Очистка воздуха от выбросов загрязняющих веществ

О необходимости очистки воздуха от загрязняющих веществ свидетельствуют следующие данные. От подвижного состава железной дороги ежегодно в атмосферу поступает по разным данным от 150 тыс. т до 1 млн. т загрязняющих веществ. Выбросы от стационарных источников железнодорожного транспорта составляют свыше 200 тыс. т.

Воздух, выбрасываемый в атмосферу из систем местных отсосов и общеобменной вытяжной вентиляции производственных помещений и содержащий загрязняющие вещества (пыль, ядовитые газы, пары), следует очищать.

При неполной очистке или при отсутствии технических средств очистки предусматривается рассеивание вредных веществ в атмосфере от вентиляционных выбросов данного объекта с учетом фоновых концентраций от других выбросов так, чтобы концентрации не превышали:

1) предельно допустимых максимально разовых концентраций в атмосферном воздухе населенных пунктов;

2) 0,3 предельно допустимых концентраций вредных веществ для рабочей зоны производственных помещений в воздухе, поступающем в помещение производственных и административных зданий через приемные устройства, открываемые окна и проемы, используемые для притока воздуха.

Если вентиляционные выбросы содержат малые концентрации вредных веществ, то очистка может не устраиваться, но рассеивание вредных веществ в атмосферном воздухе при самых неблагоприятных погодных условиях должно обеспечивать указанные выше требования. При отсутствии технических средств очистки предусматривается возможность сооружения очистки в будущем.

Рассеивание в атмосфере вредных веществ из систем аварийной вентиляции рассчитывают по данным технологической части проекта.

Выбросы из систем вытяжной вентиляции проектируют отдельными воздуховодами (трубами, шахтами) для каждой системы, если хотя бы в одной из систем вентиляции возможно отложение горючих веществ или если при смешивании выбросов возможно образование взрывоопасных смесей.

Выбросы пылегазовоздушной смеси из систем с механическим побуждением предусматривают через трубы или шахты, не имеющие зонтов, вертикально вверх из систем:

а) общеобменной вентиляции из помещений категории А и Б или из систем, которые удаляют вещества 1-го и 2-го классов опасности и неприятно пахнущие вещества;

б) местных отсосов вредных и неприятно пахнущих веществ и взрывоопасных смесей.

Выбросы в атмосферу из систем вентиляции производственных помещений размещают на расстоянии не менее 10 м по горизонтали или на 6 м по вертикали при горизонтальном расстоянии менее 10 м от воздухозаборных устройств приточных камер. Кроме того, выбросы из систем местных отсосов вредных веществ размещают на высоте не менее 2 м над кровлей более высокой части здания, если расстояние до ее выступа менее 10 м. Выбросы из систем аварийной вентиляции размещают на высоте не менее 3 м от земли до нижнего края выходного отверстия.

Для очистки вентиляционных выбросов применяют пылеуловители гравитационные, инерционные сухого и мокрого типа, пылеуловители-промыватели контактного типа, тканевые и электрические.

По эффективности пылеуловители подразделяют на пять классов, табл. 5.12.

Таблица 5.12

Классификация пылеуловителей по их эффективности

В этой таблице 5.12 указаны пределы эффективности очистки воздуха от пыли для каждого класса пылеуловителей в соответствии с границами зон классификационных групп пылей по их дисперсности по рис. 5.28. Первое значение эффективности относится к нижней границе соответствующей зоны, второе – к верхней.

Эффективность рассчитана из условия отделения от воздуха только практически полностью (эффективно) улавливаемых частиц, размер которых указан в таблице. Действительная эффективность пылеуловителей больше за счет частичного улавливания частиц, меньших по размеру.

На рис. 5.28 ломаная линия АБ построена для пыли с размерами частиц, представленными в табл. 5.13 (классификационная группа пыли – III).

Рис. 5.28. Классификационная номограмма пылей

I – V – зоны классификационных групп пылей по их дисперсности

Таблица 5.13

Пример дисперсного состава пыли для определения её
классификационной группы

Область применения пыле- и золоуловителей с учетом вида пыли и её дисперсного состава показана на рис. 5.29.

Рис. 5.29. Область применения пыле- и золоулавливающего оборудования

Номенклатура пылеуловителей, применяемых для очистки аспирационного воздуха, приведена в табл. 5.14.

Таблица 5.14

Основная номенклатура пылеуловителей

Кроме перечисленных в табл. 5.14 применяются также циклоны ЦН-11, СДКЦН-33, а также другое оборудование, на которое имеются типовые проекты и организовано серийное производство или выпущена техническая документация.

Ниже приведено краткое описание принципов очистки воздуха (газа) от пыли в различных типах пылеуловителей.

В пылеосадительных камерах используется гравитационное осаждение частиц из горизонтально направленного потока газов (воздуха). Для достижения приемлемой эффективности очистки необходимо, чтобы частицы находились в пылеосадительной камере возможно более продолжительное время. Скорость движения газов по камере принимают обычно в пределах 0,2—0,8 м/с, поэтому камеры, рассчитанные на осаждение даже крупных частиц пыли, являются громоздкими сооружениями.

Циклоны являются наиболее характерными представителями сухих инерционных пылеуловителей, которые, как правило, имеют достаточно простую конструкцию, обладают большой пропускной способностью и несложны в эксплуатации. Общая схема циклона приведена на рис. 5.30. В циклонах используется центробежная сила, развивающаяся при вращательно-поступательном движении газового потока. Воздух вводится обычно тангенциально в верхнюю часть циклона, который представляет собой закручивающий аппарат. Под действием центробежной силы частицы пыли подводятся к стенке циклона и с частью газа опускаются в бункер. Попавшая в бункер часть воздуха, освободившись от пыли, возвращается в циклон через центральную часть пылеотводящего отверстия, далее поступает в выхлопную трубу и выходит за пределы циклона. Уловленная пыль скапливается в бункере циклона и периодически, по мере накопления, удаляется либо в систему пневмотранспорта предприятия, либо в специальные машины, например, цементовозы.

Рис. 5.30. Схема циклона

1 – раскручивающий аппарат для выброса очищенного воздуха; 2 – входной патрубок; 3 – цилиндрическая часть циклона; 4 – коническая часть циклона; 5 – пылеосадочный бункер; 6 – пылевой затвор; 7 – выхлопная труба

Эффективность очистки воздуха от пыли в циклоне зависит от конструкции, в частности его диаметра, а также от физических свойств пыли (плотности пыли и крупности ее частиц).

В инерционных пылеуловителях сухого типа отделившаяся пыль всегда отводится вместе с частью воздуха в пространство, где происходит её оседание под действием собственного веса.

В пылеуловителях мокрого типа процесс отделения пыли из воздуха заканчивается при контакте частиц с жидкостью. Этот контакт происходит на смоченных стенках или перегородках, обтекаемых воздухом, на каплях или на свободной поверхности воды. Эффективность мокрого улавливания значительно выше, чем сухого, при условии непрерывного омывания поверхностей осаждения водой или иной жидкостью. Расход воды мокрых пылеуловителях достигает 2,5 л на 1 м³ очищаемого воздуха. Вода также требует в дальнейшем очистки от уловленных загрязняющих веществ. Пылеуловители мокрого типа могут использоваться только при плюсовых температурах.

В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным способом. Размер сквозных пор в тканях достаточно велик – до 100—200 мкм. Способность большинства частиц пыли с размерами менее 5 мкм коагулировать с образованием прочных рыхлых агрегатов в потоке газа (воздуха), в объеме ткани и на её поверхности дает возможность использовать в качестве эффективной фильтрующей среды и достаточно редкие ткани. Непременным условием очистки воздуха в тканевых фильтрах является низкая скорость фильтрации. Нагрузки по газу (воздуху) в тканевых фильтрах рекомендуются в пределах от 0,3 до 1,2 м³ / (м²·мин). Для обеспечения надежной работы фильтров и достаточно высокой эффективности очистки необходимо иметь большие фильтрующие поверхности. Тканевые фильтры по форме фильтровальных элементов делятся на рукавные, плоские, клиновые, по способу регенерации ткани – встряхиваемые, с обратной продувкой, с импульсной продувкой, с вибровстряхиванием.

Принцип действия волокнистых фильтров-туманоуловителей основан на захвате жидких частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом уловленной жидкости.

Принцип устройства электрофильтров заключается в следующем. Собственно электрофильтр представляет собой корпус, выполненный из металла, железобетона или кирпичной кладки, внутри которого размещены коронирующие и осадительные электроды. Коронирующие электроды подвешиваются на опорно-проходных изоляторах и размещаются по осевой линии между осадительными электродами. К коронирующим электродам подводится напряжение 13—15 кВ от положительного полюса специального питающего электрического агрегата, который выпрямляет переменный электрический ток осветительной сети и повышает его напряжение. Осадительные электроды выполняются из пластин специального профиля, закреплены на балках подвеса и электрически соединены с корпусом.

Для удаления пыли с электродов в электрофильтрах применяются механические, электрические, электропневматические и другие устройства.

Для сбора уловленной с электродов пыли электрофильтр снабжен бункерами. На входе и выходе его имеются устройства для равномерного распределения пылегазового потока по сечению.

Процесс электрической очистки газов от твердых и жидких частиц заключается в следующем. Очищаемый газ поступает в пространство между электродами. Отрицательно заряженные ионы газа (воздуха) под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным, при этом часть их осаждается на частицах пыли, которые, таким образом, приобретают отрицательный заряд. Заряженная пыль перемещается к осадительным электродам и осаждается на них.

В мокрых электрофильтрах уловленные жидкие частицы стекают вниз. В сухих аппаратах накопленный на осадительных электродах слой периодически удаляется с помощью механизмов встряхивания. Отделившиеся от электродов агломераты пыли под действием силы тяжести падают в бункер, откуда удаляются с помощью специальных устройств и направляются для дальнейшего использования или в места хранения отходов.

Таким образом, процесс электрической очистки газов от взвешенных частиц (пыли, дыма, тумана) можно разделить на три стадии:

- зарядка взвешенных частиц в межэлектродном промежутке;

- движение заряженных частиц к электродам;

- осаждение частиц на электродах;

- удаление осажденных частиц с электродов.

Электрофильтры – универсальные устройства для высокоэффективного улавливания твердых и жидких частиц при сравнительно низких энергозатратах. Промышленные электрофильтры применяются в диапазоне температур до 400—450 ºС и более для очистки, как правило, невзрывоопасных смесей пыли и воздуха. Эксплуатационные затраты при работе электрофильтров относительно невелики, но капитальные затраты на сооружение установок весьма высоки из-за того, что эти аппараты металлоемки, занимают большие площади, а также требуют специальных повысительно-выпрямительных агрегатов для электропитания.

Все перечисленные выше пылеуловители применяются главным образом для улавливания из воздуха аэрозольных частиц I, II, III и IV группы по дисперсности. Аэрозоли V группы в пылеуловителях, как правило, эффективно не улавливаются вследствие их высокой дисперсности. Для очистки с эффективностью 95% воздуха от аэрозолей V группы, например конденсационных аэрозолей свинца, должны полностью улавливаться частицы крупнее 0,1 мкм. Такая эффективность в настоящее время достижима только в воздушных фильтрах I класса. В связи с этим для улавливания аэрозолей свинца и других мелкодисперсных аэрозолей применяются двух- и более ступенчатые уловители, последняя ступень которых, как правило, включает фильтры ФяЛ.

Следует учитывать, что применение пылеуловителей IV и V группы обеспечивает очистку воздуха до допустимых концентраций в указанных областях целесообразного применения только при сравнительно небольших начальных запыленностях. Вследствие этого сухие пылеуловители указанных классов преимущественно применяют в качестве первой ступени (при наличии соответствующего обоснования), например, перед мокрыми пылеуловителями более высоких классов для уменьшения количества образующегося шлама или перед сухими тогда, когда по технологическим соображениям целесообразно отделение крупнодисперсных фракций.

При возможности удовлетворения требований к эффективности очистки пылеуловителями нескольких классов из них выбирается пылеуловитель низшего класса. В тех случаях когда требованиям к эффективности соответствует несколько пылеуловителей IV и V класса, из них выбирают пылеуловители сухого типа. Из пылеуловителей III и более высокого класса рекомендуются мокрые, с минимальным расходом воды. При очистке воздуха от взрывоопасной пыли применяют мокрые пылеуловители с автоматическим контролем заполнения и непрерывности поступления воды.

Применение мокрых пылеуловителей для очистки воздуха от пыли, при контакте которой с водой образуются взрывоопасные газы, допускается при условии обеспечения надлежащей эвакуации газов из объема пылеуловителя.

Иногда для повышения эффективности очистки воздуха применяют акустическую коагуляцию аэрозолей. Известно, что малые частицы, взвешенные в газовой среде, эффективно агломерируют при воздействии ультразвуковых волн. При соответствующей частоте и интенсивности колебаний происходит коагуляция аэрозоля. Увеличение размера частиц связано с интенсивностью звука. Добавление водных или масляных паров к коагулирующему аэрозолю вызывает дополнительное слипание отдельных агрегатов. Более крупные частицы улавливаются эффективнее в пылеуловителях любого класса, см. табл. 5.15.

Газообразные загрязнители удаляют из воздуха пятью основными способами: абсорбцией, адсорбцией, конденсацией, химической обработкой и сжиганием горючих загрязнителей.

Для абсорбциигаза применяют жидкие растворители. Наиболее часто применяется вода. Для газов, плохо растворимых в воде, применяют другие растворители, например органические жидкие абсорбенты, такие как диметиланилин и амины. Вода, используемая для абсорбции, может содержать добавки химических веществ, таких как кислоты, щелочи, окислители или восстановители, реагирующие с поглощаемым газом. Этот вариант можно рассматривать как комбинацию методов абсорбции и химической обработки. Обработка загрязненного воздуха производится в насадочных и тарельчатых колоннах, скрубберах и других устройствах.

Адсорбцию применяют для удаления большого числа различных газообразных загрязнений, особенно органических, до получения их очень низких объемных концентраций (менее миллионных долей). Загрязняющие вещества осаждаются на поверхности адсорбента. Основными областями применения этого метода являются обработка больших объемов газов с очень низкой концентрацией загрязняющих веществ и снижение концентраций этих веществ до следовых уровней. Применяют адсорбенты - активированные оксиды алюминия, силикагель, различные глины, органические материалы – смолы, целлюлоза. Активированный уголь получил наиболее широкое распространение. Он является одним из немногих адсорбентов, которые можно использовать для влажных газов. Активированный уголь адсорбирует все газы, присутствующие в малых количествах, пропорционально их концентрациям. Для адсорбции используют различную аппаратуру: сменные контейнеры, аппараты с постоянно регенерирующими слоями, адсорберы с движущимся адсорбентом, адсорберы с ожиженным слоем.

Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары веществ при температурах, достаточно близких к их точке росы. Конденсацию проводят при непосредственном контакте или косвенном охлаждении на поверхностных конденсаторах.

Очистка газов дожиганием представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до углекислого газа и воды, обеспечивает требуемую чистоту выбросов в атмосферу. Однако система термического окисления должна соответствовать условиям конкретного производства и учитывать его возможную взрывоопасность. Газы сжигают в специальных камерах сгорания, оборудованных системами контроля и взрывобезопасности.

Химические методы очистки отходящих газов заключаются в получении новых химических соединений, которые возможно выделить из газового потока.

Выбор метода обработки определяется параметрами газового потока и концентрацией загрязняющих веществ. Для снижения расходов желательно, чтобы объем обрабатываемого газа был минимально возможным, а концентрация загрязняющего вещества по возможности более высокой (необходимо минимальное количество инертных разбавителей). Для потоков с высокой концентрацией загрязнителя может оказаться целесообразным использование системы предварительной обработки. Это позволит уменьшить размеры основной очистной системы и обеспечит более высокую экономическую эффективность. Если не учитывать таких дополнительных обстоятельств, как необходимость извлечения ценных продуктов или предварительное охлаждение горячего газового потока, то обработка в одной системе, как правило, дешевле (меньше капиталовложений), чем при двух- или многостадийной обработке. При необходимости обработки небольших потоков с высокими концентрациями загрязнений и больших объемов с малыми их концентрациями следует прежде всего рассматривать возможность обработки каждого потока в отдельности, а не варианты, предполагающие смешивание обоих потоков. При раздельной подаче потоков более разбавленный газ в некотором количестве может периодически подаваться в обрабатывающую систему, что позволяет поддерживать движущую силу, связанную с градиентом концентрации.

Степень очистки воздуха от загрязняющих веществ определяется следующим соотношением:

, (5.62)

где С_н – начальная концентрация загрязняющих веществ в очищаемом воздухе, мг/м³; С_к - конечная концентрация в очищенном воздухе, мг/м³.

Суммарная эффективность при многоступенчатой установке очистки воздуха будет равна

η₀ = [1 – (1 – η₁) · (1 – η₂) ·…· (1 – η_n)] · 100% , (5.63)

где η₁, η₂, η_n – степень очистки воздуха от загрязняющих веществ в первой, второй и последующих ступенях очистки.

Выбор и расчет циклонов

При выборе циклонов задаемся типом циклона, исходя из эффективности очистки воздуха, габаритов циклона и потерь давления при проходе воздуха через циклон. В литературе или каталогах в характеристиках циклонов обычно приводят данные, какого размера частицы стандартной кварцевой пыли с медианным размером d₅₀ = 24 мкм улавливаются на 50%. Чем меньше размер улавливаемых на 50% частиц, тем выше эффективность очистки воздуха в данном циклоне.

Предварительно задавшись типом циклона, определяют оптимальную скорость V_опт воздуха в циклоне по табл. 5.16, в которой приведены оптимальные скорости для некоторых типов циклонов.

Таблица 5.16

Оптимальная скорость воздуха в горизонтальном сечении циклона

Определяют необходимую площадь сечения циклонов:

,м², (5.64)

где L_р – количество подлежащего очистке воздуха (газа) при рабочих условиях, м³/с,

Определяют диаметр циклона, задавшись количеством параллельно установленных циклонов N, если диаметр одного циклона велик по размеру:

, м. (5.65)

Диаметр d циклона округляют до стандартной величины, кратной 0,1 м: d = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 м и т.д.

Вычисляют действительную скорость воздуха в циклоне:

, м/с. (5.66)

Определяют коэффициент ζ_ц гидравлического сопротивления циклона, отнесенный к скорости в плане, по табл. 5.17:

Таблица 5.17

Значения коэффициентов сопротивления некоторых типов циклонов

Определяют потери давления в циклоне

, Па, (5.67)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³.