надежные результаты могут быть получены, если стороны прямоугольников не будут превышать 150–200 мм, а газоходы круглого сечения в зависимости от диаметра будут разбиты на следующее число колец:

Диаметр газохода

D, мм <200 200–400 400–600 600–800 800–1000 >1000

Число колец n 3 4 5 6 8 10

Координаты точек замера для каждого кольца могут быть определены по формуле

(23)

где l_х – расстояние точки замера от центра газохода, м; х – порядковый номер; n – число колец, на которые разделена площадь газохода.

В выбранных сечениях газохода прорезают отверстия и приваривают штуцера высотой 20–25 мм с навинчивающимися крышками. На газоходе круглого сечения взаимно перпендикулярно приваривают два штуцера.

На газоходах прямоугольного сечения число штуцеров должно быть таким, чтобы наконечником пневмометрической трубки можно было попасть в центр любого прямоугольника, на которые разбиты выбранные сечения.

Среднее динамическое давление вычисляется как частное от деления суммы замеренных динамических давлений на число измерений. Подставив значение среднего динамического давления в формулу (18), находят для данного сечения среднюю скорость.

Расход газа равен произведению средней скорости газа в сечении газохода на площадь его сечения S

. (24)

Гравиметрический метод определения концентрации пыли.Концентрация пыли в атмосферном воздухе определяется путем его фильтрования с определенной скоростью (обычно 20 л/мин) в течение 20–30 мин через специальный фильтр. Фильтр закрепляют в воронке-держателе, которая с помощью резинового шланга присоединяется к побудителю тяги с расходомером. Чаще всего для этой цели используют аспираторы или реометр с воздуходувкой или пылесосом (рис.6).

Для измерения концентрации пыли в газоходах может использоваться метод внешней или внутренней фильтрации. В первом случае производят отбор газа из газохода с помощью пылезаборной трубки, через фильтрующий элемент, находящийся вне газохода, с последующим определением массы задержанной на фильтре пыли. При отборе проб пыли с помощью пылезаборной трубки должно выполняться условие изокинетичности: скорость движения газа в сечении наконечника трубки должна быть равна скорости газа в газоходе.

При использовании метода внутренней фильтрации фильтрующий элемент (обычно алонж или патрон с фильтрующей набивкой) устанавливают в газоходе навстречу потоку газа, так, чтобы его ось была параллельна оси газохода.

Гравиметрический метод довольно прост и поэтому широко применяется. Его недостаток – длительность замеров, необходимость введения пылезаборных трубок в поток газа, что влияет на точность результатов измерений.

Методы измерения концентраций пыли без отбора проб. Наиболее простым из методов измерения концентрации пыли без отбора проб является оптический метод. Принцип работы приборов, использующих такой метод, заключается в следующем. Луч света от источника непосредственно или через систему линз проходит сквозь поток запыленного газа через смотровые стекла и попадает на фотоприемник, выходной сигнал которого зависит от освещенности. При увеличении концентрации пыли изменяется фототок.

Прибор ИВА–1, использующий принцип светорассеяния, измеряет концентрацию пыли в диапазоне 10–300 мг/м³ при скорости газа до 12 м/с и температуре до 70ºС. Преимущество его состоит в том, что его можно применять на газоходах большого диаметра (до 1500 мм). Приемник и датчик в нем расположены не по одной оси, а под углом. Зависимость его показаний от концентрации линейная. На смотровые стекла нанесены гидрофобные покрытия, предохраняющие их от конденсации воды.

Для частиц пыли, заряженных под действием импульсного коронного заряда, применяют пылемеры серии ЗИП зарядно-индукционного принципа действия. К этому типу относится прибор ИКП–1.

В группу радиоизотопных пылемеров входят приборы ИКН–5343 и ПРИЗ, где пылевидные частицы, осевшие на фильтре, подвергаются воздействию β-лучей. Число заряженных частиц регистрируют сцинцилляционным счетчиком.

Используются также современные лазерные пылемеры, которые основаны на рассеивании газами лазерного луча и регистрации рассеянного или отраженного излучения.