Технические и технологические методы очистки воздушной среды от пыли

Пыль как газодисперсная система

Интенсификация промышленности приводит к очень сильному загрязнению окружающей среды. Ежегодный ущерб только от загрязнения воздуха в США оценивается в 16 млн. долларов. Промышленными предприятиями в атмосферу планеты ежегодно выбрасывается около миллиарда тонн пылевых частиц (сажи) и газов, то есть примерно по 0,25 тонн на каждого человека.

Многие технологические процессы в строительстве и промышленности сопровождаются выделением пыли, отрицательно воздействующей на организм человека и, в основном, на его органы дыхания.

Для предупреждения профессионального заболевания (вызванного воздействием на работника вредных условий труда) необходимо, чтобы в воздухе рабочей зоны, цеха и т.д. содержание пыли было ниже предельно допустимых концентраций (ПДК).

Вредность воздействия пыли на организм человека зависит, прежде всего, от её вещества, дисперсности, формы частиц, а также от растворимости и твердости пыли­нок. Так, частицы крупнее 10 мкм оседают в верхних дыхательных путях: носовой полости, носоглотке, и только частично достигают бронхов. Чем мельче пыль, тем она опасней. Однако утверждение, что все пылинки крупнее 10 мкм оседают в верхних дыхательных путях, не совсем правильное. Как показали наши исследования, при микроскопическом изучении легких шахтеров, погибших в результате аварий, были обнаружены пылинки до 50 - 70 мкм.

Наибольшую опасность представляют частицы размером 0,2 – 5 мкм.

Более мелкие частицы (меньше 0,2 мкм) не представляют такой опасности для органов дыхания, так как удаляются вместе с выдыхаемым воздухом, почти не вступая во взаимодействие с тканями легких.

Легкие обладают очень важным свойством. Они все время очищаются от пыли с помощью фагоцитов (особый вид лейкоцитов). Но при высоком содержании пыли в воздухе защитное действие организма ослабевает. Пыль, накапливаясь в легких, воздействует на них, приводя к заболеванию – пневмокониозу.

Такое заболевание характеризуется медленным превращением лёгочной ткани из эластичной, способной существенно растягиваться и увеличивать площадь воздухообмена при вдохе, в ткань с образованием множества рубцов (фиброзов).

Существует много разновидностей пневмокониоза. Наиболее распространенным и опасным пневмокониозом считается силикоз, являющийся результатом попадания в легкие большого количества пыли, содержащей свободную двуокись кремния SiО2. От цементной пыли возникает цементоз, силикатной — cиликaтoз, стальной — сидероз, угольной — антракоз. Известны также заболевания: люминитоз, асбетоз, талькоз и др.

Пневмокониоз обычно развивается медленно и может проявить себя через несколько лет после прекращения систематического пребывания в запыленной атмосфере.

Время развития и тяжесть заболевания зависят от многих факторов (химико-минералогический состав пыли, уровень запыленности, дисперсность, заряженность частиц, время пребывания в запыленной атмосфере и др.).

Процесс заболевания силикозом сводится к следующему: пылевые частицы (преимущественно размером менее 5 мкм) проникают вместе с вдыхаемым воздухом в легочные альвеолы и задерживаются на их стенках. Участвуя в реакциях, SiО2 частично превращается в кремниевую кислоту H2Si03. Действие кремниевой кислоты понижает жизнеспособность фагоцитов, что снижает и защитные свойства, и ведет к накоплению пыли в легких и образованию фиброзных уплотнений. Это приводит к отвердению легких и снижению накопления кислорода в крови.

Часто силикоз сопровождается силико-туберкулезом.

Газодисперсная система представляет собой систему, состоящую из двух и более компонентов, из которых одна, называемая дисперсной фазой, находится в состоянии измельчения и более или менее равномерно распределена внутри другой, имеющей непрерывное строение и носящей название дисперсной среды. Дисперсная среда — это воздух, а дисперсная фаза может находиться в твердом (частички пыли), жидком (пары воды и вредных веществ) и газообразном (вредные газы) состоянии. Устойчивость системы обуславливается степенью дисперсности (измельчение), концентрацией дисперсной фазы, плотностью и структурой дисперсных частиц, влажностью, способностью к седиментации и коагуляции. На стабильность систем влияют воздушные потоки. Устойчивость газодисперсной системы зависит от скорости осаждения пыли. Скорость движения пылинок зависит (с физической точки зрения) от сил, действующих в среде, и сопротивления среды. Сопротивление среды (Р) описывается законом Ньютона:

(2.3.19)

где S — проекция поперечного сечения пылинки по направлению движения, м2;

Рг — плотность газовой среды, кг/м3 ;

w — скорость движения пылинки, м/с;

К — коэффициент сопротивления, который является функцией критерия Рейнольдса (Re) и определяется опытным путем.

(2.3.20)

где d — диаметр частицы, м;

μг — динамическая вязкость газовой среды, Па*с.

Критерий Рейнольдса определяет гидравлический режим процесса. При малых значениях критерия Re (К = 24/Re) в движении участвуют малые пылинки, которые движутся с небольшой скоростью. В этом случае режим движения газа относительно частицы ламинарный, т.е. скорость газа на поверхности частиц равна скорости частицы. Далее от частицы газ движется параллельными струями, которые не смешиваются и не образуют завихрений. При больших значениях критерия Re в движении участвуют крупные пылинки, которые движутся с большой скоростью. В этом случае режим движения газа относительно частицы — турбулентный, т.е. пограничный слой газа отрывается от поверхности частицы, происходит перемещение и завихрение струй газа. В данном процессе помимо сил трения (ламинарный режим) участвуют силы инерции, где существенное влияние оказывают и форма, и шероховатость поверхности пылинок.

С точки зрения предупреждения профессиональных заболеваний и охраны окружающей среды нас больше интересует ламинарный режим, в котором участвуют пылинки малых размеров. Такие пылинки очень трудно улавливать, и в настоящее время проблема очистки воздуха представляет важную народнохозяйственную проблему. Крупные пылинки практически улавливаются всеми видами пылеулавливающих аппаратов. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать ламинарный режим движения К=24/Re. Используя формулы (2.3.19) и (2.3.20), получим:

(2.3.21)

Эта формула (закон Стокса) широко используется для практических расчетов аэрозолей с интервалом дисперсности от 0,1 до 40 мкм.

Время, в течение которого пылинка может находиться в воздухе во взвешенном состоянии, определяется, прежде всего, её размерами и плотностью. Витание или осаждение пыли зависит от соотношения силы тяжести, действующей на частицу (Fn), и силы сопротивления газовой среды (Fr) . Если размеры пыли и плотность больше, то пылинка, падает с возрастающей скоростью, так как сопротивление газовой среды ничтожно мало (рис.2.3.12, положение I) . Если размеры пыли (шарообразной формы) малы, а сопротивление газовой среды велико, и наступает такой момент, когда Fn = Fr (положение II, рис.2.3.12), то пылинка находится в состоянии витания в восходящем потоке воздуха или падает с постоянной скоростью (w) в спокойном воздухе, подчиняясь закону Стокса. Обычно определяют эту скорость, приравнивая силу тяжести к силе сопротивления газовой среды.

(2.3.22)

где Рп — плотность частицы, кг/м3.

Установившуюся скорость падения частиц пыли шарообразной формы можно определить по упрощенной формуле:

(2.3.23)

Если Fn < Fr, (положение III, рис.2.3.12), то пылинка будет витать в воздухе.

Степень воздействия пыли на кожу, дыхательные органы, глаза зависит от физико-химических свойств пыли, ее токсичности и дисперсности, а также концентрации.

По крупности частичек пыль подразделяется на три класса:

I класс – пыль с размерами частиц 30-40 мкм (видимая). Такая пыль видна невооруженным глазом, в спокойном состоянии оседает с возрастающей скоростью, подчиняясь закону Ньютона. Эти частицы пыли способны к коагуляции и диффузии, хорошо задерживаются бумажными и ватными фильтрами.

II класс – пыль с размерами частиц от 0,1 до 30 мкм (микроскопическая). Эти частицы пыли не видны невооруженным глазом, а различимы в проходящем и отраженном свете под микроскопом. В неподвижном воздухе они оседают с постоянной скоростью, подчиняясь закону Стокса. Эти частицы пыли частично коагулируют, задерживаются на бумажных фильтрах.

III класс – пыль с размерами частиц менее 0,1 мкм (ультрамикроскопическая). Такая пыль обнаруживается только в темном поле (ультрамикроскопирование), не осаждается даже в неподвижном воздухе, находится в постоянном движении, подчиняясь законам теплового (Броуновского) движения не задерживается на бумажных фильтрах.

Существуют классификации, основанные на составе вещества пылинок. Пыль, находящуюся в дисперсной фазе, можно разделить на органическую, неорганическую и смешанную.

К органической относится пыль животного и растительного происхождения: древесная, хлопчатобумажная и другие. К неорганической относится пыль минеральная, кварцевая, керамическая, цементная, металлическая и т.д.

В зависимости от заряда пыль подразделяется на: положительно заряженную; отрицательно заряженную; нейтральную.

По вредности пыль разделяется на инертную и агрессивную (вступающую в химическое взаимодействие с организмом).

В зависимости от отношения к возгоранию пыль подразделяется на: горючую; негорючую; взрывопожароопасную.

Разновидностями аэрозолей являются: дым (взвешенные в воздухе твердые частички), туман (взвешенные в воздухе капли жидкости).

Классификация способов борьбы с пылью

Средства защиты от пыли разделяются на общие, с помощью средств обеспечивается улучшение условий труда в производственном помещении в целом или на рабочих местах вблизи источников пылеобразования, и индивидуальные, применение которых защищает органы дыхания, лицо и глаза рабочих. К общим средствам защиты относятся системы естественной и искусственной вентиляции, применение различных пылеулавливающих аппаратов для удаления пыли из помещений и рабочих зон непосредственно от мест её образования и ряд организационных мер, направленных на снижение запыленности и уборку пыли на промышленных и рабочих местах. Очистка воздуха от пыли рабочих помещений осуществляется путем улавливания и осаждения ее специальными устройствами. Пылеулавливающие аппараты основаны на различных принципах и имеют разнообразные конструктивные решения. В связи с этим предложены различные классификации пылеулавливающих устройств. Все пылеулавливающие устройства можно разделить на четыре большие группы (рис.2.3.13.): а) сухие, механические аппараты; б) аппараты с применением воды; в) аппараты с применением фильтров; г) комбинированные устройства.

Правильное применение аппаратов любой группы дает положительный эффект по улавливанию пыли. Однако при выборе устройств необходимо учитывать их недостатки. Так, сухие механические аппараты характеризуются вторичным уносом пыли, имеют большие габариты (пылеотстойные камеры), ограниченные области применения по крупности пыли.

Рис. 2.3.13. Пылеочистные устройства

Аппараты с применением воды характеризуются потреблением большого ее количества. Использование воды требует дорогостоящей очистки и постройки соответствующих сооружений. В аппаратах с применением воды образуются наросты и кислые жидкости. Существенным недостатком устройств этой группы является вынос частиц жидкости, что отрицательно сказывается на здоровье людей и технологическом оборудовании. Аппараты с применением фильтров обычно очень дорогие, требуют регенерации фильтрующего материала или его замены. Электрофильтры характеризуются обратным взметыванием пыли. Электрофильтры категорически запрещается применять, если пыль обладает взрывчатыми свойствами: эта группа аппаратов требует постоянного квалифицированного ухода.

Комбинированным устройствам присущи недостатки тех пылеочистных аппаратов, которые используются в I, II, III группах. Такая классификация дает возможность с учетом технологии работ выбрать эффективные и экономически более выгодные пылеулавливающие аппараты и способствовать сохранению окружающей среды.

Сухие механические аппараты

Принцип работы пылеосадительных камер основан на использовании силы тяжести при медленном движении пылевого потока в камере. На частицу пыли с одной стороны действует сила воздушного потока, которая заставляет пылинку двигаться вдоль камеры со скоростью:

, (2.3.24)

где L - длина пылеосадительной камеры, м;

— время движения частицы пыли, с.

На частицу пыли действует сила тяжести, заставляя частицу падать в спокойной среде со скоростью, определяемой по формуле (2.3.22). Тогда скорость движения в пылеосадительных камерах будет равна:

, (2.3.25)

где W1 — суммарная скорость движения пылинки в камере, м/с. Используя выражения (2.3.23) и (2.3.24), получим:

(2.3.26)

Тогда время пребывания пылинки в камере определяем из выражения:

или , (2.3.27)

где 1 — время пребывания пылинки в камере, с.

Пропускная способность камеры равна:

(2.3.28)

где Q – пропускная способность камеры, мі/с;

H, L, b – соответственно высота, длина, ширина камеры, м.

Подставив в уравнение (2.30) выражение (2.29), получим:

. (2.3.29)

Таким образом, основными параметрами, определяющими эффективность аппаратов по степени очистки в зависимости от диаметра и плотности вещества частиц (2.3.26), являются высота и длина пылеотстойных камер (2.3.29). Как показывает формула (2.3.25), резкое уменьшение скорости движения воздуха увеличивает эффективность улавливания пыли. При скоростях движения воздуха 0,3 - 0,4 м/с улавливаются частицы пыли диаметром 15-25 мкм. Для уменьшения скорости воздуха до 0,02-0,01 м/с приходится строить камеры большого сечения. Вторым направлением по повышению эффективности улавливания пыли в камерах (рис.2.3.14) является устройство перегородок, лабиринтов, полок и других устройств и приспособлений, устанавливаемых на пути движения запыленного воздуха. Это направление дает возможность более эффективно использовать скорость осаждения W1 за счёт силы тяжести (2.3.26) и использовать эффект оседания и прилипания к поверхности частиц пыли.

Эффективным средством улавливания пыли является циклон (рис.2.3.15.).

Рис. 2.3.15. Схема циклона:

1 – входной патрубок;

2 – дно конической части;

3 – центробежная труба.

Циклон представляет собой цилиндр, в верхнюю часть которого по касательной подводится воздух. Воздушная струя получает вращательные движения, пылевые частички за счет центробежных сил прижимаются к стенкам и по ним опускаются вниз. Коэффициент очистки до 90%, за счет смачивания 95-98%.

Скорость осаждения пылинок (W2) в циклонах с использованием центробежной силы оценивается по равенству центробежной силы запыленного потока (FП. Ц) :

. (2.30)

к стокcовой силе сопротивления газовой среды:

, (2.31)

где m — масса частицы, кг;

W3 — угловая скорость, рад/с;

R — радиус вращения потока, м.

Следовательно, эффективность улавливания пыли зависит от диаметра частиц, угловой скорости и радиуса вращения потока воздуха. Однако эти и другие формулы дают только качественную сторону процесса, так как не учитывают турбулентных скоростей потока.

Центробежные пылеотделители (циклоны) более эффективны, чем пылестойкие камеры, так как циклон с объемом 0,15 м3 имеет производительность 1000 м3/ч. Циклоны различных конструкций (рис.2.3.19) можно ставить на нагнетающий и всасывающий трубопровод.

Cтруя запыленного воздуха поступает из трубопровода в циклон по касательной к его круглому сечению и движется вниз по спирали между наружным кожухом и внутренней выходной трубой. При таком движении на пылинки действуют центробежные силы, отбрасывающие пылинки к стенке, где они укрупняются в агрегаты. С поступательным движением воздуха эти пылинки опускаются в нижний кожух циклона и в приемный бункер. Циклоны эффективны при очистке воздуха от пыли с размером частиц 10 мкм и более. При размере пылинок 5 мкм эффективность работы не превышает уже 50 %, поэтому внутренние стенки циклона увлажняют. Применяют в сочетании с другими способами улавливания пыли. Скорость движения воздуха для эффективной очистки воздуха должна быть не менее 15-18 м/с.

Мультициклоны - это циклоны диаметром 40-200 см; их соединяют параллельно в батареи для очистки больших объемов воздуха. Для очистки воздуха производственных помещений от крупных частиц пыли (30 мкм и более) применяют пылеуловители различных конструкций, основанных на инерционном принципе осаждения (рис.2.3.17.). В этих устройствах запыленный поток воздуха, встречая сопротивление (сопротивление имеет различные конструктивные решения), резко меняет свое направление, а частицы пыли, стремясь сохранить траекторию своего движения, отделяются от газового потока.

Ультразвуковые аппараты предназначаются главным образом для предварительного укрупнения частичек пыли в агрегаты, размеры которых могут достигать 5-100 мкм. Такое укрупнение (коагуляция) частичек пыли позволяет улавливать их в обычных циклонах. Частицы пыли, находясь в ультразвуковом поле, начинают вибрировать с различными скоростями и сталкиваться. При столкновении они слипаются под действием различных по интенсивности и частоте колебаний звукового поля. Этот процесс называется ортокинетической коагуляцией.

Отметим, что недостатком ультразвуковых установок является вредное воздействие ультразвука на организм человека при больших мощностях, представляющее опасность для жизни людей. Поэтому ультразвуковые аппараты устанавливают в изолированных помещениях, полностью преграждающих выход ультразвуковым волнам в зону работы людей.

Принцип действия мокрых пылеуловителей основан на явлениях, которые В барботажных и пенных аппаратах газ проходит через слой жидкости. Скрубберы, где газ проходит через слой жидкости, в зависимости от подвода воды по отношению к газу, делятся на прямоточные, противоточные и поперечным подводом воды. По скорости газового потока мокрые пылеуловители делятся на скоростные или турбулентные (при прохождении газа через трубы Вентури, где при скоростях 100-150 м/с наблюдаются турбулентные пульсации) и аппараты с небольшой скоростью истечения газа (полые и насадочные скрубберы).