Общие понятия о пыли и ее классификация

       Введение

       По  оценкам специалистов, в настоящее  время промышленностью и транспортом  в атмосферу ежедневно выбрасывается  до 1 миллиарда тонн пыли, что приводит к тяжелым последствиям для окружающей среды. В современных условиях любую промышленную технологию следует оценивать по степени ее экологической опасности, по количеству образующихся отходов. Количество выбросов – наиболее объективный показатель несовершенства используемых технологических систем. Во многих отраслях промышленности именно газоочистительная аппаратура совместно с другим технологическим оборудованием обеспечивает малоотходное производство, особенно это, актуально для энергетики, черной и цветной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

       Важным  фактором воздействия на организм человека является размер частиц. Особую опасность представляют респирабельные трахеобронхиальные пылинки, способные проникать в лёгкие. В мировой практике с учётом рекомендации Всемирной организации здравоохранения в ряде стран осуществлён переход на нормированное содержание в воздушной среде частиц с размерами не более 2,5 мкм. Для улавливания пыли такой дисперсности необходимы пылеуловители, способные осуществлять тонкую очистку воздуха. Такие пылеуловители давно используются в бытовых условиях, однако в масштабах промышленности их работа исследована недостаточно.  
 
 
 
 
 

       Пыль  представляет собой дисперсную систему  с газообразной дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой, состоящей  из частиц от квазимолекулярного до макроскопического размеров, обладающих свойством находиться во взвешенном состоянии более или менее продолжительное время.

       Аэрозоли  также представляют собой дисперсные системы с газообразной (воздушной) дисперсионной средой и твердой  или жидкой дисперсной фазой. Скорость оседания частиц аэрозоля очень мала, и они могут неопределенно долгое время находиться во взвешенном состоянии. Наиболее тонкие частицы аэрозоля по размерам приближаются к наиболее крупным молекулам, а наиболее крупные достигают 1 мкм. В технической литературе термины грубый аэрозоль и пыль являются синонимами.

       Пыли  и аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. частицы их дисперсной фазы имеют  неодинаковый размер. В природе и  технике монодисперсные пыли и аэрозоли встречаются крайне редко.

       Масса частиц, содержащихся в единице объема газа или воздуха, называется концентрацией  пыли, пылесодержанием или запыленностью.

       Атмосферные частицы классифицируют по размерам следующим образом:

1. крупные частицы (средний диаметр 20 мкм) – сосредоточены в нижнем слое тропосферы (до 3000 м), осаждаются под действием силы тяжести, но могут переноситься ветром на большие расстояния;
2. полутонкая пыль (диаметр 0,1 – 5 мкм) – осаждается с трудом или не осаждается вовсе. Частицы размером меньше 1 мкм служат ядрами конденсации водяного пара. Для частиц диаметром менее 0,1 мкм из-за броуновского движения осаждение в обычных условиях невозможно (эти частицы называют аэрозолем);
3. тонкая (микроскопическая) неосаждающаяся пыль (диаметр менее 0,001 мкм), это так называемые частицы Айткена.

       Большинство атмосферных частиц, удерживающихся в воздухе в течение длительного  времени, имеют диаметр 0,1 – 5 мкм. Тонкая и частично полутонкая пыль не осаждается в местах выброса при сухой  атмосфере и может поэтому  попасть в потоки региональных и глобальных загрязняющих веществ.

       Для очистки воздуха, удаляемого вентиляционными  аспирационными системами от твердых  и жидких примесей, применяют пылеуловители  пяти классов, краткая характеристика которых приведена в таблице 1. 

       Таблица 1

       Примечание: границы эффективности пылеуловителей указаны с учетом дисперсности пыли.  Первое  значение  эффективности  относится  к  меньшему значению dm;  второе  − к большему. 

       Классификация пылеулавливающего оборудования

       Классификация пылеулавливающего оборудования основана на принципиальных особенностях процесса отделения твердых частиц от газовой  фазы, это:

       −  оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которому относятся пылеосадительные камеры, циклоны, вихревые циклоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, фильтры, электрофильтры;

       −  оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к которому относятся скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, пенные аппараты и др.

       Сухие механические пылеуловители. К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты, в которых использованы различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительные  камеры),  инерционный (камеры,  осаждение пыли  в которых происходит в результате изменения направления движения газового потока или установления  на  его  пути  препятствия)  и  центробежный  (одиночные,  групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители). Эти аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуатации, их достаточно широко используют в промышленности. Однако эффективность улавливания в них пыли не всегда оказывается достаточной, в связи с чем, они часто выполняют роль аппаратов предварительной очистки газов.

       Гравитационные  пылеуловители. В пылеосадительных  камерах  (рис.  1, 2) используется механизм гравитационного осаждения частиц из горизонтально направленного потока газов. Пылеосадительные камеры  предназначены для улавливания крупнодисперсных частиц размером 50 мкм и больше. Для получения высокой эффективности очистки необходимо, чтобы частицы находились в пылеосадительной камере как можно больше времени. Хорошую эффективность очистки имеют камеры Говарда (рис. 2), в которых поток газа разбивается на несколько параллельных секций  очистки  воздуха. Однако они не получили широкого распространения из-за громоздкости и трудности их очистки. Пылеосадительные камеры обычно сооружают из кирпича, сборного железобетона и др. 
 

       Рис. 1. Пылеосадительная камера                              Рис. 2. Осадительная камера  
 
 

       Рис. 3. Жалюзийный пылеотделитель  

       Жалюзийный  пылеотделитель. Жалюзийные аппараты обычно применяют для улавливания пыли с размером частиц более 20 мкм. Они имеют жалюзийную решетку, состоящую из рядов пластин или колец. Очищаемый газ, проходя через решетку, делает резкие повороты. Пылевые частицы вследствие инерции стремятся сохранить первоначальное направление, что приводит к отделению крупных частиц из газового потока, которые, сталкиваясь с наклонными решетками, отражаются и отскакивают в сторону от щелей между лопастями жалюзи (рис. 3). В результате газ делится на два потока. Пыль в основном содержится в потоке, который отсасывают и направляют в циклон, где его очищают от пыли и вновь сливают с основной частью потока, прошедшего через решетку. Скорость газа перед жалюзийной решеткой должна быть  достаточно высокой (до 15 м/с), чтобы достигнуть  эффекта  инерционного  отделения  пыли.  На  степень  очистки  влияет также  скорость  движения  газов,  отсасываемых  в  циклон.  Гидравлическое  сопротивление решетки составляет 100−500 Па. Основным недостатком этих аппаратов является износ пластин при высокой концентрации пыли. 

       Инерционные пылеуловители. В этих аппаратах при резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под воздействием инерционной силы продолжают двигаться в прежнем направлении и после поворота потока газов выпадают в бункер. Наиболее простые из этого типа аппаратов являются так называемые пылевые мешки (рис. 4). Эффективность этих аппаратов низкая, а задерживают они только крупные фракции пыли. 

       Пылеуловители с плавным  поворотом  газового  потока  имеют  меньшее гидравлическое сопротивление, чем другие аппараты. Скорость газа в сечении таких  аппаратов принимают 1,0 м/с.. Для частиц пыли размером 25−30 мкм достигается  степень улавливания 65−80 %. Такие пылеуловители применяют на заводах черной и цветной металлургии. Гидравлическое сопротивление их равно 150−390 Па. Пылеуловители этого типа обычно встраивают в газоходы.  

         Рис. 4. Инерционные пылеуловители  
 

       Центробежные пылеуловители. Циклонные аппараты  (циклоны)  наиболее  распространены  в промышленности.

       Они имеют следующие достоинства: 1) отсутствие движущихся частей в аппарате; 2) надежность работы при температурах газов вплоть до 500 оС (для работы при более высоких температурах циклоны изготавливают из специальных материалов); 3) возможность  улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями; 4) улавливание пыли в сухом виде; 5) почти постоянное гидравлическое  сопротивление аппарата; 6) успешная работа при высоких давлениях газов; 7) простота изготовления; 8) сохранение высокой фракционной эффективности  очистки  при увеличении  запыленности газов.

       Недостатки: 1) высокое гидравлическое  со противление − 1250 − 1500 Па; 2) плохое улавливание частиц размером менее 5 мкм; 3) невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений.

       Принцип работы циклона показан на рис. 5. Газ вращается внутри циклона, двигаясь  сверху  вниз,  а  затем  движется  вверх.  Частицы  пыли  отбрасываются центробежной силой к стенке. Обычно в циклонах центробежное  ускорение в 100−1000 раз больше ускорения силы тяжести, поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за газом и под влиянием центробежной силы движутся к стенке.

       В промышленности принято разделять  циклоны на высокоэффективные и  высокопроизводительные. Первые эффективны, но требуют больших затрат на осуществление  процесса  очистки;  циклоны  второго  типа  имеют  небольшое гидравлическое сопротивление, но хуже улавливают мелкие частицы.

       На  практике широко используют циклоны  НИИОГАЗа  (рис. 6)  − цилиндрические (с удлиненной цилиндрической частью) и конические (с  удлиненной конической частью). Цилиндрические циклоны относятся  к высокопроизводительным аппаратам, а конические − к высокоэффективным. Диаметр цилиндрических циклонов не более 2000 мм, а конических − не более 3000 мм. 

       Рис. 5. Циклон                                   Рис. 6. Цилиндрический (а) и конический (б)  

       Циклоны

       Иногда  большое число малых циклонов (мультициклонов) объединяют в группу (батарейные циклоны). Они используются для очистки больших масс (расходов) газов. Однако, из-за перетока газов между элементами циклонов, эффективность очистки батарейных циклонов ниже одиночных. Ротационные пылеуловители относят к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемещением воздуха очищают его от фракции пыли крупнее 5 мкм. Они обладают большой компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совмещены в одном агрегате.

       Схемы пылеуловителей ротационного типа представлены на рис. 7 и 8. При работе вентиляторного колеса частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха и движутся по ней в направлении  выхлопного отверстия (рис. 7). Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу.

       В противопоточном центробежном ротационном  пылеуловителе (рис. 8) ротор и колесо вентилятора насажены на общий вал. При работе пылеотделителя запыленный воздух поступает внутрь кожуха, где закручивается вокруг ротора. В результате вращения пылевого потока возникают центробежные силы, под действием которых взвешенные  в воздухе частицы пыли стремятся выделяться из него в радиальном направлении. Одновременно на эти частицы в противоположном  направлении действуют силы аэродинамического сопротивления. Частицы, центробежная сила которых больше силы аэродинамического сопротивления, отбрасываются к стенкам кожуха и поступают в бункер. Очищенный воздух через перфорацию ротора всасывается в вентилятор и затем выводится наружу.