Алиев - Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов (1986)

Систематизированы сведения о методах, приборах и аппаратуре для измерения параметров пылегазовых выбросов, образующихся при производстве металла, цемента, удобрений, синтетических моющих средств, сжигании бытовых отходов, энергетических углей и сланцев и др. Даны справочные материалы по свойствам пылей и золы. 

Рассмотрены конструкции современных пылеулавливающих аппаратов, методы их расчета и подбора, а также правила эксплуатации  оборудования. Дана методика расчета численности эксплуатационного и  ремонтного персонала. Приведены технические решения по установкам  газоочистки и пылеулавливания, а также опыт утилизации уловленной  золы и пыли.

Для инженерно-технических работников предприятий, научно-исследовательских институтов, проектных и пусконаладочных организаций, инспекторов по охране воздушного бассейна. Может быть полезна студентам вузов.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

В планах экономического и социального развития страны отмечена необходимость увеличения выпуска высокоэффективных пылеулавливающих аппаратов; совершенствования технологических процессов с целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки  отходящих газов от вредных примесей.

Среди проблем защиты окружающей среды наиболее актуальной является охрана воздушного бассейна, так как загрязненный воздух ухудшает экологические условия,  приводит к преждевременному износу основных фондов  промышленности, объектов жилищно-коммунального хозяйства и т. д.

Постоянное повышение требований к чистоте  атмосферного воздуха, значительное увеличение числа очистных  сооружений, создание в стране ряда специализированных  научно-исследовательских, проектных и пусконаладочных организаций, Государственной инспекции по охране воздушного  бассейна и ведомственных служб контроля обусловили  необходимость создания данного справочника. Основная цель его издания — показать, что при современном уровне развития техники пылеулавливания специалисты имеют возможность большого выбора оборудования, аппаратов и технических  решений, обеспечивающих заданную степень очистки газов и утилизации уловленных полупродуктов практически для любого технологического процесса, а также методик и приборов для определения параметров пылегазовых потоков и  эффективности работы пылеуловителей.

Специализированными предприятиями страны серийно выпускается современная высокопроизводительная  газоочистная техника — электрофильтры, рукавные фильтры, фильтры - туманоуловители, инерционные пылеуловители и др. Ряд аппаратов аттестован на высшую категорию качества и удовлетворяет требованиям лучших мировых образцов.

В справочнике рассмотрены конструкции, принципы  действия, методы расчета и подбора практически всех серийно выпускаемых аппаратов и оборудования, а также опытных образцов, намечаемых к промышленному освоению. При этом учтена современная тенденция применения сухих  пылеуловителей, кроме специальных случаев, где мокрые аппараты  незаменимы.

В результате интенсификации технологических процессов и строительства новых агрегатов большой единичной мощности (доменных, цементных печей, энергетических котлов и др.) объемы подлежащих очистке газов достигают сотен тысяч, а нередко миллионов кубических метров в час, поэтому современные очистные установки — это дорогостоящие и энергоемкие сооружения; их эксплуатация с показателями ниже  проектных приводит не только к загрязнению атмосферы и потере ценных полупродуктов, но и ухудшает экономические показатели предприятий. Поэтому в справочнике  систематизированы практические рекомендации по наладке, пуску и  эксплуатации аппаратов и установок, рассмотрены характерные неисправности оборудования и способы их устранения.

При проектировании новых и реконструкции  существующих установок необходимо учитывать накоплений опыт в металлургии, цементной, пищевой, химической промышленности, в производстве синтетических моющих средств и др. В  помощь инженерно-техническим работникам предприятий дана методика определения численности эксплуатационного и  ремонтного персонала газоочистных установок. Для вариантной проработки новой схемы очистки приведены  технико-экономические показатели промышленных установок с рукавными фильтрами, скрубберами Вентури, электрофильтрами, циклонами и пр.

В справочнике даны полные сведения о дисперсности, абразивности, химическом составе, угле естественного откоса и других параметрах около 100 видов промышленных пылей и золы энергетических углей и сланцев. При подготовке этой главы использованы материалы Скрябиной Л. Я.

 

Глава 1 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗООЧИСТНЫХ И ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ АППАРАТОВ.

СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

1.1. ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ

В промышленности в результате переработки различного сырья и  полуфабрикатов путем механического, термического и химического воздействия на них образуются отходящие промышленные газы, в которых содержатся взвешенные частицы.

Пыль в газах, отходящих от цементных и сырьевых сушилок, мельниц, печей обжига колчедана, в аспирационном воздухе пневмотранспортных устройств и т. д., является следствием осуществления механических процессов измельчения твердых тел (дробления, размалывания, перемешивания, истирания и др.), пересыпки и транспортировки  сыпучих материалов. В дымовых, генераторных, доменных, коксовых и других подобных газах содержится пыль, образующаяся в процессе горения топлива. Как продукт неполного сгорания органических веществ и топлива при недостатке воздуха образуется и уносится сажа. Если в газах содержатся какие-либо вещества в парообразном состоянии, то при охлаждении до определенной температуры пары конденсируются и переходят в жидкое или твердое состояние. Примерами взвесей,  образовавшихся путем конденсации, могут служить: туман серной кислоты в отходящих газах выпарных аппаратов, туман смол в генераторных и коксовых газах, пыль цветных металлов (цинка, олова, свинца, сурьмы и др.) с низкой температурой испарения в газах. Пыли, образующиеся в результате конденсации паров, называются возгонами. Газы (в том числе и воздух), содержащие взвешенные частицы, относятся к аэродисперсным системам. Дисперсными принято называть системы, состоящие из мелкораздробленных частиц (дисперсная фаза), распределенных в какой-либо дисперсионной среде (воде, растворителе, воздухе).

Аэродисперсными системами, или аэрозолями, называют системы, в которых дисперсионной средой является газ, а дисперсной фазой — твердые (пыль) или жидкие (туман) частицы.

Дисперсная фаза может состоять из частиц одинакового размера (монодисперсная система) или яз частиц разного размера (полидисперсная система). Промышленные газы обычно представляют собой сложные аэродисперсные системы, в которых дисперсионная среда является смесью разных газов, а взвешенные частицы полидисперсны и имеют различное агрегатное состояние.

Взвешенные частицы в зависимости от размера распределяются на Фракции. Размер взвешенных частиц выражается чаще всего в микрометрах (мкм). Иногда частицы классифицируют по скорости витания (в тех случаях, когда состав пыли определяют методом воздушной классификации), а их диаметр определяют по номограмме (рис. 1.1).

Фракцией называют массовую долю частиц, размеры которых  находятся в интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов. Частицу произвольной формы условно считают шарообразной, а ее размер определяют по эквивалентному диаметру.

При выборе метода и аппарата для очисти газов необходимо установить происхождение газовых взвесей, так как возможность  разделения газовой неоднородной системы определяется главным образом размерами взвешенных частиц, а они зависят от условий образования взвесей. В большинстве случаев взвеси, образовавшиеся в результате механических процессов, состоят из частиц диам. 5—50 мкм и более; взвеси, образовавшиеся вследствие термических и химических  процессов, состоят из частиц диам. до 3 мкм, а взвеси, получающиеся в  результате горения, — в основном из частиц диам. 5—70 мкм. Очень мелкие частицы, входящие в состав конденсированных взвесей, во многих случаях могут соединяться в более крупные хлопьевидные частицы. Такое явление укрупнения частиц называется коагуляцией; оно возникает при столкновении и соприкосновении частиц, а также осаждении пыли в виде порошка и осадка. К коагуляции более склонны мелкие частицы; частицы размером более 100 мкм почти не коагулируют.

Концентрация взвешенных частиц в некоторых промышленных газах и содержание их по отношению к готовому продукту приведены в табл. 1.1.

В большинстве случаев взвешенные в газах частицы обладают  положительным или отрицательным электрическим зарядом. Пыли  заряжаются в процессе дробления или распыления материала, при трении или контакте с поверхностью оборудования и коммуникации, движении через раскаленную среду (заряжание ионами в результате термоионной или фотоэлектрической эмиссии электронов).

Дымы заряжаются при движении через раскаленные среды в  результате ионизации в пламени, термоионной и фотоэлектрической эмиссии электронов. Туманы заряжаются в результате распыления, при барботировании газов через жидкости.

Кроме того, взвешенные частицы могут заряжаться в результате химических реакций, под действием рентгеновского или радиоактивного излучения и электрической индукции. Этот естественный электрический заряд взвешенных частиц условно называется трибозаряд.

Число положительно заряженных частиц в аэрозолях может быть равно числу отрицательно заряженных, что, как правило, наблюдается для весьма мелких частиц при однородном химическом их составе. В ряде случаев преобладают частицы, несущие заряд одного знака. Седиментационной скоростью частицы называется скорость оседания, которую приобретает частица в спокойной среде под влиянием силы тяжести. Эта скорость зависит от размера частицы, ее формы и  плотности, а также от плотности и- вязкости среды.

Седиментационным диаметром частицы называется диаметр шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.

 

КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ

Методы измерения концентрации пыли делятся на две группы: 1) основанные на предварительном осаждении частиц пыли и исследовании осадка и 2) без предварительного осаждения. Основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой  концентрации пыли; к недостаткам следует отнести циклический характер измерения, большую трудоемкость, низкую чувствительность,  обусловливающую длительный пробоотбор при измерении малых концентраций.

Преимуществами методов второй группы являются возможность  непосредственных измерений в самом пылегазовом потоке без использования пробоотборного устройства, непрерывность измерений, высокая чувствительность, практическая безынерционность, возможность полной автоматизации процесса измерений. Во время измерений поток не  подвергается аэродинамическому искажению. Существенным недостатком методов второй группы является влияние на полученный результат  изменения дисперсного состава и других свойств пыли.

Для промышленного пылевого контроля характерны широкий  диапазон измеряемых концентраций (от нескольких миллиграммов до  десятков граммов на кубический метр); широкий спектр размеров частиц пыли (от 0,05 до 100 мкм); высокие скорости (до 40 м/с) и температуры (до 500 °С) контролируемых пылегазовых потоков. Кроме того, сама концентрация пыли, являясь дискретной величиной, непрерывно  изменяется в довольно широких пределах в зависимости от режима работы пылеуловителя.

Применительно к непрерывному промышленному контролю наиболее приемлемыми являются методы второй группы. Они дают непрерывную информацию о мгновенных значениях концентрации пыли в потоке и закономерностях ее изменения, что позволяет, во-первых, организовать автоматическое регулирование режимов работы пылеуловителя;  во-вторых, установить сигнализацию об увеличении концентрации пыли выше допустимой; в-третьих, останавливать производство в аварийных  ситуациях, когда очистные установки вышли из строя. Однако методы  второй группы не всегда можно использовать на практике из-за высокой чувствительности к нестационарным флуктуациям, связанным с внешними и внутренними факторами (температурой и влажностью среды; параметрами источника питания прибора) и др.

Методы измерения концентрации пыли, основанные на предварительном осаждении частиц

Весовой метод. К достоинствам весового метода следует отнести, прежде всего то, что он измеряет массовую концентрацию пыли, и на его показания не влияют изменения химического и дисперсного состава пыли, формы частиц, их оптических, электрических и других свойств. Метод позволяет измерять большие концентрации пыли. Техника измерения сравнительно проста, но сам процесс измерения довольно длителен и трудоемок. С точки зрения непрерывного промышленного пылевого контроля весовой метод не удовлетворяет основному требованию — непрерывности измерения. Однако в последнее время найден способ получения непрерывной информации о мгновенном значении концентрации пыли в выбросах [1], который состоит в следующем. Поскольку  накопление пыли на фильтре является процессом интегрирования, то, имея непрерывный сигнал  о нарастании массы осевшей пыли, можно автоматически дифференцировать его, чтобы получить выходной сигнал соответствующий мгновенному значению  концентрации пыли. Осуществление метода требует полной автоматизации всех измерительных операций, что обусловливает сложность и высокую стоимость аппаратуры.

Несмотря на указанные недостатки, весовой метод нашел самое  широкое применение при осуществлении пылевого контроля выбросов промышленных предприятий; в настоящее время он является общепринятым методом измерения концентрации пыли. Все существующие и вновь разрабатываемые пылемеры, основанные на других методах измерения, градуируют, используя весовой метод в качестве контрольного. Однако это не всегда метрологически правильно, поскольку разрабатываемые методы, как правило, превосходят по точности весовой метод.

Проведем метрологическую оценку весового метода. Суммарная погрешность измерения концентрации пыли весовым методом включает погрешность отбора пробы из пылегазового потока из-за нарушения условий изоосности и изокинетичности, осаждения частиц пыли на стенках пробоотборной трубки; погрешность фильтрации; погрешность измерения массы уловленной пыли.

Погрешность отбора пробы для частиц размером порядка 1 мкм составляет 0,5—1 %, для частиц в 10 мкм 5—15%. Однако при использовании способа внешней фильтрации погрешность возрастает за счет осаждения частиц пыли в пробоотборной трубке. Погрешность фильтрации возникает из-за неполноты улавливания; при использовании тканевых и бумажных фильтров она составляет 1—2 %. Погрешность при измерении объема отобранной пробы диафрагмой равна ±2 %.

В общем случае применение весового метода дает погрешность  порядка 10 %; ясно, что величина погрешности в значительной степени зависит от класса применяемого оборудования и  контрольно-измерительных приборов.

Кроме весового метода, разработаны и другие методы пылевого контроля, основанные на исследовании осажденного слоя пыли. Денситометрический метод основан на предварительном осаждении частиц пыли на фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Он включает все операции весового метода, исключая  взвешивание пробы, которое заменено фотометрированием. Оптическую  плотность осадка определяют путем измерения поглощения или рассеяния им света. Коэффициент корреляции, полученный в результате  сравнения весового и денсиметрического методов, равен 0,93. Основной  недостаток этого метода — зависимость результатов измерений от  оптических свойств пыли.

Пьезоэлектрический метод основан на изменении собственной  частоты колебаний пьезокристалла во время осаждения на его поверхности частиц пыли. При малых амплитудах колебаний кристалла уменьшение частоты колебаний последнего прямо пропорционально массе осевшей на нем пыли.

В принципе пьезоэлектрический метод является перспективным, так как он позволяет измерять массовую концентрацию пыли. Однако для широкого промышленного внедрения метода необходимо решить две проблемы: увеличить силу захвата частиц активной поверхностью  кристалла и обеспечить периодическую очистку этой поверхности от  осевшей пыли.

Метод, основанный на измерении перепада давления на фильтре. Он включает прокачивание порции пылегазового потока через фильтр и измерение разности давлений на входе и выходе фильтра. Результаты измерения пропорциональны массовой концентрации пыли. Достоинством метода является сравнительная простота его реализации. Однако не требует строгой стабилизации основных параметров пылегазового потока (скорости, температуры и др.).

Методы измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждения

Существует несколько типов автоматических пылемеров с различными принципами действия.

Электрические методы. К группе пылемеров, разработанных на базе этого метода, относится контактно-электрический. Он основан на способности пылевых частиц электризоваться при контактировании с преградой, выполненной из контактно-активного материала, и отдавать приобретенный поверхностный заряд токопроводящим элементам  преграды. Основными элементами контактно-электрического  измерительного преобразователя являются электризатор, в котором происходит зарядка частиц, и токосъемный электрод. Зависимость массовой концентрации частиц от силы зарядного тока в цепи токосъемного электрода имеет линейный характер при концентрации пыли до 2 г/м3, когда  большая часть частиц пыли контактирует с внутренней поверхностью электризатора и токосъемного электрода и суммарная величина регистрируемого заряда пропорциональна количеству частиц.

На электризацию частиц существенное влияние оказывают дисперсность, влажность, температура и другие свойства пылегазового потока. Установлено, что для получения максимальной чувствительности  скорость частиц в электризаторе должна составлять 105—115 м/с [1].

Практическое применение метода ограничивается его недостатком — большое влияние на результаты измерения влажности, при  увеличении которой происходит залипание -проходного отверстия электризатора.

Акустический метод основан на измерении параметров акустического поля при наличии частиц пыли в рабочем зазоре между  источником и приемником звука. Величина потерь звуковой энергии,  обусловленных наличием взвешенных твердых частиц, пропорциональна  объемной концентрации пыли. К недостаткам метода можно отнести сложность аппаратурного оформления метода, вследствие чего он не нашел промышленного применения.

Оптические методы занимают ведущее место среди других для  непрерывного контроля пылевых выбросов в промышленности. Он является наиболее простым и надежным, поэтому на базе оптических методов разработаны промышленные пылемеры, используемые во многих  странах мира для контроля выбросов цементных заводов, тепловых  электростанций и др. В основу оптических пылемеров положены явления  поглощения света движущимся пылегазовым потоком и рассеяния света движущимися частицами пыли. Точность и достоверность результатов пылевого контроля при использовании оптических методов определяются главным образом стабильностью свойств частиц пыли. Для практических целей имеются ограничения по дисперсному составу пыли, который не должен изменяться при колебаниях ее концентрации.

На основе явления поглощения созданы оптические абсорбционные пылемеры, на основе явления рассеяния — оптические пылемеры светорассеяния. Из них первые нашли применение при измерении концентраций до нескольких граммов на кубический метр, вторые могут быть использованы при измерении низких концентраций.

Оптические пылемеры, применяемые в промышленности, рассмотрены дальше.

...