Основні властивості пилу

Природа атмосферних забруднювачів

Забруднення повітря може бути природним або виникати внаслідок діяльності людини. Природне забруднення обумовлено ерозією ґрунтів, виверженням вулканів, виходом на поверхню підземних газів тощо. Забруднення атмосфери внаслідок діяльності людини виникає або при спалюванні вуглевміcних речовин – вугілля і продуктів його переробки, нафти і деревини або як відходи виробництва хімічних речовин і цементу, металургійної та гірничодобувної промисловості, а також при спалюванні побутових відходів. На рис. 1.1 наведені головні джерела та основні компоненти забруднень повітряного басейну.

Таким чином, кожне промислове підприємство чинить певну дію на навколишнє середовище. В основному в атмосферу надходять газоподібні речовини, які можна розглядати як продукт обміну між виробництвом і повітряним басейном. Більшою чи меншою мірою такий обмін характерний для будь-якого промислового підприємства (рис. 1.2).

Найбільш важливими компонентами з кількісної точки зору є як газоподібні продукти згорання CO, CO₂, SО₂, SО₃, так і пиловидна летка зола, яка складається в основному з неорганічних речовин, та незгорілий вуглець.

Нарівні з газоподібним забрудненням велику проблему при очищенні газів і охороні повітряного басейну створюють дрібні частинки твердих речовин та краплини туману. Дими, які утворюються при виробництві та рафінуванні низькоплавких металів, таких як свинець, миш’як, берилій, кадмій і цинк, надзвичайно отруйні, тому їх очищення необхідно проводити особливо старанно. Вміст кислотних туманів, наприклад, що утворюються при виробництві сірчаної чи фосфорної кислоти, дуже часто обмежується законодавством. Звичайно в таких цехах встановлюється ефективне газоочисне обладнання.

Тверді частинки і рідкі краплини мають різні назви: зола (гріт), пил, дим, туман, кіптява, аерозоль чи смог. В табл. 1.1 наведена класифікація атмосферних забруднень та їх розподіл за різними категоріями залежно від приблизних розмірів, основних методів визначення розмірів та візуального ефекту наявних частинок [1-6].

Основні властивості пилу

1.2.1 Густина пилу. , кг/м³, г/см³ є найважливішою характеристикою пилу і золи. Розрізняють дійсну, насипну та уявну густини. Насипна густина (на відміну від дійсної) враховує повітряний прошарок між частинками пилу. При злежуванні насипна густина збільшується в 1,2…1,5 раза.

Забруднення повітря

Рисунок 1.1 – Джерела забруднення повітря

Рисунок 1.2 – Взаємообмін між виробництвом і природою

Таблиця 1.1 – Класифікація атмосферних забруднень за розмірами частинок

Уявна (об’ємна) густина – відношення маси частинок до об’єму, який вона займає, включаючи пори, пустоти і нерівності. Гладенькі монолітні частинки мають густину, практично збіжну з дійсною. Пили, схильні до коагулювання і спікання, знижують уявну густину відносно дійсної.

1.2.2 Дисперсність. Дисперсність – характеризує розмір частинок пилу – є основним фактором при виборі пиловловлювача.

Частинки промислового пилу мають різну форму (кульки, палички, пластинки, голки, волокна тощо). Частинки пилу можуть коагулювати і об’єднуватися в агломерати, тому поняття розміру частинок умовне. В пи­ловловлюванні прийнято характеризувати частинки величиною, яка визна­чає швидкість їх осаджування. Такою величиною служить седиментаційний діаметр – діаметр кулі, швидкість осаджування і густина якої рівні швидкості осаджування і густині частинки. При цьому сама частинка має довільну форму. Пилові частинки різної форми при одній і тій же масі осідають з різною швидкістю. Чим ближча їх форма до сферичної, тим швидше вони осідають.

Найбільший і найменший розміри частинок характеризують діапазон дисперсності даного пилу. Для характеристики дисперсного складу пилу розбивають всю масу пилинок на деякі фракції, обмежені частинками певного розміру із вказанням, яку частку у відсотках за масою (чи за кількістю частинок) вони складають.

Дисперсний склад пилу зображується у вигляді інтегральних кривих. Більшість промислового пилу підлягає логарифмічно-нормальному закону розподілу (ЛНР) частинок за розміром [6-12]:

, (1.1)

де – відносна частка частинок розміром не менше , %;

– медіанний розмір частинок, при якому частка частинок розміром більше і менше рівні;

– середньоквадратичне відхилення у функції даного розподілу.

Графіки нормально-логарифмічного розподілення будують в ймовірно-логарифмічній системі координат, поточний розмір частинок відкладають на осі абсцис, а на осі ординат – відносну частку частинок із розмірами менше . Шкалу осі абсцис будують за логарифмом діаметра частинок, а осі ординат – вирахуванням кожного із значень шкали за формулою:

, (1.2)

де .

Якщо в цій системі координат інтегральне розподілення частинок за розмірами описується прямою лінією, то дане розподілення підлягає ЛНР. В такому випадку знаходять як абсцису точки графіка, ордината якої рівна 50%, а – з формули

(1.3)

Для характеристики пилу достатньо мати два параметри: і . Значення дає середній розмір частинок, а – ступінь поліди-сперсності пилу. В табл. 1.2 наведені значення і для деякого пилу.

Таблиця 1.2 – Дисперсний склад пилу, утворюваного при деяких технологічних процесах

Технологічний процес	Вид пилу	, мкм
Заточка інструменту	Метал, абразив		0,214
Розмелення в кульовому млині	Цемент		0,468
Сушіння вугілля в барабані	Кам’яне вугілля		0,334
Експериментальні дослідження	Кварцовий пил	3,7	0,405
Електролізер алюмінію	Окисли алюмінію		0,352
Обертова піч випалювання	Магнезит		0,615
Розпилення у сушарці	Подвійний суперфосфат		0,210

За дисперсністю пил поділяють на 5 груп:

І – дуже високодисперсний, > 140 мкм;

ІІ – великодисперсний, = 40…140 мкм;

ІІІ – середньодисперсний, = 10…40 мкм;

ІV – дрібнодисперсний, = 1…10 мкм;

V – дуже дрібнодисперсний, < 1 мкм.

Крім стоксовського (опір кулі залежить від діаметра при русі у в’язкому середовищі) діаметра частинок, в техніці пиловловлювання вико­ристовується аеродинамічний діаметр частинки , що характеризує діа­метр сфери, швидкість осаджування якої відповідає швидкості осаджування (седиментації) частинки густиною 1000 кг/м³. Величина може бути визначена із співвідношення

, (1.3)

де – густина частинок, кг/м³;

– поправка Кенінгема-Міллікена [5-7]. Деколи розмір частинок характеризують швидкістю витання, м/с, яка є швидкістю вільного падіння частинок в нерухомому повітрі. Номограма для визначення сток-совського діаметра частинок за швидкістю їх витання наведена на рис. 1.3.

1.2.3 Адгезійні властивості. Частинки мають схильність до злипання. Підвищена злипливість частинок може привести до часткового чи повного забивання апаратів.

Чим менший розмір частинок пилу, тим легше вони прилипають до поверхні апарата. Пил, у якого 60..70% частинок мають діаметр 10 мкм і менше поводить себе як злипливий, хоча той же пил з розміром частинок більше 10 мкм має добру сипучість. За злипанням пил поділяється на 4 групи (табл. 1.3). Зі злипливістю тісно пов’язана друга характеристика пилу – його сипучість. Сипучість пилу оцінюється за кутом природного укосу, який набирає пил в свіжонасипаному стані.

1.2.4 Абразивність. Абразивність частинок характеризує інтенсивність зношування металу при однакових швидкостях газів і концентраціях пилу. Вона залежить від твердості, форми, розміру і густини частинок. Абразивність золи чи пилу враховують при виборі швидкостей запилених потоків, тов­щини металу для виготовлення газоходів і газоочисних установок чи ви­борі для них облицювальних матеріалів. Максимальне зношування металів спричиняють частинки золи з розмірами 90±2 мкм.

1.2.5 Змочуваність.Змочуваність частинок впливає на ефективність мокрих пиловловлювачів, особливо при роботі з рециркуляцією. При дотику поганозмочуваної частинки з поверхнею рідини частинка захоплюється цією поверхнею, але на протилежність легкозмочуваної не занурюється в рідину чи не обволікається краплиною рідини, а залишається на її поверхні. Після того, як поверхня рідини виявляється значно покритою захопленими нею частинками, очищення газів погіршується, тому що знову підведені до поверхні рідини частинки внаслідок пружних співударянь з раніше захопленими можуть повернутися в потік газу і виявитися невловленими. Гладенькі частинки змочуються краще, ніж частинки з нерівною поверхнею. Це визначається тим, що останні більше покриваються абсорбованою газовою оболонкою, яка утрудняє змочування. За характером змочування всі тверді тіла поділяють на три основні групи:

- гідрофільні матеріали – легкозмочувані: кальцій, кварц, більшість силікатів і окислених мінералів, галогени лужних металів;

- гідрофобні матеріали – поганозмочувані: граніт, вугілля, сірка;

- абсолютно гідрофобні: парафін, тефлон, бітуми.

Таблиця 1.3– Злипання деяких видів золи і пилу

1.2.6 Гігроскопічність частинок.Гігроскопічність полягає у здатності пилу всмоктувати вологу. Залежить від хімічного складу, розміру, форми і ступеня шорсткості поверхні частинок. Гігроскопічність сприяє їх вловлюванню в апаратах мокрого типу.

1.2.7 Електрична провідність. Електрична провіднсть пилу оцінюється за питомим електричним опором шару пилу ,Ом∙см, який залежить від властивостей окремих частинок (від поверхневої та внутрішньої електропровідності, форми і розмірів частинок), а також від структури шару і параметрів газового потоку. Електрична провідність істотно впливає на роботу електрофільтрів.

Рисунок 1.3 – Номограма для визначення швидкості витання в повітрі частинок пилу розміром до 100 мкм

Залежно від питомого електричного опору пил поділяють на три групи:

- низькоомний пил з <10 Ом∙см. При осаджуванні на електроди частинки пилу миттєво розряджаються, що може привести до вторинного виносу;

- пил з = 10⁴...10¹⁰ Ом∙см. Цей пил добре вловлюється в електро-фільтрі, тому що розрядження частинок проходить не одразу, а протягом часу, необхідного для накопичення шару;

- пил з > 10¹⁰...10¹³ Ом∙см. Вловлювання пилу цієї групи в електрофільтрах викликає великі труднощі. Частинки пилу цієї групи утворюють на електроді пористий ізолювальний шар [13-15].

1.2.8 Електрична зарядженість.Електрична зарядженість частинок впливає на їх поведінку в газоходах і пиловловлювальних апаратах, на вибухонебезпечність і адгезійні властивості, в тому числі на сипучість пилу. Знак заряду частинок залежить від способу їх утворення, хімічного складу, а також від властивостей речовин, з якими вони стикаються.

1.2.9 Здатність до самозаймання. Здатність до самозаймання і утворення вибухонебезпечних сумішей з повітрям залежить від хімічних і термічних властивостей пилу, від розмірів і форми частинок, їх концентрації в повітрі, від вологовмісту і складу газів, розмірів температури джерела загоряння і відносного вмісту інертного пилу. Здатність до самозаймання мають деякі пили органічних речовин, які утворюються при переробленні барвників, пластмас, волокон, а також пили металів: магнію, алюмінію і цинку.

Мінімальні вибухонебезпечні концентрації завислого в повітрі пилу – приблизно 20…500 г/м³, максимальні – 700...800 г/м³. Чим більший вміст кисню в газовій суміші, тим можливіший вибух і більша його сила. При вмісті кисню менше 16% пилова хмара не вибухає.