Заганшин - Проектирование аппаратов пылегазоочистки (1998)

Пособие по проектированию.

Приведены физико-химические характеристики выбросов различных производственных процессов. Рассмотрены конструкции пыле- и газоочистных устройств и методы их расчета, дана оценка эффективности их работы. Приведены характеристики ряда аппаратов, полученные при их наладке и эксплуатации в производственных условиях.

Пособие предназначено для студентов высших технических учебных заведений и может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся проектированием, эксплуатацией и контролем работы пылегазоочистных сооружений.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Нестабильность роста загрязнения окружающей среды позволит, вероятно, называть это явление наиболее характерной чертой завершающегося столетия. В докладе Международной комиссии по окружающей среде и развитию ("Комиссии Брундтланд"), работавшей в 1984-1987 годах, отмечается, что несогласованность действий человека с законами природы привела к изменениям существующих на планете структур и опасности уничтожения жизни на Земле [1].

За прошедшее десятилетие серьезных практических шагов, которые позволили бы заметно изменить отношение человеческого сообщества к природе, к проблеме ее сохранения для обеспечения устойчивого развития будущих поколений, не сделано. Банк нерешенных экологических задач продолжал увеличиваться. Причин тому много, и среди них не последнее место занимает слабый профессионализм людей, принимающих решения в области охраны окружающей среды, и, в частности, в сфере ее защиты от отходов производственной деятельности.

Сказанное в полной мере касается и проблемы защиты атмосферного воздуха от пылегазовых выбросов. Трудно не догадаться, что все выброшенное в атмосферу должно в скором времени возвратиться к нам обратно. Западные специалисты-экологи, столкнувшись еще несколько десятилетий назад с удручающими последствиями загрязнения биосферы, называли природные структуры планеты "закольцованной рекой" или, категоричнее, "закрывающимся циклом". В последние годы волна атмосферного загрязнения накрывает и нас.

Предлагаемая читателям книга посвящена анализу санитарно-технических мер защиты атмосферного воздуха и устройств, применяемых в настоящее время для обезвреживания пылегазовых выбросов. Рассматривая арсенал имеющихся в распоряжении средств очистки, методов их расчета и конструирования, приходится констатировать отсутствие существенного прогресса в этом направлении. И если среди пылеосадителей еще можно выделить несколько типов достаточно эффективных устройств, то средств обработки токсичных газов, позволяющих снижать концентрации вредностей до величин, сопоставимых с предельно допустимыми (ПДК), нет. Недостаточно корректно определены и сами понятия ПДК. Методики расчетов аппаратов пылегазоочистки дают лишь ориентировочные результаты; отсутствует надежная справочная информация о свойствах большинства загрязнителей, а изданные когда-то фундаментальные справочники по сопряженным областям расчета (термодинамике, теплопередаче, гидравлике, например, [4,5,6]) давно стали библиографической редкостью.

Не всегда корректны даже правила подсчета степени очистки выбросов. Поэтому не меньшую роль, чем конструирование и расчеты аппаратов систем пылегазоочистки, продолжают играть их пусковая и эксплуатационная наладка.

Процессы, про исходящие в очистных устройствах, как правило, сложнее технологических процессов, порождающих очищаемые выбросы. Несмотря на это, сфере пылегазоочистки уделяется лишь эпизодическое внимание, а средства на развитие отводятся по остаточному принципу. Теперь уже не приходится сомневаться, что нам удастся проскочить в третье тысячелетие в грязной обуви и с арсеналом экологических проблем вместо средств очистки. Однако отложить проблемы в долгий ящик вряд ли будет возможно: значительная часть экологического капитала планеты уже израсходована [1].

Очевидно, в ближайшем будущем станут необходимы новые, значительно более эффективные решения по очистке выбросов, вновь появится потребность в профессионально подготовленных специалистах, способных принимать верные решения при проектировании, монтаже и эксплуатации пылегазоочистных систем и в целом в области охраны окружающей среды. В предлагаемом издании приведены в сжатой форме общие сведения о физико-химических процесс ах, необходимые при конструировании, расчетах и эксплуатации очистных аппаратов, имеется довольно широкая информация о составе и свойствах производственных выбросов и загрязнителей, рассмотрены методы и приведены примеры расчетов широко используемых пылеосадителей и газоочистных устройств, методы пусковой наладки ряда аппаратов.

Глава1 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПЫЛЕГАЗОВЫЕ ВЫБРОСЫ

1.1. Классификация загрязнителей и выбросов

Наша планета, перемещаясь во Вселенной, непрерывно обменивается с ней веществом и энергией. В сложном материально-энергетическом балансе Земли часть энергии отводится на поддержание цепи неисчерпаемых превращений и перемещений материи в пределах самой планеты. К настоящему времени следы человеческой деятельности в них стали настолько заметными, что возникла необходимость различать причины, вызывающие обмен веществ в биосфере. Загрязнение атмосферы может происходить как вследствие преобразования ее компонентов, так и переноса загрязняющих веществ из других частей биосферы. Эти процессы могут иметь природный или антропогенный характер.

Выделения, оказавшиеся в атмосфере, относят к природным, если они образовались и были перенесены в результате природных явлений. Каждый ингредиент природных выделений, несмотря на их бесконечное многообразие, приобрел за миллиарды лет эволюции планеты свое место и значение в замкнутых циклах природных процессов обмена веществ. Кроме редких случаев, имеющих характер катаклизмов, такие выделения не вызывают катастрофического изменения окружающих условий, процессов и установившегося естественного хода событий в природе планеты в целом.

Вещества, попадающие в атмосферу непосредственно из-за человеческой деятельности, обычно относят к антропогенным выбросам и загрязнителям. В отличие от природных, число антропогенных загрязнителей не бесконечно, хотя и чрезвычайно велико. За редким исключением они не находят своего места в круговороте чрезвычайно велико. Наиболее заметные из них становятся объектами изучения и разработки способов нейтрализации воздействия на биосферу.

Выбросы в атмосферу различают по виду, составу, количеству, агрегатному состоянию, характеру появления и пребывания в атмосфере, влиянию на биосферу и множеству других признаков. Классификации антропогенных выбросов, пригодной для изучения их свойств с целью подбора способов очистки, пока нет. В стандартной классификации (табл. 1) загрязнители разделены на 4 класса по агрегатному состоянию: газо- и парообразные, жидкие, твердые и смешанные. В первом классе содержится 18 индивидуальных веществ и классов химических соединений, для остального множества газообразных загрязнителей предусмотрена группа "Прочие". Второй класс представлен 5-ю группами веществ с разделением каждой на 4 подгруппы по размерам взвешенных частиц. Третий класс содержит 6 групп веществ (с 4 подгруппами по размерам), перекрывающих и дублирующих друг друга по разделительным признакам. Четвертый класс предполагает комбинацию признаков групп и подгрупп предыдущих классов.

Рассмотренный принцип классификации загрязнителей требует серьезной оптимизации. Оставив в качестве основы первичное разделение по признаку агрегированности частиц загрязнителей, было бы целесообразно распределить загрязнители первого класса по виду и опасности воздействия на окружающую среду без конкретизации каждого вещества, а за определяющий признак второго и третьего класса принять размеры частиц аэрозолей, рассматривая остальные свойства в качестве вспомогательных признаков.

Стандартная классификация выбросов по количественному признаку сводится к присвоению номеров суточным объемам выделяемых загрязнителей. Такой способ разделения дает минимум значимой информации, и потому это следовало бы дополнить другими признаками, например, распределить выбросы по физическим параметрам, видам источников и др.

Вместе с классификацией предполагалось ввести в употребление стандартную маркировку выбросов и загрязнителей, составляемую по номерам классов, групп и подгрупп. К сожалению, многие виды выбросов и загрязнителей в рамках стандартной классификации однозначно не идентифицируются. Так, продукты сгорания жидких и твердых топлив содержат золу, которая индивидуально не учтена в 3 классе. Ее нельзя отнести ни к одной из 7 групп этого класса, в том числе и к группе "Прочие" из-за содержания канцерогенов, металлов и их соединений (включая свинец), органической и неорганической частей, сажистых и смолистых веществ, Т.е. всего, что содержится в предыдущих группах.

Несмотря на указанные недостатки, ряд положений стандартной классификации (табл. 1.1.), так же как и стандартная терминология, будут употребляться в дальнейшем изложении.

1.2. Основные характеристики загрязнителей и выбросов

Степень воздействия загрязнителей на окружающую среду и эффективность очистки выбросов зависят от их свойств, которые в принципе, могут быть заданы набором физико-химических характеристик всех ингредиентов. Однако имеются существенные трудности, не позволяющие учесть всей совокупности процессов, происходящих в смеси хотя бы нескольких веществ. Поэтому обычно рассматривают лишь один или два основных (по количеству РJIИ токсичности) загрязнителя и один наиболее характерный для данных условий процесс. Реальные процессы описывают упрощенными математическими моделями. Например, дисперсные выбросы с небольшим содержанием взвешенных частиц, такие как воздух, с невысокой запыленностью, продукты сгорания газового, жидкого и даже малозольных сортов твердого топлива, рассматривают как гомогенные.

Если же наличие взвешенных частиц оказывает существенное влияние на свойства выбросов, то дисперсную и гомогенную части аэрозоля рассматривают раздельно, как две независимые системы. При этом гомогенную часть отождествляют с моделью идеального газа, а для описания свойств дисперсной части используют какие-либо математические модели, например, нормального или логарифмически нормального распределения частиц по размерам. В технических расчетах гомогенных смесей не учитывают возможность фазовых или химических превращений, если они не вносят явных отклонений в свойства системы. Это позволяет использовать модель идеальной газовой смеси для большинства гомогенных выбросов.

Химические составы выбросов реальных производственных процессов изучены слабо. Поэтому зачастую в практических инженерных расчетах выбросы отождествляют либо с воздухом, либо с продуктами сгорания соответствующего топлива усредненного состава, содержащими незначительное количество по сравнению с содержанием ингредиентов газоносителя  вредной примеси. Свойства такой системы определяют, складывая величины соответствующих характеристик ингредиентов, взятые пропорциональна их содержанию в смеси.

В ряде случаев подобное правило сложения (аддитивности) заведомо непригодно, например, в системах с интенсивными фазовыми или химическими превращениями, со значительным содержанием взвешенных частиц. Тогда приходится использовать эмпирические данные по сходным системам, а при их отсутствии ­ проводить натурные испытания. В качестве модели для изучения свойств смесей сложного состава, компоненты которых находятся в различных агрегатных состояниях, принимают модель так называемого реального газа, которая объединяет в себе некомпактные состояния вещества с различной степенью агрегированности молекул. В понятие реальный газ  могут быть включены состояния перегретого пара (т.е. практически идеального газа), насыщенного сухого и влажного пара над твердой или жидкой поверхностью. В технике это понятие иногда распространяют и на некоторые виды аэрозолей.