Глава 3. Защита атмосферы

§ 13. Параметры процесса пылеулавливания

Основные меры защиты атмосферы от загрязнений промышленными пылями и туманами предусматривают широкое использование пыле- и туманоулавливающих аппаратов и систем. Исходя из современной классификации пылеулавливающих систем, основанной на принципиальных особенностях процесса очистки, пылеочистное оборудование можно разделить на четыре группы: сухие пылеуловители, мокрые пылеуловители, электрофильтры и фильтры. Пылеуловители различных типов, и том числе и электрофильтры, применяют при повышенных концентрациях примесей в воздухе. Фильтры используются для тонкой очистки воздуха с концентрациями примесей менее 100 мг/м³. Если требуется тонкая очистка воздуха при высоких начальных концентрациях примесей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров.

Процесс очистки газов от твердых и капельных примесей в различных аппаратах характеризуется рядом параметров, в том числе общей эффективностью очистки:

η=(С_вх-С_вых)/С_вх, (2)

где С_вх и С_вых - массовые концентрации примесей в газе до и после пылеуловителя (фильтра).

Если очистка ведется в системе последовательно соединенных аппаратов, то общая эффективность очистки

η=1-(1-η₁)(1-η₂)...(1-η_n),

где η₁, η₂, ..., η_n - эффективность очистки 1-го, 2-го и n-го аппаратов.

В ряде случаев используется понятие фракционной эффективности очистки:

η_i=(С_вхi-С_выхi)/С_вхi

где С_вхi и С_выхi - массовые концентрации i-и фракции загрязнителя до и после пылеуловителя.

Для оценки эффективности процесса очистки также используется коэффициент проскока К частиц через пылеуловитель:

К=С_вых/C_вх, (3)

Как следует из формул (2) и (3), коэффициент проскока и эффективность очистки связаны соотношением К=1-η.

Гидравлическое сопротивление пылеуловителей Ар определяется как разность давлений воздушного потока на входе рвх и выходе рвых из аппарата. Величина Ар находится экспериментально или рассчитывается по формуле

Δр=р_вх-р_вых=ζρω²/2, (4)

где ρ и ω - плотность и скорость воздуха в расчетном сечении аппарата; ζ - коэффициент гидравлического сопротивления.

Величина гидравлического сопротивления имеет большое значение для расчета гидравлического сопротивления всей пневмосистемы и определяет мощность привода устройства для подачи воздуха к пылеуловителю. Если в процессе очистки гидравлическое сопротивление пылеуловителя изменяется (обычно увеличивается), то необходимо регламентировать его начальное р_нач и конечное значение р_кон. При достижении р=р_кон процесс очистки нужно прекратить и провести регенерацию (очистку) пылеулавливающего устройства. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение для фильтров.

Удельная пылеемкость N пылеуловителей или фильтров зависит от количества пыли, которое удерживает пылеуловитель за период непрерывной работы между двумя очередными регенерациями. Применительно к фильтрам удельная пылеемкость оценивается как масса осадка, приходящаяся на единицу площади рабочей поверхности фильтрующего элемента, и измеряется в г/м². Удельная пылеемкость используется в расчетах продолжительности работы фильтра т между регенерациями: τ=(N_допF_ф)/(ηQ_VC_вх), где N_доп - допустимая удельная пылеемкость, г/м²; Q_V - объемный расход воздуха через фильтрующий элемент, м³/ч; F_ф - площадь фильтрования фильтрующего элемента, м².

При сравнительной оценке задерживающей способности пылеуловителей и фильтров различных типов кроме общей и фракционной эффективности очистки используют понятие «медианной d₅₀ тонкости очистки». Она определяется размером частиц, для которых эффективность осаждения частиц в пылеуловителе составляет 0,50.

При описании процессов фильтрации дополнительно к рассмотренным используют следующие параметры. Пористость фильтрующего элемента П определяется отношением объема пустот V_п к полному объему пористого фильтра V:П=V_п/V; скорость фильтрации ω_ф, равная отношению объемного расхода фильтруемого газа к площади фильтрования, ω_ф=Q_V/F_ф. Скорость фильтрации позволяет оценить удельную массовую пропускную способность фильтрующих материалов, которая численно равна произведению ρω_ф, где ρ - плотность фильтруемого газа. Для оценки скорости движения газа непосредственно в порах фильтроэлемента используют понятие скорости в порах ω_п, которая связана со скоростью фильтрации соотношением ω_п=ω_ф/П.

В процессах пылеулавливания весьма важное значение имеют физико-химические характеристики пылей и туманов, такие, как дисперсный (фракционный) состав, плотность, адгезионные свойства, смачиваемость, электрическая заряженность частиц, удельное сопротивление слоев частиц и др. Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата или фильтра необходимы прежде всего сведения о дисперсном составе пылей и туманов.

Результаты определения дисперсного состава пыли обычно представляют в виде зависимости массовых (иногда счетных) фракций частиц от их размера. Под фракцией понимают массовые (счетные) доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц. Распределения частиц примесей по размерам могут быть различными, однако на практике они часто удовлетворительно согласуются с логарифмическим нормальным законом распределения Гаусса (ЛНР). В интегральной форме это распределение описывается формулой

М(dч)=100/lg σч √2π ∫lgdч-∞ e-у2/2dу

где М(d_ч) - относительная доля частиц размером менее d_ч; d_m - медианный размер частиц, при котором доли частиц размером более и менее d_m равны; lg σ_ч - среднеквадратичное отклонение в функции ЛНР. Графики ЛНР частиц обычно строят в вероятностно-логарифмической системе координат, текущий размер частиц откладывают на оси абсцисс, а на оси ординат - относительную долю частиц с размерами меньше d_ч. Шкала оси абсцисс представляет собой логарифм диаметра частиц, а шкала оси ординат строится путем вычисления каждого из значений шкалы по уравнению

100-М(dч)=100/√2π ∫^у_-∞ e^-у2/2dу

где у=lg(dч/dm)/lgσ_ч. Цифровые значения этой функции затабулированы и в сокращенном виде приведены ниже:

Если в этой системе координат интегральное распределение частиц по размерам описывается прямой линией, то данное распределение подчиняется ЛНР. В этом случае d_m находят как абсциссу точки графика, ордината которой равна 50%, a lg σ_ч - из уравнения lgσ 4_ч=lgd_84,1 - lgd_m. Для характеристики пылей и сравнения их между собой достаточно иметь два параметра: dm и lg σ_ч. Значение d_m дает средний размер частиц, a lg σ_ч - степень полидисперсности пыли. Ниже приведены значения d_m и lg σ_ч для некоторых пылей:

Важным параметром пыли является ее плотность. Различают истинную и кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плотность слоя пыли. Кажущаяся плотность частицы представляет собой отношение ее массы к объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности численно совпадает с истинной плотностью. Насыпная плотность слоя пыли равна отношению массы слоя к его объему и зависит не только от пористости частиц пыли, но и от процесса формирования пылевого слоя. Насыпная плотность слежавшейся пыли примерно в 1,2-1,5 раза больше, чем у свеженасыпанной. Насыпная плотность слоя необходима для вычисления объема, который занимает пыль в бункерах.

Адгезионные свойства пылей определяют склонность частиц пыли к слипаемости, которая влияет на эксплуатационные параметры пылеуловителей. Чем выше слипаемость пыли, тем больше вероятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и налипания пыли на газоходах. Слипаемость пыли значительно возрастает при ее увлажнении.

Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пылеуловителей, а электрическая заряженность частиц - на их поведение в пылеуловителях и газоходах.

К общим параметрам пылеуловителей относятся их производительность по очищаемому газу и энергоемкость, определяемая величиной затрат энергии на очистку 1000 м³ газа.