ТЕХНИКА И
ТЕХНОЛОГИЯ
ЗАЩИТЫ
ВОЗДУШНОЙ
СРЕДЫ
Допущено
Министерством образования
Российской Федерации в качестве
учебного пособия для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям
подготовки и специальностям
в области техники и технологии
Москва
«Высшая школа»
2005

ВВЕДЕНИЕ
Среди проблем защиты окружающей среды наиболее актуальной
проблемой является охрана воздушного бассейна, так как загрязненный
воздух является основным фактором, обусловливающим экологическую
обстановку. Охрана воздушной среды от загрязнений промышленными
выбросами является важнейшей социальной и общественной задачей,
входящей в комплекс задач глобальной проблемы охраны природы и
улучшения использования природных ресурсов.
Ежегодно в мире в атмосферный воздух поступает более 200 млн т
оксида углерода, до 150 млн тдиоксида серы (сернистого газа), свыше 50 млн т
оксида азота, более 50 млн т различных углеводородов, более 250 млн т
мелкодисперсных аэрозолей и т. д. Известно, что загрязнение воздуха
промышленными выбросами наносит значительный материальный ущерб
народному хозяйству и приводит к увеличению заболеваемости населения.
Под влиянием загрязненного атмосферного воздуха гибнут целые зеленые
массивы. Так, специалисты-лесоводы подсчитали, что в Европе за счет
загрязненного воздуха на 40% сократились площади, занятые хвойными
деревьями. Под действием солнечных лучей и при участии озона возникают
пока неизвестные реакции, приводящие к образованию еще более
токсичных соединений.
Несмотря на произошедшее в 90-х годах XX века существенное
сокращение промышленных выбросов и уменьшение концентраций
соответствующих загрязняющих веществ в атмосферном воздухе многих городов,
уровень его загрязнения остается недопустимо высоким. В 2002 г.
насчитывалось 200 городов с общим населением 65,4 млн человек, в которых
средние за год концентрации одной или нескольких примесей превышали
ПДК. Максимальные концентрации загрязняющих веществ превысили 10
ПДК в 48 городах с населением 21 млн человек. Проблему загрязнения
атмосферы в городах определяют главным образом высокие концентрации
бенз(а)пирена, взвешенных веществ, диоксида азота, сероуглерода и
формальдегида. В 2002 г. концентрации бенз(а)пирена превышали ПДК в
157 городах, формальдегида — в 117, диоксида азота — в 103, взвешенных
веществ — в 69 городах.
Принимая во внимание начавшийся в конце 90-х годов рост
производства и увеличение выбросов загрязняющих веществ предприятиями
газовой и угольной промышленности, черной и цветной металлургии, хими-
3

ческой и нефтехимической промышленности, лесной,
деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, промышленности
строительных материалов и легкой промышленности, а также ожидаемый
значительный рост выбросов от теплоэнергетики в связи с планируемым
переводом нескольких десятков крупных ТЭС и ГРЭС с экологически чистого
топлива — природного газа — на уголь и мазут, следует ожидать
значительного ухудшения качества атмосферного воздуха, роста заболеваемости и
смертности населения, вызываемых этим фактором.
Проблемы защиты атмосферы составляют обширную область на стыке
наук. Они включают как общие задачи химической технологии,
машиностроения и метрологии, так и вопросы, решением которых смогут
заниматься узкие специалисты — математики, физики, электротехники, врачи,
гигиенисты и т. д. Наиболее эффективным методом защиты атмосферы от
загрязнения вредными веществами является разработка новых
безотходных ресурсо- и энергосберегающих технологических процессов с
замкнутыми производственными циклами, исключающими или резко
снижающими выброс вредных веществ в атмосферу. Однако не всегда удается
разработать экономически выгодные безотходные технологические
процессы с полной или комплексной переработкой сырья. Поэтому на
современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка
выбросов остается основным мероприятием по защите воздушного бассейна
от загрязнения.
Для качественного решения этой проблемы необходимо рассмотреть
весь комплекс вопросов, связанных с загрязнением воздуха: виды
загрязнений атмосферы и их свойства, нормирование качества воздуха и
выбросов, принципы образования загрязняющих веществ и влияние отдельных
отраслей промышленности на атмосферу, поведение выбросов в
атмосфере, физические и химические процессы, лежащие в основе процессов
очистки выбросов, правовые и организационные вопросы организации
защиты атмосферы, конструкция газоочистного оборудования и разработка
технологии газоочистки, утилизация уловленного продукта.
Это и является предметом предлагаемого учебного пособия. При этом
особое внимание уделяется всестороннему анализу и оптимизации
действующих газоочистных установок с учетом внедрения новых
перспективных разработок и технологий, порядку расчета газоочистного
оборудования и проблемам, возникающим в связи с этим.

1. ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
1.1. АТМОСФЕРА-ОСНОВА ЖИЗНИ
Строение атмосферы Земли. Обычно под термином «атмосфера»
понимают слой воздуха, окружающий Землю. Примерно 4,5-5 млрд лет назад
атмосфера Земли имела состав, близкий к составу вулканических
выбросов, состоящих в основном из водяного пара, диоксида углерода и азота.
В процессе охлаждения Земли кора ее постепенно затвердела. Возникшие
сильные дожди в значительной степени вымыли из атмосферы
углекислый газ и образовали гидросферу Земли, постепенно приобретшую
уникальные условия, необходимые для зарождения жизни. Кислород,
содержащийся ныне в атмосфере, имел совершенно иной источник
происхождения, а именно — зеленые растения.
Возникшие в гидросфере более 3 млрд лет назад обособленные
химические реакции, черпающие энергию из окружающей среды, в результате
своей эволюции, сопровождающейся естественным отбором, постепенно
образовали простейшие клетки, способные к фотосинтезу. Питаясь
растворенными в воде химическими веществами, используя солнечную энергию
и диоксид углерода для синтеза органических соединений, эти организмы
выделяли кислород. С появлением в атмосфере кислорода началась новая
эра в истории Земли (рис. 1.1).
В настоящее время основными компонентами атмосферы являются
азот, кислород, вода, аргон (табл. 1.1). Суммарная масса земной
атмосферы составляет 5,3-1018 кг.
Компоненты атмосферы далеко не равномерно распределены в ней.
Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон,
располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры
(рис. 1.2). Около 95% массы воздуха приходится на внутренний слой —
тропосферу, простирающуюся вверх над поверхностью Земли примерно на 17 км.
С увеличением высоты температура в тропосфере понижается.
Огромные массы воздуха в тропосфере находятся в постоянном
движении, так как нагретый солнцем воздух поднимается и замещается
холодным. Физические процессы, вызывающие эти перемещения воздуха в
тропосфере, являются ключевыми факторами, определяющими земные климат
5

Эволюция ; Эволюция
фотосинтезирую- ! т наземных
щих организмов <| растений и
^W животных
—— Миллионы лет назад Эпоха
«каменноугольных» лесных массивов
Эпоха Первые
динозавров люди
Рис. 1.1. Эволюция атмосферы Земли
90
80
70
60
3
М 40
30
20
10
0
Мезосфера
I Предел нагрева благодаря]
озону
Стратосфера
Озоновый слой
Предел нагрева от Земли
Тропосфера
55
50
45
40
35 |
30 g
о
25 Я
и
20
-\
Горизонтальная
циркуляция
Уровень моря -ЮО —80 —60 —40 —20
Температура, °С
Рис. 1.2. Атмосфера Земли
Общая
циркуляция
воздуха

и погоду. Они также влияют на типы и распределение вредных химических
веществ в тропосфере.
Второй слой атмосферы, располагающийся на высоте от 17 до 48 км,
называется стратосферой (рис. 1.2). Температура в этом слое сначала остается
постоянной, а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере
сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это
обстоятельство обусловливает такое повышение температуры. Дело в том, что озон
поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев стратосферы.
Озоновый слой содержит небольшое количество газообразного озона (03),
который отфильтровывает около 99% поступающей вредной
ультрафиолетовой (УФ) радиации. Поглощая высокоэнергетическую УФ радиацию,
стратосферный озон предохраняет также большую часть кислорода в тропосфере
от превращения в озон. Ничтожное количество озона, которое формируется
в тропосфере как компонент городского смога, губительно действует на
растения, дыхательную систему людей и других животных, атакже натакие
материалы, как резина. Таким образом, наше здоровье зависит от наличия
необходимого количества «хорошего» озона в стратосфере и от отсутствия «плохого»
озона в тропосфере.
На высоте более 50 км начинается мезосфера — зона, где температура
опять понижается.
Практически все компоненты атмосферы содержатся в тропосфере,
стратосфере и мезосфере в одинаковых соотношениях. Однако
атмосферное давление с высотой уменьшается, т. е. воздух по мере роста высоты
становится все разреженнее.
Состав, температура и способность к самоочищению земной
атмосферы меняется с момента формирования планеты. Миллионы лет в
атмосферу поступали дым и другие загрязняющие вещества в результате
извержений вулканов, природных пожаров и пыльных бурь. Но биосфера
способна удалять, ассимилировать и рециклизировать эти естественные
Таблица 1.1
Средний газовый состав природной атмосферы (в сухом воздухе)
Основные газовые компоненты
Азот N2
Кислород О,
Вода Н,0
Аргон Аг
Итого: основные компоненты
В сухом воздухе
%
(по объему)
78,09
20,94
-
0,93
99,96
гм-3
895
274
-
15,2
%
(по массе)
75,54
23,13
-
1,28
99,95
Во влажном воздухе
%
(по объему)
75,65
20,29
3,12
0,9
99,96
ГМ"3
867
265
23
14,7
%
(по массе)
74,08
22,64
1,97
1,26
99,95
Суммарное содержание прочих газовых составляющих — 0,04-0,05%, т. е. 400-500 ррт
7

загрязнители. Они рассеиваются в атмосфере, затем оседают или
выпадают с осадками на землю, а почвенные микроорганизмы преобразуют
ядовитые газы в безвредные соединения. Таким образом, концентрация
естественных загрязняющих веществ поддерживается гораздо ниже порогового
уровня; редкие исключения, например, ближайшие окрестности
извергающихся вулканов.
Однако в течение последних двух столетий, и особенно за последние
пятьдесят лет, атмосфера претерпела максимальные изменения,
обусловленные деятельностью человека, прежде всего внесением в ее состав
загрязняющих веществ.
В общем плане концепция загрязнения атмосферы включает
значительное число действий и явлений, ведущих к ухудшению исходного,
природного качества ее. В Российской Федерации под загрязнением
атмосферы понимается изменение состава атмосферы в результате наличия в
ней примесей (ГОСТ 17.2.1.04-77). В более узком смысле, загрязнение
атмосферы понимается как выброс твердых, жидких и газообразных
загрязняющих веществ. Так, в ФРГ загрязнением атмосферы считается прямое
или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве,
которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред
людям, живой и неживой природе, экосистемам, строительным материалам,
природным ресурсам — всей окружающей среде. Загрязняющие
вещества — это те, которые оказывают отрицательное воздействие на
окружающую среду либо непосредственно после химических изменений в
атмосфере, либо в сочетании с другими веществами.
Таблица 1 .2
Классификация загрязнения атмосферы
Проблема
Глобальная

Континентальная

Государственная

Промышленного
конгломерата
Города
Локальная
Масштаб
по региону
Глобальный

Континентальный

Государственный
Обширный район
Малая зона
Городской

Непосредственное окружение
источника
по высоте
Атмосфера
Стратосфера
Тропосфера
Нижний слой
до 500-1500 м
Высота
дымовой трубы
по времени
Десятилетия
Годы
Месяцы
Недели
Дни
Часы
Компетенция
организаций

Международных

Государственных
Региональных
8

Загрязнение атмосферы — это не одна, а множество примесей к
основным компонентам воздуха. Более того, количество каждого конкретного
загрязнителя сильно варьирует в зависимости от расстояния до его источника,
направления ветра и погодных условий. Таким образом, состав и
концентрация смеси, воздействию которой мы подвергаемся, меняются изо дня в
день, каждый час и от места к месту. Это означает, что последствия
практически никогда не вызываются единственным загрязнителем. Все они —
результат комбинированного воздействия целой смеси загрязнителей.
В табл. 1.2 дана классификация загрязнения атмосферы и
возникающих при этом проблем в зависимости от высоты, расстояния и времени.
Как видно, динамическое загрязнение атмосферы происходит главным
образом в нижних слоях ее, а долговременные изменения вследствие
загрязнений воздействуют на всю земную атмосферу.
При оценке загрязнения атмосферы важен также период времени, в
течение которого загрязняющие вещества сохраняются в ней. В табл. 1.3
приведено среднее время жизни некоторых веществ в атмосфере.
Таблица 1 .3
Время пребывания в атмосфере некоторых веществ
Элемент или соединение
Гелий
Азот
Кислород
ФреоныХФУ-11,ХФУ-12
Диоксид углерода
Водород
Метан
Оксид азота
Озон
Оксид углерода
Оксид азота
Вода
Сульфат ион
Оксид азота
Аммиак
Ион аммония
Нитрат ион
Диоксид серы
Сероводород
Не
N2
о2
CFC13, CF2C12
со2
н2
сн4
N02
03
СО
N0
н2о
so4-
N04
NH3
NH4+
N03"
so2
H2S
Органический углерод (за исключением связанного в СН4
| и галогенуглероды)
Среднее время пребывания
в атмосфере
107лет
106-2-107лет
5-103-104лет
70-100 лет
5—Шлет
4-8 лет
4-7 лет
2,5-4 года
0,3—2 года
0,2-0,5 лет
8-11 суток
10 суток
10 суток
9 суток
5-6 суток
6 суток
5 суток
2-4 суток
0,5-4 суток
1 сутки
9

Последствия загрязнения атмосферы
Влияние на здоровье людей. Дыхательная система человека имеет ряд
механизмов, помогающих защитить организм от воздействия
загрязнителей воздуха. Но воздействие загрязнителей воздуха может перегрузить или
разрушить эти естественные защитные механизмы, вызвав множество
болезней дыхательной системы, таких как рак легких, хронические бронхиты
и эмфизема легких, или способствуя развитию этих болезней. Пожилые
люди, дети, беременные женщины и люди, страдающие болезнями
сердца, астмой или другими респираторными заболеваниями, особенно
чувствительны к загрязнению воздуха.
Организм человека, так же
как и большинство живых
организмов, способен без вреда для
себя переносить присутствие
определенного количества
загрязняющих веществ.
Содержание их, ниже которого
болезненные реакции не наблюдаются,
называют пороговым уровнем.
При больших количествах
проявляются последствия для
здоровья. Они зависят как от
концентрации вещества, так и от
длительности его воздействия
(экспозиции). При короткой
экспозиции переносимы более высокие уровни загрязнителей, т. е.
пороговые для них значения могут быть выше при коротком воздействии и
понижаться при более длительном (рис. 1.3).
В периоды, когда загрязнение достигает высокого уровня, многие люди
жалуются на головные боли, раздражения глаз и носоглотки, тошноту и
общее плохое самочувствие. Присутствие взвеси кислоты, главным образом
серной, коррелирует с учащением приступов астмы, а из-за угарного газа
возникают ослабление мыслительной деятельности, сонливость и головные
боли. С высокими уровнями аэрозолей, действующими в течение
длительного времени, связывают респираторные заболевания и рак легких.
Среди тяжелых металлов, а также органических веществ,
загрязняющих воздух, многие в высоких дозах канцерогенны. Обычно считается, что
их следовые количества в атмосфере — причина значительной доли
раковых заболеваний у людей.
Влияние на растительность. Растения гораздо чувствительнее к
загазованности воздуха, чем люди. Это касается как сельскохозяйственных
культур, так и дикорастущих видов,
ю
Время экспозиции, ч
Рис. 1.3. Пороговый уровень загрязнителя

Постоянное воздействие загрязнителей воздуха препятствует
фотосинтезу и росту растений, поглощению питательных веществ и приводит к
тому, что листья и хвоя желтеют и опадают. Хвойные деревья, особенно на
больших высотах, очень чувствительны к воздействию загрязнителей
воздуха вследствие большой продолжительности жизни и круглосуточного
воздействия загрязненного воздуха на их иглы.
Кроме того леса, испытывающие воздействие загрязнителей,
становятся более чувствительными к поражению насекомыми и патогенами.
Например, гибель сосен желтой и Жеффрея в США вызывают в основном
сосновые жуки-лубоеды, поселяющиеся на ослабленных деревьях. Даже
обычно безобидные насекомые в сочетании с угнетением, обусловленным
загрязнением, могут стать смертельно опасными.
Даже если не произойдет катастрофического отмирания
растительности, снижение первичной продуктивности, безусловно, должно сказаться
на остальной экосистеме, в том числе и на почвах. Когда чувствительные
виды гибнут, их место в ходе экологической сукцессии занимают более
устойчивые.
В чистом воздухе растения вырастают значительно крупнее, чем в
загрязненном. Это свидетельствует о том, что существующие уровни
загрязнения подавляют их рост без очевидных признаков повреждений или
отклонения от нормы. Так, по некоторым данным, урожайность без
загрязнения озоном повышается: у кукурузы — на 3%, у пшеницы — на
8%, у сои — на 17%, у арахиса — на 30%.
Следует отметить, что ответные реакции растений на действие
загрязнителей, используются при интегральной оценке качества среды —
биотестировании.
Влияние на материалы. Стены, окна и другие поверхности становятся
серыми и грязными, когда на них оседают взвеси. Краски и облицовочные
материалы быстрее стареют. Без соответствующего ухода и покраски
такие материалы, как железо и сталь, используемые для изготовления
железнодорожных рельсов, опор мостов и эстакад, корродируют и теряют
прочность из-за загрязнения воздуха. Различные загрязнители воздуха
ухудшают качество кожи, резины, бумаги, краски и ткани, особенно
тканей из хлопка, вискозы и нейлона. Бесценные мраморные статуи,
исторические здания и витражи во всем мире подвергаются пагубному
воздействию загрязненного воздуха (кислотные дожди).
Кроме того, ясное синее небо и хорошая видимость вместо завесы смога
имеют свою эстетическую ценность и психологическое значение.
Глобальные экологические проблемы, обусловленные загрязнением
атмосферы. Важнейшие глобальные экологические проблемы, связанные с
загрязнением воздуха, представлены ниже.
и

Разрушение озонового слоя Земли. Озоновый слой защищает от
агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения поверхность Земли. Этот
слой расположен на высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации от
18 до 30 км. Содержание озона в атмосфере очень мало — менее 4- Ю-6 %. Для
сравнения можно привести следующий пример: количество озона
атмосферы эквивалентно сплошному слою этого газа вокруг Земли, расположенного
на этой же высоте, с толщиной слоя менее одного сантиметра.
Современная промышленность наряду с другими негативными
воздействиями на атмосферу своими выбросами воздействует и на эту
компоненту атмосферы, что проявляется в сокращении общего количества озона
атмосферы. В результате происходит уменьшение толщины озонового слоя
над отдельными территориями (и даже континентами), что в итоге
отражается на здоровье населения. В соответствии с официальными данными
ООН, сокращение озонного слоя на 1% означает появление во всем мире
100 тыс. новых случаев катаракты глаз и 10 тыс. случаев рака. С этим
явлением связывают и рост легочных, иммунных, аллергических и других
заболеваний. Кроме этого, уменьшение в атмосфере озона приводит к
усилению «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почвы.
Озон — едкий, ядовитый газ. В нижних слоях атмосферы он является
серьезным загрязнителем. Однако благодаря тому, что нижние слои
атмосферы и стратосфера не перемешиваются, озон как загрязнитель в
нижних слоях атмосферы и как существенный компонент стратосферы — с
практической точки зрения совершенно разные вещи. Озон в
стратосфере — это продукт воздействия самого ультрафиолета на молекулы
кислорода (02). В результате некоторые из них распадаются на свободные
атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода
с образованием озона (03). Однако весь кислород не превращается в озон,
так как свободные атомы кислорода (О), реагируя с молекулами озона, дают
две молекулы кислорода (02). Таким образом, количество озона в
стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между
этими двумя реакциями.
Сегодня известно более ста реакций, влияющих на концентрацию
озона в атмосфере. Наиболее эффективным катализатором разрушения озона
оказался атом хлора, возможность влияния которого на озоновый слой
выявилась еще в 70-е годы прошлого столетия. А люди невольно поставляют
такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов
хлора являются хлорфторуглероды (фреоны), т. е. обыкновенные
углеводородные молекулы, в которых некоторые атомы водорода замещены хлором
и фтором. Эти газы нашли широкое применение в промышленности.
Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения
вещества, поскольку очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны.
Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает
12

их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в
тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на
высоте 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно
25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются
интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на
меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.
Озон образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезос-
феры в результате протекающих реакций:
hv
240 нм
02 = 0 + 0
02+0 = 03
Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной
атмосфере согласно реакциям:
hv
380 нм
03 = 02 + 0
03+0 = 202
Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена, являющийся
одним из основных процессов разрушения озона. В этот процесс
включаются и другие озоноразрушающие вещества, например, те же самые фрео-
ны (ХФУ). Разрушаясь под действием жесткого ультрафиолета, ХФУ
выделяют в стратосферу атомарный хлор, который включается в реакцию с
озоном, разрушает его и восстанавливается до атомарного хлора:
С1 + 03 = СЮ + 02
СЮ + О = С1 + 02
Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает
каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора
способен разрушить до 100 000 молекул озона.
Поскольку в атмосферу выбрасываются тонны хлорфторуглеродов,
то этот процесс может привести к накоплению этих веществ в
стратосфере в концентрации, достаточной для серьезных повреждений
озонового экрана.
За последние годы содержание озона, поглощающего ультрафиолет,
уменьшилось на 3-8%. Слово «озоновая дыра» звучит как сигнал
общественной тревоги. Абсолютный минимум содержания озона обнаружен над
Санкт-Петербургом — 45%, над Антарктидой — 50% ниже нормы.
В соответствии с Монреальским протоколом 1987 г., к концу 1994 г.
необходимо было снизить производство ХФУ на 20%, а к 1999 г. — еще на
30%. В 1990 г. была достигнута договоренность о полном прекращении
производства ХФУ к 2000 г. Однако модельные научные оценки показывают,
что снижение содержания ХФУ начнется лишь в начале XXI века.
13

Необходимо отметить, что в последнее время появилось множество
других гипотез, объясняющих причину уменьшения озонового слоя Земли и
появления озоновых дыр. Однако официально признанной версией
является «фреоновая».
Кислотные осадки. Уже более ста лет кислотные осадки признаются
серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их
влияние на экосистемы было отмечено только в 50-х годах XX века, когда
рыбаки заметили резкое сокращение популяции рыбы во многих озерах
Швеции, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк).
В поисках причины этого были предложены разнообразные гипотезы.
Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности
воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех
пор, по мере распространения экологического ущерба, выяснились
различные пути разрушительного влияния осадков на экосистемы.
Кислотными называют любые осадки — дожди, туманы, снег, для
которых водородный показатель рН < 5,6. К ним также относят выпадение
из атмосферы сухих кислых частиц, иногда называемых кислотными
отложениями. По существу, кислотный дождь представляет собой следствие
взаимного воздействия друг на друга различных сфер Земли (атмосферы,
гидросферы, литосферы, биосферы и т. д.).
Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и
попавших туда естественным путем микроэлементов, осадки могут быть
кислыми и без воздействия человека (рН = 5,6), т. е. существует
«естественный кислотный дождь». Деятельность же человека накладывается на
естественный «базис». Проблема возникает из-за того, что эмиссия
загрязняющих среду веществ ограничена относительно узкой территорией. Большая
часть загрязняющих веществ высвобождается над наиболее
загрязненными территориями Европы и Северной Америки, что составляет примерно
5% суши. Кое-где искусственная эмиссия в 5-20 раз превышает
естественную. В этих районах, простирающихся на сотни и тысячи километров,
окружающая среда уже не может выдерживать дополнительных нагрузок, не
изменяясь.
Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной
и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из
них и на одну треть — второй. Присутствие в этих формулах серы и азота
показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух.
К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере и
определяющим кислотность, относятся диоксид серы, серооксид
углерода, сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. К наиболее важным
соединениям азота относятся: оксиды азота, аммиак, азотная кислота. В
целом, количество естественных и искусственных выбросов соединений азота
приблизительно одинаково, однако последние, так же как и выбросы со-
14

единений серы, подвергаются меньшему разбавлению и
сосредоточиваются на ограниченных территориях Земли.
Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и
оксидов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую
очередь с работой тепловых электростанций, транспорта и промышленных
предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена
диоксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух
топливными тепловыми электростанциями, их работой объясняется более 50%
кислотных осадков.
Влияние кислотных осадков на окружающую среду проявляется в
следующем.
1. Влияние на водные экосистемы.
Значение рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит
деятельность почти всех ферментов, гормонов и других белков,
регулирующих метаболизм, рост и развитие в организмах водных живых существ.
2. Влияние на леса.
Кислотные осадки, как и озон, являются одной из важнейших причин
деградации растительности, и в первую очередь лесов. Обнаружены
следующие пути влияния кислотных осадков на растительность:
— нарушение их защитной поверхности при прямом контакте.
Кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая
растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других
патогенных организмов;
— вымывание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют ионы
биогенов с частиц почвы и гумуса;
— концентрирование алюминия и других токсичных элементов.
Токсичные элементы, в том числе алюминий, ртуть и свинец,
могут концентрироваться при подкислении среды.
3. Влияние на людей и изделия.
С точки зрения неспециалиста, одно из наиболее ощутимых
последствий кислотных осадков — разрушение произведений искусства.
Известняк и мрамор — излюбленные материалы для оформления фасадов
зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известняка
приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и
здания, простоявшие сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными
изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.
Глобальное потепление. Световая энергия, проникающая сквозь
атмосферу, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в тепловую
энергию и вьщеляется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый
газ и некоторые другие газы, называемые парниковыми (метан, хлорфтор-
углероды, оксид азота), в отличие от других природных компонентов
атмосферы вторично поглощают инфракрасное излучение земной поверх-
15

ности. При этом они нагреваются и в свою очередь нагревают атмосферу в
целом. Значит, чем больше в ней парниковых газов, тем больше
инфракрасных лучей будет поглощено, тем теплее она станет.
Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются
концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03%. При этом
содержание углекислого газа в воздухе в естественных условиях (без
антропогенного добавления его в атмосферу) поддерживалось на одном уровне,
так как его поступление в атмосферу за счет дыхания и горения и
вулканических выбросов в среднем равнялось его поглощению из атмосферы фото-
синтезирующими растениями.
В настоящее время это равновесие нарушено. Интенсивно уничтожая
леса и используя ископаемое топливо, человечество включило
одновременно два мощнейших процесса, способствующих быстрому росту
концентрации атмосферного углекислого газа. При сжигании ископаемого
топлива масса выделяемого углекислого газа утраивается, поскольку каждый атом
углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ
присоединяет два атома кислорода. Каждый год сжигается около 2 млрд т
ископаемого топлива, значит, в атмосферу поступает почти 5,5 млрд т
углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд т его поступает за счет сведения
лесов и окисления органического вещества почвы — гумуса.
В результате концентрация углекислого газа в атмосфере, составлявшая
в начале XX в. около 0,029%, к настоящему времени достигла 0,035%, т. е.
выросла на 28%. По оценкам МГЭИК (Межправительственной группы
экспертов по изменению климата) предполагается, что если не будет принято
каких-либо мер по сокращению эмиссии, будет удвоение содержания С02 к
2060-2080 гг. При этом может произойти повышение средней глобальной
температуры приземной атмосферы примерно от 1,5 до 4,5 °С, что вызовет
подъем уровня океана по разным оценкам от 0,3 до 1 м. Это повышение
температуры будет неравномерным: в два раза ниже в тропиках и в два раза
выше в высоких широтах. Значительные разногласия возникают по вопросу
о том, к чему приведет это потепление. Однако саму возможность
потепления никто не отрицает.
Другие парниковые газы (метан, хлорфторуглероды (ХФУ) и оксиды
азота) поглощают инфракрасное излучение в 50-100 раз интенсивнее, чем
углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе
значительно ниже, они также могут значительно влиять на температурный режим
планеты.
В настоящее время ожидаемыми последствиями потепления считаются:
— затопление обширных густонаселенных зон и образование
миллионов экологических беженцев;
— более сильное потепление на полюсах вызовет ослабление
циркуляции атмосферы, что изменит распределение осадков — увеличение
16

их количества в Северной Африке и уменьшение — в Северной
Америке;
— виды флоры и фауны не будут успевать адаптироваться к быстро
меняющимся климатическим условиям.
— изменение привычного климата на климат более неустойчивый, что
нанесет вред сельскому хозяйству многих стран мира и
неблагоприятно скажется на здоровье населения этих стран.
В 1992 г. в Рио-де-Жанейро мировое сообщество приняло Конвенцию
об изменении климата. Цель — добиться такой стабилизации выброса
парниковых газов, чтобы не допускалось опасного воздействия на
климатическую систему. Страны договорились к 2000 г. стабилизировать эмиссию
парниковых газов на уровне 1990 г. (по всему миру выброс углерода
составлял 6 гигатонн в год). Конвенция вступила в действие в 1994 г.
В 1997 г. в Киото состоялась международная конференция стран —
участников Конвенции ООН об изменении климата. Результаты
пятилетней борьбы с парниковыми газами оказались плачевными. США
планирует достичь уровня эмиссии лишь к 2008 г. Причем на долю США
приходится 25% от всего выброса углекислого газа и стабилизация его выброса
обойдется в 9 млрд долларов. В Канаде за пять лет выбросы парниковых
газов увеличились на 15%. В Японии за 1996 г. эмиссия выросла на 8,3%.
Внутри Евросоюза ситуация также неоднозначна. Если в Люксембурге,
Германии, Дании, Нидерландах и Великобритании выбросы уменьшились,
то Португалия, Греция, Испания и Швеция, наоборот, намерены их
увеличить. Китай, Индия и другие развивающиеся страны, ссылаясь на
бедность, не принимали и не принимают на себя каких-либо обязательств,
несмотря на то, что одной из первых от потепления может пострадать
именно Индия. Итоговый протокол зафиксировал обязательства стран ЕС
сократить к 2010 г. выбросы на 8% по сравнению с 1990 г. США оговорили
для себя рубеж в 7% и Япония — в 6%. В США сразу же охарактеризовали
данное обязательство как политически неприемлемое, угрожающее
национальной безопасности.
Одним из механизмов выполнения обязательств по сокращению
эмиссии парниковых газов может стать предложенная США международная
система торговли квотами. Предприятия и компании, не имеющие
технологической возможности уменьшить выбросы, в этом случае могли бы
покупать неиспользованные разрешения на выброс у организаций,
перевыполнивших свои обязательства.
Таким образом, антропогенная деятельность привела к разнообразным,
сложным проблемам экологического характера. Для их решения
необходимо иметь полную информацию о загрязнителях. Свойства, а также
методы определения свойств основных загрязняющих веществ будут
рассмотрены ниже.
2 - 4543
17

1.2. ЗАГРЯЗНИТЕЛИ АТМОСФЕРЫ
Из всей массы загрязняющих вредных веществ, поступающих в
атмосферу от антропогенных источников, около 90% составляют газообразные,
10% — твердые и жидкие вещества.
Взвешенные вещества. При наличии взвешенных веществ образуется
двухфазная (бинарная) дисперсная система, которая получила название
аэрозоли. Аэрозоли принято делить на три класса: пыли, дымы и туманы.
Пыли — полидисперсные системы твердых взвешенных частиц
размером от 5 до 100 мкм. Иногда пылью называют непосредственно твердые
взвешенные частицы.
Дымы — аэрозоли, образующиеся при горении или возгонке,
содержатся в выбросах электропечей, вагранок, электросварочных участков. Размеры
взвешенных частиц от 0,1 до 5 мкм.
Туманы состоят из капелек жидкости, диспергированных в газовой
среде, в которых могут содержаться растворенные вещества или
суспендированные твердые частицы. Образуются в результате конденсации паров или
распыления жидкости. В первом случае размер капель близок к размеру
частиц в дымах, во втором — к пыли. Образуются при окраске, при закалке
изделий в масле.
Особое место занимают продукты сгорания топлива: сажа и зола.
Сажа — токсичный высокодисперсный порошок, на 90—95% состоящий
из частиц углерода. Образуется при неполном сгорании или термическом
разложении углерода. Обладает большой адсорбционной способностью по
отношению к тяжелым углеводородам, в том числе к бенз(а)пирену, что
делает сажу опасной для человека. ПДКмр = 0,15 мг/м3, ПДКсс = 0,05 мг/м3.
Зола — несгораемый остаток, образующийся из минеральных примесей
топлива при его полном сгорании. Состав во многом определяется видом и
составом топлива.
Влияние на человека и на окружающую среду определяется составом и
свойствами, которые будут рассмотрены ниже.
Основные физико-химические свойства
взвешенных частиц
1. Дисперсный состав. В технике пылеулавливания и очистки газов
дисперсный состав пыли имеет решающее значение, так как основной круг
вопросов по расчету и выбору оборудования связан с этим параметром
подлежащей улавливанию пыли. Распределение частиц по размерам и их
характеристики представлены на рис. 1.4.
В качестве показателя степени дисперсности используют фракционный
состав или медианный диаметр dm, который представляет собой такой раз-
18

II I I I I ГТ^~""Т™Т^
Дождевые капли
Формовочный песок
Пыль производств тяжелой промышленности
Пыль бурого угля (в парах), зола бурого угля
Зола бурого угля (грохочение)
Абразивная пыль от полировки чугуна
Горячий воздух
N111
Зола бурого угля.
МП I I Ml III
Водяной туман -
Бактерии
Туман от красок -
Силикозная пыль
Пыление
Сажа (всевозможная)
Пшеничный крахмал
Отходы флотации
i
Пыльца
—| Ликоподий
Споры грибов
МИН 1 I
Зола каменного угля
(Грануляционная печь)
III I I I I Mill
Пыль бурого угля
I
Цинковая пыль
4+1 Пыль колошникового угля
Сухое молоко
' 11IIШ I I I I I I
Пыление над оксидом цинка
Туман концентрированной серной
кислоты
Щелочной туман
l I I I м ill i
Металлургическая
пыль и дым
в сталелитейном производстве, I
туман трирксида серы |
Пыление от химических производств
- Пыление над хлоридом аммония I III I
Сажа от горения смолы I I I III III |
I I I II III Пыль кислородного конвертера
Масляный туман I I I 11III I II
Копоть (от дыма сгорающей нефти)
Плавильные печи с кислородным поддувом
Пыление над оксидом магния
Пыление над оксидом цинка
-I—Н4 Атмосферная пыль
Табачный дым
Вирусы
0,01 0,1 1 10 100
Размеры частиц, мкм
Рис. 1.4. Размеры твердых частиц
1000
мер, при котором масса частиц крупнее dm равна массе частиц мельче dm, и
lg ач — среднее квадратичное отклонение в функции данного
распределения. В технике пылеулавливания размер взвешенных частиц сферической
формы может также характеризоваться скоростью витания или осаждения,
под которой подразумевают скорость свободного падения частицы в
неподвижном воздухе. Скорость осаждения определяется по формуле
2*
19

Эта формула применима только для ламинарного режима, где Re < 2.
Остальные режимы имеют более сложные зависимости.
Результаты определения дисперсного состава в атмосферном воздухе
и в промышленных выбросах обычно представляются в виде таблиц.
Наиболее часто данные дисперсного анализа даются в виде фракций,
выраженных в процентах от общего числа или массы (табл. 1.4).
В некоторых методах анализа результаты записываются в виде таблиц
с указанием процента или числа частиц, имеющих размер больше или
меньше заданного (табл. 1.5).
Таблица 1 .4
Фракции пыли
Размеры частиц на
границах фракций, мкм
меньше 1,6
1,6—,5
2,5-4
1 4-6,3
Фракции, % от общей
массы частиц
2,08
4,61
9,32
18,56
Размеры частиц на
границах фракций, мкм
6,3-10
10-16
16-25
J 25-40
Фракции, % от общей
массы частиц
25,2
19,74
12,97
7,52
Таблица 1 .5
Фракции пыли с частицами больше или меньше заданного размера
Размер частиц,
мкм
Min
1,6
2,5
4,0
6,3
Общая масса частиц, %
мельче (D)
0
2,08
5,69
14,01
31,57
крупнее(R)
100
97,92
94,31
85,99
68,43
Размер частиц,
мкм
10
16
25
max
Общая масса частиц, %
мельче(D)
54,17
72,91
87,48
100
крупнее(R)
45,83
27,09
12,52
0
Результаты дисперсионного анализа можно представить в виде
графиков. Принимая равномерным распределение частиц по размерам внутри
каждой фракции, строят ступенчатый график, называемый гистограммой.
По оси абсцисс откладывают размеры частиц, а по оси ординат —
относительное содержание фракций, т. е. процентное содержание каждой
фракции, отнесенное к массе всего материала (рис. 1.5). Если процентное
содержание каждой фракции разделить на разность размеров частиц,
принятых в качестве граничных, и найденные значения отложить в
системе координат как ординаты точек, абсциссы которых равны среднему для
соответствующих фракций размеру частиц, то через полученные точки
20

15 4-
J
J
©* 10 1
n
J
т
oi
J 1 1 |_
_I 1 1 l__
__J ' ' 1
1 t 1 1
1 1 1 1
0 10 20 30 40 50
dny мкм
Рис. 1.5. Гистограмма распределения по фракциям
у :
мм
n e
i м i
t^"4 A -
^ 4 :
1 z
1 z
1 z
0^
Li i i i
i i i i
i i i i
i i i i
о
10
30
40
20
Л, мкм
Рис. 1.6. Дифференциальная кривая распределения
можно провести плавную дифференциальную кривую распределения
частиц по размерам (рис. 1.6).
Однако наиболее удобным является графическое изображение
результатов дисперсионных анализов в виде интегральных кривых R(d4) и Д^ч),
каждая точка которых показывает относительное содержание частиц с
размерами больше или меньше заданного (рис. 1.7). Пересечение кривых дает
значение медианного диаметра dm. Для построения таких кривых
предварительно строят таблицу фракций пыли с частицами больше или меньше
заданного размера (табл. 1.5).
Интегральные кривые для частиц с логарифмически нормальным
распределением удобно строить в вероятностно-логарифмической системе
координат, где они приобретают вид прямых линий (рис. 1.8). Для
построения такой системы координат по оси абсцисс в логарифмическом
масштабе откладывают значения d , а по оси координат значения D(d) или
21

120
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30
</ч, мкм
Рис. 1.7. Интегральное распределение в линейной системе координат
=
III I
1 1 1 1
~z
^ч Кривая«+»
> >
id^T 1 1
\
ч.
Кривая «—»
_i i i i | i i i i
*^ ^
i i i i
i i i i
_i i i i_
99
95
90
70
50
30
10
1
R
"^
\J
^i
Ч А.
0,5 1 2 3 45 10 20 30 50 100 200 мкм
Рис. 1.8. Интегральное распределение
в вероятностно-логарифмической системе координат
R(d4). Относительные длины отрезков х, соответствующих различным
значениям D(d4) или R(dxi), которые для построения в
вероятностно-логарифмической системе координат следует откладывать в выбранном масштабе
от начала оси абсцисс, приведены ниже.
Поскольку в вероятностно-логарифмической системе координат ось
абсцисс начинается от точки на оси ординат, соответствующей значению
50%, значения х для D(d4) или R(d4) больше 50% откладываются вверх от
начала оси абсцисс, а меньше 50% — вниз.
Построив по результатам дисперсного анализа интегральную функцию
распределения частиц по размерам в вероятностно-логарифмической
системе координат, можно (если получившийся график имеет вид прямой линии,
свидетельствующий о логарифмически нормальном характере изучаемого
распределения) выразить это распределение в виде параметров dm и lg ач.
Значению ^отвечаетточка пересечения построенного графика с осью
абсцисс, a lg ач находится из соотношения, которое является свойством
22

Таблица 1.6
Таблица для построения вероятностно-логарифмической системы координат
%
50
46; 54
42; 58
| 38; 62
34; 66
X
0
0,100
0,202
0,305
0,412
%
30; 70
26; 74
22; 78
18; 82
14; 86
X
0,524
0,643
0,772
0,915
1,08
%
10; 90
6; 94
4; 96
2; 98
0,5; 99,5
JC
1,282
1,555
1,751
2,054
2,576
интеграла вероятности: lg ач = lg d]5 9 - lg dm =lgdm- lg du v если строится
график функции R(d4), или lg ач = lg dM] -\gdm = lg dm - lg d]59. Здесь lg dl59
и lg du j — абсциссы точек, ординаты которых имеют значения 84,1 и 15,9.
Дисперсный состав пыли, образующейся при некоторых
технологических процессах, представлен в табл. 1.7.
Таблица 1.7
Дисперсный состав некоторых видов пыли
Вид пыли
Зола (мусоросжигательная печь)
Известняк (печь кипящего слоя)
Клинкер (цементная мельница)
Оксиды алюминия (боковой токоподвод электролизера алюминия)
Магнезит (вращающаяся обжиговая печь)
Доломит (вращающаяся обжиговая печь)
Магнезит (шахтная мельница)
Клинкер (печь для обжига клинкера)
Двойной суперфосфат (распылительная сушилка)
Двойной суперфосфат (барабанная сушилка)
| Зерновая
| Мучная серая
| Пыль сахара
Пыль лимонной кислоты (производство сахара)
Известковая (известковое производство сахарного завода)
Пыль, образующаяся при образивной обработке металлов:
заточка инструментов
шлифование
полирование
dm
41
29
17
20
43
28
72
23
8
35
10
4
3,5
3,2
12
14-55
19-35
40-240
lgo4
0,472 |
0,502 |
0,421
0,352 |
0,615 |
0,506
0,950 |
0,501
0,210 |
0,36
0,301
0,230
0,362
0,602
0,398
0,279-0,602
0,431-0,519
0,204-0,556
23

Продолжение табл. 1.7
Вид пыли
Пыль горелой земли, окалины, металла (столы очистные, дробе-
метные отделения очистки литья)
Пыль литейной земли, металла, абразива (обдирочные и зачистные
станки отделения очистки литья)
Пыль песка, глины (пневмотранспорт песка и глины, склада
формовочных материалов)
Пыль, образующаяся при выплавке стали в электродуговой печи
Мел кусковой (пересыпка из стругача на конвейер при
производстве плиток для полов)
Гипсовая (шахтная мельница)
Алюмосиликатный катализатор (крекинг-установка AM-1/M)
Каменноугольная цементная (углесушильный барабан)
dm
80-90
30-60
8-20
3
20
56
17
15
IgCT., |
0,663-0,886
0,491-0,602
0,301-0,362
0,491
0,652
0,97
0,301
0,334
ГОСТ 12.2.043-80 подразделяет все пыли на 5 групп в зависимости от
дисперсности:
I — очень крупнодисперсная пыль;
II — крупнодисперсная пыль (например, песок для строительных
растворов);
III — среднедисперсная пыль (например, цемент);
IV — мелкодисперсная пыль (например, кварц молотый пылевидный);
V — очень мелкодисперсная пыль.
Несмотря на то, что ГОСТ 12.2.043-80 не действует на территории РФ,
данная классификация используется при выборе пылеулавливающего
оборудования.
Для определения дисперсности пыли используют следующие методы:
— ситовый анализ — разделение частиц на фракции путем
последовательного просеивания навески пыли через лабораторные сита с
отверстиями различных размеров. Применяют для исследования пыли,
в которой масса частиц мельче 100 мкм составляет не более 10%;
— седиментометрия — разделение навески пыли на фракции путем ее
осаждения в жидкой среде (жидкостная седиментация);
— микроскопирование — рассмотрение пылевых частиц с помощью
оптического или электронного микроскопа, определение формы
частиц, их размера и количества по фракциям. Запыленный фильтр из
материала ФПП-15 подвергают воздействию паров ацетона.
Материал фильтра расплавляется, образуя прозрачную пленку, и
фиксирует частицы пыли. Метод не пригоден для приготовления
препарата пылей, взаимодействующих с растворителем. Пылевые частицы
измеряют с помощью окулярной микрометрической линейки мик-
24

роскопа. Дисперсный состав пыли
находят, измеряя частицы и определяя
количество частиц каждой фракции.
Метод микроскопии используется в
основном при выполнении научных
исследований. Для ряда видов пыли он
является единственно возможным;
— центробежная сепарация — разделение
пыли на фракции с помощью
центробежной силы в специальном аппарате.
Фракции отделяются последовательно
от исследуемой навески под действием
центробежной силы, которая в сотни раз
больше силы тяжести, на
использовании которой основан метод седименто-
метрии. Благодаря этому время
выполнения анализа методом центробежной
сепарации значительно сокращается.
— каскадные импакторы (струйные
сепараторы) (рис. 1.9). Принцип действия
струйного сепаратора основан на
инерционном осаждении взвешенных
частиц на плоскую поверхность в
результате резкого изменения направления
движения запыленного потока с
последующим определением массы частиц,
осевших на эту поверхность. Струя
запыленного газа просасывается через
несколько последовательно
установленных в корпусе сепаратора сопел с
расположенными против них экранами
(ловушками). Диаметры сопел по ходу
газового потока уменьшаются, а
скорость выхода потока из них
соответственно увеличивается. На каждой
последующей ловушке улавливаются все
более тонкие частицы. Наличие связи между размерами
осаждающихся частиц и скоростью газа позволяет судить о дисперсности
пыли.
2 Адгезионные и аутогезионные свойства. Адгезионные свойства
определяют прочность их сцепления с различными макроскопичными
поверхностями, а аутогезионные — друг с другом. На практике чаще используют поня-
Рис. 1.9. Каскадный импактор
модели НИИОгаз:
/ — корпус; 2 — стакан; 3 -
4 — фильтр
- тарелка;
25

тие слипаемости. Повышенная слипаемость может привести к полному или
частичному забиванию пылеулавливающего аппарата улавливаемым
продуктом. Поэтому для многих пылеулавливающих аппаратов установлены
определенные границы приемлемости в зависимости от слипаемости
улавливаемой пыли. Чем меньше размер частицы, тем легче они прилипают к
поверхности аппарата. Различают следующие виды пыли по слипаемости:
— неслипающаяся (кварцевый песок, сухая глина);
— слабослипающаяся (коксовая пыль, доменная пыль);
— среднеслипающаяся (летучая зола без недожога, цемент, сажа, опилки);
— сильнослипающаяся (гипсовая, волокнистая максимального
размера Юмкм).
Группа слипаемости определяется разрывной прочностью слоя Р, Па.
Так, для группы I величина Р < 60; II — 60 < Р < 300; III — 300 < Р < 600;
IV-i>>600.
Со слипаемостью связана другая характеристика пыли — сыпучесть,
оцениваемая по углу естественного откоса, который принимает пыль в
естественном состоянии. Этой величиной во многом определяется
поведение пыли в бункерах и течках пылеулавливающих установок, крутизну
стенок которых принимают с учетом сыпучести улавливаемых материалов.
Различают статический и динамический угол естественного откоса.
Динамический угол естественного откоса относится к случаю, когда
происходит падение частиц на плоскость.
Под статическим углом естественного откоса понимают угол, который
образуется при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки.
Статический угол естественного откоса всегда больше динамического угла
естественного откоса.
3. Лбразивность частиц. Абразивность частиц характеризует
интенсивность изнашивания Me при одинаковых скоростях газа и концентрациях
частиц пыли. От абразивное™ зависит выбор скорости запыленных газов,
толщины стенок аппаратов. При прочих равных условиях по мере
увеличения размеров частиц пыли износ металла сначала возрастает, а затем,
достигнув максимума, снижается. Максимальный износ металла вызывают
частицы пыли размерами 90 ±2 мкм.
Для оценки абразивных свойств пыли служит коэффициент абразив-
ности Кй, по которому выбирают соответствующие радиусы кривизны
воздуховодов и пылеуловителей, а также толщину стенок отдельных частей
или полностью всей системы.
4. Смачиваемость частиц. Смачиваемость частиц оказывает
существенное влияние на эффективность мокрых пылеуловителей, особенно при
работе с рециркуляцией. Различают три группы:
— гидрофильные, которые хорошо смачиваются водой (кальций,
кварц);
26

— гидрофобные, которые плохо смачиваются водой (графит, уголь,
сера);
— абсолютно гидрофобные тела (парафин, битумы).
Смачиваемость определяют методом пленочной флотации. Он
заключается в том, что в сосуд с дистиллированной водой высыпают навеску
пыли и определяют количество осевшей пыли.
5. Плотность частиц. Различают истинную рте, кажущуюся и
насыпную рп плотности.
Истинная плотность — масса единицы объема вещества, из которого
состоит пыль.
Кажущаяся плотность представляет собой массу единицы объема пыли
или гранулированного вещества, включая в этот объем и объем всех ее
закрытых пор.
Насыпная плотность — масса единицы объема уловленной пыли,
свободно насыпанной в емкость. Насыпная плотность учитывает воздушные
прослойки между частицами и поэтому в 2-2,5 раза меньше истинной. При
слеживании насыпная плотность увеличивается в 1,2-1,6 раз.
Значения плотности некоторых пылей приведены ниже, кг/м3:
Истинная Насыпная
Асбестовая 2100-2800 600
Коксовая 1200-1400 400-500
Графитовая 1900-2300 1200
Мартеновская 4160 480
В технике пылеулавливания вводят значение относительной
плотности, например, относительная плотность пылевого слоя в пылесборнике п =
= Рп/Ртв-
Кроме этого существует и относительная плотность агрегатов в газовом
потоке, характеризующая коагуляцию частиц. Относительные плотности
зависят в основном от размера частиц. На основе анализа многочисленных
пылей построены специальные номограммы для определения
относительных плотностей.
6. Электрические свойства пыли. Электрические свойства пыли
зависят от физико-механических и химических свойств (форма, дисперсность
и т. д.), а также от внешних факторов — температуры, влажности и т. д.
Электрические свойства влияют на поведение пыли в газоходах,
пылеуловителях, прежде всего в электрофильтрах, на сыпучесть пыли. Основными
электрическими свойствами являются удельное электрическое
сопротивление и электрический заряд пыли.
Удельное электрическое сопротивление характеризует электрическую
проводимость слоя пыли. По величине удельного электрического
сопротивления пыль делят на три группы:
— хорошей проводимости (менее Ю20мм);
27

— средней проводимости (102-109Омм);
— низкой проводимости (более Ю90мм).
Удельное электрическое сопротивление определяют путем
формирования определенного слоя пыли и измерения его электрического
сопротивления. Наиболее удачными приборами для определения удельного
электрического сопротивления считаются «Циклоном-1» и ИСП-1, разработанные
в НИИОгаз.
Электрический заряд может быть получен частицами как в процессе
образования, так и после, при трении, атакже вследствие адсорбции ионов
при ионизации среды. При этом электрическое состояние аэрозольной
системы не остается постоянным во времени. Знак заряда зависит от
химического состава и свойств соприкасаемого вещества. Взвешенные
вещества ряда аэрозолей несут электрические заряды следующего знака:
Вещества, заряженные положительно Вещества, заряженные отрицательно
Апатит Кальций
Крахмал Кварцевый песок
Мрамор Мука
Песок Оксид железа
Уголь Оксид цинка
Сера Цинк
При высокой концентрации взвешенных веществ интенсифицируется
процесс коагуляции за счет появления кулоновских сил между
разноименными зарядами.
7. Растворимость частиц. Определяется химическим составом частиц
и влияет на работу мокрых пылеуловителей.
8. Способность частиц к самовозгоранию и образованию взрывчатых
смесей с воздухом. Данные свойства являются крайне отрицательными
свойствами многих видов пыли. Многие вещества в обычных условиях не
являются взрывоопасными. Будучи же приведенными в пылевидное состояние
становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными. Взрыв
взвешенной в воздухе пыли — это резкое увеличение давления в результате
очень быстрого сгорания ее частиц.
Интенсивность взрыва пыли зависит от ее химических и физических
свойств, от размеров и формы частиц, их концентрации в воздухе, от влаго-
содержания и состава газов, размеров и источника воспламенения, от
дисперсности пыли. Возбуждение взрыва возможно лишь при определенных
условиях: концентрация пыли должна быть между нижним и верхнем
пределами (нижний 20-500 г/м3; верхний 700-8000 г/м3); наличие источника
возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной
зоне; питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса
горения (содержание 02 должно быть больше 16%).
28

Способность частиц к самовозгоранию и образованию взрывчатых
смесей с воздухом должно обязательно учитываться при проектировании
систем очистки.
Определение концентрации взвешенных веществ. Методы измерения
концентрации пыли делятся на две группы:
— основанные на предварительном осаждении частиц пыли и
исследовании осадка;
— без предварительного осаждения.
Преимущества методов первой группы: возможность измерения
массовой концентрации пыли.
Недостатки методов первой группы:
— циклический характер осаждения;
— большая трудоемкость;
— низкая чувствительность.
Преимущества методов второй группы:
— отсутствие необходимости использовать пробоотборное устройство;
— непрерывность измерений;
— высокая чувствительность;
— возможность полной автоматизации процесса.
Недостатки методов второй группы:
— влияние на результат свойств пыли;
— влияние на результат внешних факторов: температуры, влажности
среды и т. д.
Применительно к непрерывному промышленному контролю
наиболее приемлем второй метод, так как это позволяет получать мгновенное
значение концентрации пыли, что в свою очередь позволяет организовать
автоматическое регулирование режимов работы оборудования, установить
сигнализацию об увеличении концентрации пыли выше допустимой.
Однако методы второй группы не всегда можно использовать из-за большого
влияния внутренних и внешних факторов.
Методы измерения концентрации пыли с помощью
предварительного осаждения пыли. Существуют следующие методы измерения
концентрации пыли, основанные на предварительном осаждении пыли.
Весовой метод. Весовой метод измерения концентрации пыли
заключается в том, что некоторый объем воздуха пропускают через
фильтровальный материал и находят массу этого материала до и после запыления.
Концентрацию пыли рассчитывают по формуле
С = —, (1.2)
где т — масса пыли в фильтре, vb — объемная скорость просасывания
воздуха через фильтр; t — время отбора пробы.
29

С гигиенической точки зрения оптимальной скоростью отбора пробы
пыли является скорость отбора, равная скорости человеческого дыхания, т.
е. скорости легочной вентиляции (10—15 л/мин). Время отбора
определяется исходя из необходимого объема воздуха, который в свою очередь
принимают в зависимости от предполагаемой концентрации пыли:
Предполагаемая концентрация пыли, мг/м3 2 2—10 10—50 >50
Объем отбираемого воздуха, л 1000 500 250 100
С учетом погрешностей всех операций, осуществляемых при
измерении концентрации весовым методом, средняя погрешность этого метода
составляет ±30%. При отборе проб пыли, масса которых составляет менее
1 мг, погрешность возрастает до ±60%.
Рис. 1.10. Установка для определения запыленности воздуха:
1 — патрон с фильтрами; 2 — штатив; 3 — резиновая трубка; 4 — аспиратор
'о
1
sSL
о
П5
литр/мин
1-
щ\
F10
Г5
-о
-0,8
N
-0,1
Г °
о
1:1,8И
1
-о, J
0
1
1
о
J
^х
@ © @ @
^—\zr
Рис. 1.11. Аспиратор модели 822:
1— колодка для присоединения
электрического шнура; 2— выключатель; 3—
электропредохранитель; 4—
предохранительный клапан для предотвращения
перегрузки; 5—ротаметры; б—ручки
вентилей ротаметров для регулирования
объемных расходов воздуха; 7— штуцеры
для присоединения резиновых трубок к
фильтрам
30

В настоящее время весовой метод
широко используется для измерения
запыленности как атмосферного воздуха и воздуха
производственных помещений, так и
отходящих газов промышленных выбросов.
Метод признан стандартным в России,
Англии, Франции, Бельгии, Нидерландах и
других странах. Однако из всех
существующих методов он наиболее трудоемкий,
причем самой сложной операцией является
отбор пробы пыли. Кроме того, метод
является циклическим даже при полной
автоматизации всех операций.
Схема установки представлена на
рис. 1.10. В качестве побудителя движения
воздуха чаще всего используется аспиратор
модели 822 (рис. 1.11), состоящий из
воздуходувки, электродвигателя и четырех
ротаметров. Ротаметр предназначен для
измерения расхода воздуха. Он представляет
собой стеклянную трубку с поплавком. На
трубке нанесена шкала; на двух — от 0 до
20 л/мин и на двух — от 0 до 1 л/мин.
Первые два ротаметра служат при отборе проб
воздуха на запыленность, вторые — на
загазованность.
В качестве фильтрующего материала
используют аналитические фильтры
аэрозольные АФА-ВП-10; АФА-ВП-20 с
дисками из нетканого фильтрующего
материала ФПП (фильтры перхлорвиниловые
Петрякова), обладающие высокой
степенью фильтрации (близкой к 100%) за счет
своих электростатических свойств
(рис. 1.12, а). Буква «В» означает, что фильтр пригоден для весового
метода, цифры 10 и 20 обозначают площадь круга фильтра (см2).
Конструкция патрона представлена на рис. 1.12, б.
Денситометринеский 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. Основной недостаток
этого метода — зависимость результатов от оптических свойств пыли.
Накатка
прям. 1,2
Рис. 1.12. Устройство фильтра
и патрона:
а — фильтр АФА-В П: 1 — защитные
бумажные кольца; 2—фильтр; 3—корпус
конусного патрона; 4— зажимная гайка;
6—патрон к фильтру АФА-ВП-10: 1 —
зажимная гайка; 2 — корпус патрона
31

Радиоизотопный метод. Основан на использовании свойства
радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Непосредственно
измерить поглощение радиоактивного излучения пылью, взвешенной в воздухе
или движущейся в пылегазовом потоке, практически невозможно из-за
малой концентрации пыли.
Метод, основанный на улавливании пыли водой. По степени помутнения
воды судят о концентрации пыли в пылегазовом потоке, пропускаемом
через воду.
Метод механических вибраций. Основан на измерении изменений
частоты колеблющегося элемента при осаждении на нем пыли. Обычно
используется колеблющийся фильтр, укрепленный в пружинном держателе.
Метод, основанный на измерении перепада давления. Основан на том, что
между сопротивлением фильтра воздушному потоку и количеством
дисперсной фазы существует прямая связь. Пылегазовьгй поток пропускают с
постоянной скоростью через фильтр и измеряют разности давления на входе и на
выходе. Данный метод можно использовать для непрерывного измерения
массовой концентрации пыли в потоке.
Методы измерения концентрации пыли без предварительного ее
осаждения. Эти методы не требуют предварительного осаждения пыли и
являются в основном бесконтактными. Определение в них
концентрации пыли идет с помощью измерения оптических, электрических или
других косвенных параметров пылегазовой смеси. К ним относятся
следующие методы.
Абсорбционный метод. Основан на явлении поглощения света при
прохождении его через пылегазовую среду. В основе лежит закон Бугера—Лам-
берта-Бера, что оптическая плотность слоя пропорциональна
концентрации пыли. Пропорциональность не прямая, так как пылинки нельзя
рассматривать как абсолютно черные тела и они имеют разный размер и
форму.
Метод интегрального светорассеивания. Основан на измерении
суммарной интенсивности рассеянного света. Способность частиц пыли
рассеивать свет зависит от ряда факторов: от комплексного коэффициента
преломления частицы, от угла рассеяния между направлением падающего и
рассеянного света. Метод позволяет создать высокочувствительные
пылемеры (чувствительность пылемера Sigrist составляет 0,005 мг/м3) и
особенно эффективен при измерении малых концентраций.
Метод лазерного зондирования (лидарный метод). Основан на свойствах
частиц поглощать или рассеивать лазерное излучение. При измерении
света, рассеянного частицами, лазер и фотоприемник располагают рядом, и
последний регистрирует интенсивность обратно рассеянного излучения.
Метод лазерного зондирования позволяет выявить источники пылевыде-
ления и их вклад в запыленность атмосферы на различных расстояниях от
32

источника (до 10 км). Этот метод позволяет измерять концентрацию пыли
в атмосфере как от стационарных, так и от подвижных источников пылевы-
деления.
В основе электрических методов лежит принцип измерения
электрических параметров частиц пыли дистанционными (наведением полей)
или контактными методами (заряжением). К ним относятся следующие
методы.
Индукционный метод. Основан на определении индуцированного на
электроде измерительной камеры заряда, возникающего при движении
через камеру заряженных пылевых частиц. При этом не требуется осаждать
пыль на электроде. Применение индукционного метода позволяет создать
пылемеры довольно простой конструкции, однако методу присущи
большие погрешности, так как распределение зарядов зависит от многих
факторов и с течением времени может меняться в широких пределах. Этот
метод особенно эффективен для анализа крупных частиц.
Контактно-электрический метод. Основан на способности пылевых
частиц электризоваться при соприкосновении с твердым материалом.
Основными элементами пылемера являются электролизатор, где происходит
зарядка пылевых частиц, и токосъемный электрод, которому частицы
передают свой заряд. При этом сила тока в цепи токосъемного электрода
является мерой концентрации частиц пыли. В качестве материала элект-
ролизатора — фторопласт, эпоксидная смола с песком и графитом,
асбоцемент.
Емкостный метод. Основан на измерении емкости конденсатора при
введении частиц пыли между его пластинами. При использовании
емкостного метода следует учитывать электрические свойства пыли.
Пьезоэлектрический метод. Основан на суммировании электрических
импульсов, возникающих при соударении частиц с пьезокристаллом.
Метод применим для регистрации частиц диаметром более 2 мкм.
Характеристика газообразных загрязняющих веществ. Наибольшее
загрязнение открытого воздуха вызывают следующие классы вредных
газообразных веществ.
7. Диоксид серы (S02). Бесцветный газ с острым запахом. Он образуется
при сжигании ископаемого топлива (уголь и мазут), и при обработке
серосодержащих руд сернистый газ улетучивается в воздух. К тому же и
предприятия, производящие целлюлозу, выбрасывают его в воздух тоннами.
Подсчитано, что США ежегодно выпускают в атмосферу 26 млн т; равным
образом причастна к этому и Европа, выбрасывающая 60 млн т. При этом
93% поступающего в атмосферу S02 выбрасывается в Северном
полушарии и только 7% — в Южном. В США более половины всего ущерба от
загрязнения атмосферы приходится на диоксид серы.
Последствия выбросов диоксида серы — кислотные дожди, а также
3 - 4543
33

заболевания дыхательных путей (насморк, кашель, бронхит, астма),
конъюнктивит, головная боль. Превращение S02b 5042~ускоряется в условиях
влажных атлантических ветров, особенно в зимний отопительный сезон.
Эти процессы получили известность в первой половине XX века, когда в
результате мощных дымовых выбросов S02 в Лондоне возник густой
туман, в котором происходило медленное образование аэрозоля серной
кислоты, названного впоследствии смогом. В смоге помимо диоксида серы
присутствует и ряд других компонентов, образующихся при сгорании
топлива в печах и содержащихся в газах отопительных устройств и
выхлопных газах автотранспорта. Особая трудность при определении вреда,
нанесенного организму действием S02, заключается в том, что он часто
проявляется совместно с действием других факторов, опасных для
здоровья. Кроме того, диоксид серы негативно воздействует на растительность.
Действие может оказываться непосредственно на листья растений, либо
косвенно в виде кислотных осадков и через почву. В случаях достаточной
амортизирующей способности земли преобладает первый эффект.
2. Оксид углерода (СО). Образуется при неполном сгорании углерода.
Основные выбросы связаны с автотранспортом, так как у двигателей
внутреннего сгорания оптимальные условия окисления топлива создаются
только при выходе на определенный рабочий режим. Как правило, это
соответствует 3/4 общей мощности двигателя; напротив, максимальные
выбросы СО происходят на холостом ходу. Масса оксида углерода,
поступающего в воздух в результате антропогенной деятельности, больше, чем
любого другого вредного вещества. Оксид углерода не имеет ни цвета, ни
запаха, наши органы чувств не в состоянии его обнаружить. Попадая в
кровь, СО конкурирует с кислородом за молекулы гемоглобина.
Гемоглобин — белок, переносящий кислород из легких к клеткам, а углекислый
газ — обратно. Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем
больше гемоглобина связывается с ним, и тем меньше кислорода
попадает в клетки.
По этой причине СО при повышенных концентрациях представляет
собой смертельно опасный яд. При низких концентрациях СО (до 0,013%)
у человека снижается способность воспринимать сигналы, появляются
головные боли, ослабляется зрение, возможна временная потеря сознания.
При достижении концентрации 0,066% возможна полная потеря
сознания, паралич. При концентрации СО до 0,075% в течение часа наступает
летальный исход.
3. Оксиды азота (NxOp. Оксиды азота образуются в основном в
результате окисления азота воздуха в зоне высоких температур. Поэтому
выбросы этого вещества значительны при сжигании всех видов топлива. По
оценочным данным, 64% выбросов NOx осуществляется транспортом, 18% —
электростанциями, 12% — промышленностью.
34

Большая часть выбросов оксидов (90%) — N0. Однако в воздухе он
превращается в гораздо более опасный газ — диоксид азота (диоксид азота
в семь раз токсичнее оксида азота). Роль монооксида и оксида оценивается
совместно, так как в атмосфере эти газы встречаются только вместе. N02 —
газ с неприятным запахом. Как и СО, диоксид азота может связываться с
гемоглобином, вызывать болезни дыхательных путей за счет превращения
диоксида азота в азотную кислоту при контакте со слизистыми
оболочками. Кроме того, при взаимодействии с фотохимическими
окислителями и некоторыми органическими соединениями образует очень
вредные соединения — пероксиацилнитраты (ПАН) — причина
лос-анджелесского смога. На растения оксиды азота могут действовать
тремя путями: с помощью кислотных осадков, прямым контактом с
растениями и косвенно путем фотохимического образования окислителей, таких,
как 03 и ПАН.
4. Углеводороды (метан, пары бензина, гексан и т. д.). Обладают
наркотическим действием и в малых концентрациях вызывают головокружение,
головную боль и т. д. Некоторые углеводороды могут быть опасными
канцерогенами, например, бенз(а)пирен.
5. Альдегиды. Образуются в результате взаимодействия кислорода,
оксидов азота и других химических соединений под влиянием солнечного
света или при переработке органических веществ. Наиболее
распространенный — формальдегид. Вызывает потерю аппетита, бессонницу,
слабость и головную боль.
6. Соединения свинца и других тяжелых металлов. Свинец —
кумулятивный яд, т. е. он постепенно накапливается в организме человека.
Присутствующий в атмосфере свинец непрерывно добавляется к тому
количеству, которое уже содержится в нашем организме. Свинец уменьшает
скорость образования эритроцитов в костном мозге и блокирует синтез
гемоглобина, что приводит к умственной отсталости у детей и гипертонии
у взрослых. Основной источник поступления свинца в воздух — краски
(белила) и сгорание бензина с добавлением тетраэтилсвинца либо тетра-
метилсвинца.
7. Углекислый газ (С02). Газ без цвета и запаха, образуется при
сжигании различных видов топлива. Этот газ стоит особняком, так как его нельзя
считать непосредственным загрязнителем. Основная опасность —
парниковый эффект, который может обусловить глобальное потепление при
повышении содержания С02в атмосфере (см. гл. 1.1). При содержании
углекислого газа в воздухе 10% человек начинает испытывать головную боль,
шум в ушах, при содержании 20% наступает смерть.
Естественно, в воздухе могут находиться и другие вредные
газообразные вещества, обусловленные наличием поблизости того или иного
производства.
3*
35

Определение концентрации газообразных вредных веществ. Наиболее
распространенными методами анализа содержания газообразных вредных
веществ являются:
1. Оптический, включающий абсорбционные и эмиссионные методы.
Абсорбционные методы (лазерные, фотометрические) основаны на
способности вещества поглощать лучистую энергию в характерных
участках спектрального диапазона. Наиболее распространенными являются
фотоколориметрические и спектрофотометрические методы. В основе
первых лежит измерение ослабления интенсивности светового потока,
прошедшего через окрашенный раствор в области длин волн от 400 до
760 нм. В основе вторых лежит избирательное поглощение
монохроматического потока световой энергии при прохождении его через исследуемый
раствор. Фотометрические методы обладают высокой чувствительностью,
возможностью определения почти всех элементов, требуют сравнительно
простого оборудования. Обилие реагентов, образующих окрашенные
соединения с неорганическими ионами и органическими веществами,
делает применение этого метода практически неограниченным.
Эмиссионные методы (хемилюминесцентный, атомно-эмиссионный)
основаны на измерении интенсивности излучения анализируемой
газовой смеси. В частности, принцип действия хемилюминесцентных
газоанализаторов заключается в фотометрировании света, выделяющегося в
результате взаимодействия определяемого вещества с хемилюминесцентным
индикатором.
2. Электрохимические методы (кондуктометрический и кулонометри-
ческий методы) заключаются в регистрации изменений
электропроводности раствора, возникающих в результате поглощения газовой смеси.
Недостатком методов является то, что все растворяющиеся в реактиве с
образованием ионов газы сильно влияют на электропроводность
электролита; на точность также влияет температура внешней среды; кроме того,
необходимо периодически менять электролит.
Кулонометрический метод анализа газов основывается на измерении
токов электродной реакции, в которую вступает определяемое вещество,
являющееся деполяризатором и непрерывно подаваемое в кулонометри-
ческую ячейку с потоком анализируемого воздуха. Достоинство метода —
принципиальная возможность протекания электродной реакции со 100%
выходом по току, что позволяет вычислить измеряемую концентрацию по
закону Фарадея.
Принцип кондуктометрического анализа заключается в измерении
электрического сопротивления раствора при поглощении компонента
газовой смеси. Благодаря высокой чувствительности этот метод
применяется для определения ряда токсичных веществ в воздухе — оксида углерода,
диоксида серы, аммиака и др.
36

3. Плазменно-ионызационный метод. Основан на измерении изменения
тока ионизации, полученного при введении в пламя водорода
органических веществ. Значение тока пропорционально количеству углерода,
сгорающего в единицу времени. На основе этого высокочувствительного метода
созданы газоанализаторы типа «Гамма».
4. Хроматографическийметод. Газовая хроматография — это
непрерывно работающий физический метод разделения смесей газов, а также
паров, не разлагающихся жидкостей и твердых веществ при их прохождении
через колонку, заполненную сорбентом. В колонке происходит
разделение смеси вследствие распределения ее компонентов между движущейся
фазой и неподвижной фазой, которая может быть твердой и жидкой.
Существуют два основных вида газовой хроматографии:
газоадсорбционная и газожидкостная. В первом случае компоненты смеси непрерывно
разделяются между движущейся газовой фазой, называемой
газом-носителем, и твердым адсорбентом, что обусловлено чередованием процессов
сорбции и десорбции. Во втором случае происходит чередование
растворения компонента в пленке жидкой фазы, нанесенной на твердый
инертный носитель, с обратным выделением в газовую фазу, т. е. в поток газа-
носителя.
5. Экспрессный метод. Экспрессный метод позволяет определить
малые концентрации токсичных веществ в воздухе простыми приемами и
получать результаты быстро. В основе экспрессного метода лежит цветная
реакция, протекающая в различных средах — в растворах, на бумаге или
твердых сорбентах. Аналитические приемы, используемые в экспрессном
анализе, различны. В одних случаях применяют принцип линейной
колориметрии в индикаторных трубках или на бумаге, в других —
колориметрию растворов по стандартным сериям. Известны приемы, когда
анализируемый воздух протягивают через поглотительную среду до получения
стандартной окраски.
Наибольшее применение в экспрессном анализе воздушной среды
нашел линейно-колориметрический метод с применением индикаторных
трубок. Метод основан на получении окрашенного слоя индикаторного
порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого
вещества в воздухе, протягиваемом через индикаторные трубки.
Особенность линейно-колориметрического метода состоит в том, что
реакция между определяемым веществом и реактивом, нанесенным на
зерна носителя, протекает в динамических условиях. Поэтому реактивами
могут служить только такие соединения, которые при быстрой реакции с
определяемым веществом дают ярко окрашенные продукты, способные резко
изменить первоначальный цвет порошка, содержащего эти реактивы. В
качестве носителей применяют различные порошкообразные материалы —
фарфор, крупнопористый силикагель и др.
37

Рис. 1.13. Воздухозаборное'устройство
УГ-2:
/ — корпус; 2 — сифон; 3 — пружина; 4 — кольцо
распорное; 5 — канавка; 6 — шток; 7— втулка;
8 — фиксатор; 9 — плата; 10, 12 — трубки
резиновые; // — штуцер
Перед индикаторными
трубками обычно располагают реактивы,
задерживающие примеси, которые
могут помешать вступлению в
реакцию подлежащего обнаружению
загрязняющего вещества. Этот
фильтр предварительной очистки
иногда отличается весьма сложным
составом. Наиболее
распространенным прибором для быстрого
определения содержания вредных газов
и паров является универсальный
газоанализатор УГ-2,
воздухозаборное устройство которого
представлено на рис. 1.13.
Задача воздухозаборного
устройства — пропускание через
индикаторную трубку проб воздуха
дозами - 100, 200, 300, 400 см3. Объем
воздуха зависит от определяемого
загрязняющего вещества.
Основной недостаток
экспрессных методов — высокая
погрешность. Основная относительная
погрешность результата измерения
концентрации вредных веществ в
воздухе газоанализатором УГ-2 (при
использовании комплекта
индикаторных средств) до 1ПДК не превышает
±60%, в интервале от 1 до 2 ПДК —
±35% и свыше 2 ПДК - ±25%.
1.3. ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
Единой общепризнанной классификации источников выбросов, так
же как и единой классификации выбросов, не существует. Однако на
основании ГОСТ 17.2.1.01-76, ГОСТ 12.2.01.04-77 и ряда литературных
источников, можно дать классификацию по нескольким признакам.
Классификация выбросов. Выбросы подразделяются на следующие
классы.
38

1. Парогазовые и аэрозольные. Парогазовые выбросы — смесь газов, не
несущих в себе твердых или жидких взвешенных частиц. Эта группа
делится на:
1а — выбросы, не подлежащие очистке по причине их безвредности
либо по причине экономической целесообразности рассеивания через
невысокие трубы, либо из-за полного отсутствия технических
возможностей очистки в данный период времени.
16 — выбросы, подлежащие обязательной очистке. Сюда относятся
выбросы, содержащие вредные компоненты, отрицательное влияние
которых не может быть устранено только путем рассеивания.
Подразумевается, что технические средства для очистки имеются.
Эта категория выбросов встречается крайне редко. В большинстве
случаев парогазовыми называют аэрозольные выбросы, где концентрация
дисперсной среды пренебрежимо мала.
Аэрозольные выбросы — смесь газов, несущая твердые и жидкие
взвешенные частицы. Эта группа делится на:
2а — аэрозоли, в которых дисперсная фаза подлежит улавливанию, а
парогазовая (дисперсная среда) относится к подгруппе 1а и при этом не
оказывает влияния на работу газоочистных сооружений.
26 — аэрозоли, в которых дисперсная фаза подлежит улавливанию, а
дисперсная среда относится к подгруппе 1а и при этом оказывает
определенное влияние на ход очистки. Например, ничтожное содержание S02 не
требует его улавливания, но внутри воздуховода может образоваться
слабокислый концентрат, вызывающий коррозию.
2в — аэрозоли, в которых дисперсная фаза подлежит улавливанию, а
парогазовая (дисперсная среда) относится к подгруппе 16. В этом случае
требуется либо комбинированная очистка в одном аппарате, либо
комбинация последовательно расположенных аппаратов для селективного
улавливания дисперсной фазы и вредных примесей дисперсионной среды.
2г — аэрозоли, у которых дисперсная среда относится к подгруппе
16, а дисперсная фаза улавливанию не подлежит (например, из-за
низкой ее концентрации) и в то же время не оказывает влияния на процесс
очистки.
2д — аэрозоли, у которых дисперсная среда относится к подгруппе 16, а
дисперсная фаза улавливанию не подлежит, однако может оказывать
влияние на процесс очистки (например, постепенно загрязнять жидкий или
твердый поглотитель).
2е — аэрозоли, у которых дисперсная среда относится к подгруппе 1а,
а дисперсная фаза — к подгруппам 2г или 2д.
2. Технологические и вентиляционные. К технологическим относятся
хвостовые выбросы технологических процессов, выбросы при продувке
технологического оборудования, постоянно действующие дыхательные тру-
39

бы, периодически действующие предохранительные клапаны, трубы ТЭЦ
и котельных и т. п. Технологические выбросы характеризуются высокой
концентрацией вредных веществ при относительно небольшом объеме
газовоздушной смеси.
К вентиляционным относятся выбросы общеобменной и местной
вытяжной вентиляции. Вентиляционные выбросы общеобменной
вентиляции характеризуются большими объемами газовоздушной смеси, но
низкими концентрациями вредных веществ. Объемы вентиляционных
выбросов бывают настолько велики, что валовое количество вредных
веществ, содержащихся в них, часто превышает технологические. Поэтому
в настоящее время появилась настоятельная необходимость в разработке
современных методов и средств очистки не только технологических, но и
вентиляционных выбросов.
3. Организованные и неорганизованные. К организованным относятся
выбросы, отводимые от мест выделения трубами, газоходами,
воздуховодами, что позволяет применять для улавливания содержащихся вредных
веществ соответствующие установки. Неорганизованными являются
выбросы, поступающие в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в
результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или
неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах
загрузки, выгрузки или хранения продукта.
4. Нагретые и холодные. Различаются по перепаду температур между
выбросом и окружающей средой.
В соответствии с ГОСТ 17.2.1.01-76 выбросы классифицируются по
составу. При этом они имеют условное обозначение. Структура условного
обозначения:
Первая цифра — агрегатное состояние: газообразные (А), жидкие (К),
твердые (Т).
Вторая и третья: химический состав: сернистый ангидрид (01), оксид
углерода (02), оксиды азота (в пересчете на N02) (03), свинец и его
соединения (в пересчете на РЬ) (22), сажа (23), металлы и их соединения (24),
пыль (25), прочее (26).
Четвертая цифра — размер частиц
менее 0,510"6 М (1)
от 0,5-10"6 до 3-10"6 М (2)
от310"6доЮ10"6М (3)
от1010"6до5010"6М (4)
свыше 5010~6М (5)
Пятая цифра — масса частиц
менее 1 кг/ч (1)
от 1 до 10 кг/ч включ (2)
40

от 10 до 100 кг/ч включ (3)
от 100 до 1000 кг/ч включ (4)
от 1000 до 10000 кг/ч включ (5)
от 10000 кг/ч (6)
Пример условного обозначения: А.01.0.5., К.20.2.3., Т.23.2.3.
Выброс, состоящий из сернистого ангидрида с массой 2000 кг/ч,
кислоты с размером частиц от 0,5 до 3 мкм и массой 50 кг/ч, сажи с размером
1 мкм с массой 60 кг/ч.
Классификация источников выбросов. Источники выбросов
подразделяются :
1. По характеру происходящих в них технологических процессов:
топочные устройства, сушильные агрегаты, различные печи и т. д.
Характеристика источников выбросов по отраслям будет дана в главе 3.1.
2. На точечные, линейные и плоские источники.
Точечный источник — источник, выбрасывающий загрязняющие
атмосферу вещества из установленного отверстия. Линейный источник —
источник, выбрасывающий загрязняющие атмосферу вещества с
установленной линии. Плоский источник — источник, выбрасывающий
загрязняющие атмосферу вещества с установленной площади.
К точечным выбросам относятся трубы, шахты, крышные
вентиляторы и т. д. К линейным — аэрационные фонари, технологические линии и
ряд близко расположенных источников.
3. На высокие источники (Н> 50 м); источники средней высоты (Н =
10ч-50 м); низкие источники (Н= 2ч-10 м), наземные источники (#< 2 м).
4. На стационарные и передвижные.
5. На источник непрерывного действия, прерываемого действия,
нерегулярного действия.
Источник непрерывного действия — источник, выбрасывающий
загрязняющие вещества непрерывно, в течение длительного времени.
6. Затененные и незатененные.
Критерии выбросов. Критерии выбросов применяются для следующих
целей:
— определение загрязнений;
— контроль выбросов от источников;
— установление существующего уровня и предела опасно
возрастающего загрязнения атмосферы;
— контроль функционирования газоочистного оборудования;
— оценка технического уровня производства;
— инспекционные цели.
Критерии выбросов бывают количественные и качественные.
Количественные показатели могут быть выражены в массовых или
объемных единицах либо в процентном отношении к различным парамет-
41

рам, таким как продолжительность, масса или объем газов, выходящих из
источника, производительность источника или объем потребляемого
сырья, выход конечного либо промежуточного продукта.
К количественным показателям относятся:
1. Массовый поток выброса М (мощность выброса). Это масса
выделяющихся загрязняющих веществ в единицу времени. Выражают его в г/с,
кг/ч, т/г. Этот критерий дает сведения об общем количестве выбросов и
поэтому является главным образом гигиеническим и балансовым
критерием. Он не слишком полезен при ограничении выбросов.
2. Массовая концентрация выброса С. Масса выделяющихся
загрязняющих веществ, отнесенная к единице объема газа при условиях сухого или
влажного газа, стандартизированных по температуре и давлению
(температура О °С и давление 101,325 кПа).
Такой «концентрационный критерий» весьма полезен для технологии
и контроля загрязнений, поскольку он выражает концентрацию и степень
отделения загрязняющего вещества в отходящем газе и позволяет
предложить варианты очистки загрязненных газов:
г. М 3
С = у,г/м, (1.3)
где V— скорость газа.
В соответствии с рекомендациями Всемирной организации
здравоохранения (ВОЗ) этот показатель выражают в мг/м3 или г/м3.
В американской литературе в качестве объемных критериев
используют величины ррт и ppb, особенно для газов (1 ррт^ = 1 см3/м3), а иногда и
в виде массовых величин для твердых веществ (1 рртмасс= 1мг/кг). При
очень малых концентрациях в воздухе пользуются данными в ppb,
соответствующих 1:109 (1 ppb^ = 1 мм3/м3) (109 носит в Америке наименование
биллион, а в Европе — миллиард). Зарубежная газоаналитическая
аппаратура градуирована также в размерности миллионных ррт или
миллиардных ppb долей по объему. В связи с этим возникает необходимость
пересчета объемных долей на концентрации, выраженных в мг/м3.
В табл. 1.8 приведены формулы пересчета концентраций газов и паров
одной размерности в другую (при температуре 0 °С, давлении 760 мм рт. ст.).
Концентрацию рассчитывают по уравнению
b=aF,
где F— фактор пересчета; а — значение концентрации в исходной
размерности; b — то же, в искомой размерности. Фактор пересчета находят по
месту пересечения строки исходной концентрации с графой искомой
размерности.
Например, пересчитаем 20 ррт диоксида серы (М= 64,06) на мг/м3:
b = a-4,2.10-2.M=20-4,46-10-2-64,06 = 57,14 мг/м3.
42

Таблица 1.8
Формулы пересчета концентрации паров и газов
Исходная
концентрация
мг/л (г/м3)
мг/м3(мкг/л)
% (объемн.)
ррт(см3/м3)
ррЬ(мм3/м3)
мг/л (г/м3)
1
ю-3
4,46,10"'М*
4,46,10"5 М
4,46,10"8 М
мг/м3(мкг/л)
103
1
4,46,10+2М
4,46,10"2 М
4,46,10"5 М
% (объемн.)
22,410-VM
22,410-4/М
1
ю-4
ю-7
ррт (см3/м3)
22,4103/М
22,4/М
104
1
ю-3
ppb (мм3/м3)
22,4106/М
22,4Ю3/М
107
103
1
* М — молярная масса.
3. Коэффициент выброса Мк. Представляет собой отношение массы
выделившегося загрязняющего вещества к массе или другой величине,
выражающей количество продукции промышленного источника. Он является
технологически продукционным критерием и выражается в кг/т или кг/кВт ч.
Такой критерий труднее определить, так как помимо упомянутых выше
данных необходимо непрерывно фиксировать выход продукции
источника загрязнения. Определение Мк для различных предприятий,
производящих одинаковую продукцию, позволяет выделить то из них, которое
создает рациональную основу для установления более низких пределов для
остальных предприятий:
^к=у, (1.4)
где Р — количество продукции, произведенное за единицу времени.
Параметр Мк введен во многих странах, но всеобщее применение
этого показателя потребует времени для установления их реалистических
значений.
4. Удельный региональный выброс МГ Представляет собой массовый
критерий, отнесенный к единице площади региона. Выражается в т/(км2-г).
Например, удельный региональный выброс диоксида серы составляет в
Италии 10,2 т/(км2-г), в Испании 4,1 т/(км2-г):
где XAf— суммарное количество однотипных выбросов загрязняющих
веществ от всех источников в рассматриваемом регионе; F — площадь
рассматриваемого региона.
Качественные критерии используются в дополнение к количественным.
К ним относятся плотность и чернота дыма, его способность поглощать
или отражать свет, запах и т. д. Наиболее распространен критерий
плотности дыма, используемый в основном в целях контроля, При этом ис-
43

пользуются специальные таблицы сопоставления плотности дыма и
массовой концентрации.
Оценка выбросов от отдельного источника производится по
следующим показателям:
1. Расход выбросов (м3/ч или м3/с). Необходимо знать максимальный,
минимальный и средний объем, а также пиковые скачки, если таковые
предполагаются. Эти сведения необходимы, поскольку степень очистки
газов в большинстве аппаратов зависит от расхода.
2. Температура выбросов и ее возможные колебания (средняя,
минимальная, максимальная, пиковые скачки). Нижний предел температуры
определяет опасность конденсации паров, верхний — опасность
деформации и термического разрушения конструктивных элементов.
3. Температура конденсации паров агрессивных жидкостей.
4. Химический состав парогазовой фазы выброса (объемная доля
компонентов,%).
5. Свойства дисперсной фазы:
— химический состав;
— дисперсный состав;
— истинная и насыпная плотность;
— абразивные свойства;
— концентрация, мг/м3;
— удельное электрическое сопротивление;
— способ образования частиц дисперсной фазы (дробление,
конденсация, возгонка, сжигание топлива и др.), а также данные по их
морфологии.
6. Массовый поток выброса или массовая концентрация выброса.
7. Другие специфичные особенности выбросов: влажность, давление,
линейная скорость и т. д.
Определение основных показателей выбросов осуществляется при
инвентаризации. Инвентаризация выбросов представляет собой систематизацию
сведений об их количестве и составе, о распределении источников по
территории (ГОСТ 17.2.1.04-77). При этом определяются параметры источника
выбросов: высота и диаметр, а также временной режим работы источников.
Основной целью инвентаризации выбросов загрязняющих веществ
является получение исходных данных для:
— оценки степени влияния выбросов загрязняющих веществ
предприятия на окружающую среду (атмосферный воздух);
— установление предельно допустимых норм выбросов загрязняющих
веществ в атмосферу как в целом по предприятию, так и по
отдельным источникам загрязнения атмосферы;
— организация контроля соблюдения установленных норм выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу;

— оценки экологических характеристик, используемых на
предприятии технологий;
— планирование воздухо-охранных работ на предприятии.
Расчет выбросов загрязняющих веществ производится с
использованием удельных показателей, т. е. выбросов загрязняющих веществ,
приведенных к единице времени, оборудования, массе получаемой продукции или
расходуемых материалов.
На основании проведенной инвентаризации ведется учет
источников и заполняются типовые формы первичной отчетной документации
(ПОД), включающие три журнала (приложение №1):
1) учета стационарных источников загрязнения и их характеристик
(форма №ПОД-1). Заполняется непосредственно после выполнения
измерений по ряду показателей;
2) учета выполненных мероприятий по охране атмосферного воздуха
(форма №ПОД-2). Заполняется один раз в квартал и служит для текущего
учета сроков, объемов и результатов внедрения мероприятий по охране
воздушного бассейна;
3) учета работы газоочистных и пылеулавливающих установок (форма
№ПОД-3). Заполняется ежедневно и служит для учета фактической
продолжительности работы газопылеулавливающих установок.
Работа по проведению инвентаризации должна включать следующие
этапы:
— ознакомление с технологическими процессами, выполняемыми на
предприятии;
— составление перечня всех выделяющихся загрязняющих веществ и
источников;
— проведение обследования источников выделения и загрязнения
атмосферы, эффективности пылегазоочистного оборудования, опре-
/ деление их характеристик.
При инвентаризации выбросов должны использоваться
непосредственные инструментальные замеры в соответствии с действующими
стандартами и рекомендованными методиками. По каждому источнику
определяется расход газа и отбираются пробы для определения концентраций
различных примесей. По этим данным рассчитываются секундные и
годовые выбросы (мощность выбросов). К сожалению, очень часто
организация, проводящая инвентаризацию, не выполняет натурных замеров и
анализов, а пользуется расчетными отраслевыми методиками. В этом
случае результаты инвентаризации могут оказаться ложными.
Инвентаризация должна проводиться один раз в пять лет. В случае
реконструкции и изменения технологии производства предприятие
производит уточнение ранее полученных данных.
45

В ходе проведения инвентаризации может допускаться ряд ошибок,
характер которых и их источники приведены в табл. 1.9.
Определение термодинамических параметров выбросов. Наиболее
важными термодинамическими параметрами выбросов являются скорость и
расход газа, температура и влажность.
Таблица 1.9
Ошибки и источники ошибок в процессе инвентаризации выбросов
Ошибки
Неучтенные предприятия
или источники выбросов
Двойной учет одних и тех же
предприятий или
источников выброса
Недостатоктехнологических
или технических данных
Ошибочные технические
данные
Неточность данных о
размещении предприятия
Непоследовательная
классификация на площадные и
точечные источники
Неточные или устаревшие
данные
Ошибки в расчетах
Ошибки в оценке объема
выбросов
Ошибки при сообщениях о
величине выбросов на
порядок величины
Потенциальные источники ошибок
Системы инвентаризации и разрешения не согласуются по
фазе; ошибки в оценке потенциальных источников
выброса; потеря документов; проблемы с регистрацией данных
для компьютера
Изменение наименования; использование источников с
одинаковыми данными с различной схемой нумерации для
источников
Двусмысленная форма запроса данных; умышленное
уничтожение данных служебным персоналом предприятия;
неадекватное осуществление процедур; неадекватный
контроль за проектом, т. е. отсутствие опытной проверки
объема инвентаризации |
Ошибочная интерпретация инструкции о запросе данных;
допущение о принятых единицах, ошибочные пересчеты и
т. п.; умышленная ложная информация со стороны
предприятия, неразборчивый почерк
Регистрация координат административного корпуса
предприятия вместо координат цехов предприятия;
неспособность технических работников читать карту |
Неспособность разработать разграничения при
инвентаризации
Использование то первичных, то вторичных данных без
выбора четкой установки
Перестановка при округлении; ошибки, связанные с
десятичной системой; неправильные входные данные для
калькулятора; ошибочное использование данных об
объеме выбросов
Неточные данные об объеме выбросов; применение
неправильных значений объема выбросов; ошибки в оценке
используемого сырья; некорректная интерпретация
комбинированных источников, ошибки в единицах измерения
при переходе на другую систему
Неправильная запись классификационного кода
источника для последующих машинных расчетов, связанных с
выбросами
46

Место для проведения измерений выбирается с таким расчетом, чтобы
эти измерения обеспечивали получение наиболее достоверных данных. Так
как обычно места измерений используются и для отбора проб аэрозольных
частиц, то желательно выбирать вертикальные участки газоходов.
Измерительное сечение должно располагаться на прямом участке
газохода с установившимся газовым потоком, где отсутствуют возвратные или
вращательные движения газа. Желательно, чтобы измерительное сечение
находилось от местного сопротивления на расстоянии 5—6 диаметров
газоходов или более и 3-4 диаметров газохода до места возмущения (задвижка,
дроссель, повороты и т. д.). Если нельзя выбрать мерное сечение,
отвечающее этим требованиям, то можно проводить измерения на прямолинейном
участке газохода, разбив его в направлении движения газа. Минимальная
длина прямого участка перед местом отбора составляет 2 Д а после него 0,52).
Скорость газа в измерительном сечении должна быть не менее 4 м/с.
Определение расхода выбросов. Определить объемный расход можно,
непосредственно используя дроссельные устройства (например,
камерные диафрагмы), ротаметры или через скорость движения газов. В
последнем случае применяются пневмометрические трубки и микроманометр,
термоанемометр.
Измерение скорости термоанемометрами основано на законе
вынужденной конвективной теплоотдачи от предельно обтекаемого потоком тела,
обогреваемого стабилизированным источником тела.
Определение скорости и расхода газа пневмометрическими трубками.
Пневмометрические трубки предназначены для измерения статического,
динамического и полного давления газового потока. Зная динамическое
давление и плотность газа, можно определить линейную скорость
газового потока в точке замера.
Измерение расхода газа с помощью пневмометрических трубок
обладает рядом преимуществ перед другими методами. Для них не нужны
длинные участки для равномерности потока, поскольку эти приборы служат
для измерения локальных скоростей. Трубки невелики по размерам,
поэтому их можно ввести через небольшие штуцеры; они не создают
добавочного сопротивления потоку и часто из-за сложности конфигурации
газоходов являются единственными приборами для измерения скорости
газопылевого потока.
Пневмометрическая трубка имеет два канала, один из которых
воспринимает полное давление, а другой — только статическое. При
подключении обоих каналов к показывающему прибору таким образом, чтобы
воспринимаемые давления были направлены навстречу друг другу, прибор
покажет разность между полным и статическим давлением, т. е.
динамическое давление. В качестве показывающего прибора могут применяться
U-образные манометры, тягонапоромеры ТНЖ, микроманометры.
47

В зависимости от конструкции статическое давление воспринимается
пневмометрической трубкой с ббльшими или меньшими отклонениями
от его истинной величины, что в свою очередь влечет за собой некоторое
искажение при замерах динамического давления. Поэтому величины
динамических давлений, полученных с помощью пневмометрических
трубок, приходится умножать на поправочный коэффициент К^9
являющийся безразмерной величиной, представляющей собой отношение истинного
значения Рд, Па к замеряемой его величине Рх:
рл = р,К- (1-6)
На рис. 1.14-1.16 приведены конструкции пневмометрических трубок.
Рис. 1.15. Трубка конструкции НИИОгаз
48

Рис. 1.16. Трубка конструкции Гинцветмет
Трубка Прандтля имеет головку (рис. 1.14) с полусферическим
наконечником, устанавливаемую параллельно движению газов. В головке есть
центральное отверстие, соединяющееся с одним из каналов трубки. Через
этот канал на показывающий прибор передается давление,
соответствующее полному давлению движущегося потока, набегающего на
полусферический наконечник. На боковой поверхности головки сделаны
щелевые отверстия, сообщающиеся с другим каналом трубки. Эти отверстия
воспринимают и передают на показывающий прибор лишь статическое
давление, причем почти без искажений благодаря небольшой ширине
щелей и их расположению в зоне нулевого динамического давления. Трубка
Прандтля дает погрешность до 2%. При отклонениях трубки от оси потока
не более 15° ее можно не тарировать. Основной недостаток трубки — при
запыленности газов свыше 10 г/м3 она быстро забивается пылью.
Трубка конструкции НИИОгаз (рис. 1.15) для замера статического
давления имеет фасонный вырез и припаивается перед стержнем трубки
полного напора. Показания динамического напора трубки этой конструкции
почти вдвое больше действительного, что важно при измерении
небольших скоростей. Конструкция трубки позволяет легко продувать и
прочищать ее, что дает возможность проводить многократные измерения без
засорений.
Трубка конструкции Гинцветмет (рис. 1.16) цилиндрического
профиля имеет два канала (для измерения полного и статического напоров),
заключенные в оправляющую их трубку большого диаметра. Наконечник
оправляющей трубки имеет два отверстия, соединенных с внутренними
трубками (лобовое — с трубкой для измерения полного напора, тыльное —
статического напора). Достоинством этой пневмометрической трубки
является стабильность показаний при отклонении оси отверстий от оси пы-
легазового потока до 20°. Она малочувствительна к забиванию пыли.
Скорость движения газов как при ламинарном, так и при турбулентных
режимах неодинакова в разных точках сечения газопровода. Поэтому ско-
4 - 4543
49

Точки замера
Рис. 1.17. Разбивка газохода на равновеликие площади
рость газового потока, измеренная с помощью пневмометрической трубки
и микроманометра, является скоростью, характеризующей конкретную точку
сечения газопровода. Для определения средней скорости движения потока
необходимо измерять скорость в различных местах сечения, условно
разделяя его на ряд равновеликих площадей.
Если газоход имеет прямоугольное сечение, его разбивают на
площади, подобные сечению газохода, плоскостями, параллельными его
стенкам, и измерения производят в центре каждого полученного
прямоугольника (рис. 1.17). Сторона такого прямоугольника не должна превышать
150-200 мм. Минимальное число измерительных точек — три в каждом
направлении. На двух перпендикулярных сторонах газохода по осям, на
которых расположены центры прямоугольников, прорезают отверстия
диаметром 50 мм и в этих местах приваривают короткие (25-30 мм)
штуцеры из отрезков труб с внутренним диаметром 50 мм, которые закрывают
металлической крышкой с резьбой. Для поддержания трубки во время
замеров рекомендуется приваривать к газоходу перпендикулярно по оси
рядом со штуцером стальной пруток.
Газоходы круглого сечения разбивают на ряд концентрических колец с
равновеликими площадями, и измерение производят по двум взаимно
перпендикулярным диаметрам, для чего к стенкам газохода приваривают два
штуцера. Расстояние между штуцерами — четверть окружности газохода.
Можно считать, что достаточно надежные результаты могут быть
получены, если газоходы круглого сечения будут разбиты на следующее
число колец:
Диаметр газохода, мм 200 200-400 400-00 600-800 800-1000 1000
Число колец 3 4 5*6 8 10
50

Расстояние от центра газохода до точки замера /определяется по
формуле
где R — радиус газохода, м; п — число колец, на которые разделена
площадь газохода; / — порядковый номер кольца (считая от центра).
После определения динамического давления в каждой выбранной
точке определяются соответствующие скорости газопылевого потока по
формуле
(1.8)
где Рд — динамическое давление, Па; рг — плотность газа, кг/м3.
Расход газа через данное сечение определяется по формуле
e = v0cccpS, (1.9)
где v0 — скорость газа в центре газохода, м/с; S— площадь сечения
газохода, м2; осс — коэффициент распределения скорости по сечению газохода.
Величина аср исчисляется по формуле
aj+a2+... + an
%=- 2~ ~, (1.10)
где п — число точек измерения по сечению газохода.
Величины ар а2, ...ал рассчитываются как отношение значений
скорости в точке измерения к скорости в центре газохода.
Определение влажности. Для измерения влажности используются два
метода: психрометрический и конденсационный.
Психрометрический метод применяют для измерения влажности
газов, температура которых не превышает 60 °С. Метод основан на
косвенном определении парциального давления водяных паров по показаниям
температуры влажного и сухого термометров, последовательно
обтекаемых струей газа. Предложено большое число различных конструкций
психрометров, в основном отличающихся деталями и материалами, из
которых они изготовлены.
Конденсационный метод основан на измерении количества влаги в
пробе газа известного объема, отбираемого из газохода, путем охлаждения
его ниже точки росы. Влажность определяют как сумму
сконденсированной влаги, отнесенной к единице объема газа, прошедшего через
конденсатор, и абсолютной влажности насыщенного газа после конденсатора.
Определение температуры. Измерение температуры выбросов чаще
всего осуществляется термометрами и термическими преобразователями
температуры (термопарами).
4* 51

Температуру следует измерять там же, где измеряют скорость,
давление, влажность и другие параметры потока.
Число измерительных точек для измерения температуры определяют
в зависимости от диаметра газохода:
D<1м п=1
1 м < 2)< 2,5 м л = 2
D > 2,5 м п = 4
Среднюю температуру газа надо измерять в ядре потока, поэтому
измерительные точки надо располагать следующим образом:
для п = 1 — на оси газохода;
для п > 1 — по кольцу от 1/6 до 1/3 диаметра.
Измерение температуры в каждой точке осуществляется не менее 3 раз.
Определение запыленности газового потока. Основным методом
определения запыленности газового потока является весовой (см. гл. 1.2). При
этом необходимо соответствующим образом осуществить отбор проб пыли
из газового потока.
На частицы пыли, взвешенные в газовом потоке, действует множество
сил, величина и характер воздействия которых на частицу весьма
разнообразны. Хотя движение частиц под действием этих сил становится более
хаотичным, концентрация же пыли в поперечном сечении газохода
распределяется более равномерно по сравнению с распределением скоростей.
Распределение концентрации, т. е. профиль запыленности газа, зависит от
множества факторов: от природы и размеров частиц, диаметра газохода,
скорости пылегазового потока и удаленности от источника пыли, поэтому
теоретически рассчитать распределение пыли достаточно сложно.
Возможны три варианта профилей запыленности газа.
Крупная пыль Переходный Мелкая пыль
> 180 мкм профиль < 5 мкм
Вследствие неравномерности запыленности по сечению, для
определения средней концентрации замеры должны проводиться с разбивкой
сечения на равновеликие площадки, так же как и при определении расхода
воздуха пневмометрическими трубками. Подобное определение запылен-
52

ности является трудоемким, поэтому на практике запыленность
определяют по оси газохода, при соблюдении условий, которые будут указаны ниже.
При отборе пробы пыли в газоходе используют методы внутренней и
внешней фильтрации (рис. 1.18). При внутренней — фильтрующее
устройство устанавливают непосредственно за зондом, при этом исключается про-
Рис. 1.18. Установки для определения запыленности газов методами внешней (а)
и внутренней (б) фильтрации:
1,8 — термометры; 2 — заборная трубка; 3 — трансформатор; 4 — пневмометрическая трубка;
5— фильтр; 6— патрон; 7— диафрагма; 9, 13 — манометры; 10— реометр; 11 — микроманометр;
12—воздуходувка; 14—алонж
53

Рис. 1.19. Пылеотборная трубка НИИОгаз с
электрическим обогревом:
а — трубка; б— сменный наконечник; / — корпус; 2 — шейка; 3
— наконечник; 4— стальная трубка диаметром 4-6 мм; 5— них-
ромовая обмотка; 6 — асбестовая изоляция; 7 —
изолирующая шайба
о
&
О
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
I
'/
^t
%1
У
d=:
}мм
У\
4 J
3J
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Скорость движения газа в газоходе, м/с
Рис. 1.20. Номограмма для подбора диаметра наконечника пылезаборной трубки

боотборная трубка. При внешней — фильтрующее устройство располагают
за газоходом на любом расстоянии от зонда и соединяют с ним
пробоотборной трубкой. Метод внешней фильтрации более удобен в работе, но
менее точен (использование пылезаборной трубки вносит
дополнительные погрешности). Метод внутренней фильтрации более точный, но
значительно более трудоемкий, так как при замене фильтра требуется
извлекать зонд из газохода.
При пробоотборе основным является условие изокинетичности, т. е.
скорость газа в пробоотборной трубке должна быть равна скорости газа в
воздуховоде.
При скорости пробоотбора меньше скорости газового потока частицы
пыли вследствие инерционности не полностью следуют движению газа, и
поэтому получается заниженная концентрация пыли по отношению к
основному потоку. Кроме того, дисперсность пробы в этом случае ниже, чем в
основном потоке. При скорости пробоотбора больше скорости газового
потока, наоборот, получается завышенная концентрация пыли по
отношению к основному потоку. Дисперсность пробы в этом случае выше, чем в
основном потоке.
При отборе пыли с частицами менее 5 мкм строгое соблюдение
изокинетичности не требуется.
Для соблюдения изокинетичности используют специальные пылеот-
борные трубки со сменными наконечниками (рис. 1.19) Расчетный
диаметр наконечников определяется по специальным номограммам (рис. 1.20)
или расчетным методом.
В последнее время в некоторых источниках представляются данные,
указывающие, что при соблюдении условий изокинетичности
получаются непостоянные и заниженные по сравнению с фактическими, величины
пылесодержания. Несмотря на это, условие изокинетичности является
обязательным при отборе проб пыли.
1.4. НОРМАТИВЫ КАЧЕСТВА
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Под качеством атмосферного воздуха понимается степень соответствия
атмосферных условий потребностям людей или других живых организмов.
До определенного уровня антропогенного воздействия необходимое
состояние атмосферных условий обеспечивается самой природой путем
саморегуляции, самоочищения от вредных для нее веществ. Все
возрастающее воздействие производственной деятельности на воздушную среду,
особенно в последние десятилетия, остро поставило вопрос о
необходимости регулирования ее качества, для чего нужны нормативы (показате-
55

ли) предельно допустимых воздействий на атмосферу. Поэтому
нормирование качества атмосферного воздуха представляет собой деятельность по
установлению нормативов предельно допустимых воздействий человека на
атмосферу. Под воздействием понимается антропогенная деятельность,
связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных
интересов человека, вносящая физические, химические, биологические
изменения в атмосферу. Наиболее распространенный вид
отрицательного воздействия — загрязнение атмосферы, вызванное антропогенной
деятельностью человека.
В основу требований к содержанию этих норм положены экологическая
безопасность населения, сохранение генетического фонда. Конечная цель
установления нормативов состоит в обеспечении научно обоснованного
сочетания экологических, социальных и экономических интересов
общества, то есть предельно допустимые нормативы — это своего рода
компромисс между экологией и социально-экономической средой общества,
компромисс вынужденный, позволяющий на взаимно заинтересованных
началах развивать цивилизацию и охранять жизнь человека.
В основе нормативов качества лежат три показателя:
— медицинский — пороговый уровень угрозы здоровью человека, его
генетической программе;
— технический — способность экономики обеспечить выполнение
установленных пределов воздействия на человека и его среду обитания;
— научно-технический — способность техническими средствами
контролировать соблюдение пределов воздействия по всем его параметрам.
Все нормативы качества атмосферного воздуха подразделяются на три
группы: санитарно-гигиенические, экологические и вспомогательные.
Цель нормативов первой группы — определить показатели качества
атмосферного воздуха применительно к здоровью человека. Это наиболее
разработанная часть нормативов.
Вторая группа устанавливает требования к источнику вредного
воздействия, ограничивая его деятельность определенной пороговой величиной.
Цель нормативов третьей группы в обеспечении единства в
употребляемой терминологии, в деятельности организационных структур и
правовом регулировании экологических отношений.
Основными органами, утверждающими нормативы, являются
Министерство природных ресурсов и Госсанэпиднадзор.
Основным нормативом качества воздуха является предельно допустимая
концентрация (ПДК) — максимальная концентрация примеси в атмосфере,
отнесенная к определенному времени осреднения, которая при
периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает
на него вредного действия, включая отдаленные последствия, и на
окружающую среду в целом (ГОСТ 17.2.1.04—77).
56

Величины ПДК приводятся в мг вещества на 1 м3 воздуха (мг/м3). ПДК
загрязняющего вещества в воздухе утверждается постановлением Главного
государственного санитарного врача РФ по рекомендации Комиссии по
государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при
Минздраве России.
ПДК делятся на две группы: ПДК в воздухе рабочей зоны и ПДК в
воздухе населенных мест. ПДКрз как правило, значительно больше, чем ПДК
ддя населенных мест. Это объясняется тем, что на предприятии люди
проводят только часть суток и, кроме того, там не могут находиться дети и
пожилые люди с ослабленным здоровьем.
ПДК в воздухе рабочей зоны приводятся в приложении ГОСТ 12.1.005-88
(более 1300 вредных веществ). Для большинства веществ определены ПДК
максимально разовые в воздухе рабочей зоны, для ряда вредных веществ —
те же значения среднесменных концентраций рабочей зоны. По степени
воздействия на организм человека этот же ГОСТ подразделяет вредные
вещества на четыре класса:
1 — чрезвычайно опасные (ртуть, свинец и др.);
2 — высокоопасные (серная кислота, соляная кислота и др.);
3 — умеренно опасные (табак, ксилол и др.);
4 — малоопасные (ацетон, керосин и т. д.).
ПДК в воздухе населенных мест в свою очередь делятся на две
подгруппы: максимально разовые и среднесуточные. Концентрация вредных
веществ в воздухе населенных мест не должна превышать максимально
разовых. Среднесуточные используются только в случаях, когда
максимально разовые не определены. ПДК некоторых наиболее распространенных
вредных веществ представлены в приложении 2.
В основе установления максимальной разовой ЯДАг(ПДКм ) лежит
рефлекторное действие — реакция со стороны рецепторов верхних
дыхательных путей — ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек,
задержка дыхания и т. п. Указанные эффекты возникают при кратковременном
воздействии вредных веществ (20-30 мин). Среднесуточная ПДК (ПДКсс)
устанавливается с целью предупреждения развития резорбтивного
действия — возможности развития общетоксических, гонадотоксических, эм-
бриотоксических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов,
возникновение которых зависит не только от концентрации вещества в воздухе,
но и от длительности вдыхания. При этом имеются в виду среднесуточные
концентрации за год, а не в отдельные сутки. Например, если
концентрация свинца в отдельные сутки значительно превышает ПДКсс, то это не
является нарушением санитарных норм при условии, что в среднем за год
она выдерживается в пределах нормативной величины.
Некоторые красящие вещества (красители), не оказывая на уровне
низких концентраций ни рефлекторного, ни резорбтивного действия, при их
57

осаждении из воздуха могут придавать необычную окраску объектам
окружающей среды, например, снегу, тем самым создавая у человека ощущение
опасности или санитарно-гигиенического дискомфорта. В связи с этим для
красителей в качестве лимитирующего показателя устанавливается
санитарно-гигиенический норматив, который позволяет при соблюдении
ПДК избежать появления необычной окраски объектов окружающей среды.
Для установления ПДК определяются пороги острого и хронического
токсического действия на организм экспериментальных животных,
ощущения запаха человеком, раздражающего действия на слизистые
оболочки дыхательных путей и глаз, проводится изучение заболеваемости в
районах с чистым и загрязненным воздухом, делается оценка косвенного
воздействия загрязнений на человека за счет снижения прозрачности
воздуха, уменьшения освещенности жилищ, поглощения наиболее ценной —
ультрафиолетовой части солнечного спектра, рассматривается влияние
загрязнений на бытовые условия и зеленые насаждения. Если
загрязнитель ощутим по запаху в таких концентрациях, которые намного меньше
начала его токсического действия (например, сероводород), то порог
ощущения запаха принимается в качестве основного критерия. В последние
годы в связи с появлением огромного количества новых, ранее неизвестных
загрязнителей, широко используются экспресс-методы для установления
ПДК. Объектами нормирования являются и вещества, обладающие
приятным, но навязчивым запахом.
Российские нормативы ПДК являются одними из наиболее жестких в
мире и зачастую являются не столько нормативом, сколько стимулом для
развития атмосфероохранного дела. Так, достаточно полное улавливание
меркаптанов, обладающих крайне неприятным запахом, не удается
осуществить ни в одном из газоочистных аппаратов.
На сегодняшний день ПДК разработаны для нескольких сотен веществ,
и этот список продолжает увеличиваться (ГН 2.1.6. 1338-03). В этом же
нормативе представлены вещества, выброс которых в атмосферный воздух
запрещен.
Ряд вредных веществ, поступая в атмосферный воздух, превращается
в другие вещества, часто более токсичные. Например, оксид азота
окисляется до диоксида. При сравнении ожидаемых расчетных приземных
концентраций с ПДК следует делать соответствующий пересчет.
При одновременном присутствии в воздухе нескольких веществ,
обладающих эффектом однонаправленного действия, необходимо выполнить
условие:
С, С2 Сп
"пдк/пдк2+"' + пдк||" (1-П)
Перечень веществ, обладающих эффектом однонаправленного действия,
также представлен в гигиеническом нормативе.
58

Если достаточных разработок для установления ПДК нет, то
устанавливается ориентировочно безопасный уровень воздействия ОБУВ —
временный гигиенический норматив. Устанавливается сроком натри года, по
истечении которого он должен быть пересмотрен или заменен значением
ПДК. Так же, как и ПДК, ОБУВ утверждается постановлением Главного
государственного санитарного врача РФ.
ПДК является основным санитарно-гигиеническим нормативом.
Для предотвращения и снижения загрязнения атмосферного воздуха
вводятся нормативы непосредственно на величину выброса
(экологические нормативы). Нормирование выбросов вредных веществ в атмосферу
обычно производят по следующим показателям:
— ПДК в точке выброса (например, в устье дымовой трубы, в
вентиляционном отверстии трубы), мг/м3;
— предельно допустимый выброс (ПДВ), г/с;
— временно согласованный выброс (ВСВ), г/с.
Норматив ПДК в точке выброса использовался в некоторых странах
до начала 60-х годов. Он оказался несостоятельным, так как его очень
легко обойти. Для этого достаточно осуществить на газовом тракте подсос
наружного воздуха. Общий объем выбросов при этом падает; абсолютный
же выброс примесей в единицу времени остается прежним.
Предельно допустимый выброс (ПДВ) — количество вредных веществ,
которое не разрешается превышать при выбросе в атмосферу в единицу
времени. ПДВ устанавливается с таким расчетом, что выбросы вредных
веществ от данного источника или от совокупности источников
предприятия, с учетом перспективы развития промышленных предприятий и
рассеивания вредных веществ в атмосфере, не создадут приземную
концентрацию вредных веществ, превышающую ПДК для населения, животного
и растительного мира, т. е. необходимо выполнение условия:
С + Сф
вдС1' (1Л2)
где С —фоновая концентрация вредного вещества в воздухе.
Если С > ПДК, то увеличение мощности выброса от
реконструируемых объектов и строительство новых объектов может быть допущено лишь
при одновременном обеспечении снижения выбросов вредного вещества
в атмосферу на остальных объектах.
При наличии в атмосфере нескольких вредных веществ необходимо
учитывать суммацию их вредного действия в соответствии с перечнем,
утвержденным Министерством здравоохранения РФ.
Единицы измерения ПДВ — г/с, т/г. Установление ПДВ производится
в соответствии с ГОСТ 17.2.3.02-78. В зонах санитарной охраны курортов,
59

местах размещения крупных санаториев и домов отдыха, зонах отдыха
городов при использовании соотношения (1.12) в правой части следует
заменить 1 на 0,8.
Установление ПДВ гарантирует население от возможного
неблагоприятного воздействия атмосферных загрязнений, поступающих в
приземной слой атмосферы от конкретного предприятия. При этом
основным нормативом является ПДК, величина ПДВ имеет лишь прикладное
значение, существенно облегчающее контроль за выбросами предприятий.
При установлении ПДВ следует учитывать перспективу развития
предприятий, физико-географические и климатические условия местности,
расположение промышленных площадок и участков существующей и
намеченной жилой застройки, санаториев, домов отдыха, городов, взаимное
расположение промышленных площадок и селитебных территорий и др.
ПДВ устанавливают для каждого источника загрязнения атмосферы. Для
неорганизованных выбросов и совокупности мелких одиночных
источников устанавливают суммарный ПДВ. В результате суммирования ПДВ
отдельных источников загрязнения атмосферы устанавливают значения ПДВ
для предприятий или объектов и их комплексов в целом (при постоянстве
выбросов). ПДВ (г/с) устанавливают для условий полной нагрузки
технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы.
Определение ПДВ для одного источника, являющегося единственным
загрязнителем атмосферы данным веществом на рассматриваемой
территории, не составляет трудностей.
Сложность установления ПДВ растет по мере увеличения как числа
источников, так и их неоднородности (имеется в виду разный состав
выбросов, возможность их суммации и разная высота труб). Установление ПДВ
относится к числу сложнейших организационно-технических задач,
которые подлежат решению при планировании атмосфероохранных
мероприятий. Первое, что надо сделать, приступая к установлению ПДВ — четко
представить себе ситуацию, реально сложившуюся на местности.
Основные, наиболее характерные ситуации приведены ниже:
1) существует единственный источник, дающий выброс с
единственным загрязнителем, подлежащим нормированию;
2) существует единственный источник, выбрасывающий несколько
загрязнителей, не обладающих суммацией действия;
3) существует единственный источник, выбрасывающий несколько
загрязнителей, обладающих суммацией действия;
4) существует группа источников, которая может быть целиком
отнесена к одному из предыдущих пунктов;
5) существует группа источников, которая может быть разделена на
подгруппы в соответствии с пунктами 1, 2 и 3, причем выбросы от
отдельных источников не обладают взаимной суммацией действия;
60

ПДК
—»
Высота
трубы
т
J Wfil
Т
Степень
очистки
т—
Местные
условия
ЦДК
Местные
условия
Высота
трубы
i
1
^
1 |
I пдв
А
г
Степень
очистки
Экономичес-
1 кие рдсчеты 1
1
_
а б
Рис. 1.21. Упрощенная схема связей между факторами, относящимися
к установлению ПДВ:
а — для случая, когда возможно оперировать как степенью очистки, так и высотой трубы; б—для случая,
когда высота трубы изменению не подлежит
6) существует группа источников, каждый из которых может быть
отнесен к пунктам 1,2 и 3, причем выбросы от отдельных источников обладают
взаимной суммацией действия;
7) на территории, где нет источников выбросов и фоновая
концентрация отсутствует (пренебрежительно мала), предполагается разместить
новое предприятие со своими источниками, каждый из которых может быть
отнесен к одному из перечисленных выше пунктов;
8) новое предприятие предполагается разместить на территории, где
уже имеются источники выбросов и существует фоновая концентрация,
однако она не достигла ПДК ни по одному из загрязнителей;
9) новое предприятие предполагается разместить на территории, где
уже имеются источники выбросов и существует фоновая концентрация,
причем значение ее по отдельным загрязнителям достигает ПДК.
При установлении ПДВ возможны два варианта (рис. 1.21):
а) высотой трубы можно оперировать;
б) высота трубы изменению не подлежит.
Если значение ПДВ по причинам объективного характера в
настоящее время не может быть достигнуто, то вводится поэтапное снижение
выбросов вредных веществ от действующих предприятий до значений,
обеспечивающих соблюдение ПДК. На каждом этапе до обеспечения величин
ПДВ устанавливают ВСВ (ВСВ,, ВСВ2 и т.д.) на уровне выбросов
предприятий с наилучшей достигнутой технологией производства.
Величины ПДВ и ВСВ и материалы по их обоснованию
согласовываются с органами, осуществляющими государственный контроль за
охраной атмосферы от загрязнения (Министерство природных ресурсов РФ).
ПДВ и ВСВ пересматривают не реже одного раза в 5 лет.

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
2.1. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
Теоретические основы рассеивания выбросов. Когда отходящие газы
покидают дымовую трубу и поступают в атмосферу, на них начинают
воздействовать внешние условия — метеорологические условия (давление,
температура, скорость и направление движение воздуха), расположение
предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и
химические свойства выбрасываемых веществ и т. п. (рис. 2.1). Все эти
факторы влияют на распространение дыма от трубы и перенос загрязняющих
веществ на дальние расстояния. Горизонтальное перемещение примесей
определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное —
распределением температур в вертикальном направлении. Прогнозирование
поведения факела в атмосфере — крайне сложная физико-математическая зада-
Коагуляция
частиц
1
Плотность и
морфология
частиц
Конденсация
паров
Наличие в 1
выбросах
тяжелых
компонентов |
ФАКЕЛ
Гравитационное
осаждение
компонентов факела
1
Туман,
облачность
ВЫБРОСА 4
Условия
выброса факела

Молекулярная
диффузия
Осадки
Ветер

Инверсионные явления
Рельеф,
поверхность, застройка
местности
I
Турбулентная
диффузия
Термическая
стратификация
атмосферы
А
1
Высота трубы
Размер и
форма устья
Скорость
факела в устье
Разность температур 1
наружного воздуха
и факела |
Рис. 2.1. Схема факторов, влияющих на рассеивание выбросов
62

ча, решение которой затрудняется еще и тем, что в атмосфере процессы
нестабильны и могут очень быстро изменяться во времени.
В зависимости от атмосферных условий внешний вид факела может
отличаться большим разнообразием. Он может выглядеть как
вертикальный столб над трубой, тянуться компактной струей в горизонтальном
направлении, быстро размываться в горизонтальном, вертикальном или
обоих направлениях и т. д.
Основной эффект рассеивания может достигаться за счет
молекулярной и турбулентной диффузии, обеспечивающей одинаковое течение
процесса переноса тепла, вредных газов, мелких аэрозолей, водяных
паров и т. д. Роль молекулярной диффузии в рассеивании
пренебрежительно мала; основную роль играет турбулентная диффузия. Она вызывается
двумя группами факторов: динамическими и термическими. Первые
связаны с движением воздушных масс независимо от распределения
температур. В нижних слоях атмосферы динамическая диффузия возникает или
усиливается за счет макронеровностей рельефа, высокой плотности
растительности или искусственных сооружений. Термическая диффузия
связана с градиентами температур воздуха по высоте. В большинстве
случаев атмосферная диффузия имеет комплексную природу, т. е.
турбулентность создается как термическими, так и динамическими факторами.
Существует несколько теорий турбулентной диффузии в атмосфере,
однако ни одна не дает более или менее точного количественного
описания процесса рассеивания.
В соответствии с теорией массопереноса, рассеивание в общем виде
описывается дифференциальным уравнением
dC__dC_ ( ЪС\ ( дс] L^£l
dx " Эт0 \ дх ДV ду ){ dz У (2Л)
где dC/dx — производная по времени концентрации загрязнителя в точке с
координатами х, у, z\ ЭС/Эт0 — градиент по времени концентрации
загрязнителя в точке с координатами х = у = z = 0 (это может быть центр устья
трубы или точка, учитывающая возвышение факела над устьем, или
вообще какая-либо точка, которую в данном случае целесообразно принять за
начало координат); и, v, w — скорости распространения загрязнителя вдоль
осей х, у, z\ ЭС/Эх, дС/ду, dC/dz — градиенты концентраций загрязнителя
по отношению к осям координат.
Уравнение составлено в трехмерной системе координат, причем ось х
совпадает с направлением основного движения факела, ось у —
горизонтальна и перпендикулярна к оси х, ось z — вертикальна. Положение осей
иллюстрируется рис. 2.2. Толкование уравнения неоднозначно.
Некоторые исследователи отождествляют величину и со скоростью ветра и
считают, что вектор и совпадает с вектором-скоростью ветра. Другие располага-
63

ют вектор и по оси факела. И то и
другое — частные случаи. В
рассматриваемой зоне ветер может дуть не
горизонтально, а с наклоном вверх или
вниз; ось факела может на довольно
значительном участке не совпадать с
общим направлением ветра. Ряд
трудностей связан определением
градиентов концентраций вдоль осей
координат. Тем не менее уравнение (2.2)
позволяет в первом приближении
качественно оценить условия выброса и
распространения факела. Градиент
ЭС/Эт0 может иметь знак плюс — если
на протяжении данного отрезка
времени выброс возрастает, знак минус —
если выброс уменьшается, или быть
равным нулю — при стабильном во времени выбросе. Остальные градиенты
всегда имеют знак минус, поскольку по мере удаления от источника
выброса концентрация загрязнителя всегда падает.
Поскольку градиенты концентрации вдоль осей координат сами по себе
непостоянны во времени, необходимо ввести в уравнение вторые
производные, после чего оно принимает следующий вид:
Рис. 2.2. Факел выбросов в осях
координат x—y—z
dC_
dx
дС Э ( дС
+— и —
Эх.. Эх I дх
+ v
дС} ( дС
ду
+ \ w-
dz
Очевидно, что если ЭС/Эх0 имеет знак плюс и при этом
ЭС>_Э
Эх„ Эх I Эх
дС
'ду)
+ W-
дС_
то концентрация загрязнителя в данной точке возрастает; при обратном
соотношении она снижается. Концентрация остается неизменной, если
ЭС
—(и —
Эх дх
'ду)
W-
ЭС
dz
(2.2)
или если условия рассеивания в точности компенсируют изменения
величины ЭС/Эт0.Однако последнее крайне маловероятно на практике.
Принципиальная разница между правой и левой частью уравнений
состоит в том, что абсолютная величина и знак левой части определяются
режимом источника выброса и, таким образом, поддаются контролю и
управлению. Величина и знак правой части определяются только условиями
рассеивания.
64

Решение приведенных здесь первичных уравнений рассеивания
связано с очень большими трудностями. Говоря формально, они могут быть
решены для условий, существующих в единственный данный момент
времени. Но такое решение не имеет никакой практической ценности.
Практически, приемлемое решение возможно на базе ряда
упрощений и усреднений. Рассмотрим влияние некоторых факторов на процесс
рассеивания.
Влияние метеорологических факторов на рассеивание. Общая
метеорологическая ситуация — важнейший фактор, определяющий поведение
выбросов в атмосфере. Она должна тщательно анализироваться еще при
решении вопроса о месте размещения нового промышленного предприятия
или развитии (реконструкции) существующего. До сих пор такой анализ
производится не в полном объеме и нередко с ошибочными выводами.
К анализу очень часто не привлекаются специалисты-метеорологи, не
рассматриваются возможные изменения микроклимата в связи с
хозяйственной деятельностью. Результат — непрогнозируемое загрязнение
атмосферы в селитебных зонах. Лишь в последние годы внимание к
изложенному вопросу несколько усилилось. Что же касается ранее построенных
предприятий, то ошибки приходится исправлять, оснащая предприятия
все более крупными и мощными газоочистительными сооружениями.
Особо следует выделить вопрос о так называемых технологических
резервах. Например, можно соорудить электрофильтр с пятью-шестью
последовательными электрическими полями, но обычно держать в работе три
или четыре поля, остальные же включать при ухудшении условий
рассеивания или при нежелательном изменении направления ветра. Такие
решения являются альтернативой снижению мощности предприятия в
аналогичных ситуациях. Экономически они в большинстве случаев выгодны,
поскольку требуют сравнительно небольшого увеличения капитальных
затрат, но зато гарантируют устойчивую работу основного производства
независимо от погодных факторов.
Картина общей метеорологической ситуации в данной местности
складывается из следующих элементов:
1. Ветер. Направление и скорость движения ветра не остаются
постоянными. Вследствие этого меняется степень загрязнения. Зависимость
концентрации загрязняющих веществ от направления движения ветра
имеет важное значение при решении вопросов размещения
промышленных предприятий в плане города и выделения промышленной зоны. При
выборе площадки для строительства предприятий необходимо учитывать
среднегодовую и сезонную розу ветров.
Скорость движения ветра возрастает с увеличением перепада
атмосферного давления. У поверхности земли скорость движения ветра больше днем,
а на высоте — ночью. Неоднократно предпринимались попытки выявить
5 - 4543
65

зависимость между содержанием вредных веществ в городском воздухе и
скоростью движения воздуха. При выбросах из низких источников
наибольшее загрязнение наблюдается при слабых ветрах в пределах 0—1 м/с.
При выбросах из высоких источников максимальная концентрация
загрязнения наблюдаются при опасных скоростях движения ветра в пределах 3-6
м/с в зависимости от скорости выхода газовоздушной смеси из устья
источника.
2. Осадки. Осадки, в общем, способствуют удалению загрязнителей из
атмосферы. Однако есть обратная сторона: дождь переносит загрязнители
из атмосферы в почву, водоемы и на растительность, а также на
искусственные сооружения. Особенно опасен захват дождевыми каплями
химически агрессивных компонентов выбросов. Такие дожди медленно, но
разрушительно действуют на все, расположенное наземной поверхности. Из-за
отсутствия надежных критериев для оценки захвата дождевыми каплями
химически агрессивных веществ, этот фактор не учитывается при расчете
рассеивания. Однако контакт дождя с выбросами является реальным
физическим процессом и, в принципе, поддается количественному расчету.
Практически следует ориентироваться на годовое (сезонное) количество
осадков и их характер. Наиболее активно контактируют с выбросами дождевые
капли размером 1000—3000 мкм. Это — дожди средней интенсивности, не
ливневые и не моросящие. Снегтоже захватывает выбросы, но значительно
слабее дождя.
3. Длительные и плотные туманы. Туманы свидетельствуют о
застойных явлениях в приземном слое. Они являются неблагоприятным
метеофактором. Во-первых, они способствуют образованию температурных
инверсий, во-вторых, могут быть причиной образования смога — смеси
естественного тумана с летучими промышленными выбросами. Известны
многочисленные случаи, когда устойчивый смог приводил к трагическим
последствиям для населения, например, печально знаменитый
лондонский смог (см. гл. 1.2).
4. Температурная стратификация атмосферы. Температурная
стратификация атмосферы определяет одно из ее состояний: неустойчивое,
безразличное и устойчивое. Для рассеивания наиболее благоприятно
неустойчивое состояние, сопровождаемое интенсивным перемешиванием
воздушных объемов в вертикальном направлении. При безразличном
состоянии рассеивание заметно ухудшается. Наиболее неблагоприятным
является устойчивое состояние — инверсия.
Рассмотрим понятие «инверсия». В тропосфере с увеличением высоты
температура обычно понижается (в среднем на 4-8 °С на 1 км) (см. рис. 1.2).
Однако в нижних слоях атмосферы (до 1-2 км) температура может
повышаться с увеличением высоты в течение более или менее существенных
периодов времени, т. е. холодный воздух «подтекает» под теплый. Этот эф-
66

фект называется инверсией (рис. 2.3). Инверсия — сложное явление,
рассматриваемое в специальной метеорологической литературе. При
инверсии каждый элементарный объем воздуха с содержащимися в нем
загрязнителями совершает лишь незначительные вертикальные колебания,
оставаясь в диапазоне высот до 500—600 м. В результате загрязняющие
вещества накапливаются над землей. Образованию инверсий способствуют
штили, плотные туманы, густая низкая облачность, холодная, покрытая
снегом почва. Опасны горные долины и ложбинные места.
Инверсионные явления, связанные с охлаждением и оседанием воздушных масс,
нередко возникают над крупными водоемами.
Для учета этого фактора необходимо располагать общей
характеристикой данного района с точки зрения возможности возникновения
инверсий, их повторяемости и длительности. Недостаточное внимание к
информации такого рода приводит к отрицательным, а иногда и
катастрофическим последствиям. Не следует думать, что инверсия — явление
редкое и исключительное. В Лос-Анджелесе инверсии случаются в среднем
до 270 раз в году, причем около 60 из них сопровождается совершенно
недопустимой концентрацией вредных примесей в атмосфере. Инверсии, в
том числе сопровождаемые смогом, наблюдаются и в ряде городов
России, насыщенных промышленными предприятиями.
Различают приземную и приподнятую инверсии. Приземные
инверсии характеризуются отклонениями непосредственно у поверхности
земли, приподнятые — появлением более теплого слоя воздуха на некоторой
высоте относительно земли.
Инверсии имеют локальный характер, поэтому в местах, где намечается
строительство, необходимо проводить тщательные исследования,
определяющие вероятность частоты инверсии, повторяемость, характер,
мощность. Данные об инверсии должны учитываться при определении высоты
Температура
0г
1 I ■ I ■ I ' I
Более „ .
холодный/
Температура
0г
■ i' i ■ i ■
Холодный воздух
Теплый слой
тг*-
а б
Рис. 2.3. Распределение температуры по высоте:
а — нормальное распределение; б— инверсия
67

трубы, через которую выбрасываются вредные вещества. Основной выброс
должен производиться выше инверсионного слоя.
Инверсии всегда опасны, хотя степень их опасности различна. В
зимнее время возможно сочетание приземной инверсии с оседанием
холодного воздуха из верхних слоев атмосферы. В результате возникает единый
инверсионный слой большой мощности, практически исключающий
рассеивание выбросов.
Наиболее опасными условиями загрязнения воздуха являются:
1) для высоких источников:
— приподнятая инверсия, нижняя граница которой находится над
источником выбросов, что увеличивает максимальную приземную
концентрацию на 50—100%;
— приземная инверсия, когда высота трубы выше инверсионного слоя,
сочетающаяся наличием штилевого слоя, расположенного ниже
источника выбросов, когда на уровне выбросов скорость движения
ветра в 1,5—2 раза превышает величину скорости выбросов.
2) для низких источников:
— сочетание приземной инверсии со слабым ветром;
— сочетание приподнятой инверсии, расположенной
непосредственно над источником, со слабым ветром при холодных выбросах.
Характерное для инверсий распространение выбросов в приземном
слое показано на рис. 2.4. Существуют различные формулы для оценки
загрязнения воздуха в инверсионной области, однако их практическое
использование затруднительно, поскольку для этого требуется достаточно
точно знать вид инверсии, ее глубину и происхождение.
Влияние характеристики местности на рассеивание. Естественная
специфика местности определяется следующими параметрами.
Рельеф местности. Неровности рельефа при отсутствии инверсий и
наличии ветра в общем благоприятны для рассеивания выбросов, поскольку
они способствуют вертикальной турбулентности атмосферы. Резко
выраженные топографические особенности (высокие холмы и складки,
глубокие долины) способны вызвать сильные вертикальные флуктуации
воздуха, которые тем значительнее, чем больше скорость ветра. Вместе с тем
особенности рельефа необходимо рассматривать в увязке с суточными
колебаниями температуры. Например, когда долина нагревается солнцем,
воздух поднимается вверх по ее склонам и вновь опускается в центре
долины. При вечернем охлаждении воздушные потоки устремляются по
склонам вниз, и при наличии в долине источника выбросов там могут
возникнуть очень высокие местные концентрации вредных компонентов.
Описанное явление особенно важно иметь в виду в местности с
малооблачной погодой и высокой повторяемостью типичных суточных
температурных изменений. Что касается горных районов, то в них движение воз-
68

Вертикальный температурный
градиент: ——
Нормальное состояние
Практически изотермическое
состояние
Состояние инверсии
Комбинация состояния инверсии
(над поверхностью) и нормального
состояния (от уровня чуть ниже
среза трубы)
Комбинация нормального состояния
(над поверхностью) и состояния
инверсии (над срезом трубы)
Комбинация нормального состояния
(над поверхностью) и состояния
инверсии (над срезом трубы)
Температура Петляющий
Прижимающий
Рис. 2.4. Зависимость типов дымовых хвостов от температурного градиента по вертикали
духа носит сложный характер и в каждом случае должно изучаться особо, с
обязательным привлечением специалистов-метеорологов.
Другим аспектом влияния является тот факт, что направление и сила
ветровых потоков в приземном слое атмосферы на холмистой местности
может значительно отличаться от ветра в свободной атмосфере над
возвышенностями. Отсюда можно заключить, что при строительстве новых
объектов в районах со сложным рельефом, для которых имеются только
данные о направлении движения ветра в свободной атмосфере, на стадии
проектирования необходимы специальные исследования.
Лесные массивы. Лесные массивы, оказывая влияние на
распространение выбросов, в то же время сами требуют защиты от атмосферных
загрязнений. В определенной мере лес служит фильтром, задерживающим
распространение аэрозольных частиц в самой нижней части приземного слоя.
Однако фильтрующая роль леса невелика. Несколько большее значение
имеет тот факт, что при ветре лес, особенно густой и высокий,
способствует вертикальной турбулизации воздуха. Как объект защиты лес
требует к себе избирательного внимания. Так, характерные для алюминиевых
69

заводов выбросы фторводорода губят хвойные деревья в радиусе десятков
километров. Некоторые породы гибнут при частом выпадении
упоминавшихся ранее кислотных дождей.
Крупные водоемы. Крупные водоемы обладают значительной
термической инерционностью, чем и определяется их влияние на поведение
воздушных масс. При резком похолодании после теплой погоды над
водоемами происходит восходящее движение воздуха, при резком потеплении
картина обратная. Влияние широкого водного пространства хорошо
прослеживается, например, в Новороссийске. Там по одну сторону
Цемесской бухты расположены цементные заводы, по другую — основная жилая
часть города. При неблагоприятном направлении ветра выбросы
движутся в сторону города. Над акваторией бухты они оседают и при подходе к
городу оказываются в самых нижних слоях атмосферы.
Общий характер земной поверхности. Общий характер земной
поверхности, независимо от наличия на ней четко выраженных неровностей
рельефа и других местных особенностей, оказывает определенное
воздействие на состояние атмосферы и поведение летучих выбросов. Степень
воздействия может быть сравнительно охарактеризована через
коэффициенты шероховатости, представленные ниже:
Вид поверхности Коэффициент
шероховатости
Ровная, гладкая (лед, плотный снежный покров, оголенная почва) 1
Луга с травами высотой:
до 1 см 100
до 5 см 1000-2000
до 60 см 4000-9000
Растительный покров максимальной высоты (лес) 14 000
Шероховатость вызывает флуктуации скорости ветра. Но масштабы
флуктуации не связаны прямой зависимостью с коэффициентами
шероховатости и изменяются значительно слабее последних. Практически
важную турбулизацию атмосферы может вызвать только высокий и
достаточно плотный лес.
Влияние искусственных сооружений на рассеивание. Искусственные
сооружения пренебрежимо мало влияют на распространение выбросов, если
расположены достаточно далеко. Что касается предприятий, то на них
действуют свои закономерности, связанные со способами вывода выбросов в
атмосферу (через низко расположенные вентиляционные отверстия,
фонари и т. д.). Рассмотрим некоторые вопросы проектирования
газоочистки в условиях крупных населенных пунктов (городов), особенно с
плотной застройкой.
В городе аэродинамический режим носит весьма сложный характер.
Считается, что местные турбулентности над территорией города просле-
70

живаются до высоты, равной в среднем трехкратной высоте зданий.
Крупный город имеет свой тепловой микрорежим, отличный от окружающей
местности. Рассматривать обычными способами рассеивание примесей от
предприятия, расположенного внутри городского массива, можно лишь в
случае очень высокого выброса, гарантирующего, что зона максимальной
концентрации в приземном слое всегда будет за городской чертой. Но
строительство высоких дымовых труб в черте города обычно находится в
противоречии с архитектурными требованиями и вызывает категорические
возражения со стороны градостроительных служб. Если в результате этого
эффект рассеивания не может фигурировать как один из критериев, его
необходимо компенсировать особо высокой степенью очистки выбросов
в газоочистительных сооружениях. Но это часто наталкивается на другую
проблему: стесненность промплощадок, особенно на предприятиях
старой постройки (в свое время они сооружались далеко за границами
города, но затем постепенно были обстроены городскими кварталами).
Особенности современных крупных городов порой приводят к
парадоксальным ситуациям, полностью исключающим формальные решения.
Сказанное иллюстрируется на примере загрязнения воздуха выбросами
ваграночных печей. Большое количество вагранок расположено внутри
городов, на территории предприятий, окруженных многоэтажными
жилыми зданиями. Выбросы вагранок (СО, S02, тонкодисперсная пыль)
поступают в атмосферу на высоте 15—20 м от уровня земли. Строить над
вагранками высокие трубы, как уже отмечено выше, не разрешают
архитектурно-планировочные органы. Высокоэффективные
газоочистительные сооружения требуют капиталовложений, значительно превосходящих
стоимость собственно вагранки. К тому же, из многочисленных систем
газоочистки для вагранок, предложенных к настоящему времени
разными НИИ и КБ, ни одна не удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Небольшой и несложный агрегат при определенном сочетании местных
условий оказывается опасным загрязнителем воздуха, требующим
исключительного внимания как со стороны лиц, готовящих задания на
проектирование газоочистительных сооружений, так и со стороны разработчиков
проекта. Радикальное решение проблемы вагранок через строительство
газоочистки не просматривается. Очевидно, следует идти по пути замены
мелких ведомственных вагранок централизованными чугунолитейными
заводами либо создавать взамен вагранки принципиально новый
экологически чистый агрегат. Аналогичные проблемы возникают в городских
условиях и в отношении ряда других источников выбросов. Это
отопительные котельные, работающие на угле или мазуте, сушильные и
смесительные барабаны асфальтобетонных заводов и т. п.
Расположение источников выбросов и защищаемых объектов. На
некотором расстоянии от источника возникает зона максимальной приземной
71

Рис. 2.5. Рассеивание и осаждение выбросов:
а — общая картина; б — различия в расположении зон максимальной приземной концентрации
отдельных компонентов выбросов
концентрации выбросов Стах (рис. 2.5). Если расчетная максимальная
концентрация не превышает ПДК, то положение рассматривается как
удовлетворительное. Но из-за характерного для данной местности сочетания
условий зона максимума может совпадать с местом расположения жилого
массива или других объектов, требующих повышенной защиты от
атмосферных загрязнений. Даже если исключить экстремальное сочетание
неблагоприятных факторов, само по себе частое совпадение зоны
максимума концентраций (не превышающих ПДК) с местами расположения
объектов, требующих повышенной чистоты воздуха, не должно быть
допущено.
Взаимное расположение источников выбросов и защищаемых
объектов должно оцениваться по вертикали и горизонтали. Варианты
благоприятного и неблагоприятного расположения по вертикали
иллюстрирует рис. 2.6. Оба варианта часто встречаются в практике проектирования.
В случае, показанном на рис. 2.6, я, необходимо принимать решение,
исключающее или сводящее до минимума возможность совпадения зоны
максимальной концентрации выбросов с территорией жилого массива.
Решение это неоднозначно, и при его поиске следует анализировать всю
совокупность местных условий.
В некоторых случаях естественный рельеф местности может быть
выгодно использован для улучшения рассеивания остаточных выбросов
(рис. 2.7).
Значительные трудности вызывает ситуация, когда многие источники
выбросов расположены в окрестностях крупного населенного пункта без
72

Рис. 2.6. Неблагоприятное (а) и благоприятное (б) расположение защищаемого объекта
по отношению к источнику выбросов
Рис. 2.7. Использование рельефа
местности для улучшения рассеивания:
7 — источник выбросов; 2— пылегазопровод;
3 — дымовая труба
учета розы ветров и возможности наложения выбросов друг на друга. Такие
ситуации обычно складываются исторически при разновременном
строительстве предприятий разных ведомств.
Расчет рассеивания выбросов (основные положения ОНД—86). При
расчетах распространения выбросов необходимо решить две важнейшие
проблемы:
1) расчет ожидаемого загрязнения атмосферы от одного или более
источников в данном регионе (ровная или пересеченная местность);
2) расчет оптимальной высоты дымовой трубы для нового источника
загрязнения атмосферы с учетом существующего фона загрязнений,
особенностей территории и окружающих строений.
Расчет ожидаемого загрязнения базируется на работах Саттона и
Пирсон (1932-1936). Формула Саттона (гауссовская теория рассеивания)
позволяет определить концентрации веществ, загрязняющих атмосферу,
С (мг/м3) в точке с координатами х, у, z при эффективной высоте дымовой
трубы h (м):
103М Г у1
С = ехр —J—
w KOyGzu У[ 2(5)
где М — количество загрязняющего вещества, выбрасываемого из источни-
ехр
2о
(2.3)
73

ка в единицу времени, г/с; а и cz — стандартные отклонения в
распределении частиц по размерам соответственно вдоль осей у и z (в зависимости от
турбулентности среды); й — средняя скорость ветра у верхнего среза
дымовой трубы.
Для расчета в настоящее время в мире создано большое количество
сложных математических моделей, просчитываемых на современных
компьютерах. Однако усложнение расчетов не гарантирует получения более
надежных результатов, поскольку чем больше данных, тем больше
вероятность того, что на результате скажется неточность данных. Чем проще
модель (при условии сохранения основных свойств атмосферы), тем ближе к
реальным уровням загрязнений долговременные средние расчетные
показатели.
Таким образом, вместо сложных расчетов по загрязнению воздуха, как
правило, применяются простые вычисления, выполняемые обычно по
номограммам. Вычисления распространения выбросов на основе номограмм
нашли широкое применение в Германии, США, Англии и других странах.
Основным документом, регламентирующем расчет рассеивания и
определение приземных концентраций выбросов промышленных
предприятий в РФ является «Методика расчета концентраций в атмосферном
воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД-86.
Методика разработана на базе ряда упрощений и усреднений. В ней
отдельные факторы объединены в усредненные группы и численно
учитываются комплексными обобщенными коэффициентами.
Генеральные формулы для расчета максимальной приземной
концентрации, создаваемой одиночными источниками:
„ AMFmnK^ .з ^ ,_ „ч
С ¥ = . м , мг/м — для нагретых выбросов; (2.4)
H2ljQAT
лм г пи is. з
Чтх = v » мг/м — для холодных выбросов, (2.5)
Я/з-8<2
где Л — коэффициент, характеризующий температурную стратификацию
атмосферы; М— масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в
единицу времени, г/с; /*—безразмерный коэффициент, учитывающий
скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; тип —
коэффициенты, учитывающие условия выхода факела из устья источника
выброса; Н — высота источника над уровнем земли, м; Км — безразмерный
коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; AT— разность
температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, °С; Q — расход
выбрасываемой смеси, м3/с.
Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость
упорядоченного оседания которых практически равна нулю, F=l. Поня-
74

тие «мелкодисперсный аэрозоль» является в значительной мере условным.
В разных литературных источниках мелкодисперсными считаются
частицы 2 мкм и менее, 5 мкм и менее; даже 20 мкм и менее. Различия
объясняются тем, что скорость оседания частицы зависит не только от ее размера,
но и от ее плотности и коэффициента формы (морфологии). Из практики
известно, что некоторый качественный скачок в поведении частиц
наблюдается при их размере 3-4 мкм и менее. Очевидно, для пылей высокой
истинной плотности (6-103—8103 кг/м3) есть смысл считать граничным
размер 3-5 мкм, для более легких пылей увеличивать его до 8-10 мкм. В
соответствии с Fn№ взвешенных веществ определяется отношением скорости
оседания (витания) частиц v к опасной скорости ветра и (скорость ветра,
при которой приземная концентрация достигает своего максимума).
Скорость витания рассчитывается по закону Стокса или по номограмме (см.
гл. 4). За расчетный диаметр при определении /'принят диаметр d5,
удовлетворяющий условию, что частицы большего, чем d5 размера составляют
5% от общей массы частиц. Если значение v /и< 0,015, то F = 1; при
0,015 < vju < 0,03 принимают F= 1,5. В случае vju > 0,03 при степени
очистки дымовых газов не менее 90% принимают F= 2; при 75-90% F= 2,5;
при отсутствии очистки F= 3.
Понятие опасной скорости ветра неоднозначно. При малой скорости
ветра увеличивается высота возвышения факела над устьем АН, но факел
дольше сохраняет плотную структуру и плохо размывается под действием
одной только атмосферной диффузии. При сильном ветре, наоборот, роль
АН сводится к нулю или почти к нулю, но на факел интенсивно действует
атмосферная диффузия. При очень сильном ветре вертикальные
турбулентные флуктуации исключительно сильно искажают факел, причем иногда
часть факела как бы «стекает» по подветренной стороне дымовой трубы на
несколько десятков метров. Это явление объясняется особыми
аэродинамическими условиями обтекания ствола трубы высокоскоростным потоком
воздуха. Эти и другие особенности поведения факела существенно влияют
на все показатели его рассеивания.
В параметрах, составляющих генеральную формулу, не фигурирует
прямо высота возвышения факела над устьем, хотя она играет
существенную роль в рассеивании. В отдельных случаях (при полном безветрии и
нормальной стратификации) величина АН может равняться и (даже
превышать) Я. Дело в том, что АН зависит от А Г, Q, а также от формы и
размеров устья. Иначе говоря, она неявно присутствует во вспомогательных
формулах, по которым находятся коэффициенты /ии«,т.е.в общей
формулировке, она определяется условиями выхода факела в атмосферу.
В методике не учитывается фактор осадков и, таким образом, он
служит дополнительным резервом благополучия атмосферы вокруг
источника выброса.
75

Степень
улавливания пыли
| в газоочистке
Коагуляция
частиц
Конденсация
паров
' и
Гравитационное
осаждение
компонентов факела
Ветер
Турбулентная
диффузия
ФАКЕЛ
ВЫБРОСА
Условия
выхода факела
Высота трубы
Размер
и форма устья
Термическая
стратификация
атмосферы
Рельеф,
поверхность, застройка
местности
Скорость
факела в устье
Разность
температур наружного
воздуха и факела
Рис. 2.8. Схема факторов, учтенных в ОНД-86
Выше говорилось о том, что дифференциальные уравнения
рассеивания, описывающие процесс в наиболее общем виде, могли быть
реализованы в виде практической методики только за счет ряда упрощений и
усреднений. До некоторой степени это проиллюстрировано на рис. 2.8, где
число факторов, непосредственно влияющих на поведение факела
выброса, заметно меньше (см. рис. 2.1).
В методике изложен порядок определения минимальной высоты
трубы. При ее определении необходимо выполнить условие: С < ПДКм .
Для веществ, для которых установлены только среднесуточные ПДК,
используются приближенное соотношение между максимальными
значениями разовых и среднегодовых концентраций и требуется, чтобы
0,1С<ПДКсс.
При наличии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих
суммацией действия, их безразмерная суммарная концентрация не
должна превышать единицы. При наличии фонового загрязнения атмосферы
вместо С следует принимать С + Сф. Значение фоновой концентрации
определяется по специальной методике органами Росгидромета.
Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных
санаториев и домов отдыха, а также для других территорий с повышенными
требованиями к охране атмосферного воздуха ПДК следует заменить на
0,8-ПДК.
При горячих выбросах (АТ»0) значение минимальной высоты
первоначально определяется из выражения
76

н =
AMFDKM
8.2(ПДК-Сф)
(2.6)
Если при этом найденное значение Я < wQ ^JlOD/AT , то оно является
окончательным. В противном случае предварительное значение
минимальной высоты определяется по формуле
„ I AM FK
Н
(ПДК-Сф).^еАГ' (27)
По найденному таким образом значению Н= Нх определяются
значения вспомогательных коэффициентов/, vM, v'M,fe и устанавливаются в
первом приближении коэффициенты т = т1ип = пу Если тхпх Ф 1, то пот, и
п х определяется второе приближение Я = Я2 по формуле Я2 = Я, ^щпх .
В общем случае (/+1)-е приближение Я.+1 определяется по формуле
Я'*'=Я'а/7Г7-' (2-8)
где т. и п. соответствуют Я, а т._х и п._—Н._у
Уточнение значения Я необходимо производить до тех пор, пока
последовательно найденные значения Я. и Я+1 практически будут равны друг
другу (с точностью до 1 м).
Генеральные расчетные формулы легли в основу формул для расчета
ПДВ, г/с:
.(ПДК-СФ)Я2^2АГ
ВДВ = 7ТГ7 Тг ' г/с — для нагретых выбросов; (2.9)
А М F т п К
(ПДК-Сф)Я4/3-8(2
ОДВ = — , г/с _ для холодных выбросов. (2.10)
AM F D пКм
Если для какого-либо вещества выполняется соотношение
£СМ/ + Сф <ПДК, (2.11)
то в этом случае (при отсутствии необходимости учета суммации вредного
воздействия нескольких веществ) использованные при расчетах значения
Ммогут быть приняты в качестве ПДВ.
77

2.2. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
После выхода из источника загрязняющие вещества не остаются в
атмосфере в неизменном виде. Происходят физические изменения,
особенно в процессе динамических явлений, таких как перемещение и
распространение в пространстве, турбулентная диффузия, разбавление и т. д. Кроме
того, в результате химических процессов в атмосфере также происходят
изменения. Часто это лишь простые быстрые химические реакции
(например, окисление), температурные изменения, приводящие к конденсации
некоторых газов и паров, сопровождающиеся образованием туманов,
капель и т. п. После длительного пребывания некоторых газообразных
загрязняющих веществ в атмосфере они превращаются в твердые,
чрезвычайно тонкодисперсные частицы. Солнечное излучение вызывает в атмосфере
химические реакции между различными загрязняющими веществами и
окружающей их средой. На рис. 2.9 приведены упрощенные схемы
основных химических изменений загрязняющих веществ в атмосфере.
Наиболее часто происходящий в атмосфере химический процесс —
окисление веществ кислородом воздуха. Так, в атмосфере происходит
окисление диоксида серы в триоксид и оксида азота в диоксид. Аналогичным
образом окисляются многие органические вещества, например,
альдегиды до органических кислот, ненасыщенные углеводороды и множество
других веществ. Скорость окисления неодинакова для различных веществ
и зависит от ряда дополнительных факторов.
Например, вследствие очень быстрого окисления оксида азота
кислородом воздуха рыжий «хвост» диоксида азота появляется
непосредственно на выходе оксида азота из дымовой трубы предприятия по
производству азотной кислоты. В сухом чистом воздухе диоксид серы сохраняется в
течение 2—4 дней или более, прежде чем полностью превратится в
триоксид. При высокой влажности и в присутствии твердых веществ,
катализирующих окисление, полупериод реакции составляет 10—20 мин. За это
время половина диоксида серы превращается в триоксид. Однако вследствие
кинетики этой реакции полное окисление второй половины может занять
от нескольких часов до нескольких суток.
Помимо влажности и наличия суспендированных твердых частиц
ускорить реакции окисления могут такие факторы, как ультрафиолетовое
излучение, а также наличие сильных оксидантов либо их вторичное
формирование. К этим веществам относятся озон, пероксиды и атомарный
кислород, которые образуются в ходе многих фотохимических реакций.
Под действием ультрафиолетового излучения, приходящего от
Солнца, также возникают циклические реакции, так называемые циклы Чеп-
78

От источника:
1. Превращение газа в твердые вещества
Из атмосферы*
От источника:
Из атмосферы
От источника:
2. Окисление
Солнечный
Природный Vs^ свет
Природные
углеводороды
,озон
Озон ^Высшие углеводород
ОЛ^Свободные радшкалы_У^
f-СОеросодержапще частицы^
3. Цепные фотохимические реакции — основа образования смога
Рис. 2.9. Примеры превращений в атмосфере
мена, которые представляют собой процесс ответственный за разрушение
озонового слоя. Солнечный свет с длиной волны в диапазоне 290—700 нм
является фотохимически эффективным, а вещества, поглощающие такое
79

излучение, могут действовать как основные фотохимические реагенты либо
как фоточувствительные датчики, которые переносят поглощенную
энергию к молекулам веществ, способных претерпевать указанные
превращения.
В число первичных веществ, поглощающих ультрафиолетовое
излучение, входят сера, диоксид азота и альдегиды. Это излучение возбуждает
молекулы указанных веществ, которые затем реагируют с молекулярным
кислородом атмосферы с образованием атомарного кислорода. Диоксид
серы поглощает излучение при длинах волн от 290 до 400 нм, так что
окисление диоксида серы в триоксид в атмосфере происходит под действием
солнечного света значительно быстрее. Эта реакция описывается
уравнением: hv
so2 + o2->so3+o
Аналогичным образом реагируют и альдегиды:
hv
нсно+о2 -> нсоон+о
Атомарный кислород может также образоваться по реакциям:
h2s + o2^h2o + s + o
NO + 02->N02 + 0
СН4 + 02 -» СН3ОН + О
с2н6 + о2^с2н4 + н2о + о
со + о2->со2 + о
Реакции с участием диоксида серы и альдегидов протекают
необратимо. В то же время количество атомарного кислорода, образующегося при
этом, относительно невелико, что соответствует содержанию диоксида
серы и альдегидов в атмосфере. Однако при реакциях, в которых участвует
диоксид азота, поглощение ультрафиолетового излучения приводит к
разрыву одной связи между атомами азота и кислорода, и образованию
молекулярного кислорода и оксида азота. Последующие реакции приводят к
образованию молекулярного кислорода и озона и регенерации диоксида
азота. Эти процессы можно представить в виде
hv
N02->NO + 0
N02 + 02->NO + 02
о + о2-+о3
Регенерированный диоксид азота может вновь вступить в реакцию, и,
таким образом, этот процесс может многократно повторяться до тех пор,
пока диоксид азота не превратится в азотную кислоту, либо не
прореагирует с органическими веществами с образованием нитросоединений.
Следовательно, даже малые концентрации диоксида азота в атмосфере могут
явиться причиной значительных количеств атомарного кислорода и озона.
80

Именно поэтому диоксид азота занимает важное место в формировании
окислительного смога.
Существуют два основных типа смогов: восстановительный —
типичный для Лондонского региона и фотохимический окислительный —
типичный для зоны Лос-Анджелеса.
Восстановительный смог — это атмосферное явление, встречающееся
в больших промышленных городах и представляющее собой смесь дыма,
сажи и диоксида серы. Обычно он достигает максимальных уровней рано
утром при температуре около О °С и высокой влажности и дополняется
состоянием инверсии в атмосфере (отражательная или поверхностная
инверсия). Раздражающе действуя на бронхи и дыхательные пути, смог
оказывает прямое отрицательное воздействие на здоровье людей. В 1952 и
1962 годах этот смог составил значительную долю загрязнения атмосферы
Лондона и привел к смерти нескольких тысяч человек. Это стимулировало
принятие радикальных мер по борьбе с загрязнением воздуха в Лондоне и
привело к существенному улучшению состояния атмосферы, причем
настолько заметному, что в указанном регионе более не образовывался
подобный смог.
Фотохимический окислительный смог достигает максимального
уровня около полудня при температуре 24—32 °С и низкой влажности и
дополняется нисходящей инверсией. Он вызывает раздражение глаз и
снижение уровня зрения, нарушает процессы вегетации, окисляет резину и
вызывает быстрое ее старение, а также имеет неприятный запах.
Основным условием формирования такого смога является наличие в атмосфере
оксидов азота. Фотохимическое разложение диоксида азота и другие
указанные выше реакции инициируют серию последующих реакций, в
которых участвуют как неорганические (преимущественно диоксид серы), так
и органические (преимущественно углеводороды) вещества,
присутствующие в атмосфере. Весьма обширный набор конечных продуктов
включает озон, формальдегид, акролеин, органические озониды и
органические кислоты. Снижение видимости связано с образованием аэрозолей,
одной из составляющих которых является триоксид серы — продукт
окисления диоксида.
Весьма важным в процессе образования окислительного смога
являются также реакции ненасыщенных углеводородов с озоном. Наибольший
вклад в его формирование и в нарушение вегетации вносят ненасыщенные
углеводороды с пяти- и шестиуглеродными цепочками (1—пентен, 1-гек-
сен). Ненасыщенные углеводороды с семи- и девятиуглеродными
цепочками также приводят к образованию озонидов и других продуктов, но
наносимый ими ущерб процессам вегетации уже несколько меньше.
Встречаются и весьма сложные реакции с образованием дополнительных
соединений в качестве промежуточных продуктов, а также с появлением
6 - 4543
81

свободных радикалов по мере разложения этих продуктов. При
фотохимических реакциях альдегидов и кетонов тоже могут образовываться
свободные радикалы. Например, формил (НСО*) образуется из формальдегидов,
а метил и ацетил из ацетона:
(сн3-со-сн3->сн;+сн3со#)
За этими реакциями могут последовать и другие, с получением
разнообразных продуктов. В воздухе свободные радикалы быстро реагируют с
кислородом, с образованием пероксидов и органических кислот. Таким образом,
из ацетальдегида образуется диметилпероксид и уксусная кислота.
Олефины с большим количеством двойных связей также вступают в
фотохимические реакции с образованием свободных радикалов. При
взаимодействии с кислородом некоторые свободные радикалы могут
образовать пероксисоединения, из которых выделяются новые пероксиды, или
свободные радикалы, способные вызвать полимеризацию олефинов или
стать источником озона.
Возможность протекания атмосферных реакций в значительной
степени зависит от количества твердых частиц воздуха и от их свойств. Эти
частицы создают поверхности, на которых могут протекать реакции,
играя таким образом роль катализатора, либо за счет адсорбции газов
частицы воздействуют на спектр поглощения (например, в диапазоне длин волн
поглощенного излучения) и, следовательно, также влияют на
интенсивность поглощения излучений и фотохимических реакций. Более того, в
ходе широко известных химических реакций твердые частицы могут
реагировать с газовыми выбросами промышленности.

3. ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ
ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ АТМОСФЕРЫ
Твердые вещества. Твердые вещества возникают в результате как
природных явлений, так и деятельности человека.
Пыль, образующаяся в результате деятельности человека, можно
подразделить на продукт его основной жизнедеятельности, особенно при
создании локальных источников теплоты, а также на продукт технической
деятельности. Эта пыль подразделяется на два типа:
— бесполезная пыль, образующаяся как побочный продукт вследствие
истирания, механической обработки или износа, как отбросный
продукт при работе транспорта, в процессе сжигания или возгонки
(продукты сгорания, например, сажа или зола), а также пыль от
процессов промышленного производства;
— полезная (утилизируемая) пыль, образующаяся в процессе
производства или переработки гранулированных веществ, таких как гипс,
цемент, наполнители для резины (сажа), высушенные продукты.
Причины образования промышленной пыли зависят от типа
производственного процесса:
1) механическая обработка различных веществ (бурение, дробление,
размол, полирование);
2) отделение веществ (отпиловка, отрыв);
3) тепловые процессы и процессы горения (сжигание, плавление,
сушка, дистилляция);
4) транспортировка зернистых материалов (погрузка, перегрузка,
смешение, просеивание и т. д.);
5) соединение гранулированных веществ (брикетирование);
6) износ и коррозия веществ.
На количество образующейся пыли влияют следующие факторы:
— физические и физико-химические свойства пыли;
— размер частиц пыли, ее дисперсионные и поверхностные свойства;
— перемещение материала (циркуляция, изменение направления
движения и т. д.);
— число и интенсивность столкновений между отдельными
частицами;
— коэффициент трения между пылью и оборудованием, по которому
она движется.
6*
83

Жидкие частицы. Жидкие загрязнения (туманы, капли) образуются:
а) при конденсации паров;
б) при распылении или разливе жидкостей;
в) в результате химических или фотохимических реакций.
Пары могут сконденсироваться в результате охлаждения их в смеси с
воздухом или другим неконденсирующимся газом. В зависимости от
точки плавления конденсирующихся веществ образуются жидкие или иногда
твердые частицы.
Жидкость находится в равновесии с паром при конкретной
температуре и давлении. Если парциальное давление пара в газе превышает
равновесное парциальное давление насыщенного пара при той же
температуре, то говорят — пар пересыщен. При достижении критической степени
пресыщения, зависящей от химического состава пара и температуры,
происходит конденсация. Пары в газах обычно конденсируются на
зародышах — чрезвычайно мелкодисперсных пылевых частицах, постоянно
суспендированных в атмосфере, ионах и т. п.
Охлаждение и последующая конденсация происходит в результате
потери теплоты, т. е. контакта смеси газ—пар с поверхностью более
холодного тела, в процессе адиабатического расширения пара либо в процессе
смешения с более холодным газом (при рассеивании отбросных
промышленных газов из дымовых труб в атмосферу).
Газообразные загрязнения. Образование газообразных загрязнений
характерно для различных процессов. Прежде всего, это такие химические
реакции, как окисление, восстановление, замещение и разложение, а
также электрохимические (электролиз) и физические (выпаривание и
дистилляция) процессы.
Наибольшую часть газообразных выбросов составляют продукты
окисления, образовавшиеся в основном в процессах горения, когда при
окислении углерода образуются диоксид и оксид углерода, при окислении
серы — диоксид серы, а при высокотемпературном окислении азота в
печах — оксид и диоксид азота. Однако при неполном сгорании не
происходит полного окисления органических веществ и могут образовываться
альдегиды, кетоны или органические кислоты. Продукты горения из печей с
восстановительной атмосферой могут содержать гидросульфид.
Помимо горения, некоторые процессы цветной металлургии,
особенно те, которые связаны с обжигом серосодержащих руд, могут явиться
источниками продуктов окисления. В химической промышленности в их
число входит сжигание серы или обжиг пирита с последующим
каталитическим окислением диоксида серы в триоксид — одна из основных стадий
производства серной кислоты.
Промышленные восстановительные процессы также являются
источниками загрязняющих веществ — в основном гидросульфида при произ-
84

водстве кокса. Более крупные источники загрязнений в химической
промышленности — это процессы карбонизации угля и производства
газового угля, сульфатцеллюлозы и ряд других. В качестве примеров
восстановительных процессов можно упомянуть производство соляной кислоты из
хлора и водорода и аммиака из атмосферных азота и водорода.
Химическое разложение и замещение широко применяются в
химической промышленности, особенно в производстве фосфорных
удобрений. Еще одним примером может служить выделение гидросульфида при
разложении ксантогената целлюлозы в производстве вискозных волокон.
Электрохимические процессы являются источником серьезных
загрязнений как в металлургии (наиболее значительный источник —
производство алюминия), так и в химической промышленности (наибольшие
загрязнения — в электролитической при производстве хлора и гидроксида
натрия). С рассматриваемых позиций наиболее важными, особенно в
химической промышленности, физическими процессами являются
выпаривание и дистилляция (например, выброс углеводородов, хлорпроизводных
углеводородов и других растворителей, испаряющихся в процессе
производства и использования этих продуктов). Дистилляция различных
химических веществ, включая смолы, а также некоторые нефтеочистительные
и нефтехимические процессы — еще один существенный источник
выбросов.
Иногда в процессе дистилляции образуются газообразные
загрязняющие вещества, которые при нормальных температурах находятся в
твердом состоянии. Таким образом, например, оксиды мышьяка поступают в
воздух при сжигании угля или при получении свинца и цветных металлов.
Дистилляция также приводит к выбросам свинца, оксида сурьмы (III),
ртути и других химикатов. Кроме того, при дистилляции выделяется ряд
летучих хлоридов металлов.
Важным источником загрязнений может быть процесс выпаривания,
даже если выпаривать очень малые количества веществ с очень
неприятными запахами на воздухе. Реакции замещения или присоединения в таких
процессах, как нитрование, хлорирование, сульфирование и т. д. также
могут быть (хотя и незначительными) источниками газообразных
загрязняющих веществ.
Сбор и отвод выбросов от источников. В подавляющем большинстве
случаев устройства для сбора и отвода летучих выбросов от источников
выделения разрабатываются лицами, проектирующими технологический
процесс. Существуют исключения, например, сталеплавильные печи.
Система сбора и отвода выбросов во многом зависит от типа
производственного процесса. Например, в случае сжигания топлива система
достаточно простая: топочное устройство — труба (котельная). В большинстве
случаев в системе существует газоотборное устройство (аспирационное уст-
85

ройство, местный отсос), система газоходов, через которые
осуществляются выбросы и побудитель движения воздуха. Кроме того, в системе может
быть предусмотрено разнообразное вспомогательное оборудование
(вентили, компенсаторы и т. д.).
Классификация аспирационных устройств. По степени изоляции
области действия отсоса от окружающего пространства различают отсосы
открытого типа и отсосы от полных укрытий (рис. 3.1).
Отсосы открытого типа — это отсосы, находящиеся за пределами
источников выделения вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные
панели, бортовые отсосы и другие устройства. В ряде случаев для
отделения зоны выделения вредных веществ от незагрязненного объема воздуха
используют плоскую приточную струю, которая обеспечивает сдув
вредных веществ в зону эффективного действия отсоса и усиливает
подсасывающее действие последнего за счет эжекции. Такие отсосы получили
название активированных.
Отсосы от полных укрытий — это отсосы, внутри которых находятся
источники выделения вредных веществ. Движение газа над источниками
в ограниченных объемах с рабочими проемами и неплотностями
существенным образом отличается от его движения в условиях открытого
пространства. Такими закрытыми отсосами являются вытяжные шкафы,
фасонные укрытия при обработке вращающихся изделий, кожухи и вытяжные
камеры, герметично или плотно закрывающие технологическое
оборудование.
Отсосы открытого типа следует применять в тех случаях, когда по
технологическим или иным причинам источник не может быть снабжен пол-
Местные отсосы
Открытого типа
Соосно с
источником
I
Сбоку от
источника
1
Нижние

Активированные
отсосы
1

Бортовые
отсосы
X

Односторонние

Двусторонние
I
От полных укрытий
Вытяжные
шкафы
I
I
Вытяжные
камеры
Фасонные
укрытия
36
о л
£ 5
3 *о
Рис. 3.1. Классификация местных отсосов
86

ным укрытием, которое является наиболее эффективным средством
оздоровления воздушной среды рабочей зоны.
Существенное влияние на выбор конструкции отсоса оказывают
причины и характер движения выделений вредных веществ около
источников. Последние разделяются на тепловые, динамические, диффузионные
и смешанные.
Движение около тепловых источников происходит за счет тепловой
энергии, подводимой к ним. Выделения вредных веществ
распространяются в виде направленного потока — конвективной струи, как правило,
турбулентной. Конвективные струи разделяются на участки: начальный,
или разгонный (участок формирования), на котором осевая скорость
возрастает от нуля на поверхности источника до некоторого максимального
значения, к основной, где осевая скорость убывает или остается
постоянной с удалением от источника. Длина разгонного участка приближенно
может быть принята равной 1,5-2 калибрам теплового источника.
Движение около динамических источников обусловлено перепадом
давления, что приводит к образованию приточной струи. Приточная
струя — это струя, обладающая некоторой минимальной скоростью
истечения за счет избыточного давления внутри объема сосуда, аппарата.
Приточная струя состоит из начального и основного участков.
Диффузионные потоки обусловлены градиентом концентрации
газовой примеси. Направление и интенсивность распространения последней
зависят от диффузионных характеристик вещества и турбулентности
окружающей среды.
Различные причины движения нередко действуют совместно. Во всех
случаях необходимо уметь оценивать влияние каждой причины на
закономерности движения и на основании этой оценки правильно выбирать
конструкцию отсоса.
По форме их сечения в плане источники и приемные отверстия
отсосов могут быть круглые, прямоугольные и щелевые. В соответствии с этим
струи могут быть компактные и плоские. В пределах начального
(разгонного) участка конвективная струя считается компактной, если она
образуется над тепловым источником, имеющим в плане круглую форму или
форму прямоугольника с соотношением сторон а/Ь < 2. Если тепловой
источник вытянутый (а/Ь > 2), то образующуюся над ним конвективную
струю следует считать плоской. Компактной считается приточная струя,
истекающая из отверстия круглой или квадратной формы; плоской —
струя, истекающая из щелевого отверстия.
Приведенная классификация учитывает основные закономерности и
существенные особенности потоков выделений вредных веществ над
источниками. При решении практических задач приходится сталкиваться с
более разнообразными и сложными формами источников, однако при вы-
87

боре расчетных схем и формул следует приводить их к одному из
рассмотренных видов.
При выборе и конструктивной проработке местного отсоса
необходимо руководствоваться следующими основными положениями:
— элементы отсоса и укрытий должны составлять единое целое с
конструкцией технологического аппарата и не мешать проведению
технологического процесса;
— всасывающее отверстие должно быть максимально приближено к
источнику выделений вредных веществ;
— размеры приемного отверстия должны быть равными или
несколько большими, чем размеры подтекающей к отсосу струи;
— уменьшение размеров отсоса ведет к увеличению потребного
расхода воздуха;
— зону действия отсоса следует максимально ограничить фланцами,
экранами, ширмами и т. п.;
— ориентация приемного отверстия в пространстве должна
производиться с учетом возможно меньшего отклонения потока выделений
вредных веществ от естественного направления движения;
— при определении направления движения потока выделений
вредных веществ следует следить за тем, чтобы они не проходили через
зону дыхания работающих;
— препятствиям на пути движения воздуха к отсосу следует придавать
форму, при которой сопротивление их будет минимальным (острые
кромки скруглять и т. д.);
— поле скоростей в приемном отверстии отсоса рекомендуется
устраивать соответствующим полю скоростей в подтекающем потоке
выделений вредных веществ. Для этого следует использовать вставки,
рассекатели, выравнивающие решетки и т. д.
Практика показывает, что объем выбросов может быть значительно
снижен за счет рациональной и тщательно продуманной конструкции
газоотбора.
Основные виды аспирационных устройств.
Аспирационные устройства открытого типа. Представляют собой
вытяжные устройства различной конструкции с открытым воздуховодом и
подразделяются на: вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые и
активированные отсосы.
1. Вытяжные зонты. По направлению движения выделений вредных
веществ различают отсосы, расположенные соосно с источником (рис. 3.2),
и отсосы, расположенные сбоку от источника. К отсосам первого типа
относятся вытяжные зонты, отсасывающие воронки и т. п. Зонты
устанавливаются, как правило, над сосредоточенными источниками тепло- и вла-
говыделеннй, над источниками вредных веществ, выделяющихся вместе с
88

Рис. 3.2. Схемы отсосов, расположен- 2Л х 2В
ных соосно с источником: \
а — зонт с прямоугольным приемным
отверстием; б — зонт с неравномерным
всасыванием по площади приемного отверстия; | J
в — зонт-козырек; 1 — корпус отсоса; J
2— вставка, обеспечивающая неравномер- I
ность всасывания; 3 — уступы для л окал и- \
зации зон завихрения
теплотой. Применять зонты можно при незначительной подвижности
воздуха в помещении, так как поток воздуха, направляемый под зонт, может
отклоняться.
Для обеспечения устойчивой работы зонтов их снабжают съемными
или откидными фартуками с одной, двух или трех сторон и располагают
на оси (плоскости) симметрии источника на минимально возможной
высоте h (рис. 3.2).
При наличии над источником выделений вредных веществ
устойчивого струйного течения рекомендуется внутри зонта устанавливать
коническую вставку, а по периметру корпуса устраивать кольцевой уступ
(рис. 3.2, б). Коническая вставка обеспечивает качественное соответствие
профилей скоростей в приемном отверстии и в подтекающей струе.
Действие всасывающего факела при этом сосредоточивается в центре
течения, что увеличивает устойчивость струн по отношению к
неорганизованным потокам в помещении.
2 Вытяжные панели. Когда по конструктивным соображениям соос-
ный отсос нельзя расположить достаточно близко над источником и
поэтому производительность отсоса чрезмерно велика, а также когда
необходимо отклонять поднимающуюся над источником струю так, чтобы
выделения вредных веществ не попадали в зону дыхания работающего,
применяют вытяжные панели (рис. 3.3) — боковые, угловые и наклонные.
Такие отсосы находят широкое применение в цехах пластмасс, сборочно-
сварочных, литейных.
3. Бортовые отсосы. Бортовые отсосы располагают в основном в цехах
металлопокрытий для улавливания выделений вредных веществ с
поверхности растворов гальванических, травильных, закалочных ванн т. п.
Особенностью бокового отсоса является то, что зона его действия велика по
сравнению с шириной всасывающей щели. Наибольшее распространение
находят однобортовые, двубортовые и круговые отсосы (рис. 3.4).
4. Активированные отсосы. Местные отсосы активируют плоскими или
компактными приточными струями, которые отделяют зону выделений
вредных веществ от незагрязненного объема и обеспечивают стабильный
сдув вредных веществ в зону эффективного действия отсоса (рис. 3.5). При-
89

г д
Рис. 3.3. Конструктивные схемы отсосов:
а — отсос в стенке; б — свободно расположенный боковой отсос; в — боковой отсос с экраном;
г — угловой отсос; д — наклонный отсос
2 -I
ГхЛи
Рис. 3.4. Кольцевой отсос опрокинутого
типа:
/ — отсасывающие воздуховоды; 2 — уровень
жидкости; 3 — граница верхнего уровня
выделения вредных веществ; 4 — кольцевой кожух
Рис. 3.5. Схема активированного отсоса
травильной ванны:
- ванна; 2 -
3-
воздухораспределитель наддува;
вытяжной приемник
точная струя должна проходить в зоне выделений вредных веществ и
направляться к центру всасывающего отверстия, причем расход
отсасываемого воздуха должен превышать расход воздуха, поступающего с
приточной струей.
Местные отсосы от полных укрытий. Наиболее эффективным типом
местных отсосов является полное укрытие источника выделения вредных
веществ. В этом случае локализация выделения достигается при
минимальном объеме воздуха. Однако далеко не всегда укрытие можно сделать
герметичным. В его ограждениях обычно имеются рабочие проемы, размеры
90

7(Н
100
их
f LToaJ
d
У
в
Рис. 3.6. Схемы вытяжных шкафов:
а — с верхним отсосом; 5 — с нижним отсосом; в — с
комбинированным отсосом
которых определяются конструкцией и технологическим режимом работы
укрываемого оборудования.
1. Вытяжные шкафы (рис. 3.6). Вытяжные шкафы различают с верхним,
нижним и комбинированным (нижним и верхним) удалением воздуха.
Шкаф с комбинированным удалением воздуха применяют для удаления
пыли и тяжелых газов. Из нижней зоны шкафа, как правило, следует
отсасывать 2/3 общего объема воздуха, а из верхней зоны — 1/3. Если в шкафу
проводят работы, сопровождающиеся выделением большого количества
теплоты, то следует отсасывать сверху 2/3 общего объема воздуха и снизу 1/3.
Однако должна быть предусмотрена возможность регулирования этого
распределения.
2. Местные отсосы, встроенные
в технологическое оборудование.
Чаще всего местные отсосы
используются в машиностроительных
производствах. При этом они могут
защищать не только от вредных
выделений, но и от отлетающей
стружки. В этом случае они
называются пылестружкоприемниками
(рис. 3.7).
3. Аспирируемые укрытия. При
проведении ряда технологических
процессов с целью предотвращения
загрязнения воздуха в помещениях
Применяют аСПИрируеМЫе укры- Рис- ЗЛ- Пылестружкоприемник для
ТИЯ. Внутри УКРЫТИЯ ПОДЦержИВа- горизонтально-фрезерного станка:
ЮТ ПЗЗПЯЖеНИе ЧТОбы чепез его не- 7 ~ К°рПуС пылестружкоприемника; 2- приемный
ЮТ разряжение, ЧТООЫ Через еГО Не патрубок; 3 _ съеМная крышка; 4 - подвеска;
ПЛОТНОСТИ ЗасаСЫВаЛСЯ ВОЗДУХ СО 5 — направляющая пластина
91

Рис. 3.8. Проходная камера для
окрашивания изделий средних
размеров:
/ — корпус; 2 — окрашиваемое изделие;
3 — транспортный проем; 4— рабочий
проем; 5 — отстойная ванна; 6 — гидрофильтр
скоростями, препятствующими
распространению вредных веществ. Такие
устройства применяются, например, при ручном
окрашивании (рис. 3.8).
Системы с рециркуляцией воздуха.
Особое место занимают системы с
рециркуляцией воздуха. Они включают
следующие элементы:
— устройство для улавливания примесей
в зоне их выделения (местный отсос);
— аппарат для очистки воздуха от
примесей;
— побудитель движения воздуха в
системе;
— устройство для возврата воздуха в
производственное помещение;
— воздуховоды.
В качестве воздуховодов обычно
используют металлорукава, а в качестве
побудителей движения воздуха —
вентиляторы с суммарным напором от 3 кПа и выше. В компоновочных схемах
использования аппаратов предусмотрено индивидуальное применение их
на станках (установках) в навесном или приставном вариантах, а также
для очистки воздуха, отводимого от группы станков.
Системы местной вытяжной вентиляции с возвратом
(рециркуляцией) очищенного воздуха в производственное помещение находят
применение для очистки воздуха: от пыли при обработке режущим и
абразивным инструментом металлов, их сплавов и неметаллических материалов;
от сварочного аэрозоля при электросварке; от туманов масел и смазочно-
охлаждающих жидкостей при обработке металлов резанием; от туманов
масел на холодно-высадочных автоматах и др. Преимущества таких
систем очистки: малая длина воздуховодов; малое гидравлическое
сопротивление системы; не требуется подогрев или охлаждение очищенного
воздуха, что дает наибольшую экономию энергии в холодный период года.
Недостатки систем: пониженный коэффициент полезного действия
вентиляторов индивидуальных аппаратов очистки по сравнению с
вентиляторами центральной очистки; излучение на рабочие места шума от
индивидуального аппарата очистки.
Требуемая эффективность очистки рециркуляционного воздуха в таких
аппаратах определяется из условия, что концентрация каждого вида
примесей на выходе из пылеуловителя должна быть не более 0,3 ПДК .

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ
ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Работа любого устройства, удаляющего взвешенные частицы, основана
на использовании одного или нескольких механизмов осаждения.
Основными механизмами осаждения, имеющими наибольшее применение,
являются: гравитационное осаждение (седиментация); осаждение под
действием центробежной силы; инерционное осаждение; зацепление (эффект
касания); диффузионное осаждение; электрическое осаждение.
Термофорез, диффузиофорез, воздействие электромагнитного поля
можно отнести к разряду перспективных.
Влияние того или иного механизма на осаждение частиц определяется
целым рядом факторов и в первую очередь их размером.
Гравитационное осаждение. Гравитационное осаждение происходит в
результате вертикального оседания частиц под действием силы тяжести
при прохождении их через обезвреживающее устройство. При падении
частица пыли испытывает сопротивление среды. Наиболее просто это
сопротивление описывается при прямолинейном и равномерном движении
шаровой частицы, т. е. в случае, когда можно пренебречь
турбулентностью потока и конвективными токами.
Силу сопротивления, действующую на частицу при ее движении Fc,
можно описать законом Стокса (при d4 »/., где /. — средняя длина свободного
пробега молекул газов, м):
Fc=3tcM,v4, (4.1)
где v4 — скорость движения частицы, м/с; d4 — диаметр частицы, м; \i —
динамическая вязкость газов, Пас.
Закон Стокса применим при ламинарном движении частиц, когда
Re4 < 2. Область применения закона Стокса практически определяется
размерами частиц и требуемой точностью:
93

при 16 < d4 < 30 мкм, точность составляет 1%;
при 1,6 < d4 < 70 мкм, точность составляет 10%.
Если допустима большая неточность, можно распространить формулу
(4.1) на область 0,1 < d4 < 100 мкм, т. е. практически на все размеры
пылевых частиц, подвергающихся улавливанию.
Для частиц размером 0,2-2 мкм в уравнение (4.1) вводится поправка
Кенингема-Милликена Ск, учитывающая повышение подвижности
частиц, размер которых сравним со средней длиной свободного пробега
молекул:
Fc = с • (4.2)
Ниже приведены значения поправок Ск при нормальных условиях:
dH, мкм 0,003 0,01 0,03 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0
Ск 90,0 24,5 7,9 2,9 1,57 1,16 1,03 1,0
В области действия закона Стокса конечная скорость частицы vh,
достигаемая при установлении равенства между силой сопротивления среды
и внешней силой F (F = Fc), действующей на частицу, определяется по
формуле
При гравитационном осаждении шаровой частицы
^.=-g4p4-Pr)£. (4.4)
где рч — плотность частицы, кг/м3; рг — плотность газа, кг/м3.
Подставляя (4.4) в выражение (4.3), получим скорость осаждения
v.
Ун (Рч-Рг)*
18ц
Пренебрегая плотностью среды, окончательно получим
(4.5)
dl P., 8
V<=-^- (4-6)
Представленные здесь формулы вида (4.3)-(4.6) верны лишь для
ламинарных условий.
Из формулы (4.6) следует, что скорость осаждения взвешенных частиц
в газоочистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, прямо
пропорциональна квадрату диаметра частиц.
Ниже приводится скорость падения частиц плотностью 1000 кг/м3 в
неподвижном воздухе под действием силы тяжести.
94

Диаметр частицы, мкм 100 10 1
Скорость падения, м/с 0,3 0,003 0,00003
Если скорость воздуха равна скорости осаждения и направлена против
нее, то скорость осаждения частицы пыли в воздухе равна нулю.
Скорость воздуха в восходящем потоке, при которой частица
неподвижна, называется скоростью витания. Таким образом, постоянная
скорость осаждения частиц пыли в неподвижном воздухе равна скорости ее
витания. Понятие «скорость витания» важно для систем и устройств, в
которых происходит перемещение газообразной среды с взвешенными в ней
частицами (пневмотранспорт, аспирация, пылеуловители, работающие в
основном на принципе гравитации). Для определения скорости витания
используют специальные номограммы (рис. 4.1).
Так как частица может иметь несферическую форму, то в технике
обезвреживания выбросов используют понятия «стоксовский размер» и «эк-
Рис. 4.1. Номограмма для определения скорости витания пылевых частиц
95

Бивалентный диаметр». Стоксовский размер — диаметр сферической
частицы, имеющий такую же скорость осаждения, как и данная несферическая
частица. Эквивалентный диаметр ^чэ — диаметр объема шара, объем
которой равен объему данной частицы. Между стоксовским диаметром и
эквивалентным диаметром существует зависимость
где % — динамический коэффициент формы.
Ниже приводятся значения динамического коэффициента формы для
частиц.
Динамический
Форма частиц коэффициент формы
Шаровая 1
Округленная с неровной поверхностью -. 2,4
Продолговатая 3
Пластинчатая 5
Для смешанных тел 2,9
Параметр гравитационного осаждения, определяющий эффективность
обезвреживания в пылеулавливающих устройствах, равен отношению силы
тяжести FT к силе сопротивления среды Fc\
q — * — 6 ч _ ч Рч 8 (4 7)
Fc 3n\id4vr 18цуг
Тогда с учетом формулы (4.6)
G = -' (4.8)
Таким образом, параметр гравитационного осаждения равен
отношению скорости осаждения частицы к скорости газового потока.
Кроме того уравнение (4.8) может быть представлено в виде
отношения двух критериев
^ St
<? = -. (4.9)
d2p v v2
где St = -j^-j критерий Стокса; Fr = -^ критерий Фруда; /—опреде-
18ц/ gi
ляющий параметр, м.
Центробежное осаждение. Осаждение под действием центробежной
силы отмечается при криволинейном движении аэродисперсного потока,
96

когда развиваются центробежные силы, под действием которых частицы
отбрасываются на поверхность осаждения.
В области существования закона Стокса скорость центробежного
осаждения шаровой частицы можно рассчитать, приравнивая центробежную
силу Fu, развивающуюся при вращении потока, к стоксовой силе
сопротивления среды:
v2
К = т,—> (4.10)
г
где уш — скорость вращения газового потока вокруг неподвижной оси, м/с;
г — радиус вращения газового потока, м; тч — масса частицы, кг.
V2
тч — = 3n\ld4vc
г
d2p v2
18 ц г с (qA[)
Из выражения (4.11) следует, что скорость осаждения взвешенных
частиц в центробежных обезвреживающих устройствах прямо
пропорциональна квадрату диаметра частицы. Величина же скорости осаждения при
центробежном осаждении больше, чем при гравитационном в уш/ /£раз.
Если по аналогии с вышерассмотренным гравитационным
осаждением выразить параметр центробежного осаждения как отношение
центробежной силы, действующей на частицу, к силе сопротивления среды, то
получим
nd3 v2
Cl) = ^ = _j6—1л = <2Рчуш . (4.12)
Fc 3icM4vB 18Д>*
Правая часть есть ни что иное, как критерий Стокса St^, в котором
линейный параметр г представляет собой радиус вращения потока. Это
позволяет выразить коэффициент осаждения частиц под действием
центробежной силы в виде т|ш = (RejSt^).
В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации,
могут применяться два принципиальных конструктивных решения: пы-
легазовый поток вращается в неподвижном корпусе аппарата; поток
движется во вращающемся роторе. Первое решение применено в циклонах,
второе — в ротационных пылеуловителях.
Инерционное осаждение. Инерционное осаждение происходит в том
случае, когда масса частицы или скорость ее движения настолько
значительны, что она не может следовать вместе с газом по линии тока,
огибающей препятствие (рис. 4.2), а, стремясь по инерции продолжить свое дви-
7 - 4543
97

Направление
потока
движение газа
- движение частиц
Рис. 4.2. Осаждение частиц на шаре
жение, сталкивается с препятствием и осаждается на нем. Коэффициент
эффективности инерционного осаждения T|stlc определяется долей частиц,
извлеченных из потока, при обтекании им тела.
Траектория движения частицы в газовом потоке может быть описана
уравнением
где St =
d2HPHyrCk
-IMr-'
(4.13)
критерий Стокса, или инерционный параметр, ха-
\S\i-2R
рактеризующий отношение инерционной силы, действующей на частицу
к силе гидравлического сопротивления среды; R — характерный размер
обтекаемого тела (например, радиус шара), м; p = 7ti/R — безразмерная
координата частицы; 7; — радиус-вектор частицы, м; v0=vr/vee
—безразмерная скорость газа; уте — скорость газа вдали от обтекаемого тела, м/с;
v,. — вектор скорости газов в месте нахождения частиц, м/с; т0 = (vjz)/ R —
безразмерное время; т — время движения, с.
Единственным критерием подобия инерционного осаждения
является критерий St. Из уравнения (4.13) следует, что при St = 0 (частицы с
бесконечно малой массой) v0 = dpldxQ, т. е. частица точно следует линии
тока, не соприкасаясь с поверхностью обтекаемого тела. Очевидно, что
такое же явление будет наблюдаться и при достаточно малых значениях
критерия Стокса. Существует минимальное, так называемое критическое
значение числа Стокса St , при котором инерция частицы оказывается
достаточной, чтобы преодолеть увлечение ее газовым потоком, и она дос-
98

тигает поверхности тела. Таким образом, захват частицы возможен при
условии St > StKp.
Теория инерционного осаждения рассматривает осаждение частиц
на фронтальной части обтекаемого тела и не учитывает их осаждение на
задней поверхности тела, которое может происходить за счет
турбулентных пульсаций газового потока. Это явление становится существенным
при малых значениях критерия St, т. е. при улавливании субмикронных
частиц пыли. Таким образом, даже при St < St эффективность осажде-
ния не равна нулю.
По рис. 4.2 легко проследить и влияние критерия Re на инерционное
осаждение.
При ламинарном течении потока (Re <2) эффективность осаждения
не будет зависеть от этого критерия, пока можно будет пренебречь
существованием пограничного слоя вокруг обтекаемого тела (вязкое
обтекание). С увеличением значения критерия Re при переходе к
турбулентному движению потока на поверхности обтекаемого тела образуется
пограничный слой, толщина которого уменьшается по мере роста
критерия Re. При значениях Re больше критического (Re > 500) линии тока
сильнее изгибаются (потенциальное изгибание) и обтекают тело на
близком расстоянии, вследствие чего при том же значении критерия Стокса,
эффективность осаждения будет выше. Этот рост эффективности будет
продолжаться с уменьшением толщины пограничного слоя вокруг тела,
т. е. с увеличением критерия Re. Таким образом, при потенциальном
обтекании эффективность осаждения зависит как от критерия Стокса,
так и от критерия Re.
В области St > 0,1 при потенциальном обтекании коэффициент
осаждения на шаре может быть вычислен по эмпирической формуле
St2
Лз'> + 0,35)2* <4'14)
Величина StK, соответствующая r\st = 0, составляет 0,0417.
Инерционное осаждение эффективно для частиц размером более 1 мкм.
На рис. 4.3 приведены теоретические и экспериментальные
зависимости эффективности осаждения частиц на шаре при потенциальном его
обтекании. Данные, приведенные на рис. 4.3, могут быть использованы и
при практических расчетах эффективности пылеулавливающих установок,
в которых осаждение осуществляется на телах шарообразной формы
(например, на капле). При этом, если тела будут расположены не очень
тесно, заметного искажения потока не будет. При тесном расположении
обтекаемых тел эффективность может увеличиваться по сравнению с
теоретической величиной T|st для одиночного тела, что объясняется более
близким прохождением линий токов.
7*
99

Рис. 4.3. Инерционное осаждение
частиц на шаре при его потенциальном
обтекании:
/ — по теоретическим данным; 2 — по
экспериментальным данным
Зацепление. Зацепление наблюдается, когда расстояние частицы,
движущейся с газовым потоком, от обтекаемого тела равно или меньше ее
радиуса. Размер частиц имеет важное значение при захвате частиц за счет
касания частицей поверхности обтекаемого тела. Если пренебречь
инерционными эффектами и считать, что частица следует точно в соответствии
с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее
траектория пересечется с поверхностью тела, но и в случае пересечения
линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу (см.
рис. 4.2). Таким образом, эффективность зацепления выше нуля и тогда,
когда инерционное осаждение отсутствует. Эффект зацепления
характеризуется параметром Л, который представляет собой отношение диаметров
частицы dH и обтекаемого тела dm.
При потенциальном обтекании шара, когда величина R столь мала, что
можно пренебречь инерционными эффектами, эффективность зацепления
составляет
1
lR v ; 1 + Я
В этом же случае для цилиндра верно соотношение
1Ъ = (1+*)-^Ьр2Д.
(4.15)
(4.16)
В другом предельном случае, когда за счет большого значения
инерционных эффектов траектории оседающих частиц прямолинейны, имеем
следующие соотношения:
для шара
для цилиндра
Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффективность
механизма зацепления находится в пределах 2R-3R, а при потенциальном
обтекании цилиндра R-2R.
100

Для определения эффективности осаждения частиц за счет касания при
вязком обтекании цилиндра предложены следующие уравнения:
i\R = R2 Re0,0625. (4.18)
Из приведенных выше уравнений следует, что эффект зацепления
становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым
диаметром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффекта
зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени
определяется режимом течения газового потока.
Диффузионное осаждение. Частицы малых размеров подвержены
воздействию броуновского (теплового) движения молекул, в результате они
имеют повышенную вероятность контакта с обтекаемым телом.
Перемещение частиц в этом случае описывается уравнением Эйнштейна,
согласно которому средний квадрат смещения частицы А^ составляет
A2x=2DTr, (4.19)
где D4 — коэффициент диффузии частицы, характеризующий интенсивность
броуновского движения, м2/с; Тт — абсолютная температура газов, К.
При справедливости закона Стокса коэффициент диффузии можно
выразить формулой
где кБ — постоянная Больцмана, равная 1,38-10"23 Дж/К.
Критерием, используемым в практике диффузионных расчетов,
является Ре-критерий Пекле, представляющий собой отношение конвективных
сил к диффузионным силам:
Pe = ReSc = ^.^ = ^, (421)
Ш ргД. Д. (4'21)
где / — определяющий линейный параметр обтекаемого тела; Sc —
критерий Шмидта, характеризующий отношение сил внутреннего трения к
диффузионным силам.
Величина, обратная критерию Ре, является параметром
диффузионного осаждения и обозначается через D. Таким образом, чем больше
коэффициент диффузии и чем меньше определяющий размер и скорость газа,
тем выше эффективность осаждения частицы за счет диффузии.
Ниже приведены значения коэффициента диффузии частиц для
воздуха при нормальных условиях, рассчитанные по формуле (4.20).
101

Размер частиц, мкм 10 1,0 0,1
Коэффициент диффузии, м2/с 2,4-Ю"12 2,7-Ю-11 6,Ы0-10
Как видно из приведенных данных, коэффициент диффузии резко
увеличивается с уменьшением размера частиц. Однако скорость диффузии
даже субмикронных частиц весьма мала по сравнению со скоростью
диффузии молекул газов, поскольку коэффициент диффузии частиц на
несколько порядков меньше.
Для расчета величины осаждения частиц за счет диффузии можно
использовать формулы, полученные при рассмотрении процессов
молекулярной диффузии. Уравнение для расчета эффективности
диффузионного осаждения на цилиндре при вязком его обтекании имеет вид
_1 Л
r|D =2,92.(2-lnRer)"3Pe"3, (4.22)
а при потенциальном обтекании
r|D=3,19Pe"^. (4.23)
Согласно вышеприведенным уравнениям, эффективность
диффузионного осаждения обратно пропорциональна размерам частиц и скорости
газового потока.
Осаждение под действием электрического поля. Принцип очистки
воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц с
последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием
электрического поля. При обычных условиях большая часть молекул газа
нейтральна, т. е. не несет электрического заряда того или иного знака.
Электрическая зарядка частиц может быть осуществлена тремя
путями: при генерации аэрозоля, за счет диффузии свободных ионов и при
коронном разряде. При применении первых двух способов число частиц,
получивших положительный и отрицательный заряды, приблизительно
одинаково. Коронный разряд, наоборот, приводит к зарядке частиц
одним знаком.
Коронный разряд — это особый вид разряда в газах, для образования
которого разные полярности источника напряжения (положительная и
отрицательная) подключаются к двум электродам, имеющим резко
различную кривизну поверхности.
Рассмотрим механизм коронного разряда на примере провода
цилиндрического сечения и плоскости (рис. 4.4). От высоковольтного
источника напряжения 1 на электроды подается постоянное высокое напряжение
(до нескольких десятков тысяч вольт). При этом предпочтительно
подключить положительную полярность источника к плоскому электроду 2, а
отрицательную к проводу 3. В пространстве между электродами
образуется электрическое поле. Так как электроды имеют сильно отличающуюся
102

Рис. 4.4. Механизм образования униполярного объемного заряда при
коронном разряде:
1 — источник высокого напряжения; 2 — плоский электрод; 3 — провод; 4 — чехол короны;
5— электроны; 6— положительные ионы; 7— отрицательные ионы
кривизну, напряженность этого поля будет неравномерной. Она имеет
очень большую величину около поверхности провода, обращенной к
плоскому электроду, и по мере удаления от провода по направлению к
плоскости быстро уменьшается. При определенном значении напряжения
(напряжении зажигания коронного разряда) в промежутке между проводом и
плоскостью образуется коронный разряд.
В области, прилегающей к проводу, значение напряженности поля
становится настолько большим, что в этой зоне (чехол короны) резко
возрастает количество носителей заряда обоих знаков: электронов 5 и
положительных ионов 6 (происходит пробой газа). Этот слой называют чехлом
короны.
При дальнейшем возрастании напряжения ширина чехла
увеличивается, возрастает количество носителей заряда обоих знаков; эта область
начинает светиться (голубовато-фиолетовое свечение) и потрескивать.
Так как к проводу приложена отрицательная полярность, то
положительные ионы в чехле будут двигаться в сторону провода, а электроны — в
противоположном направлении. При движении электронов внутри чехла
их кинетическая энергия достаточна, чтобы при столкновении с
нейтральными молекулами газа выбивать из них новые электроны. Это приводит к
тому, что из нейтральной молекулы образуется новая пара зарядов.
Образовавшиеся электроны выбивают при своем движении из других
нейтральных молекул новые электроны и т. д. В этом заключается суть
электрического пробоя в газе.
103

Рис. 4.5. Зарядка частиц в поле коронного разряда:
/ — отрицательные ионы; 2—частицы, взвешенные в газе; 3 — заряженная частица
Это происходит лишь внутри чехла короны. По выходе из этой зоны
энергии уже недостаточно для выбивания электронов. Электрон может лишь
прилипнуть к молекуле газа, образуя отрицательный ион 7. Таким образом,
в промежутке между границей чехла короны и плоским электродом
имеются лишь отрицательные ионы, которые движутся к плоскому электроду.
В этой зоне нет пробоя, она называется темной, или униполярной, зоной.
Униполярная зона охватывает значительную часть межэлектродного
пространства. При перемене полярности приложенного напряжения
процессы в основном аналогичны; при этом образуется униполярная зона уже с
положительным зарядом.
Рассмотрим процесс зарядки частиц (рис. 4.5). Под действием сил
электрического поля (напряженности Е) электроны имеют направленное
движение от провода к плоскости. При этом они могут сталкиваться с
частицами 2 и осаждаться на частице, частицы получают отрицательный заряд
(ударная зарядка). Кроме того, ионы находятся и в тепловом
(диффузионном) движении, при таком движении они также могут сталкиваться с
частицами, заряжая их (диффузионная зарядка). Первый механизм доминирует
при размерах частиц более 0,5 мкм, второй — при размерах частиц менее
0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2-0,5 мкм эффективны оба механизма,
причем минимальная скорость зарядки наблюдается для частиц размером
около 0,3 мкм.
Величина заряда q (Кл), приобретаемого под воздействием
электрического поля проводимой частицей сферической формы, может быть
рассчитана по формуле
104

q = 3nd24e0E> (4.24)
где е0 — диэлектрическая проницаемость (е0 = 8,85-10~12 Ф/м); Е—
напряженность электрического поля коронного разряда, В/м.
Величина заряда, приобретаемого непроводящей частицей,
рассчитывается по формуле
с
? = 3—-яе0</ч2£, (4.25)
£ + 2
где е — относительная диэлектрическая проницаемость частицы.
При диффузионном механизме зарядки величину заряда можно
описать уравнением
qD~kdHe, (4.26)
где е — величина заряда электрона, Кл (е = 1,6-Ю-19), к — коэффициент,
зависящий от числа ионов, температуры и времени, в течение которого
происходит процесс зарядки (108).
Таким образом, максимальная величина заряда частиц размером
более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц
размером меньше 0,2 мкм — диаметру частицы. При ударной зарядке главную
роль играют общая поверхность частиц, ее диэлектрические свойства, а
также напряженность электрического поля. При диффузионной зарядке
преобладающее значение имеют число ионов, температура и время, в
течение которого происходит процесс зарядки.
В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время
менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному
значению
Время зарядки, с КН 10~2 10-' 1,0
Заряд,% от предельного 13,8 61,0 94,0 99,5
Электростатическая сила F£(H), действующая на заряженную частицу в
электрическом поле напряженностью Е, равняется
FE=qE. (4.27)
В области применимости закона Стокса можно рассчитать,
приравнивая кулоновскую силу стоксовой силе, скорость осаждения заряженных
частиц
V. =
ЯЕСК
ЪтгиИ
(4.28)
Значение q определяют по формулам (4.24) - (4.26) в зависимости от
свойств и размера частиц.
Скорости движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в
электрическом поле, м/с, может быть определена по формуле
105

_ 1(Г11£У
Vc" ц ' (4.29)
где г — радиус частицы, м.
Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в
электростатическом поле (м/с) может быть определена по формуле
0,17 -ИГ11 Е
vc= . (4.30)
Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть
определена по формуле, полученной теоретическим путем:
Ti = l-exp(-vg/), (4.31)
где/— удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных
электродов, приходящаяся на 1 м3/с очищаемого газа (воздуха), м2; vg —
скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному
электроду, м/с.
Степень эффективности очистки, определенная теоретически,
несколько отличается от действительной эффективности, так как исходит из
идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на
эффективность. Обычно пользуются практическими данными об
эффективности.
Термофорез. Термофорез представляет собой отталкивание частиц
нагретыми телами, вызванное силами, действующими со стороны
газообразной фазы на находящиеся в ней неравномерно нагретые частицы
аэрозоля. При термофорезе концентрация частиц в областях с повышенной и
пониженной температурой становится различной. Термофоретическая
сила возникает вследствие того, что от более нагретой стороны частицы
молекулы газа отлетают с большей скоростью, чем от менее нагретой
стороны, и таким образом сообщают частице импульс в направлении
понижения температуры.
Термофорез hq имеет применения в промышленных целях. Иногда
используется в исследованиях. Однако действие термофореза мы
наблюдаем. Так, происходит осаждение пыли на наружных стенах против
приборов центрального отопления. Нежелательным является осаждение частиц,
взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и
теплообменников. Образовавшийся слой обладает низкой теплопроводностью, что
приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов.
Термофоретическая сила F, действующая на частицу, может быть
представлена в виде формулы
^т= у АГг, (432)
106

где рг — абсолютное давление газов, Па; А Г — градиент температуры в газах,
К/м.
При названных выше условиях скорость частиц при термофорезе равна:
V« = (S + na)Trf>/ (4-33)
где а — доля рассеянных частицей молекул газа; для частиц неправильной
формы и с очень гладкой поверхностью (аморфные и жидкие) а « 0,9; для
частиц, образованных механическим путем и с острыми углами, ос ~ 1,0.
Как видно из формулы (4.33), скорость частиц при термофорезе не
зависит от размера частиц.
Если выразить параметр осаждения за счет термофоретической силы Т
как отношение этой силы к стоксовской силе сопротивления среды, то
Г-^Д^ «.34)
Частным случаем термофореза является фотофорез, который
возникает вследствие неравномерного освещения сторон тел, а следовательно, их
нагрева.
Диффузиофорез. Диффузиофорез — движение частиц, вызванное
градиентом концентрации компонентов газовой смеси. Явление диффузио-
фореза отчетливо проявляется в процессах испарения и конденсации.
При испарении с поверхности капли (или пленки жидкости) возникает
градиент концентрации пара, но поскольку общее давление пара должно
оставаться постоянным, происходит гидродинамическое течение
парогазовой смеси, направленное перпендикулярно к поверхности испаряющейся
капли и компенсирующее диффузию газов к этой поверхности. Это
гидродинамическое течение, называемое стефановским, может оказывать
существенное влияние на осаждение частиц. По существу происходит захват
частиц пыли потоком пара, диффундирующим к центрам конденсации или
охлаждающим поверхностям. Так, при улавливании частиц распыленной
водой при недосыщении газов водяным паром стефановское течение
препятствует, а при пересыщении — способствует захвату частиц каплями.
Для малых частиц эффективность захвата с уменьшением их размера
(при прочих равных условиях) остается почти, постоянной и желательно
присутствие в потоке капель возможно меньшего размера. Однако с
другой стороны, капли должны быть и достаточно большими, чтобы не
расходовалась значительная энергия на их распыление и для их осаждения
можно было использовать простейшие каплеуловители.
Диффузиофорез исключительно полезен при очистке газов от
гигроскопичных частиц, т. е. частиц, интенсивно адсорбирующих водяные пары
и хорошо растворяющихся в воде.
107

Использование электромагнитного поля для осаждения частиц. Если
твердая частица, не имеющая природных магнитных свойств, но получившая
электрический заряд q при движении в газах со скоростью v4, будет
введена в магнитное поле с напряженностью Я, она будет подвержена действию
силы FM, направленной под прямым углом и в направлении поля, и в
направлении ее движения. В результате такого воздействия частица будет
вращаться вокруг оси, проходящей через частицу и параллельно магнитному
полю. Благодаря вращению направление результирующей силы
непрерывно меняется, и частица описывает спираль.
Уравнение, характеризующее поведение частицы в магнитном поле (в
вакууме), имеет следующий вид:
HqVi0vH^^A, (4.35)
где |!0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума (ц0= 1,257- Ю-6 Г/м);
R — радиус вращения частицы, м.
В случае применимости закона Стокса конечная скорость частицы в
магнитном поле может быть рассчитана по формуле
_CKHg\i0\ivr
v-~ з*м, ' (4-36)
где |i — относительная магнитная проницаемость; \ir — динамическая
вязкость газа, Пас.
В соответствии с вышеприведенной формулой, скорость дрейфа
частицы в магнитном поле пропорциональна скорости газов, т. е. при большей
скорости газов частица скорее может быть выведена из газового потока.
При вводе в магнитное поле частиц, имеющих магнитные свойства,
они будут перестраиваться в соответствии с направлением силовых линий
магнитного поля. Расчет движения в этом случае достаточно сложен, так
как необходимо учитывать геометрию магнитного поля и газового потока,
а также положение частицы относительно магнитных полюсов. Во всех
случаях частица будет перемещаться в сторону ближайшего к ней полюса
и в итоге может столкнуться с другими взвешенными частицами, образуя
укрупненные агломераты. Этот способ нашел применение при
улавливании ферромагнитных частиц.
Суммарная эффективность под воздействием различных механизмов
осаждения. Обычно улавливание частиц аэрозоля осуществляется в
пылеуловителе под воздействием нескольких механизмов осаждения
одновременно. Общая эффективность улавливания частиц в аппарате т| является
функцией безразмерных параметров и критерия Рейнольдса (Re),
определяющего характер движения среды:
h=/(Re;G;co;St;/?;Z);*E), (4.37)
108

где G, со, St, R, D, KE — безразмерные параметры осаждения частиц
соответственно за счет эффектов седиментации, центробежной силы, инерции,
касания, диффузии и электрических сил.
Предложен ряд эмпирических формул для расчета эффективности при
совместном действии двух и более механизмов осаждения. Например, для
расчета суммарного воздействия трех механизмов осаждения: инерции,
зацепления и диффузии было предложено следующее уравнение:
ц = 6 Sc^Re^2 + 3 R2 Re2. (4.38)
Поскольку отдельные механизмы осаждения взаимосвязаны, общую
эффективность нельзя представить в виде суммы
Лучшее приближение достигается при допущении, что частицы, не
уловленные в результате действия одного из механизмов, будут
улавливаться за счет действия других. Общая эффективность осаждения в этом
случае может быть описана уравнением вида
Т1 = 1-(1-л51)(1-Т1/?)(1-Ло)а-Пс)-- (4.39)
Если один или два механизма играют решающую роль при
улавливании частиц, то в этом конкретном случае следует рассчитывать величину г\
по наиболее вероятным механизмам осаждения. Остальные механизмы в
этом случае будут играть второстепенную роль и ими можно пренебречь.
Эффективность осаждения в результате действия любого механизма
незначительна, если соответствующий параметр осаждения меньше, чем Ю-2, и
составляет величину порядка 1.
Особенности осаждения частиц пыли при контакте газового потока с
жидкостью. Осаждение взвешенных частиц при контакте газового потока с
жидкостью может осуществляться на каплях, пузырьках, в газовой струе и на
поверхности жидкости.
Улавливание взвешенных частиц каплями основано на
кинематической коагуляции, обусловленной разностью скоростей частиц и капель.
Можно выделить три основных режима захвата:
1) спокойный режим: аэрозоль движется с малой скоростью, капли
падают под действием силы тяжести;
2) средний режим: аэрозоль движется со скоростью, соответствующей
ламинарному или слаботурбулизированному режиму, капли имеют
скорость, значительно превышающую скорость седиментации;
3) динамический режим: скорость потока аэрозоля намного выше
критической, т. е. он сильно турбулизирован; капли (или просто жидкость, не
раздробленная на капли) поступают в поток и интенсивно
диспергируются под влиянием мощных турбулентных пульсаций, которые
одновременно способствуют контакту между жидкостью и аэрозольными частицами.
109

Во всех случаях улавливание может происходить за счет действия
практически всех механизмов, однако влияние их на эффективность
пылеулавливания далеко не одинаково. При этом капли чаще всего
рассматриваются как жесткие шары. Преобладающим эффектом практически всегда
является инерционный. Эффективность инерционного осаждения
пылевых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса. Действие сил
инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.
Для шаровых взвешенных частиц размером d4 в спокойном режиме
эффективность инерционного осаждения на каплях может быть выражена
зависимостью
Т1и=/
18 М.
(4.40)
где dK — диаметр капель, м.
При динамическом режиме способ подачи жидкости выбирают исходя
из конструктивных соображений, поскольку из любого первоначального
состояния жидкость очень быстро дробится на капли за счет энергии
потока. Решающими являются два фактора: скорость потока и удельное
орошение. При относительно небольшом удельном орошении (0,1—1,0 л/м3) и при
значениях 0,1 > St > 1,0 эффективность осаждения на каплях можно
определить по эмпирической формуле Ленгмюра и Блоджетта:
St2
^"(St + 0,35)2' <4-41>
При удельном орошении 1,5-2,0 л/м3 и St = 1,0-И70 можно
использовать формулу
r|St=l-0,155SrU4. (4.42)
Кроме инерционного осаждения, на каплях возможно диффузионное
осаждение под действием электростатических сил. Однако роль их по
сравнению с инерционным осаждением очень незначительна, а для частиц
более 0,2 мкм может не учитываться.
При движении пузырьков через слой жидкости (барботаж) внутри их
возникает пульсация газов. Для упрощения обычно принимается, что
пузырьки имеют шарообразную форму. Размер пузырей газа dn при барбо-
таже колеблется от 2,0 до 20 мм. Он является функцией скорости газового
потока, которая принимается от 1,0 до 4,0 м/с. Большое количество
пузырей придает слою жидкости характер пены. Важнейшим условием
работоспособности пенного слоя является его стабильность. Разрушение
пенного слоя может произойти в трех случаях:
1) при падении скорости газа ниже некоторого критического (для
разных типов аппаратов она различна);
но

2) при возрастании скорости газа до значений, когда начинается захват
газом и вынос из аппарата большого количества жидкости; структура
пенного слоя при этом нарушается;
3) при «сваливании» пены к одной стороне сечения аппарата
(последнее происходит из-за неравномерности поля скоростей газового потока,
негоризонтальности пенообразующей решетки и по другим причинам).
В обычных условиях в пузырьках осаждение частиц происходит под
действием четырех механизмов: центробежного, инерции, гравитации и
диффузии. Естественно, что с ростом размера частицы возрастает роль
первых трех и уменьшается роль диффузии. Однако и даже при очень малых
частицах (менее 1 мкм) величина коэффициента диффузионного
осаждения очень мала (максимальное значение 10~2).
Степень улавливания за счет инерционного осаждения теоретически
оценивается по формуле
18 УЛ
Tlst=—^— ■ (4.43)
где vn — скорость подъема газового пузыря, м/с; т — время релаксации
частицы, представляющей данную фракцию, с.
Степень улавливания за счет гравитации:
3*тр
%=^/ (4*44)
л л
Как видно из формул (4.43) и (4.44) при уменьшении диаметра
пузырька увеличиваются параметры инерционного и гравитационного
механизмов, т. е. необходимо, чтобы пузырек был как можно меньше. Таким
образом, если контакт жидкости с газом осуществляется в пузырьке, то
степень улавливания мелкодисперсной пыли крайне низкая, а для
увеличения степени очистки за счет других механизмов необходимо
уменьшение размеров пузырьков.
При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости последняя
может располагаться в виде тонкой пленки на твердой поверхности либо
занимать определенный объем и иметь глубину, достаточную для полного
поглощения частиц. В обоих случаях, естественно, преобладает
инерционный эффект.
После соударения с толстым слоем жидкости можно выделить три
варианта поведения частиц:
1) частица отталкивается от поверхности, после чего либо снова
ударяется о поверхность, либо уносится потоком газа;
2) частица не отталкивается, но и не погружается в глубину слоя, т. е.
остается на его поверхности;
3) частица пробивает поверхность жидкости и погружается в слой.
ill

В пылеулавливании наиболее желателен третий вариант, поскольку
первый дает нулевой эффект улавливания, второй приводит к загрязнению
поверхности жидкости и затрудняет ее последующую обработку. Следует
также иметь в виду, что частица, проникшая в толщу жидкости, может всплыть
обратно на ее поверхность, если рж > рч.
В общем виде движение частицы, погрузившейся в жидкость,
описывается уравнением
/
0,166 ^"кг^Г' (4-45)
где Re0 — критерий Рейнольдса в начальный момент движения; /ч — длина
пути, проходимого частицей в жидкости, м.
Путь, проходимый частицей в жидкости по инерции (до релаксации), в
среднем очень невелик и, в зависимости от скорости вхождения и размера
частиц, составляет от нескольких микрон до 1-2 мм. Для предотвращения
вторичного уноса частиц газовым потоком после удара их о свободную
поверхность жидкой пленки считается, что толщина пленки должна
составлять не менее 0,2-0,3 мм.
Газовые струи образуются при высокой скорости газов, чаще всего в
устройствах, где устанавливаются контактные или опорные тарелки или
решетки. В этом случае струи газов, сформировавшиеся в отверстиях
тарелок, с относительно высокой скоростью проникают в слой жидкости на
тарелке. Скорость газа в щелях (отверстиях) может достигать 180 м/с,
поэтому в данном случае велико значение критерия Стокса, вследствие
чего основной механизм осаждения — инерционный. Уже при значении
критерия Стокса, равном 0,32, эффективность осаждения достигает
единицы.
Фильтрация через пористые материалы. Фильтрация заключается в
пропуске аэрозоля через фильтровальные перегородки, которые допускают
прохождение воздуха, но задерживают аэрозольные частицы.
Процесс фильтрации в наиболее распространенных фильтрах можно
представить как движение частиц вблизи изолированного цилиндра (из
волокнистого материала), расположенного поперек потока. Влиянием
соседних волокон пренебрегают. Считают, что поток имеет безвихревое
движение, а частицы — сферическую форму, частицы при
соприкосновении с цилиндрическими волокнами на их поверхности задерживаются
силами межмолекулярного взаимодействия. Расстояния между
цилиндрическими волокнами весьма значительны по сравнению с размерами
частиц (в 5-10 раз превышают размеры частиц).
Фильтрация запыленного потока через слой пористого материала —
весьма сложный процесс, включающий в основном действие инерционного
столкновения, броуновской диффузии, касания (рис. 4.6).
112

Инерционное отложение
Диффузия
Зацепление
Пыль при фильтровании в
основном задерживается в результате
столкновения частиц с волокнами и
нитями фильтровального материала и
прилипания частиц к волокнам.
При движении потока через
фильтровальный материал газ
огибает волокна, более крупные
частицы пыли под действием сил инерции
сохраняют прежнее прямолинейное
направление движения и,
сталкиваясь с волокнами, прилипают и ним.
Мелкие частицы, обладающие
малой инерцией, могут вместе с
газовым потоком обогнуть волокно.
Самые мелкие частицы могут столкнуться с волокном, участвуя в броуновском
движении, и прилипнуть к поверхности волокна.
Вероятность столкновения частиц пыли с волокнами
фильтровального материала под действием сил инерции является функцией критерия
Стокса:
линия тока газа
линия движения частиц
Рис. 4.6. Механизм осаждения частиц на
волокне:
7 — частица; 2 — волокно
St =
18 Мв
(4.46)
где dn — диаметр цилиндра (волокна фильтрующего материала), м.
Чем больше St, тем больше число столкновений частиц с
поверхностью волокна фильтровального материала.
Эффективность осаждения, Г|5, частиц одиночными волокнами при
броуновском движении (температура потока ниже 100 °С) может быть
определена по приближенной формуле
Л5 =
1,35 -IP"2
(4.47)
Нужно учесть, что на пути движения запыленного потока
расположено обычно несколько рядов волокон, что, естественно, значительно
повысит общую эффективность осаждения.
Фракционная и общая эффективность осаждения частиц на волокнах
перечисленными выше механизмами графически представлена на рис. 4.7,
на котором видно, что эффективность осаждения частиц меньше 0,5 мкм
определяется механизмом диффузионного осаждения. Для осаждения
более 0,5 мкм определяющим является инерционный механизм осаждения.
Определенное влияние на процесс фильтрации могут иметь
электрические силы, особенно при применении диэлектрических фильтровальных
8 - 4543
113

волокнистых материалов из смеси шерсти и синтетических материалов, а
также диэлектрических насыпных материалов.
Эффективность осаждения под действием электрических сил
определяется по формуле
Кэ Е d\
Все три механизма обладают одним общим признаком: эффективность
очистки обратно пропорциональна диаметру волокна. Таким образом, для
получения высокой эффективности улавливания фильтровальный
материал должен изготавливаться из тонких (10-20 мкм), а в отдельных
случаях — и из супертонких (2—5 мкм) волокон.
Описанные механизмы фильтрации применительно к
промышленному фильтру справедливы лишь в начальный период фильтрации через
чистую фильтровальную перегородку. По мере осаждения частиц на
фильтровальном материале уменьшается размер пор и образуется слой пыли с
порами значительно меньшими, чем в незапыленном фильтровальном
материале — образуются пылевые «мосты» (рис. 4.8). Собственно рабочим
слоем при фильтрации является именно фильтровальный материал с
осажденными на нем пылевыми частицами. Он и определяет эффективность
очистки. У фильтровального материала эффективность улавливания
субмикронных частиц диаметром 0,3—0,5 мкм 10-20%. Те же частицы после
образования пылевого слоя на поверхности ткани улавливаются с
эффективностью более 90%.
0,0001
Линия
тока газа
0,001 0,01 0,1 1
d, мкм
10
Рис. 4.7. Зависимость эффективности
очистки от диаметра частиц:
7 — для механизма диффузии; 2 — для
механизмов инерционного отложения и зацепления;
3 — общая эффективность очистки
Рис. 4.8. Схема образования пылевого
слоя на волокнах
114

При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление,
уменьшается производительность фильтра. По достижении некоторого
значения сопротивления пыль периодически удаляют. Этот процесс называется
регенерацией фильтра.
Приведенные зависимости дают в основном качественную картину
процесса осаждения в фильтрах и позволяют судить о роли основных
факторов, влияющих на процесс. В реальных условиях процесс осаждения
пылевых частиц в фильтрах сопровождается коагуляцией частиц и
соответствующим изменением проницаемости слоя, а следовательно, и
эффективности фильтра.
Из-за сложности процесса в фильтрах практически невозможно
определить влияние всех факторов на параметры фильтрации. Обычно при
определении эффективности очистки и гидравлического сопротивления
фильтра пользуются данными, полученными на основе обобщения
результатов экспериментальных исследований.
4.2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ
ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Абсорбция
Общие сведения абсорбционной очистки газов. Абсорбционная очистка
основана на способности жидкостей растворять газы или химически
взаимодействовать с ними. При абсорбции происходит переход вещества из
газовой фазы в жидкую, при десорбции, наоборот, из жидкой в газовую
фазу. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции
переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или аб-
сорбтивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при
абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Вещество, в
котором происходит растворение абсорбируемых компонентов,
называют абсорбентом. В отличие от абсорбируемых компонентов остальную
часть газового потока обычно называют инертным газом.
Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).
При физической абсорбции происходит физическое растворение
абсорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается
химической реакцией. Абсорбция происходит в том случае, если
парциальное давление абсорбируемого компонента в газовой фазе больше
равновесного парциального давления над данным раствором. Для
многократного использования поглотитель подвергают регенерации, при этом
извлекают из него абсорбированный компонент.
8*
115

Диффузия
Газовая фаза
Граница фаз ^
газ — жидкость
Рис. 4.9. Схема процесса массопередачи
на границе раздела фаз газ—жидкость
Жидкая фаза
0=№(СГС)
При химической абсорбции
абсорбируемый компонент вступает в
химическую реакцию с поглотителем,
образуя новые химические соединения в
жидкой фазе. Здесь возможны два
варианта — протекание обратимой и
необратимой реакций. Хемосорбционные
процессы обеспечивают более полное
извлечение компонентов из газовых
смесей. Регенерацию поглотительных
растворов, получаемых при протекание
обратимых хемосорбционных
процессов, проводят теми же методами, что и
при физической абсорбции.
Регенерацию поглотительных растворов, получаемых в необратимых
хемосорбционных процессах, осуществляют химическими методами.
Количество газов, которое может раствориться в жидкости, зависит от
свойств газов и жидкости, а также от условий растворения: температуры
жидкости и парциального давления газа над жидкостью.
При абсорбции происходит передача массы абсорбируемого
компонента (массопередача) от газа к жидкости.
Массопередача в абсорбционных системах. Массопередача
представляет собой сложный процесс, состоящий из процессов переноса вещества в
каждой из фаз (массоотдача) и переноса вещества через границу раздела
фаз (рис. 4.9).
При турбулентном движении газового потока, в случае контакта его с
орошающей жидкостью, ближе к границе раздела фаз «Г»-«Ж»,
образуются ламинарные слои, причем на самой границе предполагают, что эти слои
неподвижны.
Подобный подход позволяет принять, что сопротивление перехода
вещества на границе фаз отсутствует, т. е. на границе раздела фаз существует
равновесие.
Уравнение массоотдачи можно записать в виде
G = $FAp, (4.49)
где G— масса вещества, переносимого в единицу времени, кг/с; (3 —
коэффициент массоотдачи, представляющий собой массу вещества,
переносимую внутри фазы в единицу времени через единицу поверхности при
движущей силе, равной единице, кг/(м2 с) на единицу движущей силы; F —
поверхность контакта фаз, м2; Ар — движущая сила процесса.
Движущая сила в газовой фазе обычно выражается как разница
парциальных давлений Ар, а в жидкой фазе обычно выражается как
разница концентраций Ас.
116

При абсорбции из газовой фазы вещества с парциальным давлением/? в
жидкую, с концентрацией с уравнения массоотдачи будут иметь вид
G=$rF(p-pp); (4.50)
G=^F(cp-c), (4.51)
где рг, рж — коэффициенты массоотдачи соответственно в газовой и жидкой
фазе; рр — парциальное давление абсорбционного компонента на границе
фаз, Па; ср — концентрация абсорбируемого компонента на границе
раздела фаз, кг/м3.
Исходя из условий равновесия фаз у поверхности их
соприкосновения
р р}
(4.52)
где тр — константа фазового равновесия, Пам3/ кг (рис. 4.10).
Для идеальных растворов, растворимость газов которых подчиняется
закону Генри, константа фазового равновесия зависит от концентрации и
температуры, увеличиваясь с
возрастанием последней. При
этом соответственно
уменьшается растворимость газа, в связи с
чем для проведения процесса
абсорбции желательны более
низкие температуры.
При сильном разбавлении
любой раствор приближается к
идеальному, что также делает
возможным применение закона
Генри. Поэтому этот закон
достаточно точно описывает
равновесие для плохо растворимых
газов. Для газов со
сравнительно высокой растворимостью он
справедлив при относительно низких концентрациях; при более высоких
концентрациях растворимость обычно ниже, чем это следует из закона
Генри. В этих случаях величина т начинает зависеть от состава
поглотителя, и линия равновесия, характеризующая взаимосвязь параметров рис,
описывается кривой.
Константа фазового равновесия в общем случае зависит от
давления, температуры и концентрации абсорбента в жидкости. В некоторых
случаях она может быть вычислена на основании термодинамических
свойств газа и жидкости, но в большинстве случаев ее определяют
опытным путем.
\
м
tga=
МРг/\
*N
42
/D
\К
Рис. 4.10. Зависимость парциального
давления от концентрации
117

После преобразования уравнений массоотдачи можно получить
уравнение массопередачи
G = KMF(p-p% (4.53)
где К — коэффициент массопередачи, с/м; р* — парциальное давление
абсорбируемого компонента, равновесное его концентрации в жидкости с, т. е.
условно (р* ~трс), Па.
Коэффициент массопередачи характеризует интенсивность
протекания процесса в абсорбере. Движущая сила характеризует требуемую
степень извлечения абсорбируемого компонента.
Величина Км определяется из выражения
1 1 щ
T,'VF„' <4'54)
где тх — среднее значение константы фазового равновесия, определяемое
по формуле
щ =
сп-с
(4.55)
' Р
Аналогичное уравнение можно получить и относительно
концентрации компонентов жидкости. В этом случае среднее значение константы
фазового равновесия т2 определяется по формуле
р—р
ш^' (4.56)
где с* — концентрация абсорбируемого компонента в жидкости,
равновесная его парциальному давлению в газовой фазе, кг/ м3.
В уравнениях массопередачи, в отличие от уравнений массоотдачи,
движущая сила выражается не в виде разности реально существующих
парциальных давлений абсорбируемого компонента или его концентраций в
жидкости (хотя величинырр и ср не поддаются непосредственному измерению),
а в виде разности между реальной величиной (рис) и некоторой
фиктивной (р* и с*), не существующей в неравновесном процессе.
В уравнении (4.54), определяющем А^, 1/рг характеризует
сопротивление массопередаче, оказываемое в газовой фазе, а член 1/Рж —
сопротивление жидкой фазы. Сумма этих величин 1/Км является общим
сопротивлением массопередачи.
Доля каждого из фазовых сопротивлений в общем сопротивлении
определяется главным образом значением величины ту При небольших тх
(хорошо растворимые газы) член тх/$ж мал. В этом случае
сопротивлением жидкой фазы можно пренебречь и принимать Км ~ Рг. При больших
значениях тх (плохо растворимые газы), наоборот, член /я/Ржстановится боль-
118

шим по сравнению с l/fir. В этом случае Км ~ (Зж ту При средних значениях
тх (умеренно растворимые газы) сопротивление каждой из фаз
выражается величинами одного порядка и пренебрегать ни одной из них нельзя.
Разделение газов на хорошо, плохо и умеренно растворимые
достаточно условно, так как для одного и того же газа растворимость зависит от
многих факторов. Однако условно можно принять, что при тх < 1 газы
рассматриваются как хорошо растворимые, при /я7>100 как плохо
растворимые, а при т1 = 1-4-100 как умеренно растворимые.
Примерами хорошо растворимых газов являются аммиак (NH3),
фтористый и хлористый водород (HF и HCI); плохо растворимых — диоксид
углерода (С02), кислород, азот; умеренно растворимых — диоксид серы
(S02), хлор (приведенные данные относятся к растворению указанных
газов в воде).
Проблемы при расчете процесса абсорбции связаны с определением
движущей силы процесса и коэффициентов массопередачи (массоотдачи).
Имеется целый ряд теорий, предлагающих различные методы расчета
приближенных значений этих величин.
При расчетах используют число единиц переноса (аналог движущей
силы процесса)
"--£-' (4.57)
где рх- р2 — изменение парциальных давлений абсорбируемого
компонента; Дрср — средняя движущаяся сила процесса.
Используют также высоту единицы переноса (аналог коэффициента
массопередачи)
и Н
Лог= —> (4.58)
iTor
где Я— рабочая высота аппарата, м.
Выражение (4.57) может быть записано и для жидкой фазы.
Единицу переноса можно рассматривать как элемент абсорбера, в
котором изменение концентрации абсорбируемого компонента равно
средней движущей силе в пределах данного элемента. Высота единицы
переноса соответствует высоте скруббера, для которого число единиц переноса
равно единице. Чем меньше Лог, тем интенсивнее протекает
абсорбционный процесс.
Для определения числа единиц переноса могут использоваться
методы графического интегрирования, графический и метод численного
интегрирования, которые изложены в специальной литературе.
Хемосорбция. При хемосорбции концентрация абсорбируемого
компонента в жидкой фазе уменьшается, что приводит к увеличению градиента
119

концентрации и ускорению процесса абсорбции. Скорость процесса в этом
случае зависит не только от скорости массообмена, но и от скорости
химического взаимодействия компонентов.
Причем здесь возможны два случая: когда лимитирующей стадией
процесса является скорость химического взаимодействия (кинетическая
область) или скорость диффузии абсорбируемого компонента в зону
реакции (диффузионная область).
Скорость абсорбции, осложненной химической реакцией в жидкой
фазе, рассчитывают, используя так называемый фактор ускорения Ф:
Р1=ФРЖ. (4-59)
где (^ и (Зж — коэффициенты массопередачи в жидкой фазе
соответственно при хемосорбции и при физической абсорбции.
Тогда коэффициент массопередачи
1 1 т
77+Г (4*60)
Значение Ф может быть определено по специальным номограммам. (Для
расчетов этих же величин в различной специализированной
научно-технической литературе предлагаются и другие формулы.)
Адсорбция
Общие сведения адсорбционной очистки газов. Поглощаемое из газовой
фазы вещество в процессе адсорбции называется адсорбтивом, а твердое
вещество, на поверхности которого или в порах которого происходит
адсорбция поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Газовая фаза,
в которой находится извлекаемый компонент, называется
газом-носителем, а после того как извлеченный компонент перешел в адсорбированное
состояние, его называют адсорбатом.
Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между
молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся
фаз. Процесс перехода молекул адсорбтива из газа-носителя на
поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения
адсорбента превосходят силы притяжения, действующие на адсорбтив со
стороны газа-носителя.
Рассмотрим схему кристаллической решетки твердого тела (рис. 4.11).
Атом «А», находящийся внутри кристалла, имеет шесть ближайших
соседей, все его связи задействованы, и он не обладает свободной энергаей. У атома
«Б», находящегося на поверхности кристалла, только пять ближайших
соседей, он имеет одну условную свободную связь и поэтому обладает большей
энергией и находится в более высоком энергетическом состоянии, чем атом
120

%3&
Рис. 4.11. Схема кристаллической решетки
адсорбента
внутри кристалла. Еще большей
энергией обладает атом «В»,
находящийся на грани кристалла. У
него четыре ближайших соседа и,
следовательно, большой избыток
энергии. Самым большим
избытком энергии обладает атом «Г»,
лежащий на вершине кристалла. У
него всего три ближайших соседа (и
три условно свободные связи).
Этот избыток энергии называется
поверхностной, и он является
причиной адсорбции.
Молекулы адсорбированного
вещества, переходя на поверхность
адсорбента, уменьшают его
энергию, в результате чего происходит
выделение теплоты. Теплота
физической адсорбции сравнительно невелика и составляет до 60 кДж/моль.
Силы притяжения адсорбента могут иметь различную природу —
физическую или химическую. В соответствии с этим различают физическую
и химическую адсорбцию.
При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью
адсорбента определяется сравнительно слабыми дисперсными,
индукционными и ориентационными силами. При этом адсорбированные
молекулы не вступают с молекулами адсорбента в химическое взаимодействие
и сохраняют свою индивидуальность. Для физической адсорбции
характерна высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью
адсорбента и адсорбтивом и малая теплота адсорбции. С повышением
температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается,
а увеличение давления приводит к возрастанию величины адсорбции.
Преимуществом физической адсорбции является легкая обратимость
процесса. При уменьшении давления адсорбента в газовой смеси либо при
увеличении температуры адсорбируемые молекулы легко десорбируются без
изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может
использоваться многократно.
Высокая скорость физической адсорбции и способность адсорбентов
к регенерации позволяют вести процесс циклично в условиях
обратимости, т. е. с чередованием стадий поглощения и выделения извлекаемых
компонентов.
В основе химической адсорбции лежит химическое взаимодействие
между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом
121

силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а
высвобождающееся при этом тепло совпадает с теплом химической реакции. Как
правило, оно колеблется от 20 до 400 кДж/моль. Из-за такой большой
теплоты адсорбции энергия связи хемосорбируемых молекул сильно
отличается от энергии связи этих же молекул в потоке газа. Соответственно
и энергия, необходимая для того, чтобы хемосорбированная молекула
прореагировала с молекулой другого сорта, может быть существенно
меньше, чем энергия, необходимая для реакции этих же молекул в газовой
фазе. Этим объясняется тот факт, что адсорбированная на поверхности
твердого тела молекула легче вступает в химическую реакцию с другими
молекулами. Существует и другое важное отличие химической
адсорбции: молекулы адсорбтива, вступив в химическое взаимодействие,
прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента. Характерной
особенностью химической адсорбции является и то, что скорость ее при
низких температурах мала и возрастает с ростом температуры.
Адсорбция газов происходит в несколько стадий. Первой стадией
является перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества, и эта
стадия аналогична диффузии молекул газа через стационарный слой к
границе раздела фаз газ — жидкость при адсорбции. Вторая стадия адсорбции
заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества,
третьей стадией является собственно адсорбция молекулы в определенной
области поры. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро по
сравнению с двумя первыми стадиями.
Наибольшее значение для очистки газов имеет физическая адсорбция.
Скорость адсорбции. Скорость процесса адсорбции определяется
скоростью подвода (диффузии) адсорбтива к внешней поверхности гранул
адсорбента либо скоростью перемещения адсорбтива в порах адсорбента,
либо зависит от обеих стадий. Скорость подвода адсорбтива к внешней
поверхности адсорбента зависит от скорости газа-носителя, температуры,
коэффициента диффузии адсорбтива в газе-носителе, вязкости и
плотности среды. Скорость перемещения адсорбтива внутри гранул зависит от
размера гранул адсорбента, диаметра пор, размеров молекулы адсорбтива,
температуры и других факторов.
Характер протекания процессов адсорбции зависит от того, как
протекает процесс: периодически или непрерывно. Периодические
процессы, как правило, проводят с неподвижным слоем адсорбента, а
непрерывные — с движущимся или кипящим слоем.
С повышением температуры количество адсорбированного вещества
уменьшается. Процесс адсорбции в этих условиях графически
выражается изобарой адсорбции (рис. 4.12), показывающей изменение
количества адсорбированного вещества а в зависимости от температуры при
постоянном давлении. С повышением концентрации адсорбтива над
122

поверхностью адсорбента при постоянной * 1
температуре активность адсорбента
увеличивается. Однако это увеличение продол- "^Ч
жается лишь до определенного момента, \
когда наступает полное насыщение адсор- \^
бента, т. е. когда наступает максимальная \.
поглотительная емкость адсорбента. Лю- Х^
бые твердые вещества обладают
поверхностью и, следовательно, потенциально яв- „с
ляются адсорбентами. В технике, однако,
ИСПОЛЬЗУЮТ адсорбенты С СИЛЬНО развитой Рис. 4.12. Изобара адсорбции
внутренней поверхностью, образование
которой достигается в процессе их синтеза или в результате специальной
обработки.
Основными свойствами адсорбентов являются динамическая емкость
(время защитного действия), размеры пор и избирательность адсорбентов.
Адсорбционная емкость адсорбентов. Различают статическую и
динамическую емкость адсорбентов. Статическая емкость соответствует
равновесному состоянию системы. Она показывает, какое количество вещества
способен адсорбировать адсорбент в условиях равновесия, т. е. когда
концентрация адсорбтива на входе и на выходе становится одинаковой.
Динамическая емкость адсорбента соответствует поглощению вещества
слоем адсорбента от начала адсорбции до начала проскока адсорбтива, т. е.
когда в выходящем из слоя адсорбента газе-носителе появляются следы
адсорбтива.
Так как концентрация адсорбтива в газе-носителе обычно выражается
в граммах на литр, в граммах на моль, парциальным давлением в
Паскалях, либо отношением парциального давления к давлению насыщенного
пара (P/Ps), то адсорбционная емкость (активность) может быть выражена
в граммах поглощенного вещества на 100 г адсорбента или моль на грамм,
сантиметр кубический на грамм, процент по массе и др.
Адсорбционная емкость адсорбента зависит от его природы. Она
возрастает с увеличением поверхности, пористости, со снижением размеров
пор адсорбентов, а также с повышением концентрации адсорбтива в газе-
носителе и давления в системе. С увеличением температуры и влажности
адсорбционная емкость адсорбентов снижается. Поэтому перед
использованием их подвергают прокалке (просушке), а процесс десорбции ведут
почти при таких же температурах и давлениях.
Важно, чтобы адсорбент после длительной работы не терял свою
активность и мог адсорбировать такое же количество вещества, как и в
начале процесса. Хорошие адсорбенты вьщерживают несколько сотен и тысяч
циклов адсорбция-десорбция без существенной потери активности.
123

Пористая структура адсорбентов. Поверхность адсорбентов
формируется за счет формы каркаса, из которого построено пористое тело.
Различают внешнюю и внутреннюю поверхности. Внешняя поверхность зависит от
количества макропор. Она невелика и составляет 0,5—2 м2/г, т. е. 0,2-0,5%
от общей поверхности адсорбента. Внутренняя поверхность образуется за
счет стенок микропор и средних пор и в зависимости от их объема и
размеров может достигать 500—1000 м2/г.
Поры адсорбентов образуются за счет пустот между частицами, из
которых построен каркас пористого тела. Эти частицы могут иметь форму
шара, эллипса, цилиндра, волокон и т. д.
Поры в твердых телах подразделяются на макропоры с радиусом более
1000-2000 А и микропоры с радиусом до 15 А. Макропоры с размерами пор
более 1000-2000 А оказывают небольшое влияние на статистику
адсорбции, но являются транспортными каналами для подвода адсорбируемых
молекул к мезопорам и микропорам. В макропорах и мезопорах
наблюдается послойный механизм адсорбции, в то время как в микропорах, размер
которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул, адсорбция носит
характер объемного заполнения. Поэтому для микропористых адсорбентов
объем пор, а не поверхность адсорбента играет решающее значение в
адсорбционных процессах.
Адсорбент с крупными порами лучше адсорбирует вещества с
большими размерами молекул и при больших давлениях. Среднепористый
адсорбент эффективнее адсорбирует при средних давлениях, а
мелкопористый — при низких давлениях. Энергия адсорбции в микропорах
значительно выше, чем в макропорах и переходных порах. Это объясняется тем,
что адсорбированные молекулы, размер которых соизмерим с размером пор
адсорбента, взаимодействуют с обеими стенками поры, выделяя при этом
больше тепла, чем при адсорбции молекул одной стороной стенки.
Удельный объем микропор в адсорбентах достигает 0,2—0,6 см3/г, а удельная
поверхность — до 500 м2Д и более. В связи с этим микропоры играют
основную роль при разделении газовых смесей, особенно при очистке газов от
малых концентраций примесей.
Избирательность адсорбентов. Избирательность адсорбентов — это
способность адсорбировать из газовых смесей индивидуальные вещества с
определенными физико-химическими свойствами. Избирательность
адсорбентов значительно зависит от их структурных свойств, так как именно от
размера пор зависит их способность адсорбировать молекулы различной
величины. Если средний радиус пор значительно больше радиуса
адсорбируемых молекул, то такие поры могут лишь частично адсорбировать
молекулы. Эффективная адсорбция может быть лишь в том случае, когда
средний радиус пор имеет тот же порядок, что и адсорбируемые молекулы.
124

Катализ
Общие сведения каталитической очистки газов. Каталитическая
очистка газов основана на гетерогенном катализе и служит для превращения
примесей в безвредные соединения. Процесс протекает на поверхности
твердых тел — катализаторов. В настоящее время вопрос о том, какие реакции
и в присутствии каких веществ могут возбуждаться, остается решенным
неполностью и поэтому подбор катализаторов и проведение катализа в
основном решается эмпирическим путем.
Для того чтобы произошла химическая реакция между атомами,
молекулами и ионами, необходимо их непосредственное взаимодействие. При
температуре 500 °С в 1 см3 реакционной смеси происходит 1028
столкновений частиц в секунду. Но не каждое столкновение приводит к химической
реакции. Химическая реакция происходит лишь в том случае, когда
система обладает необходимым запасом внутренней энергии (активации), если
частицы сближаются на расстояние, при котором происходит перекрытие
их электронных облаков, а следовательно, и перераспределение
электронных плотностей. Только в этом случае может произойти разрушение
старых и образование новых химических связей.
Энергия активации является основным фактором, определяющим
скорость реакции. Чем больше энергия активации, тем меньше частиц
обладают в системе такой энергией и тем медленнее протекает реакция. В то
же время величина энергии активации значительно меньше энергии,
требуемой для разрыва старых связей; она часто компенсируется энергией,
освобождаемой при образовании новых. Задача преодоления
энергетических барьеров решается путем использования катализаторов, которые
снижают энергию активации и тем самым увеличивают скорость химической
реакции. Таким образом, роль катализаторов с энергетической точки
зрения сводится к понижению энергетического барьера, который должна
преодолеть система при переходе из начального состояния в конечное.
Катализ на твердых телах складывается из следующих стадий:
— внешняя диффузия реагирующих веществ к поверхности
катализатора;
— внутренняя диффузия в порах зерна катализатора;
— химическая адсорбция одного или нескольких реагирующих
компонентов на поверхности катализатора;
— перегруппировка атомов (химическая реакция);
— обратная диффузия продукта в порах зерна катализатора;
— диффузия продуктов от поверхности зерна.
Каждая из стадий каталитического процесса должна обладать энергией
активации значительно меньшей, чем энергия активации в отсутствии
катализатора, иначе каталитический процесс окажется энергетически невоз-
125

можен. Общая скорость каталитического процесса определяется
относительными скоростями отдельных стадий и может лимитироваться
наиболее медленной из них. Различают три основные области протекания
каталитических процессов: кинетическую, внешнедиффузионную и внут-
ридиффузионную. В зависимости от стадии, лимитирующей общую
скорость процесса, используются различные уравнения кинетики процесса.
Говоря о лимитирующей стадии процесса, предполагают, что остальные
стадии протекают настолько быстро, что в каждой из них практически
достигается равновесие, и свободная энергия Гиббса равна нулю.
В кинетической области суммарная скорость лимитируется скоростью
химической реакции и не зависит от процессов переноса, а зависит лишь
от природы реагирующих веществ. В кинетической области протекают
реакции при использовании малоактивных катализаторов и при
температурах, близких к температуре зажигания катализаторов. Скорость таких
процессов невозможно увеличить улучшением структурных свойств
катализатора (увеличением микро- и макропор). Ее можно увеличить лишь
изменяя природу катализаторов, а также повышая температуру процесса. В то
же время катализатор должен иметь развитую структуру микро- и макро-
пор, обеспечивающую подвод реагирующих веществ в зону реакции.
Во внешнедиффузионной области суммарная скорость
каталитического процесса лимитируется скоростью подвода реагирующих веществ в
зону реакции. При этом предполагается, что химическая реакция
протекает мгновенно. Каталитические процессы, протекающие во
внешнедиффузионной области, можно ускорить, увеличивая макропоры наружной
поверхности катализатора и перемешивая реагенты. Увеличивать
поверхность микропор нецелесообразно, так как они практически не участвуют
в процессе катализа. Пределом увеличения турбулизации потоков служит
переход системы из внешнедиффузионной во внутридиффузионную или
кинетическую области.
Во внутридиффузионной области суммарная скорость
каталитического процесса лимитируется скоростью подвода реагирующих веществ в зону
реакции в микропорах зерна катализатора. Увеличить скорость таких
процессов можно путем уменьшения размеров зерна катализатора или
увеличением внутренней поверхности катализатора, создаваемой тонкими
порами малой длины. Большинство процессов тормозится внутренней
диффузией, поэтому синтезируемые катализаторы должны обладать
микропористой структурой.
Большое влияние на процесс катализа оказывает температура. Она
может изменять не только скорость процесса, но и лимитирующую
стадию процесса. При относительно низких температурах, где скорость
реакции мала по сравнению со скоростью диффузии, концентрации
реагирующих веществ и продуктов реакции по глубине зерна уменьшаются
126

Рис. 4.13. Схема
процесса переноса
вещества по глубине
поры катализатора
незначительно и близки к концентрации их в
газовом потоке, т. е. СХ = С2 = СЪ = Сн (рис. 4.13). Процесс
катализа протекает в кинетической области.
С ростом температуры скорость химической
реакции увеличивается, увеличивается и скорость
диффузии.
Однако константа скорости реакции
увеличивается значительно быстрей, и в этих условиях
подвод реагирующих веществ путем диффузии не в
состоянии обеспечить постоянную концентрацию
реакционной смеси по всей глубине пор
катализатора. При определенной температуре наступит
момент, когда компонент вступит в химическую
реакцию еще до того, как он проникнет на полную
глубину катализатора, т. е. С3 = 0. Следовательно,
какая-то часть внутренней поверхности поры
катализатора (область я) из-за недостатка исходных
веществ фактически не будет принимать участия в
катализе. Таким образом, каталитический процесс переводится в область
внутренней диффузии. Степень использования внутренней поверхности
катализатора становится равной меньше единицы. Скорость катализа в
этом случае будет лимитироваться процессом переноса вещества в
микропорах катализатора. При дальнейшем увеличении температуры степень
использования внутренней поверхности еще больше уменьшается, и
подводимые в зону реакции вещества будут вступать в реакцию, не проникая
глубоко в поры катализатора.
В определенный момент степень использования внутренней
поверхности становится равной нулю, и суммарная скорость определяется только
скоростью подвода реагирующих веществ из газового потока к наружной
поверхности катализатора, т. е. катализ перейдет в область внешней
диффузии.
Таким образом, для реакций, протекающих в кинетической области,
катализатор должен обладать высокой активностью и иметь развитую
внутреннюю поверхность макро- и микропор, которые обеспечивали бы
подвод необходимого количества реагентов в зону реакции. Для реакций,
протекающих в области внешней диффузии, мелкие поры катализатора почти
не играют никакой роли, но зато возрастает значение крупных пор и
внешней поверхности. В этом случае целесообразно использовать
крупнопористые катализаторы с развитой внешней поверхностью. В реакциях,
протекающих в области внутренней диффузии, главную роль играют мелкие
поры. Для таких реакций необходимо использовать катализаторы с
развитой внутренней поверхностью.
127

Важнейшей характеристикой катализаторов является температура
зажигания — минимальная температура, при которой катализатор начинает
проявлять свои свойства.
В принципе, катализаторы в ходе катализа не претерпевают никаких
изменений (в некоторых процессах катализаторы работают более 20 лет).
Однако постепенно активность катализаторов теряется. Причиной этого
могут быть физические и химические факторы.
К физическим факторам относятся истирание, перегрев, спекание и т. д.
Химические факторы являются значительно более сложной
проблемой, возникающей в процессе каталитической очистки газов. К ним
относится постепенное насыщение поверхности катализатора различными
примесями, называемыми каталитическими ядами. В результате уменьшаются
активные центры на поверхности катализатора и постепенно теряется
активность катализатора. Одни и те же вещества могут являться
каталитическими ядами для одних катализаторов и совершенно не причинять вреда
другим. Если эти вещества можно удалить с поверхности катализатора, то
его активность восстанавливается. В соответствии с этим различают
обратимую и необратимую отравляемость катализаторов. При обратимой от-
равляемости их активность полностью восстанавливается после удаления
каталитических ядов. При необратимой отравляемости катализатор не
восстанавливает их свойств даже после удаления ядов из зоны реакции.
Основными каталитическими ядами являются соединения серы, свинца,
фосфора и др.
Термическое окисление
Термическим называется окисление компонентов выбросов при
высокой (800-1000 °С) температуре. Оно применяется как в отношении газов
(паров), так и горючих компонентов дисперсной фазы аэрозолей (смол,
масел, летучих растворителей и др.). Основными факторами термического
окисления являются температура, интенсивность перемешивания
(турбулентность газовых потоков) и время пребывания газов в реакционной зоне.
Решающее значение в организации процесса имеет подготовка газов к
реакции, т. е. нагрев смеси до необходимой температуры и обеспечение
смешения горючих газов с окислителями. Если обезвреживаемый газ
содержит в своем составе достаточное для окисления токсичных примесей
количество кислорода, либо этот кислород добавляется к
обезвреживаемому газу заблаговременно, то процесс смешивания газов упрощается.
Процесс термического окисления некоторых газов описывается
уравнением
■"ГГ^К-1'.). (4.61)
128

где ф — степень обезвреживания газа; т — время протекания процесса; А —
эмпирический коэффициент, отражающий аэродинамические условия
протекания процесса; Тк — температура в реакционной камере; Тв —
температура воспламенения обезвреживаемого компонента.
С увеличением времени протекания процесса и интенсивности
турбулентной диффузии степень окисления при неизменной температуре
существенно увеличивается. Если же параметры А и х постоянны, то
увеличения степени обезвреживания можно достигнуть только за счет повышения
температуры в камере.
Индивидуальные свойства окисляемого компонента учитываются
введением температуры воспламенения обезвреживаемого компонента. При
использовании уравнения (4.61) следует учитывать, что реакции
окисления многих веществ (например, углеводородных соединений) проходят с
образованием промежуточных, менее активных соединений. В этих
случаях в уравнение вводят температуру воспламенения именно этого
соединения.
9-4543

5. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ УДАЛЕНИЯ
ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
ИЗ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ
Оборудование, применяемое для очистки газов, подразделяется на
основное и вспомогательное. Основное оборудование газоочистных
сооружений — аппараты, в которых непосредственно происходит процесс
очистки газов, а также некоторые аппараты их дополняющие. Остальное
оборудование называют вспомогательным — средства для удаления и
транспортировки уловленного продукта, растворооборотные и растворо-
приготовительные устройства, средства контроля и автоматизации т. д.
Провести абсолютно четкую грань между основным и вспомогательным
оборудованием невозможно, поскольку нередко функции оборудования,
формально относимого к вспомогательному, по своей важности не
уступают основному. Основное и вспомогательное оборудование
компонуется в соответствии с технологической схемой, разработка которой является
основой технологии удаления вредных веществ из выбросов.
Первоначально рассмотрим основное газоочистное оборудование, применяемое для
улавливания взвешенных веществ.
Пылеулавливающее оборудование

Гравитационное
IT

Инерционное
д^с
i
Фильтра-|
ционное
Улавливание пыли сухим способом I | Улавливание пыли мокрым способом

Электрическое

Инерционное
хХссд,
Ьц
а

Фильтрационное

Электрическое
щ
S
о
1
i
ч
ы
а>
убб
щ
и
2
н1
дар
1 i
J^S
а>
о
ш
©
м
о
Одн
1 1
0>
о
б
1 м
г
1 1
Рис. 5.1. Схема классификации пылеулавливающих аппаратов
по ГОСТ 12.2.043-80 «Оборудование пылеулавливающее. Классификация»
130

Пылеулавливающее оборудование может быть классифицировано по
следующим признакам: назначению, способу очистки, методу очистки,
эффективности, размеру эффективно улавливаемой пыли.
По назначению различают:
— воздушные фильтры — оборудование, используемое для очистки от
взвешенных веществ в воздухе, подаваемом в помещение;
— пылеуловители — оборудование, используемое для очистки
выбросов от взвешенных веществ.
По способу действия существует несколько классификаций.
ГОСТ 12.2.043—80 (в настоящее время не действует) разделяет
пылеуловители на две группы: оборудование, где улавливание происходит
мокрым способом, и оборудование, где улавливание происходит сухим
способом (рис. 5.1).
Другой вариант классификации по способу действия представлен на
рис. 5.2.
В зависимости от размера эффективно улавливаемых частиц пыли
пылеуловители разбиты на 5 классов (табл. 5.1).
В данной книге за основу взята классификация по методам очистки —
все пылеуловители разбиты на четыре группы.
1. Сухая механическая газоочистка — разделение газовых взвесей
воздействием внешней механической силы на частицу, взвешенную в газе.
2. Мокрая газоочистка — промывка загрязненного газа жидкостью
(чаще водой), поглощающей взвешенные в газе частицы.
Пылеулавливающие аппараты
i
Механические
Сухие
Фильтрующие
i
Электрические
Мокрые Однозонные Двухзонные
Рис. 5.2. Схема классификации пылеулавливающих аппаратов
131

Таблица 5.1
Классификация пылеуловителей по дисперсности очищаемой пыли
Класс
пылеуловителя
I
II
III
IV
V
Размер эффективно улавливаемых
частиц пыли, мкм
Более 0,3-0,5
Более 2
Более 4
Более 8
Более 20
Группа пыли
по дисперсности
V
IV
IV
III
III
II
II
1
I
Эффективность
пылеуловителей,%
<80
99,9-80
92-45
99,9-92
29-80
99,9-99
99,9-95
>99,9
>99
3. Фильтрация газа через пористые перегородки, задерживающие
взвешенные в газе частицы.
4. Электрическая очистка газа — осаждение взвешенных в газе частиц в
электрическом поле.
5.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ
К основным характеристикам пылеуловителей, как, впрочем, и других
газоочистных устройств, относятся: эффективность очистки газа,
производительность устройства, гидравлическое сопротивление, расход
электрической энергии, стоимость очистки.
Эффективность очистки газов. Эффективность очистки газов г\ (степень
очистки, коэффициент полезного действия) обычно выражается
отношением количества уловленного материала к количеству материала,
поступающего в газоочистной аппарат с пылегазовым потоком, за
определенный период времени. Суммарную степень очистки газов т|, достигаемую в
нескольких последовательно установленных аппаратах, определяют по
формуле т| = 1-(1 — л^ (1 — г|2)-... •(1-г|л),гдег|1,г|2, ...г|л —степень очистки
газов соответственно в первом, втором и л-ном газоочистителе.
Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде
коэффициента проскока частиц, который представляет собой отношение
количества вредных веществ за газоочистителем к количеству вредных веществ,
поступающих в газоочистной аппарат. Коэффициент проскока е
рассчитывается по формуле е = 100 — Г|.
132

Эффективность очистки может быть определена различными методами.
/. Метод, основанный на использовании экспериментальных данных. В
данном случае эффективность очистки определяется по содержанию
вредных веществ в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из
него:
Y% Ул вх вых л£ вх вх л£ вых ^ вых 1 ^ вых вых . _
"^ах" А#„ " GBXCBbIX " QnCn ' (5Л)
где Мул — масса вредных веществ, уловленных в единицу времени, г/с; Мвх,
Мвш — массовый расход вредных веществ в газах, соответственно
поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, г/с; Qbx, QBbix — объемный
расход газов, соответственно поступающих и выходящих из газоочистного
аппарата, м3/с; Свх, Свых — концентрация частиц в газах, соответственно
поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, г/м3.
Если объемный расход газов, проходящих через газоочистной аппарат,
изменяется за счет подсоса воздуха, эффективность аппарата определяют в
соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из
концентрации какого-либо газового компонента, не вступающего в аппарате в
реакции (обычно S02 или С02):
Л = 1-^^, (5.2)
UBX
где Кп — коэффициент подсоса, равный отношению концентраций
анализируемого газового компонента в газах,% (объемная), после и до
аппарата.
Если имеются экспериментальные данные по фракционным степеням
очистки г| (для взвешенных частиц), то может использоваться формула
Л = ^1+^ + ...М, (5.3)
100 100 100 v ;
где Фр Ф2,... Фп — содержание данной фракции на входе в фильтр,%.
Фракционная эффективность очистки т|ф выражается формулой
„ вх вых V I /
^ф= ф ' (5.4)
вх
где Фвх, Фвых — содержание данной фракции в газах соответственно на входе
и на выходе из фильтра, %.
Для расчета по формуле (5.3) могут быть использованы кривые
фракционных эффективностей (степени очистки) т|ф =Л^Ч)»полученные
экспериментальным путем для некоторых типов пылеуловителей (рис. 5.3). К
кривым фракционной эффективности даются условия, при которых они были
получены (по плотности пыли, диаметру аппарата и т. д.), а также попра-
133

л
1,0
0,98
0,94
0,90
0,86
0,82
0,78
0,74
\l
\r/
\l
L
/
h
r
r
i
>
%
.<;
V
r
1
?5
x"
p
—»j
8 12 16 20
24 28
у, мкм
Рис. 5.З. Фракционная эффективность
пенных пылеуловителей для различных
плотностей пыли
вочные формулы для пересчета на
конкретные условия очистки
выбросов. Для сокращения расчетов
могут быть использованы
номограммы.
2. Метод расчета, основанный
на вероятностном подходе к
процессу пылеулавливания. В
некоторых случаях кривая фракционной
эффективности аппарата т|ф=/(^ч)
при построении в вероятностно-
логарифмической системе
координат приобретает вид прямой
линии, свидетельствующей о том,
что она подчиняется
логарифмически нормальному закону
распределения и может быть записана в
виде интеграла вероятности
lgW«/so)
лф= J
1
ie-«MSo) г
г 1еЧ d
Ig-
"50 J
(5.5)
где lg (d4 /d5Q) — логарифм отношения текущего размера частиц d4 к
диаметру частиц d50, осаждаемых в аппарате при данном режиме его работы на
50%; lg an — стандартное отклонение в функции распределения
фракционных коэффициентов очистки.
Значение t/50соответствует ординате графикаГ1ф = f(d4), равной 0,5 (50%),
a lga находится из соотношения
lg ац = lg d5Q - lg d]597 = lgdW3- lg d50,
где dl591 — значение абсциссы, ордината которой равна 0,1597 (15,97%);
^84,i3 ~~ значение абсциссы, ордината которой равна 0,8403 (84,03%).
Если распределение подлежащих улавливанию частиц пыли на входе
в аппарат является нормально-логарифмическим, то зависимость
полного коэффициента очистки можно найти по формуле
1 -—
П = — ]е'Ых = Ф(х),
2л
(5.6)
где х = - v ' 50/
&
■y4+ig у,
Значения нормальной функции распределения Ф(х) в зависимости от
величины х приведены в табл. 5.2.
134

Таблица 5.2
Значения нормальной функции распределения
х 1
-2,70
-2,60
-2,50
-2,40
-2,30
-2,20
-2,10
-2,00
-1,98
-1,96
-1,94
-1,92
-1,90
-1.88
-1,86
-1,84
-1,82
1 -1,80
-1,78
-1,76
-1,74
-1,72
-1,70
-1,68
-1,66
-1,64
-1,62
-1,60
-1,58
-1,56
-1,54
-1,52
-1,50
-1,48
-1,46
-1,44
-1,42
I -1,40
Ф(х)
0,0035
0,0047
0,0062
0,0082
0,0107
0,0139 |
0,0179
0,0228
0,0239
0,0250
0,0262
0,0274
0,0288
0,0301
0,0314
0,0329
0,0344
0,0359
0,0375
0,0392
0,0409
0,0427
0,0446
0,0465
0,0485
0,0505
0,0526
0,0548
0,0571
0,0594
0,0618
0,0643
0,0668
0,0694
| 0,0721
0,0749
0,0778
0,0808
х \
-1,06
-1,04
-1,02
-1,00
-0,98
-0,96
-0,94
-0,92
-0,90
-0,88
-0,86
-0,84
-0,82
-0,80
-0,78
-0,76
-0,74
-0,72
-0,70
-0,68
-0,66
-0,64
-0,62
-0,60
-0,58
-0,56
-0,54
-0,52
-0,50
-0,48
-0.46
-0.44
-0.42
-0.40
-0,38
-0,36
-0,34
-0,32
Ф(х)
0,1446
0,1492
0,1539
0,1587
0,1635
0,1685
0,1736
0,1788
0,1841
0,1894
0,1949
0,2005
0,2061
0,2119
0,2177
0,2236
0,2297
0,2358
0,2420
0,2483
0,2546
0,2611
0,2676
0,2743
0,2810
0,2877
0,2946
0,3015
0,3085
0,3156
0,3228
0,3300
0,3372
0,3446
0,3520
0,3594
| 0,3669
0,3745
х \
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,40
0,42
0,44
0,46
0,48
0,50
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
0,72
0,74
Ф(х) 1
0,5000
0,5080
0,5160
0,5239
0,5319
0,5398
0,5478
0,5557
0,5636
0,5714
0,5793
0,5871
0,5948
0,6026
0.6103 |
0,6179
0,6255
0,6331
0,6406
0,6480
0,6554
0,6628
0,6700
0,6772
0,6844
0,6915
0,6985
0,7054
0,7123
0,7190
0,7257
0,7324
0,7389
0,7454
0.7517
0,7580
0,7642
| 0,7703
х |
1,08
1,10
1,12
1,14
1,16
1,18
1,20
1,22
1,24
1,26
1,28
1,30
1,32
1,34
1,36
1,38
1,40
1,42
1,44
1,46
1,48
1,50
1,52
1,54
1,56
1,58
1,60
1,62
1,64
1,66
1,68
1,70
1,72
1,74
1,76
1,78
1,80
1 1,82
Ф(х) 1
0,8599
0,8643
0,8686
0,8729
0,8770
0,8810
0,8849
0,8888
0,8925
0,8962
0,8997
0,9032
0,9066
0,9099
0,9131
0,9162
0,9192
0,9222
0,9251
0,9279
0,9306
0,9332
0,9357
0,9382
0,9406
0,9429
0,9452
0,9474
0,9495
0,9515
0,9535
0,9554
0,9573
0,9591
0,9608
0,9625
0,9641
1 0,9656
135

Продолжение табл. 5.2
X
-1,38
-1,36
-1,34
-1,32
-1,30
-1,28
-1,26
-1,24
-1,22
-1,20
-1,18
-1,16
-1,14
-1Д2
-1,10
I -1,08
Ф(х) 1
0,0838
0,0869
0,0901
0,0934
0,0968
0,1003
0,1038
0,1075
0,1112
0,1151
0,1190
0,1230
0,1271
0,1314
0,1357
1 0,1401
х \
-0,30
-0,28
-0,26
-0,24
-0,22
-0,20
-018
-0,16
-0,14
-0,12
-0,10
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
Ф<*) 1
0,3821
0,3897
0,3974
0,4052
0,4129
0,4207
0,4286
0,4364
0,4443
0,4522
0,4602
0,4681
0,4761
0,4840
0,4920
0,5000
х \
0,76
0,78
0,80
0,82
0,84
0,86
0,88
0,90
0,92
0,94
0,96
0,98
1,00
1,02
1,04
1,06
Ф(х) 1
0,7764
0,7823
0,7881
0,7939
0,7995
0,8051
0,8106
0,8159
0,8212
0,8264
0,8315
0,8365
0,8413
0,8461
0,8508
0,8554
X
1,84
1,86
1,88
1,90
1,92
1,94
1,96
1,98
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
Ф(х) 1
0,9671
0,9686
0,9699
0,9713
0,9726
0,9738
0,9750
0,9761
0,9772
0,9821
0,9861
0,9893
0,9918
0,9938
0,9953
| 0,9965
Таким образом, зная dm и ач (характеристику улавливаемой пыли), d5Q и
ап (характеристику пылеулавливающего аппарата), можно определить
эффективность очистки проектируемого аппарата.
Необходимо иметь в виду, что расчет эффективности по формуле (5.6)
возможен только для пылеуловителей, работающих в тех режимах, при
которых были найдены значения d50 и оц. Если условия работы отличаются
от экспериментальных, то необходимо скорректировать величину d50.
3. Энергетический метод расчета эффективности мокрых
пылеуловителей. Практика показывает, что эффективность мокрых механических
пылеуловителей определяется, главным образом, затратами энергии на
осуществление процесса очистки.
Энергия контакта между газом и жидкостью в мокрых пылеуловителях
Кч, в общем случае, может включать три составляющие: энергию газового
потока, характеризующую степень турбулизации газового потока в
аппарате; энергию жидкостного потока, характеризующую степень
диспергирования жидкости, и механическую энергию вращающих элементов
конструкции аппарата. Контактная энергия обычно меньше общего расхода энергии
в мокрых пылеуловителях, так как не включает в себя потери на трение в
аппарате, в отводящих и подводящих патрубках и т. д. В связи с этим,
точное определение энергии соприкосновения в целом ряде мокрых
пылеуловителей представляет определенные трудности.
Величину энергии газового потока обычно принимают равной
гидравлическому сопротивлению аппарата Ар (Па), хотя в действительности, если
136

учитывать потери на трение в «сухом» аппарате, она должна быть несколько
меньше. Величина Кч (кДж/1000 м3 газов) обычно рассчитывается по
приближенной формуле, которая, в общем случае, имеет вид
K4=Ap + p„(QJQv) + (NJQr), (5.7)
где рж — давление распыливаемой жидкости, Па; Qr и (?ж — объемный
расход соответственно газов, жидкости, м3/с; NM — мощность вращающегося
механизма, расходуемая на контактирование газов с жидкостью, Вт.
Влияние каждого слагаемого зависит от типа аппарата.
Зависимость между степенью очистки и затратами энергии выражается
формулой
i» = l-*-*«, (5.8)
где В и % — константы, определяемые дисперсным составом пыли.
Величина т| мало характеризует качество очистки в интервале высоких
значений степени пылеулавливания, поэтому в этом случае часто
используют понятие «число единиц переноса 7V4», которое аналогично
применяемому в технологических процессах, связанных с массопереносом. Число
единиц переноса находится по формуле
N.. = In
1
Тогда N4=BK*.
Величины В и % определяются экспериментально. Например, по
некоторым данным, зола дымовых газов ТЭЦ (при сжигании высокозольных топ-
лив) имеет следующие значения коэффициентов: В = 4,34-10~3 и % = 0,3.
Применимость энергетического метода расчета для различных типов
мокрых пылеуловителей объясняется тем, что в основе улавливания
взвешенных частиц лежит, главным образом, один и тот же механизм —
инерционное осаждение. Поэтому, если на улавливание пыли в мокрых
аппаратах начинают оказывать влияние другие силы (например,
диффузионные), наблюдаются значительные отклонения от энергетической
зависимости (5.8).
Производительность газоочистного устройства. Производительность
характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 час.
Аппараты, в которых воздух очищается при прохождении через фильтрующий
слой, характеризуются удельной воздушной нагрузкой, т. е. количеством
воздуха, которое проходит через 1 м2 фильтрующей поверхности за 1 час.
Гидравлическое сопротивление. От величины гидравлического
сопротивления зависит требуемое давление вентилятора, а следовательно, и
расход электроэнергии. Для определения гидравлического сопротивления
могут использоваться следующие формулы:
137

ov2
Л*Ч -^ (5.9)
где £— коэффициент местного сопротивления газоочистного устройства
(безразмерная величина); vr — скорость движения воздуха через
аппарат, м/с.
AP = vrAn, (5.10)
где А, п — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем и
зависящие от конструкции аппарата.
Коэффициент местного сопротивления £ зависит от типа
газоочистного аппарата, а также от его конструктивных особенностей.
Расход электрической энергии. В значительной мере эта
характеристика зависит от гидравлического сопротивления аппарата. Исключение
составляют аппараты, в которых используются электрические методы
осаждения частиц, а также механическая энергия вращающих элементов
конструкции аппарата. Расход электроэнергии при одноступенчатой
очистке находится в пределах от 0,035 до 1,0 кВт ч на 1000 м3 воздуха.
Стоимость очистки. Зависит от многих факторов: капитальных затрат
на оборудование, эксплуатационных расходов, требуемой эффективности
очистки и др. Стоимость очистки воздуха в различных аппаратах
значительно отличается. Если стоимость очистки определенного количества
воздуха в циклоне большой производительности принять за 100%, то стоимость
такого же количества воздуха в батарейном циклоне составит 120%, в
циклоне с водяной пленкой — 130%, в электрофильтре — 220%, в тканевых
фильтрах — 280%, в системе батарейный циклон-электрофильтр — 330%.
5.2. СУХИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты,
использующие различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосади-
тельные камеры), инерционный (инерционные пылеуловители) и
центробежный (одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и
динамические пылеуловители).
Пылеосадительные камеры. Пылеосадительные камеры являются
простейшими пылеулавливающими устройствами, применяемыми для
предварительной очистки газов. Принцип работы пылеосадительной камеры
основан на использовании действующей на частицы пыли силы тяжести.
Приемлемая эффективность достигается при длительном нахождении
частиц в пылеосадительной камере. Поэтому пылеосадительные камеры,
рассчитанные на осаждение даже относительно крупных частиц, весьма гро-
138

Рис. 5.4. Горизонтальные пылеосадительные камеры:
а — простейшая; б— многополочная; в — с перегородками; г — с цепными или проволочными завесами
моздки. Материалом для их постройки являются кирпич или сборный
железобетон, реже сталь или дерево.
Осадительные камеры используются для осаждения пыли из
горизонтальных (рис. 5.4) и вертикальных (рис. 5.5) газовых потоков.
В горизонтальных пылеосадительных камерах для повышения их
эффективности устраивают цепные или проволочные завесы и отклоняющие
Рис* 5.5. Вертикальная пылеосадительная камера:
а — без отвода пыли; б и в — с отводом пыли: / — газоходы; 2 — отражательный диск; 3 — огнеупорное
покрытие; 4 — отражательные конусы; 5 — наклонная плита
Газы Газы
а
139

перегородки. Это позволяет дополнительно к гравитационному
использовать эффект инерционного осаждения частиц при обтекании потоком газов
различных препятствий. Эффективность работы в значительной мере
зависит оттого, насколько равномерно распределен поток. Для этой цели
камеры оборудуют газораспределительными решетками.
В вертикальных осадительных камерах осаждаются частицы, скорость
осаждения которых выше скорости газового потока. Диаметр осадительной
камеры обычно в 2,5 раза больше диаметра дымовой трубы, и
соответственно скорости газов в камере в 6,25 раз меньше, чем в трубе. Такое
соотношение размеров трубы и осадительного устройства позволяет при скорости
газов в дымовой трубе 1,5-2,0 м/с осаждать частицы размером 200-400 мкм.
Расчет пылеосадителъных камер. Приближенный расчет пылевых
камер сводится к определению площади осаждения, т. е. площади дна
камеры или полок по заданному размеру частиц пыли, подлежащих
улавливанию. При расчетах принимаются следующие допущения: распределение
концентрации и дисперсности пыли по сечению аппарата равномерное,
форма частиц пыли сферическая, сила сопротивления среды движению
частиц подчиняется закону Стокса, скорость газа по сечению камеры
равномерная, нет вторичного уноса пыли из камеры, влияние
турбулентности потока на частицы отсутствует.
При ламинарном движении запыленного газа под влиянием силы
тяжести пылинки оседают на дно пылевых камер со скоростью витания v..
Газ движется в камере со скоростью
вн'
к=—-> (5.11)
где Qt — объемный расход газов, м3/с; В — ширина камеры, м; Я— высота
камеры (высота падения пылинки, м.):
Я L
7=7' <5Л2>
кс кг
где L — длина камеры, м.
Подставляя (5.11) в уравнение (5.12), получим:
LB = ^' <5ЛЗ)
Подставляя в уравнение (5.13) формулу для определения скорости
витания (4.6), получим минимальный размер частиц пыли dmin, м, которые
могут быть полностью осаждены в камере:
~-~\jJTg (5-И)
140

По этой формуле, зная расход газа, поступающего в пылевую камеру, и
площадь осаждения, можно рассчитать, какого размера частицы полностью
осядут в камере, и, наоборот, задаваясь размером пылинок, можно узнать
требуемую поверхность осаждения при ламинарном движении запыленного газа.
По формуле (5.14) построена номограмма (рис. 5.6) в предположении,
что вязкость газа равна вязкости воздуха. Если вязкость газа существенно
отличается от вязкости воздуха, то полученный по номограмме результат
dm.n следует умножить на величину ^/|ir/|iB , где |ir — вязкость газа при
данной температуре и |1н — вязкость воздуха при той же температуре.
При проектировании осадительных камер следует учитывать
возможность вторичного уноса. Необходимо, чтобы скорость газового потока была
не выше 3 м/с, хотя для некоторых пылей, например сажи, и эта скорость
высока. В табл. 5.3 приведены некоторые рекомендации по выбору
максимально допустимой скорости газов в пылеосадительных камерах.
Таблица 5.3
Параметры выбора максимальной скорости газов в пылеосадительных камерах
Вид пыли
Асбест
Неметаллическая пыль
из плавильных печей
Известняк
Крахмал
| Оксид свинца
| Деревянные опилки
Плотность частиц,
кг/м3
2200
3020
2780
1270
8260
-
Среднемедианный
размер частиц, мкм
261
117
71
64
14,7
1400
Максимально
допустимая скорость
газов, м/с
5,0
5,6
6,4
1,75
7,6
6,6
Фракционная эффективность некоторых пылеосадительных камер (см.
рис. 5.5, в) показана на рис. 5.7.
Основные достоинства осадительных камер заключаются в простоте
конструкций, низкой стоимости, в небольших расходах энергии
(гидравлическое сопротивление 50—100 Па) и в возможности улавливания
абразивной пыли. В осадительных камерах достаточно эффективно
улавливаются частицы пыли размером от 40 мкм. Эффективность же улавливания
частиц высокодисперсной пыли размером менее 5 мкм даже в камерах
больших размеров близка к нулю.
В настоящее время даже самые совершенные по конструкции пылевые
камеры занимают много места и в качестве самостоятельных аппаратов
пылеулавливания почти не применяются. Однако упрощенные варианты
пылевых камер находят некоторое применение в качестве элементов
основного технологического оборудования. Так, разгрузочные головки ряда
141

вращающихся печей и сушильных
барабанов, а также конверторы иного типа
снабжаются некоторым подобием пылеосади-
тельных камер, позволяющих улавливать
наиболее крупные частицы для разгрузки
основного газоочистного оборудования и
предупреждения осаждения частиц в
соединительных газоходах.
Инерционные пылеуловители. Действие
инерционных пылеуловителей основано
на резком изменении направления
движения газопылевого потока. Частицы по
инерции движутся в первоначальном
направлении и попадают в сборный бункер,
а очищенный от крупных частиц пылега-
зовый поток выходит из пылеуловителя.
Некоторые из пылеуловителей данного
типа представлены на рис. 5.8.
В подобных пылеуловителях скорость
газов в свободном сечении составляет
примерно 1 м/с. При этом частицы крупнее
20-30 мкм улавливаются на 60-95%.
Точное значение зависит от многих факторов: дисперсности пыли и других ее
свойств, скорости потока, конструкции аппарата и др. Гидравлическое
сопротивление подобного пылеуловителя составляет 150-400 Па.
Инерционные пылеуловители применяют обычно на первой степени очистки с
последующим обеспыливанием воздуха в более совершенных аппаратах.
Современные инерционные пылеуловители представлены на рис, 5.9.
В одном из вариантов в кольцевой зазор перед муфтой вдувают воздух (с
вращательным моментом движения) со скоростью в три раза большей, чем
осевая скорость основного газового потока. Эта кольцевая струя,
соприкасаясь с основным газовым потоком на его границе, способствует
вращению газа. Выходной газоход служит для отвода очищенного газа, в нем часть
кинетической энергии переходит в энергию давления.
К инерционным пылеуловителям относится экранный пылеуловитель,
представленный на рис. 5.10. Главная его часть — U-образный элемент,
где струи запыленного газа, образованные в промежутках между
профилями элемента, сталкиваются с его основой. Газовый поток либо
отталкивается от основы U-образного элемента, либо движется по кругу вдоль
кривой составляющей элемента. При столкновениях и круговом
движении пыль отделяется от газового потока и попадает в пылесборник,
расположенный внизу.
50 80100
4,, мкм
Рис. 5.7. Зависимость
фракционной эффективности от диаметра
частиц (при рч = 2100 кг/м3) для
пылеосадительной камеры
143

Газы
Газы-Ц^-,
Газы
Газы
Рис. 5.8. Инерционные пылеуловители:
а — камера с перегородкой; б— камера с плавным поворотом газового потока; в — камера с
расширяющимся конусом;"г — камера с заглубленным бункером
60м
d^y мкм
Рис. 5.9. Современные инерционные пылеуловители:
а — схемы; б — кривые фракционной эффекгивности; / — кольцевая муфта; / — газ; // — пыль;
/// — добавочный воздух
Принцип внезапного изменения газового потока при встрече с
решеткой, состоящей из наклонных пластин, использован в пылеуловителе жа-
люзийного типа, приведенном на рис. 5.11. Назначение жалюзийной
решетки — разделить газовый поток на две части: на освобожденную в
144

jo ос.
OQ ОС ОС OP op
DP OO OO OO OC-I
С ОС ОС DO ОС ОС_Ж
<я_ос ос ос ос ос: ос_|?
ЯП ОО ОС ОС! ОС ОС_Ж
- - - - - - - - - - ъщ
яс
'Аоо оо оо оо оо
Рис. 5.10. Экранный инерционный пылеуловитель
Рис. 5.11. Схема работы
жалюзийного аппарата:
• газ; // — обогащенный пылью газ;
/// — очищенный газ
В циклон
^ ч\Путь газов и частиц
пыли
К дымососу
значительной мере от пыли и составляющую 80-90% всего количества газа
и на содержащую основную массу пыли, улавливаемую затем в циклоне
или другом достаточно эффективном пылеуловителе, составляющую 10-
20%. Очищенный в циклоне газ возвращается в основной поток газов,
очищенных при помощи жалюзийной решетки.
Конструкции жалюзийных пылеуловителей представлены на рис. 5.12
и 5.13. Жалюзийный пылеуловитель конического типа отличается
большей эффективностью. Запыленный газ поступает в широкую часть
усеченного конуса, имеющего почти по всей поверхности жалюзевидные
щели. Газовый поток изменяет свое направление, чтобы пройти через
конус, тогда как пыль проходит прямо до конца конуса вместе с некоторой
частью газового потока, откуда она выбрасывается во вторичный
коллектор. При повышении скорости подачи газа к пластинам решетки степень
улавливания пыли в жалюзийном пылеуловителе вначале быстро растет;
начиная со скорости 10 м/с этот рост замедляется. Обычно скорость газов
в жалюзийном пылеуловителе составляет 12—15 м/с.
На степень очистки влияет скорость движения газов, отсасываемых в
циклон. Для того чтобы в циклон было отведено как можно больше пыли,
эта скорость должна быть не меньше скорости газов при подходе к
решетке. Обычно жалюзийные пылеуловители применяют для улавливания
частиц пыли крупнее 20 мкм. Недостатками жалюзийного пылеуловителя
являются: изнашивание пластин решетки при высокой концентрации,
особенно крупной пыли и возможность образования отложений при
охлаждении газов до точки росы. Гидравлическое сопротивление 100-500 Па.
Температура газов, очищаемых при помощи жалюзийной решетки из уг-
10-4543
145

Газы
Рис. 5.12. Жалюзийный пылеуловитель:
/ — жалюзи; 2 — сильно запыленный газ;
3—частично очищенный газ
Рис. 5.13. Жалюзийный пылеуловитель
конического типа:
/ — конус с прорезями; 2 — вентилятор;
3— циклон; /—газ
леродистой стали, не должна превышать 450 °С. При более высоких
температурах пластины жалюзийной решетки отливают из чугуна.
Ориентировочно степень улавливания в жалюзийном пылеуловителе
можно оценить по формуле
Лж =
(5.15)
где т\ц — степень улавливания той же пыли при аналогичных условиях в
циклоне НИИОгаз ЦН-15; Кж — коэффициент, лежащий в пределах 2,5-4,0.
Более точно эффективность очистки жалюзийных пылеуловителей,
как, впрочем, и остальных инерционных пылеуловителей, можно
определить по формуле (5.3). При этом используют данные фракционной
эффективности в виде кривых (см. рис. 5.9, б) или в табличной форме (табл. 5.4).
Приведенная эффективность определялась при очистке газа от золы
плотностью р = 2600 кг/м3.
На коэффициент очистки большое влияние оказывает степень отсоса
(табл. 5.5).
Циклоны. Выделение пыли в циклонах происходит под действием
центробежных сил, возникающих в результате вращения газового потока в
146

Таблица 5.4
Фракционные коэффициенты очистки жалюзийного пылеуловителя ВТИ
d, мкм
лф,%
10
47
15
63
20
78
25
86,5
30
91,3
40
94,8
50
96,5
60
97,7
Таблица 5.5
Влияние степени отсоса на коэффициент очистки для жалюзийных
пылеуловителей
Степень отсоса, %
10
20
Коэффициенты очистки г|, %
50
61
55
65
60
70
65
74
70
77
75
81
80
85
85
89
корпусе аппарата. Несмотря на
многообразие конструкций циклонов, его
классический вариант состоит из: цилиндрической
части 3 с крышкой и тангенциальным
патрубком для ввода запыленного газа 7;
конической части 4 с патрубком для отвода
пыли; центральной трубки с патрубком 2 для
отвода очищенного газа; пылесборника 5
(рис. 5.14).
Запыленный газ поступает в циклон по
тангенциально расположенному патрубку 1
со скоростью 14-25 м/с, в результате чего он
приобретает вращательное движение.
Совершив 2-3 оборота в кольцевом зазоре
между цилиндрической частью 3 и
выхлопной трубой 2, газ винтообразно опускается
вниз, причем в конической части аппарата
4, вследствие уменьшения диаметра,
скорость вращения потока увеличивается. Под
действием центробежной силы частицы
пыли отбрасываются к стенкам циклона,
благодаря чему основная масса пылевых
частиц сосредоточивается в потоке газа,
движущегося в непосредственной близости от
стенок аппарата.
В цилиндрической части циклона 5
статическое давление, как и в каждом
искривленном течении, сильно падает в
направлении от периферии к центру. В основном
Рис. 5.14. Схема работы циклона:
/ — входной патрубок; 2— выхлопная
труба;
4-
3 — цилиндрическая часть;
коническая часть; 5— пылесборник
10*
147

потоке направленные во внутреннюю сторону сжимающие усилия
приходят в равновесное состояние с центробежными силами. Однако у
конической стенки 4 и у его крышки начинает уже сказываться перепад
давления, сжимающее поток усилие становится значительно больше
центробежной силы, и поток в виде сильного вторичного вихря
направляется внутрь, захватывая с собой много частиц пыли. Этот вихрь
движется по спирали вниз, отбрасывая ранее увлеченные частицы обратно к
стенке. Вторичный поток, искривленный вдоль конической стенки,
захватывает отброшенную к стенке пыль и направляет ее вниз к бункеру 5.
Без этого потока отдельные частицы, находящиеся у стенки, не смогли
бы попасть вниз, поскольку направленная вверх составляющая
центробежной силы больше силы тяжести. О большом влиянии вторичного
потока свидетельствует тот факт, что пыль выносится из лежащих и даже
перевернутых циклонов. В бункере вследствие сужения в месте
соединения газовый поток циркулирует слабее, чем в цилиндрической камере.
Однако и в этом случае на оси вихрь имеет пониженное давление. Часть
вторичного потока цилиндрической камеры в бункере перемещается вниз
и вновь возвращается в ядро вихря. Благодаря этому уже осажденная пыль
может быть вновь захвачена и вынесена в район оси вихря.
Таким образом, в циклоне протекают сложные аэродинамические
процессы, от совершенства которых зависит эффективность работы этих
аппаратов.
Размеры и геометрические формы указанных элементов у разных
циклонов могут быть различными, кроме того, некоторые из них содержат
дополнительные конструктивные элементы, например, улитки, звездочки,
розетки и другие устройства для подкрутки газа.
Преимущества циклонов перед другими аппаратами:
— отсутствие движущихся частей;
— надежная работа при температуре до 500 °С без конструктивных
изменений;
— пыль улавливается в сухом виде;
— возможность работы при высоких давлениях;
— стабильная величина гидравлического сопротивления;
— простота изготовления и возможность ремонта;
— повышение концентрации не приводит к снижению фракционной
эффективности аппарата.
Недостатки:
— относительно высокое гидравлическое сопротивление (1200-
1500 Па) высокоэффективных циклонов;
— низкая эффективность при улавливании пыли размером меньше 5 мкм.
Циклоны различаются по способу подвода газов в аппарат,
который может быть спиральным (рис. 5.15, а), тангенциальным обычным
148

щ
г4* Пыль "4
1 Газы
♦ rUf^—f
фф ф
Газы
Г7Газы1
Рис. 5.15. Основные конструкции циклонов по вводу газов:
а — спиральный; 6 — тангенциальный; в — винтообразный; г — розеточный (циклон с возвратом газов);
д — розеточный (прямоточный циклон)
(рис. 5.15, б) и винтообразным (рис. 5.15, <?), а также осевым (рис. 5.15, г,
д). Последний отличается меньшим гидравлическим сопротивлением и
меньшей эффективностью очистки. Недостатком прямоточных
циклонов является необходимость отсоса части газов через бункер для отвода
пыли, что способствует их абразивному износу. Наиболее
предпочтительным по форме, с точки зрения аэродинамики, является подвод газа
по спирали, однако на практике все способы подвода могут применяться
с равной эффективностью.
В промышленной практике принято разделять циклоны на
высокоэффективные и высокопроизводительные. Аппараты первого типа
отличаются более высокой эффективностью очистки, но требуют больших
затрат на осуществление процесса. Циклоны второго типа имеют небольшое
гидравлическое сопротивление, отличаются большой
производительностью, но хуже улавливают мелкие частицы.
Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха
по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против
часовой стрелки).
По форме циклоны подразделяют на цилиндрические (высота
цилиндрической части больше высоты конической части) и конические (высота
цилиндрической части меньше высоты конической части). Коническая
часть аппарата выполняется в виде прямого конуса, обратного конуса или
может состоять из двух конусов — прямого и обратного (рис. 5.16).
Строение конической части определяет особенности движения пылевоздушно-
149

Рис. 5.16. Циклоны
с различной формой
конической части корпуса:
а — коническая часть в виде
прямого конуса; б— коническая часть
в виде обратного конуса; в —
коническая часть составная
го потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на
процесс осаждения, а также на коагуляцию некоторых видов пыли в аппарате,
на устойчивость его работы при улавливании различных видов пыли.
Для изучения работы циклона важно знать минимальный размер частиц
dmin, полностью улавливаемых в циклоне. Рассмотрим вывод одной из
формул, определяющих rfmin. При этом принимаются следующие допущения:
а) частицы не влияют друг на друга;
б) при достижении стенки циклона частицы не могут быть снова
унесены газом;
в) сопротивление движению частиц в газовой среде подчиняется
закону Стокса;
г) тангенциальная скорость частицы постоянна и не зависит от ее
положения.
При работе циклона на частицу, движущуюся в поле центробежных
сил, действуют три составляющие.
1. Центробежная сила, отбрасывающая частицу к стенке циклона:
Р. = •
(5.16)
где т — масса частицы, кг; vt — тангенциальная составляющая скорости
частицы (v( = vj, м/с; R — радиус от центра до частицы, м.
2. Сила сопротивления движению частицы в радиальном направлении:
Л=3*уЛ£/чц,
(5.17)
где d4 — диаметр частицы, м; \i — вязкость газа, Пас; vR — радиальная
составляющая скорости частицы, м/с.
3. Сила тяжести Pg =mg .
Вследствие малости третьей силой — силой тяжести — можно пренебречь.
150

Частица может двигаться в радиальном направлении, если соблюдается
условие Рп> PR.
Приравниваем силы (граничное условие).
2
^- = 3nvRd4\i. (5.18)
Для частиц шарообразной формы
%dl
тв-£-Р-' (5.19)
где рч — плотность материала частицы, кг/и3.
Подставив значение (5.19) в уравнение (5.18), определим скорость
движения частицы в радиальном направлении:
d2vfp
l^t- <5-20>
Принимаем
Л = Л + ^Т^ = ^Т^' (5*21)
где Лj и R2 — соответственно радиусы выхлопной трубы и
цилиндрической части, м.
Из движущихся в потоке частиц наибольший путь пройдет частица,
которая при входе в циклон находилась вблизи выхлопной трубы. Ее путь
равен R2 — Ry Время для прохождения этого пути составит
тос=^—• (5.22)
Подставляя выражения (5.20) и (5.21) в уравнение (5.22), получим:
9n(tf-ff)
т°<=^^г- (5-23)
С другой стороны, скорость осаждения может быть выражена
соотношением
nDn
где D — средний диаметр движения частицы, D = 2R = Л, + Л2; п' — число
кругов, совершаемых частицей в циклоне (ri = 2+3).
Приравняв уравнения (5.23) и (5.24), определим наименьший диаметр
частиц, которые осаждаются в циклоне за время т :
151

^min=3J г- • (5.25)
Данные, полученные по формуле (5.25), значительно отличаются от
результатов экспериментальных исследований. Это объясняется тем, что в
формуле не в полной мере учтены факторы, влияющие на циклонный
процесс.
В реальных условиях частицы, имеющие размер более dm.n,
улавливаются в циклоне далеко не полностью. В то же время часть частиц,
имеющих размер меньше rfmin, осаждаются в циклоне. Рассмотрев формулу (5.25),
можно выявить факторы, от которых зависит эффективность улавливания
пыли в циклонных аппаратах.
Сопротивление циклона оценивается по общепринятой формуле
О v2
где i; — коэффициент гидравлического сопротивления циклона.
В различных отраслях промышленности в зависимости от условий
производства и требований очистки применяют циклоны различных типов.
Хотя первые циклоны появились в промышленности более 100 лет назад,
работы по их усовершенствованию продолжаются. В России
применяются более 20 типов циклонов. Для унификации циклонов по единой
методике были проведены сравнительные испытания ряда аппаратов, на
основании которых был разработан унифицированный ряд циклонов и
разработаны типовые чертежи.
Наибольшее использование нашли следующие виды циклонов.
Циклоны конструкции НИИОгаз. К цилиндрическим относятся
циклоны ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24. (рис. 5.17,табл. 5.6). Характерные
особенности: наличие удлиненной цилиндрической части; угол наклона
крышки и входного патрубка равен соответственно 11°, 15°, 24°;
одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона, равное
0,59; подвод газа винтообразный.
Площадь сечения входных патрубков у циклонов ЦН-15, ЦН-24
больше, чем у циклона ЦН-11. Следовательно, при одинаковых диаметрах и
одинаковых гидравлических сопротивлениях циклоны ЦН-15, ЦН-24
обладают большей пропускной способностью, чем циклон ЦН-11, но
эффективность их ниже, особенно ЦН-24. Поэтому циклоны ЦН-24
рекомендуется применять для очистки газов с частицами пыли диаметром более
20 мкм. Циклоны ЦН-15 и ЦН-15У (укороченные) имеют
общепромышленное значение и находят широкое применение благодаря оптимальному
соотношению между гидравлическим сопротивлением и эффективностью
улавливания пыли.
152

l=0,6D
b = 0,26i)
T
Q
I
b
w
\
к
r
\
L
|
</
4?
D
I
f
f l
n
1 '
**
T
1
i
tf
I
i
'
i
f
.. . ■
... j
i
/
Рис. 5.17. Цилиндрический циклон
конструкции НИИОгаз
Рис. 5.18. Конический циклон
конструкции НИИОгаз
Таблица 5.6
Относительные размеры цилиндрических циклонов в долях диаметра корпуса
Тип циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-15У
ЦН-24
а, °
11
15
15
24
а
0,48
0,66
0,66
1.11
*т
1,56
1,74
1,5
2;и
**п
2,06
2,26
1,51
2,21
"»
2,00
2,00
1,50
1,75
К
0,3
0,3
0,3
0,4
Н
3,38
4,56
3,31
4,26
Условное обозначение цилиндрического циклона: ЦН — циклон
конструкции НИИОгаза; 15° — угол наклона оси входного патрубка
относительно горизонтали; П (Л) — правое (левое) вращение газа в улитке; число
153

Таблица 5.7
Относительные размеры конических циклонов в долях диаметра корпуса
Тип циклона
СК-ЦН-34
СК-ЦН-34М
| СК-ЦН-40
| ск-цн-зз
d
0,34
0,22
0,4
0,33
<*.
0,23
0,18
0,20
0,33
а
0,25
0,40
0,38
0,535
Ъ
0,214
0,18
0,15
0,264
*.
0,515
0,4
0,4
0,535
К
0,515
0,3
0,3
0,25
",
0,515
0,4
0,535
1,2
*п
2,11
2,6
3,0
2,2
после тире — внутренний диаметр цилиндрической части циклона, мм;
П — пирамидальная форма бункера. Например, ЦН-15П-600П.
Циклоны ЦН предназначены для очистки воздуха от сухой, неслипаю-
щейся, неволокнистой пыли, образующейся в различных помольных и
дробильных установках и при транспортировании сыпучих материалов.
Для улавливания взрывоопасной и легковозгораемой пыли циклоны
ЦН должны быть выполнены по специальным чертежам и не иметь узлов,
где могло бы происходить скопление пыли, и должны быть снабжены
необходимым количеством взрывных клапанов.
К коническим относятся циклоны типа СК-ЦН-22 (СК-ЦН-34М),
СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 (рис. 5.18, табл. 5.7). Их отличает удлиненная
коническая часть и малое отношение диаметра выхлопной трубы к
цилиндрической части (соответственно 0,22, 0,33 и 0,34). Подвод газа
спиральный. Эти циклоны при одинаковой производительности имеют несколько
большие размеры и повышенное гидравлическое сопротивление, однако
отличаются большей эффективностью. Они используются для очистки газа
от угольной пыли, золы, сажи, слипающейся пыли. Для очистки от
абразивной пыли применяются циклоны СК-ЦН-ЗЗМ.
Условное обозначение конических циклонов: СК —
спирально-конический (СДК — спирально-длинноконический); ЦН — циклон НИИОгаз;
33 (34) — отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру
цилиндрической части циклона (0,33, 0,34); БП — с бункером и подогревателем;
Б — с бункером без подогревателя (при отсутствии Б или БП — без
бункера и подогревателя); последнее число — диаметр цилиндрической
части циклона, мм; П или Л — правое или левое вращение пылегазового
потока.
Цилиндрические циклоны относят к высокопроизводительным
аппаратам, конические — к высокоэффективным. Диаметр цилиндрических
циклонов обычно не превышает 2000 мм, а конических — 3000 мм.
Параметрический ряд циклонов НИИОгаз, разработанный на основе глубоких
теоретических и экспериментальных исследований, известен уже около
40 лет. Однако он и сейчас может рассматриваться как отвечающий
лучшим мировым достижениям в области циклонного пылеулавливания.
154

12 5 10 20 50 100
d, мкм
Рис. 5.19. Фракционная эффективность циклонов НИИОгаз:
У - ЦН-11; 2- ЦН-15; 3- ЦН-15У; 4- ЦН -24; 5,6- СДК-ЦН-33; 7- СК-ЦН-34
Фракционная эффективность циклонов НИИОгаз приведена на рис.
5.19.
Для всех одиночных циклонов бункеры выполняются цилиндрической
формы. Диаметры бункера принимаются в соответствии с ГОСТ 9617-67:
бункера= 1,5D (для цилиндрического циклона); #бункера = (1,1+1,2) /)(дляко-
нического циклона). Высота цилиндрической части бункера принимается
равной 0,82), днище бункера выполняется с углом стенок 60°.
Циклоны конструкции ВЦНИИОТ. Эти циклоны отличаются
расширяющимся конусом (рис. 5.20, табл. 5.8). Преимуществом таких циклонов
является отсутствие подсоса воздуха в бункере за счет перекрытия
центральной зоны разряжения внутренним обратным конусом.
Циклоны этого типа целесообразно использовать в тех случаях, когда
есть опасность зарастания пылью корпуса циклона, т. е. при очистке газов
от слабослипающейся (сажа, тальк) пыли. Характерной особенностью
этого циклона является способ транспортировки отсепарированной пыли из
корпуса в сборный бункер. Пылегазовый поток проходит в бункер через
кольцевую щель, образованную двумя соосными конусными
поверхностями. Обеспыленный поток возвращается обратно в корпус циклона через
центральное отверстие внутреннего конуса. Такая конструкция отвода пыли
в бункер позволяет применять аппарат для улавливания пыли с
повышенными абразивными свойствами. Рекомендуемая скорость газа во входном
патрубке 14-16 м/с. Потеря давления в циклоне составляет 1250-1650 Па.
Циклоны конструкции Гипродревпрома. Предназначены для улавливания
древесных отходов (опилок, пыли). Выполняются две модификации типа
Ц и типа УЦ-38 (рис. 5.21, 5.22). Характеризуется удлиненным конусом и
155

Рис. 5.20. Циклон конструкции
ВЦНИИОТ:
/ — цилиндр; 2 — входной патрубок; 3 — штуцер
для отвода газа; 4—обратный конус; 5—
внутренний обратный конус; 6— пылесборник
Рис. 5.21. Циклон конструкции
Гипродревпрома типа Ц:
1 — конус; 2— сепаратор; 3— конус; 4— входной
патрубок; 5— крышка; 6— косынка; 7— зонт
сепаратором, установленным внутри циклона на центральной трубе.
Изготавливают левого и правого исполнения и устанавливают как на
всасывающей, так и на нагнетательной стороне вентилятора. Коэффициент очистки
156

Таблица 5.8
Соотношение размеров для циклонов ВЦНИИОТ
Наименование
Внутренний диаметр цилиндрической части, D
Высота цилиндрической части, И
Высота конической части, hx
Внутренний диаметр выхлопной трубы, />3
Диаметр нижней части конуса/)2
Диаметр внутреннего конуса/),
Диаметр отверстия внутреннего конуса, /)4
Полная высота циклона, Н
Длина выходного патрубка, В
Величина, мм
До 1000
2,00
3,0/)
0,5/)
1,6/)
1,4/)
0,1/)
5,2/)
0,6/)
Таблица 5.9
Размеры, мм, циклона конструкции СИОТ
№
циклона
1
2
3
4
5
6
7
А
703
1015
1242
1428
1593
1698
1943
А,
368
532
651
748
835
890
966
Аг
264
380
465 '
535
597
635
690
А,
135
195
240
275
310
330
355
Б
675
970
1184
1363
1520
1620
1758
Б,
345
495
610
700
780
832
900
Б2
255
370
450
520
580
615
670
Бз
355
510
624
718
800
853
926
составляет 98—98,5%. Скорость газа во входном патрубке составляет 20 м/с
(Ц-16)и12-16м/с(УЦ-38).
Циклоны конструкции СИОТ. Эти циклоны имеет треугольную форму
входного и отводящего патрубков и характеризуются отсутствием
цилиндрической части (рис. 5.23, табл. 5.9). Рекомендуется применять для
улавливания сухой неволокнистой или неслипающейся пыли. По
эффективности приравниваются к циклонам типа ЦН-11, ЦН-15, но при равных с
ними производительностях и гидравлических сопротивлениях требуют в
2—2,5 раза большей площади для их размещения. Преимуществом, по
сравнению с ЦН-11, является их меньшая (30%) высота. Для нормальной
работы требуется полная герметизация пылесборного бункера. При подсосе
0-15% от производительности эффективность очистки снижается
практически до 0.
157

Рис. 5.22. Циклон конструкции Рис. 5.23. Циклон СИОТ:
Гипродревпрома типа УЦ-38: / _ входной патрубок; 2 - раскручиватель;
1,2— патрубки для ввода и вывода газа; 3 — патрубок для отвода газа; 4 — крышка;
3 — крышка; 4 — центральная труба; 5 — ци- 5 — конус; 6 — пылеотводящий патрубок
линдр; 6 — опора; 7 — конус
При установке на всасывающей линии вентилятора очищенный газ
(воздух) выходит из аппарата через раскручиватель с винтовой крышкой, а при
установке на нагнетательной линии — через шахту с колпаком или раскру-
чивателем в виде плоского щита.
Циклон Крейзеля. Отличается полым конусом с отверстием в вершине,
который установлен в нижней части корпуса (рис. 5.24). Между корпусом
циклона и конусом имеется кольцевая щель шириной 4,5 мм,
предусмотренная для спуска в бункер уловленной пыли. Бункер является неотъемлемой
частью циклона. Эти циклоны отличаются большей, чем ЦН-15, ЦН-24
158

0 780,
Рис. 5.24. Циклон Крейзеля:
/— патрубок для отвода газа; 2 — входной патрубок;
3 — корпус циклона; 4 — отверстие конуса; 5 —
полый конус; 6— пылеотводящий патрубок
Рис. 5.25. Циклон ЦКТИ типа Ц
производительностью при достаточно высокой эффективности.
Оптимальный режим работы аппарата достигается при условной скорости газа — 2,5—
3,0 м/с. При этом эффективность — 80-85%. Применяют в основном для
очистки технологических газов вращающихся печей обжига извести, в
цементной промышленности.
Циклон ЦКТИ типа Ц Применяют для очистки дымовых газов котлов
производительностью от 2,5 до 20 т/ч. Они обладают таким же
гидравлическим сопротивлением, эффективностью и металлоемкостью, как и
циклоны конструкции НИИОгаз ЦН-15. Выполняются с улиточным отводом
газов. Общий вид циклона конструкции ЦКТИ типа Ц приведен на рис.
5.25, а основные размеры в табл. 5.10.
159

Таблица 5.10
Размеры циклонов конструкции ЦКТИ типа Ц
Элемент циклона
Внутренний диаметр циклона |
Высота входного патрубка
| Высота выхлопной трубы
| Ширина входного патрубка в циклоне
| Ширина патрубка у фланца
| Высота конуса цилиндра
Наружный диаметр выхлопной трубы
Высота внешней части выхлопной трубы
Длина входного патрубка
| Внутренний диаметр пылеспускательного отверстия
| Высота установки фланца
| Общая высота циклона
Диаметр бункера
Высота бункера
Обозначение
D
Л
К
Ь
*i
К
D
h
н
/
4
А*
Я
D*
Нс
Размер, мм
400-800 |
0,62) 1
2,0/) 1
0,2/) 1
0,4/)
2,0/)
0,6/)
0,5/)
1,0/)
(0,3-0,4)/)
0,25/)
5,0/)
1,5/)
2,4/)
Существует ряд других циклонов, которые разработаны для
конкретных отраслей промышленности с учетом их особенностей, например,
циклоны ЦР и УЦ (в керамической промышленности), циклоны ЦВР
(улавливание пыли сои).
Общее сопротивление циклонов существенно снижается при
уменьшении закручивания газового потока в выхлопной трубе. Это может быть
достигнуто установкой на выхлопной трубе циклонов различных устройств:
раскручивателей, диффузоров и улиток (рис. 5.26). При этом
сопротивление может снижаться на 10-13%.
Выбор и расчет циклонов. При расчете циклонов должна быть
обеспечена необходимая эффективность очистки при минимальных энергетических
затратах (при минимальном гидравлическом сопротивлении), т. е.
необходимо определять как эффективность очистки, так и потери давления.
По современным представлениям, фракционные степени улавливания
пыли в циклоне подчиняются логарифмически-нормальному закону
распределения (кривая фракционной эффективности аппарата т|ф =f(d4) при
построении в вероятностно-логарифмической системе координат приобретает вид
прямой линии). Если дисперсный состав пыли на входе в циклон
подчиняется нормальному закону распределения, то эффективность циклона может быть
рассчитана по формуле (5.5), т. е. может быть использован метод расчета,
основанный на вероятностном подходе к процессу пылеулавливания.
160

Рис. 5.26. Устройства для
уменьшения гидравлического
сопротивления:
а — с коническим лопастным рас-
кручивателем; б — с
винтообразным раскручивателем; в — с
кольцевым диффузором; г — с улиткой
на выходе
Для расчета циклонов необходимы следующие данные: объемный
расход газов, подлежащих обеспыливанию при рабочих условиях, Qr, м3/с;
динамическая вязкость газа при рабочей температуре \i, Пас; плотность газа
при рабочих условиях рг, кг/м3; дисперсный состав пыли, задаваемый
медианным диаметром dm, мкм, и среднее квадратичное отклонение в функции
данного распределения частиц lg ач; концентрация пыли в газах сш, г/м3;
плотность частиц пыли рч, кг/м3.
Последовательность расчета циклонов.
1. Задавшись типом циклона, по табл. 5.11 или 5.12 определяют
оптимальную скорость газа в аппарате vonT и дисперсию распределения
значений фракционной эффективности пылеуловителя lg a^.
Примечание: Значения d5J (диаметр частиц, улавливаемых в аппарате
на 50%), приведенные в таблице, соответствуют следующим условиям
работы циклонов: средняя скорость газа в циклоне vT = 3,5 м/с; диаметр
циклона Di = 0,6 м; плотность частиц рчт = 1930 кг/м3; динамическая вязкость
газа |1т= 22,2-Ю-6 (Н-с)/м2.
2. Рассчитывают необходимую площадь сечения циклонов, м2:
F =
а
3. Определяют диаметр циклона, м:
D =
(5.27)
(5.28)
/0,785
Диаметр циклона округляют до величины из стандартного ряда
диаметров (табл. 5.13).
11-4543
161

Таблица 5.11
Параметры, определяющие эффективность работы циклонов конструкции
НИИОгаза
Параметры
</50т, мкм
teCTn
ЦН-24
8,50
0,308
4,5
ЦН-15У
6,00
0,283
3,5
ЦН-15
4,50
0,352
3,5
цн-и
3,65
0,352
3,5
сдк-цн-зз
2,31
0,364
2,0
СК-ЦН-34
1,95
0,308
1,7
Таблица 5.12
Параметры, определяющие эффективность работы циклонов
Параметры
d50T, мкм
И8вп
Vo„r' М/С
Циклон конструкции
сиот
2,6
0,28
1,00
1400
вцнииот
8.6
0,32
4,00
75
Гипродревпрома
(тип Ц)
4,12
0,34
3,3
210
Таблица 5.13
Стандартный ряд диаметра циклонов
Тип циклона
ЦН, СК, СДК
ВЦНИИОТ
сиот
УЦ-38
Гипродревпрома
типа Ц
ЦКТИтипаЦ
Стандартный ряд диаметра циклонов, м
0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0
0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,370; 0,455; 0,525;0,585; 0,645; 0,695
0,703; 1,015; 1,242; 1,428; 1,593; 1,698; 1,943
0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0
0,25; 0,3; 0,375; 0,45; 0,55; 0,6; 0,675; 0,730; 0,8; 0,87; 0,95; 1,05; 1,15;
1,225; 1,32; 1,4; 1,5; 1,6
0,4; 0,45; 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8
4. Вычисляют действительную скорость газа в циклоне:
Скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем
на 15%.
5. Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления
одиночного циклона или группы циклонов:
$ц=*.*2Й1!о+Кз. (5.30)
гДе £ц5оо ~" коэффициент гидравлического сопротивления одиночного
циклона диаметром 500 мм, выбираемый по табл. 5.14. Индекс «с» означает,
162

что циклон работает в гидравлической сети, а индекс «п» — без сети, т. е.
работает прямо на выхлоп в атмосферу; к{ — поправочный коэффициент
на диаметр циклона, определяемый по табл. 5.15; к2 — поправочный
коэффициент на запыленность газа, определяемый по табл. 5.16. к3 —
коэффициент, учитывающий дополнительные потери давления, связанные с
компоновкой циклонов в группу, определяемый по табл. 5.17. Для
одиночных циклонов /с3 = 0.
Таблица 5.14
Значения коэффициентов сопротивления одиночного циклона
Тип
циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-15У
ЦН-24
СДК-ЦН-33
| СК-ЦН-34
d/D
0,59
-
-
-
0,33
0,34
Без
дополнительных
устройств
V
245
155
165
75
520
1050
V
250
163
170
80
600
1150
С кольцевым
диффузором
У
207
132
140
64
-
-
215
140
148
70
-
-
С выходной
улиткой
V
235
150
158
73
500
-
С отводом 90°
R/d = 1,5
1/</=0+12
245
155
165
75
-
-
\/d>\2
250
160
170
80
560
-
Таблица 5.15
Поправочный коэффициент к1 на диаметр циклона
Диаметр циклона, мм
200
300
400
500
ЦН-11
0,95
0,96
0,99
1,0
ЦН-15; ЦН-24
0,90
0,93
1,0
1,0
СДК-ЦН-33; СК-
ЦН-34
1,0
1,0
1,0
1,0
Таблица 5.16
Поправочный коэффициент к2 на запыленность газов
Тип
циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-15У
ЦН-24
СДК-ЦН-33
СК-ЦН-34
СК-ЦН-34М
Поправочный коэффициент кг при
0
10
0,96
0,93
0,93
0,95
0,81
0,98
0,99
20
0,94
0,92
0,92
0,93
0,785
0,947
0,97
40
0,92
0,91
0,91
0,92
0,78
0,93
0,95
запыленности газа, г/м3
80
0,9
0,9
0,89
0,9
0,77
0,915
-
120
0,87
0,87
0,88
0,87
0,76
0,91
-
150
0,5
0,86
0,87
0,86
0,745
0,9
-
11*
163

Таблица 5.17
Коэффициент кэ, учитывающий дополнительные потери давления,
связанные с групповой компоновкой
Характеристика группового циклона
Значения
коэффициента
Круговая компоновка, нижний организованный подвод
Прямоугольная компоновка, организованный подвод, циклонные
элементы расположены в одной плоскости
То же, но улиточный отвод из циклонных элементов
Прямоугольная компоновка. Свободный подвод потока в общую камеру
60
35
28
60
6. Определяют потери давления в циклоне, Па, по формуле
ДР = $В
PrV
Потери давления в циклоне можно определить и по формуле
АР = Е
^в
Р V
Г Г В)
(5.31)
(5.32)
где ^вх — коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к
скорости газа во входном патрубке vhx, определяется по формуле
Коэффициент £0 определяется по табл. 5.18.
Если потери давления АР оказались приемлемыми, переходят к
расчету полного коэффициента очистки газа в циклоне.
Таблица 5.18
Значение коэффициента ^
Тип циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-15У
ЦН-24
сиот
вцнииот
Диаметр, мм
450
450
450
450
370
Значение |0
Без улитки
6,1
7,6
8,2
10,9
6,0
9,3
С улиткой на выхлопной трубе
5,2
6,7
7,5
12,5
4,2
10,4
7. Взяв в табл. 5.11 или 5.12 параметр <i5T0, характеризующий
парциальную эффективность выбранного типа циклона при указанных в таблице
условиях (диаметре циклона, скорости потока, плотности пыли, динамичес-
164

кой вязкости газа), определяют диаметр частиц, улавливаемых в аппарате
на 50% при рабочих условиях:
\D рчт ц vT
8. Определяют параметр Хпо формуле
Vig2^+ig2^' (5-35)
9. По табл. 5.1 определяют значение Ф(х), представляющее собой
полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях.
Институтом «Сантехпроект» и ВНИИ охраны труда на основе
представленной методики разработан графоаналитический метод подбора
циклонов, который находит наибольшее применение у проектировщиков.
На практике эффективность очистки воздуха в циклонах оказывается
несколько ниже, чем расчетная. Это объясняется, в первую очередь,
нарушениями при эксплуатации циклонов (см. гл. 12).
Для повышения эффективности очистки циклоны иногда
устанавливают последовательно. В этом случае общая степень очистки газа
определяется с помощью выражения
ЛобЩ= 1-(1-Л1)0-т12)—(1-Лл), (5.36)
где r\v ч\2,... т|л — коэффициенты очистки газов в первом, втором и
последующих циклонах, определяемые с учетом изменения дисперсного состава пыли.
Последнее учитывать достаточно сложно, поэтому коэффициент очистки
газов в установке, состоящей из двух или более последовательно
установленных циклонов, удобно определять по графикам парциальных проскоков
через каждый из циклонов, составленных в вероятностно-логарифмической
системе координат. Расчет ведется в такой последовательности:
1. По формуле (5.34) определяют значения d50 для каждого из
установленных циклонов.
2. Определяют значения dl5 9 для каждого из циклонов по уравнению
lgdl59 = lgo^ + lgd5Q. (5.37)
3. В вероятностно-логарифмической системе координат (ординаты
сетки должны быть представлены в относительных долях) наносят точки d50 и
dl5 9 для каждого из циклонов. Точки d5Q и d]5 9 соединяют прямыми
линиями парциальных проскоков через циклоны.'
4. Определяют общий парциальный проскок через систему из двух
последовательно установленных циклонов
£1-2= £1 £2' (5*38)
165

где £j_2 — общий парциальный проскок; £р е2 — парциальный проскок для
первого и второго циклонов соответственно.
Кривую е12 наносят на тот же график.
5. Проводят прямую линию, аппроксимирующую кривую ех_2, и
находят значения d50 и lg ац = lg dl5 э _ lg dSQi характеризующие эту прямую.
6. По формуле (5.37) определяют параметр X и исчисляют
коэффициент очистки газов по уравнению.
Прямоточные циклоны. Особенностью таких циклонов является
прямоточное (без изменения направления) движение газового потока (см.
рис. 5.15, д). Ввод и вывод газа в таких аппаратах осуществляется с
противоположных концов. Преимуществом прямоточных циклонов является
малое гидравлическое сопротивление, упрощенный монтаж как одиночных,
так и групповых аппаратов, возможность футеровать изнутри
износоустойчивым материалом. К недостаткам следует отнести малую эффективность
очистки. Поэтому прямоточные циклоны можно использовать как первую
ступень для грубой очистки газов от крупных частиц. Закрутка газа в
прямоточных циклонах может осуществляться как за счет тангенциального ввода
запыленного газа, так и за счет установки в циклоне различных
направляющих аппаратов. Эффективность работы может быть увеличена путем выбора
оптимальных соотношений геометрических размеров отдельных узлов и
деталей. Применение циклонов оправдано при очистке газов от
крупнодисперсной пыли. Если содержание мелкодисперсной фазы в газовом потоке
невелико, то прямоточные циклоны можно использовать в качестве
самостоятельных пылеуловителей.
На рис. 5.27 показана схема наиболее распространенного из
прямоточных циклонов — циклона конструкции ЦКТИ, предназначенного для
предварительной очистки газов. Запыленный газ вводится в
цилиндрический корпус аппарата 3 по тангенциальному штуцеру 5, благодаря чему газ
приобретает вращательное движение вокруг вставки 4. Выделяющаяся
из газового потока пыль собирается в конусной части циклона 7 и
выводится наружу. Очищенный газ проходит раскручиватель 6 и выводится
из аппарата по газоходу 2. Скорость газового потока в аппаратах
составляет 5-6 м/с.
Примером аппарата с направляющим элементом является циклон,
разработанный в МИХМ (рис. 5.28). Циклон состоит из корпуса 2, в котором
размещены направляющий аппарат 7, внутренняя конусоцилиндрическая
вставка 3, входной коллектор 7 и патрубок для отвода очищенного газа 10.
В верхней части снаружи размещен бункер 6 для промежуточного отбора
пыли. Запыленный газ поступает в циклон сверху. Проходя через
направляющий аппарат, он получает вращательное движение. Под действием
центробежных сил пылевые частицы отбрасываются к периферии.
Промежуточный отбор пыли осуществляется через окна 5, выфрезерованные в стенке
166

Запыленный газ
Пыль
Очищенный
газ
Пыль
Рис. 5.27. Схема прямоточного циклона
типа ЦКТИ
Рис. 5.28. Схема прямоточного циклона
конструкции МИХМ
корпуса 2 и выходящие в бункер 6. Основное количество пыли собирается в
бункере 77, куда она попадает, пройдя через кольцевое сечение 8 между
корпусом циклона 2 и входным коллектором 7, внутри которого размещен
спрямляющий аппарат 9. Очищенный газ отводится по патрубку 70.
Эффективность очистки при дисперсности пыли, равной 47 мкм, составляет
97-98%.
При расчете прямоточных циклонов возможно использовать метод,
разработанный Белевицким. В основе метода лежит приведение
полидисперсной пыли к монодисперсной, с последующим определением
условного времени осаждения, по которому выбирается типоразмер циклона.
Групповые циклоны. С увеличением диаметра циклона при постоянной
тангенциальной скорости потока центробежная сила, воздействующая на
пылевые частицы, уменьшается, и эффективность пылеулавливания сни-
167

Очищенный
Запыленный
газ
Рис. 5.29. Установка группового циклона двухрядным способом (а) и по окружности (б)
жается. Кроме того, установка одного высокопроизводительного циклона
вызывает затруднение из-за его большой высоты. В связи с этим в технике
пылеулавливания широкое применение нашли групповые и батарейные
циклоны. В групповых циклонах (рис. 5.29) несколько циклонов
компонуют в группу; при этом они имеют общий коллектор для подачи
запыленного и отвода очищенного газа, а также общий бункер для сбора пыли.
Размещают групповые циклоны двухрядным способом по 2-8 шт. либо вокруг
вертикального входного патрубка по окружности по 10-14 шт.
В групповых компоновках по нормам НИИОгаза применяются
циклоны типа ЦН-15, а по типовым нормам, утвержденным Госстроем СССР,
циклоны типа ЦН-11. Конические циклоны при равных производительно-
168

стях с цилиндрическими отличаются от последних большими габаритами
и поэтому обычно не применяются в групповом исполнении.
Степень очистки в группе циклонов принимается равной степени
очистки в одиночном циклоне, входящем в эту же группу, хотя
экспериментально это не доказано. Есть некоторые основания предполагать, что она
несколько ниже, чем в одиночном циклоне. При расчете в формулы (5.28)
и (5.29) в знаменатель добавляется количество циклонов N
Группа циклонов снабжается общим бункером для сбора пыли.
Диаметр пылевыпускного отверстия бункера принимается большим, чем угол
естественного отсоса пыли; обычно он составляет 55-60°. Пылевые
бункере циклонных групп могут иметь либо круглую, либо прямоугольную
форму. Для групп из двух или четырех циклонов применяют обе формы
бункеров, а для групп из шести или восьми циклонов только прямоугольные.
Необходимые объемы пылевых бункеров определяются их назначением.
Объем бункера, оборудованного устройствами для непрерывной выгрузки
пыли, может быть выбран меньшим, чем объем бункера, предназначенного
для накопления и периодической выгрузки пыли.
При уменьшении поступающего на очистку в групповой циклон газа
необходимо предусматривать возможность отключения части элементов
для обеспечения рекомендуемой скорости газа на входе в циклон.
При установке группы циклонов с одним общим бункером для пыли,
во избежание перетока газа из одного циклона в другой, элементы в
группе должны быть однотипными. Система подвода и отвода газа должна
обеспечивать равномерное его распределение между циклонами, входящими в
группу.
Не допускается установка шиберов и дросселей на входных патрубках
и выходных трубах групповых циклонов во избежание нарушения
равенства их гидравлического сопротивления.
Батарейные циклоны. Батарейный циклон представляет собой
пылеулавливающий аппарат, составленный из большого числа параллельно
включенных циклонных элементов, которые заключены в один корпус,
имеющий общий подвод 4 и отвод 6 газов, а также сборный бункер 1 (рис. 5.30).
Количество циклонных элементов может достигать нескольких сотен.
Так, батарейный циклон производительностью 65 000 м3/ч содержит 792
циклонных элемента.
В отличие от обычных циклонов, сообщение газовому потоку
вращательного движения, необходимого для выделения пыли, в элементах
батарейного циклона достигается не подводом к ним газов по касательной, а
установкой в каждом циклонном элементе направляющего аппарата.
Снижение диаметра циклонного элемента в этом случае преследует цель
увеличения эффективности очистки, которая несколько возрастает с
уменьшением диаметра. В результате размеры батарейного циклона (в плане)
169

Очищенный
газ
Запыленный
газ
* Пыль
Рис. 5.30. Батарейный циклон с аксиальной подачей и закруткой
газа с помощью направляющих аппаратов
меньше размеров обычных циклонов одинаковой производительности.
Однако в отличие от обычных циклонов батарейные циклоны более
сложны в изготовлении и соответственно дороже.
Обеспыливаемый газ через входной патрубок 4 поступает в
распределительную камеру, откуда выходит в кольцевые зазоры между корпусами 2 и
выхлопными трубами 3 циклонных элементов. В зазорах установлены
направляющие аппараты, закручивающие газовый поток таким образом, что
создающаяся центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам
корпусов элементов й пыль ссыпается через пылеотводящие отверстия в
сборный бункер 1. Очищенный газ через выхлопные трубы поступает в камеру 5.
Для крепления корпусов элементов и выхлопных труб служат
соответственно нижняя и верхняя трубные доски 7. Поступившая в бункер пыль
отводится в систему пылетранспорта.
Циклонный элемент состоит из корпуса, выхлопной трубы и
направляющего аппарата (рис. 5.31). Газ из распределительной камеры поступает в
170

Вход
запыленного
газа *""
В
7ZZZZZZZZZZZZZZt
R = 0,162)
Выброс
концен-
Выход
очищенного
* газа
трирован-
ной
аэросмеси
Рис. 5.31. Элементы батарейных циклонов:
а — с направляющим аппаратом типа «винт»; 5—с направляющим аппаратом типа «розетка»; в — с
направляющим аппаратом типа «розетка» с безударным входом; г — циклонный элемент прямоточного батарейного
циклона
элементы по оси. Лопатки направляющего аппарата сообщают газу
вращательное движение, и он направляется по нисходящей в сторону отверстия
для спуска пыли. Частицы пыли приобретают центробежное ускорение и
перемещаются в периферии вращающегося потока. В результате
концентрация пыли в верхних слоях газа, движущихся у стенок корпуса элемента,
возрастает, а в областях, расположенных ближе к оси элемента, снижается.
Частицы пыли, сконцентрировавшиеся на внутренней поверхности корпу-
171

са, движутся вместе с вращающимся потоком и поступают в сборный
бункер. При этом в бункер поступает также небольшая часть газов из
нисходящего вихря, которая у нормально работающего элемента полностью
всасывается через центральную часть отверстия для спуска пыли, давая начало
внутреннему восходящему вихрю чистого газа.
В качестве направляющего аппарата используются аппараты типа «винт»
и «розетка». Направляющий аппарат типа «винт» (см. рис. 5.31, а) состоит
из двух винтовых лопаток, наклоненных под углом а = 25°. Он менее
склонен к забиванию золой и пылью, имеет меньший коэффициент
гидравлического сопротивления, но одновременно обеспечивает и меньшую степень
очистки, чем аппарат типа «розетка». Последний состоит из восьми
лопаток, наклоненных под углом 25° или 30° и может быть с ударным (см. рис.
5.31, б) и безударным (см. рис. 5.31, в) входом. Угол наклона лопаток 25°
способствует более высокому коэффициенту очистки, но увеличивает
гидравлическое сопротивление по сравнению с сопротивлением, когда угол
наклона 30°.
Наиболее распространены циклонные элементы диаметром 100, 150 и
250 мм. Опыт эксплуатации батарейных циклонов с элементами разного
диаметра показывает, что аппараты, составленные из большого числа
циклонных элементов малого диаметра (100 и 150 мм), без отсоса газов из
пылевого бункера, работают недостаточно эффективно и надежно. Кроме того,
при использовании элементов малого диаметра увеличивается опасность
вредных перетоков газов между элементами. Поэтому чаще всего для
батарейных циклонов целесообразно применять элементы диаметром 250 мм.
Циклонные элементы делают литыми и устанавливают на нижней
опорной доске. Корпусы батарейных циклонов обычно изготавливают
сварными из листовой стали. Оптимальная скорость газов в элементе от
3,5 до 4,75 м/с, а для прямоточных циклонных элементов — от 11 до 13 м/с.
При сопоставлении технико-экономических показателей батарейных
и обычных циклонов следует учитывать следующее:
— степень очистки газов в батарейных циклонах несколько ниже той,
которую можно достичь в эквивалентных по диаметру обычных
циклонах (на 20-25%). Это объясняется перетоками газов из элементов с
большим сопротивлением в элементы с меньшим сопротивлением;
— большое число циклонных элементов, объединенных общим
бункером в одной секции батарейного циклона, требует равномерного
распределения очищаемых газов.
Промышленностью выпускаются батарейные циклоны конструкции
НИИОгаза типа ПС, конструкции ЦКТИ типов БЦ, БЦА, БЦТ, БЦУ,
ПБЦ, конструкции ВТИ и др. В маркировке циклонов приняты
следующие обозначения: первая цифра указывает количество секций, вторая —
количество элементов по глубине, количество элементов по ширине.
172

Основным отличием прямоточных батарейных циклонов, кроме наличия
соответствующего направляющего элемента (рис. 5.31, г), является разделение
газового потока на два: первый с большой концентрацией пыли отводится и
подвергается очистке в циклоне или другом пылеочистном аппарате, а второй,
очищенный, выбрасывается в окружающую среду (рис. 5.32).
Пылегазовый поток из камеры запыленного газа 4 поступает в
оборудованные винтовыми завихрителями элементы 5, в которых под
действием центробежных сил происходит перераспределение концентрации пыли
по сечению элемента: возрастание у стенок и уменьшение в центральной
Запыленный
газ
Пыль
Очищенный
газ
Рис. 5.32. Прямоточный батарейный циклон:
1 — коллектор очищенного газа; 2 — прямоточный циклонный элемент; 3, 7 — патрубки для входа
запыленного и вывода очищенного газа; 4— коллектор запыленного газа; 5 — направляющий аппарат;
6 — циклон
части. Обеспыленный поток из центральной части элемента отводится в
камеру очищенного газа 7. Периферийный слой газа, обогащенный
пылью, через торцевое кольцо элемента отсасывается вентилятором и,
пройдя пылеуловитель 6 (циклон), возвращается в камеру запыленных газов.
Батарейные циклоны с прямоточными элементами дают меньшую степень
очистки, чем обычные, поэтому они редко применяются как
самостоятельные пылеуловители. Их чаще устанавливают в качестве предвключенных
аппаратов перед высокоэффективными пылеуловителями —
электрофильтрами или рукавными фильтрами.
Выбор и расчет батарейных циклонов.
При расчете батарейных циклонов первоначально определяют не
диаметр циклона, а необходимое, исходя из объемной скорости газа,
количество циклонных элементов.
После того как выбран тип батарейного циклона и тип циклонного
элемента, последовательность расчета следующая:
173

1. Определяют расход газов, м3/с, при котором обеспечиваются
оптимальные условия работы циклонного элемента:
qont=0J$5D\m, (5.39)
где vonT — оптимальная скорость потока в элементе, м/с (табл. 5.20); D —
внутренний диаметр циклонного элемента, м (табл. 5.19).
Примечание: Данные, относящиеся к циклонным элементам типа
«розетка» и «винт», соответствуют следующим условиям их работы: средняя
скорость газового потока в элементе vT = 4,5 м/с; динамическая вязкость
\хт = 23,7- Ю-6 Пас; плотность частицы рчт =2200 кг/м3.
2. Рассчитывают число циклонных элементов, необходимых для
оптимальных условий работы батарейного циклона:
Q
"опт
где Q — общий расход газа, м3/ с.
3. По табл. 5.20 подбирают батарейный циклон с ближайшим к попт
числом циклонных элементов п. Число элементов выбранного батарейного
циклона п желательно выбирать таким, чтобы оно отличалось от яопт не
более чем на 10%.
Далее определяют действительную скорость потока в элементе v, м/с:
v = -
Q
0,785 nD2
4. Рассчитывают потери давления в батарейном циклоне, Па:
(5.41)
АР = ^^-, (5.42)
где £ — коэффициент гидравлического сопротивления батарейных
циклонов (табл. 5.20); рг — плотность газа, кг/м3.
5. Определяют коэффициенты очистки газа в элементе
возвратно-поточного батарейного циклона, пользуясь схемой расчета, приведенной для
обычных циклонов. Необходимые для этого значения d]0 и lg ал приведены в
табл. 5.19. При условии равномерного распределения очищаемого газа общая
эффективность будет равна эффективности очистки в одном элементе.
Вихревые пылеуловители. Основным отличием вихревых
пылеуловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего
газового потока. На рис. 5.33 показаны две основные разновидности
вихревых пылеуловителей.
В вихревом аппарате соплового типа (рис. 5.33, а) запыленный газовый
поток закручивается лопаточным завихрителем и двигается вверх,
подвергаясь при этом воздействию из тангенциально расположенных сопел 3 струй
вторичного газа (воздуха). Под действием центробежных сил взвешенные в
174

Таблица 5.19
Параметры, определяющие эффективность батарейных циклонов
Параметры
d*Q, мкм
teCTn
Тип циклонного элемента
«розетка»
а = 25°,/) = 250мм
3,85
0,46
«розетка»
а = 30°,/) = 250 мм
5,0
0,46
«винт»
а = 25°,2) = 250мм
4,5
0,46
Таблица 5.20
Технические характеристики батарейных циклонов
Тип
циклона
ЦБ-254Р
ЦБ-231У
ЦБ-2
ПБЦ
Число элементов
в секции л
25; 30; 40; 50;
60; 80
12; 16; 20; 25;
30; 42; 56;63
20; 25; 30; 36;
42; 56
24; 36; 48; 96
Оптимальная скорость
газа в элементе <оовт, м/с
4,5
4,5
4,5
3,5
Расход газа в
одной секции,
MJ/C
5,6-16,2
2,2-11,7
4,84-13,6
4,2-16,7
Коэффициент
гидравлического
сопротивления |
90
ПО
70
150
потоке частицы отбрасываются в периферию, а оттуда — в возбуждаемый
струями спиральный поток вторичного газа, направляющий их вниз в
кольцевое межтрубное пространство. Вторичный газ в ходе спирального
обтекания потока очищаемого газа постепенно полностью проникает в него.
Кольцевое пространство вокруг входного патрубка оснащено подпорной шайбой
6, обеспечивающей безвозвратный спуск пыли в бункер 7.
Наилучшие результаты по эффективности улавливания достигаются
при установке сопел, распыливающих вторичный газ, не менее чем в
четыре ряда под углом 30°. В качестве оптимальной рекомендуется
установка лопаток завихрителя под углом 30-40° при отношении диаметра
заверителя к диаметру аппарата 0,8-0,9.
Вихревой пылеуловитель лопастного типа (рис. 5.33, б)
характеризуется тем, что вторичный газ отбирается с периферии очищенного газа и
подается кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопастями 8.
В качестве вторичного газа в вихревых пылеуловителях могут быть
использованы атмосферный воздух, периферийная часть потока очищенных
газов и запыленные газы (рис. 5.34).
Первый вариант целесообразен, если очистке подвергается горячий газ,
который необходимо охладить. С экономической точки зрения этот
вариант является наихудшим. Наиболее выгодным в экономическом
отношении является использование в качестве вторичного газа запыленный газ,
175

Вторичный
ц воздух
Газы
Отбор
вторичного
воздуха
Вторичный
воздух
Газы
а б
Рис. 5.33. Конструкции вихревых пылеуловителей:
а — соплового типа; б — лопаточного типа; / — камера; 2 — выходной патрубок;
3 — сопла; 4 — лопаточный завихритель типа «розетка»; 5 — входной патрубок;
6 — подпорная шайба; 7 — пылевой бункер; 8 — кольцевой лопаточный
завихритель
}г,+к2 \vx
rr ^ Ki+K2
а б в
Рис. 5.34. Варианты подвода вторичного газа к вихревым пылеуловителям:
а — подвод внешнего газа; б — подвод очищенных газов; в — подвод запыленных газов

так как он позволяет повысить производительность установки на 40-65% с
сохранением эффективности очистки.
Подобно циклонам вихревые пылеуловители могут компоноваться в
группы. Это делается с целью увеличения эффективности
пылеулавливания, за счет уменьшения диаметра аппаратов.
Производительность вихревого пылеуловителя по газу может
меняться от 0,5 до 1,15 по отношению к номинальной. Это объясняется
решающим влиянием на эффективность очистки параметров вторичного газа,
оптимальный расход которого, по разным данным, должен составлять от
30 до 50% от первичного.
По сравнению с противоточными циклонами вихревые
пылеуловители имеют следующие преимущества: более высокую степень очистки от
высокодисперсной пыли; отсутствие абразивного износа активных частей
аппарата; возможность обеспыливания газов с более высокой
температурой за счет использования вторичного воздуха; возможность
регулирования процесса сепарации пыли за счет регулирования расхода вторичного
воздуха.
К недостаткам вихревых пылеуловителей можно отнести: необходимость
дополнительного вентилятора; увеличение за счет вторичного газа общего
объема газов, проходящих через аппарат; сложную эксплуатацию аппарата.
Вихревые пылеуловители могут применяться для очистки
вентиляционных и технологических выбросов от мелкодисперсной пыли в
химической, нефтехимической, пищевой, горнорудной и других отраслях
промышленности. За рубежом вихревые пылеуловители выпускаются
производительностью от 330 до 30 000 м3/ч. В отечественных
конструкциях обеспечивается более низкое гидравлическое сопротивление и
более низкая доля вторичного воздуха по сравнению с зарубежными
аппаратами.
Для ориентировочной оценки эффективности улавливания частиц
различного диаметра можно воспользоваться приведенными ниже данными:
Размер частиц, мкм 2,5 5,0 10,0
Степень очистки,% 92 95 98
В различных источниках публикуются данные об использовании
вихревых пылеуловителей в химической промышленности:
Пыль или пылевидный Медианный диаметр Эффективность
материал частиц, мкм пылеулавливания
Целлюлоза 6 96,5
Синтетический порошок 4 98,0
Стиральный порошок 10 98,0
Эпоксидная смола 22 98,0
Карбонат кальция 11 98,0
Полиакрилнитрил 32 98,0
12-4543
177

Рис. 5.35. Ротационный пылеуловитель первой группы
Учитывая, что методы инженерного расчета для вихревых
пылеуловителей пока еще не разработаны, рекомендуется при расчете этих аппаратов
использовать методы теории подобия.
Динамические пылеуловители. В динамических (ротационных)
пылеуловителях, кроме центробежных сил, на пылевые частицы оказывает
воздействие сила Кориолиса. Основная особенность динамических
пылеуловителей — совмещение функций побудителя движения воздуха и
пылеуловителя. Благодаря этому аппарат более компактен и потребляет
меньше энергии, чем вентилятор и пылеулавливающее устройство.
Простейшие пылеуловители ротационного действия представляют
собой механизм, состоящий из рабочего колеса и кожуха (пылеприемника).
Пылегазовый поток приводится во вращательное движение рабочим
колесом, при этом под действием развивающихся сил (центробежной и
Кориолиса) из очищаемого газа выделяется пыль.
Эксплуатационный опыт показывает, что динамические
пылеуловители обеспечивают высокую степень очистки при улавливании частиц
размером более 10 мкм.
Существующие конструкции ротационных пылеуловителей
подразделяют на две группы.
В аппаратах первой группы (наиболее многочисленной) отделяемые
частицы имеют направление движения, совпадающее с направлением газа (рис.
5.35). Очищаемый газ 4через приемный патрубок 5 поступает в центральную
часть колеса 2, вращающегося в спиралеобразном кожухе 3. Под действием
178

центробежных и кориолисовых сил частицы пыли
отбрасываются к стенкам кожуха и отводятся в пы-
лесборник 6, 3l очищенный газ выводится из
пылеуловителя через патрубок чистого газа 1.
Процесс отделения пыли для ротационных
пылеуловителей этой группы в большей степени
зависит от угла наклона лопастей вентилятора.
В аппаратах второй группы (рис. 5.36)
улавливаемые частицы выделяются из потока в
направлении, противоположном движению газа.
Очищаемый газ с помощью центробежного
колеса 2, размещенного в кожухе 3, всасывается
во вращающийся барабан /через отверстия,
расположенные на его боковой поверхности. В
пограничном слое частота вращения пылегазового
потока достигает окружной частоты вращения
барабана, благодаря этому частицы пыли,
преодолевая силы аэродинамического сопротивления газа, отбрасываются от
поверхности барабана в радиальном направлении.
Наибольшее распространение в отечественной промышленности
получил дымосос-пылеуловитель ДП (рис. 5.37).
Рис. 5.36. Схема
ротационного пылеуловителя второй
группы
Рис. 5.37. Дымосос-пылеуловитель
179

Работа дымососа-пылеуловителя основана наследующем принципе. За
счет разности давлений, создаваемых рабочим колесом 2 на валу 7,
запыленный поток поступает в улитку 5 и приобретает криволинейное
движение. Под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются к
периферии и вместе с небольшим количеством газов (8-10%) отводятся
для окончательного отделения через патрубок 9 в выносной
малогабаритный циклон 8, соединенный с улиткой газоходами. Разгрузка циклона
производится через спускной стояк с затвором-мигалкой 10. Очищенный
газовый поток из циклона возвращается в центральную часть улитки. Аэрозоль
протягивается через циклон под действием перепада давлений между
центром улитки и ее периферией, которая повышается за счет работы
вспомогательной крыльчатки 6. Из центральной зоны улитки очищенные газы
через направляющий аппарат 4 поступают в рабочее колесо дымососа, а затем
через кожух выбрасываются в дымовую трубу 11.
В настоящее время промышленностью серийно выпускаются дымососы-
пылеуловители ДП-8; ДП-10; ДП-12; ДП-13,5 (число обозначает диаметр
рабочего колеса, дм) производительностью от 8000 до 55 000 м3/ч.
Эффективность улавливания частиц пыли диаметром 15-20 мкм составляет 80-90%.
Полное давление, развиваемое аппаратом, составляет 1400-4700 Па.
Дымососы-пылеуловители применяются для очистки дымовых газов
малых котельных, в литейных производствах для очистки аспирационных
выбросов и на асфальтобетонных заводах для очистки газов сушильных
барабанов.
Ротационные пылеуловители компактны, надежны в работе, не
требуют дополнительных побудителей газа. К их недостаткам следует отнести
сравнительно невысокую степень очистки (80-90%), опасность
абразивного износа лопаток дымососа, возможность образования отложений на
лопатках и, как следствие, дисбаланс ротора и сложность в изготовлении.
Инженерные методы расчета динамических пылеуловителей не
разработаны; имеются лишь результаты исследований некоторых конструкций
этих пылеуловителей.
5.3. ФИЛЬТРЫ
Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным
пылеулавливающим устройствам.
Преимущества фильтров:
— более высокая степень очистки газов от взвешенных частиц, чем в
газоочистных аппаратах других типов (фильтры обеспечивают
практически полное улавливание частиц всех размеров, включая
субмикронные);
180

— возможность улавливания частиц при любом давлении газов;
— высокая степень очистки при любых концентрациях взвешенных
частиц в газах;
— возможность очистки газов, нагретых до высокой температуры;
— использование химически стойких материалов;
— возможность полной автоматизации процесса очистки газов;
— стабильность процесса очистки и меньшая зависимость от
изменения физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода
газов, чем при использовании других способов;
— простота эксплуатации.
Недостатки:
— необходимость периодической замены некоторых фильтрующих
перегородок;
— сравнительно высокий расход энергии при использовании
отдельных видов пористых фильтров;
— громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом
объемном расходе очищаемых газов);
— относительная сложность эксплуатации.
Применяемые в современных аппаратах фильтрующие пористые
перегородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве
своем они состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые
условно могут быть разделены на следующие типы.
Гибкие пористые перегородки: тканевые материалы из природных,
синтетических и минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы
(войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон,
волокнистые маты); ячеистые (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные
фильтры).
Полужесткие пористые перегородки: слои волокон, стружка, вязаные
сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними.
Жесткие пористые перегородки: пористая керамика и пластмасса,
спеченные или спрессованные порошки металлов (металлокерамика),
пористые стекла, угле графитовые материалы и др.; волокнистые материалы —
сформированные слои из стеклянных и металлических волокон;
металлические сетки и перфорированные листы.
Зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные материалы;
периодически или непрерывно перемещающиеся материалы.
В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки
современные фильтры условно разделяются на три класса.
Воздушные фильтры предназначены для обеспыливания
атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции; кондиционирования и
воздушного отопления производственных, служебных и общественных
зданий; подачи воздуха на технологические нужды; подстанций агрегатов
181

питания электрофильтров. Разработано много конструкций и
фильтрующих элементов, классификация которых приведена в табл. 5.21.
Таблица 5.21
Классификация воздушных фильтров
Класс фильтра
III
II
I
Размер улавливаемых частиц, мкм
10
1
1
Эффективность очистки, %, не менее
60
85
99
Абсолютные фильтры предназначены для улавливания с очень высокой
эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из
промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее
1 мг/м3). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных
веществ, а также для ультратонкой очистки при проведении некоторых
технологических процессов или в особо чистых помещениях, где воздух
служит рабочей средой.
Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных
газов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м3).
Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся в
фильтрующей перегородке пыли, фильтры этого класса имеют устройство
для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на
заданном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры
этого класса нередко являются составной частью технологического
оборудования.
Абсолютные фильтры. К абсолютным фильтрам (высокоэффективным
фильтрам, или фильтрам тонкой очистки) относятся в основном
волокнистые фильтры, представляющие собой слои различной толщины, в которых
более или менее однородно распределены волокна (набивные маты из
бумаги, картона и др.). Для фильтров используют естественные или
специально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси.
Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра
(бумага) до двух метров (многослойные, глубокие насадочные фильтры
долговременного пользования).
Волокнистые фильтры могут быть подразделены на
тонковолокнистые, глубокие и грубоволокнистые фильтры.
Тонковолокнистые фильтры. Тонковолокнистые фильтры служат для
улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц
размером 0,05-0,1 мкм с эффективностью не менее 99%. Чаще всего применяют
фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из
тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм). Скорость
фильтрации составляет 0,01-0,15м/с, сопротивление чистых фильтров обычно не
182

превышает 200-300 Па, а забитых пылью фильтров — 700-1500 Па.
Улавливание пыли происходит в основном за счет броуновской диффузии и
эффекта касания, поэтому очень важно использовать волокна диаметром 0,1-
1 мкм. Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в большинстве
случаев нерентабельна или невозможна, что является их главным
недостатком. Тонковолокнистые фильтры предназначены для длительной работы
(в течение 0,5—3 лет) с последующей заменой фильтра на новый.
В качестве тонковолокнистых сред наибольшее распространение
получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из
полимерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон
диаметром 1-2,5 мкм, нанесенные в процессе получения на марлевую подложку,
или основу из скрепленных между собой более толстых волокон.
Материалы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами. Малая
толщина слоев ФП (0,2— 1 мм) дает возможность получать поверхность
фильтрации до 100-150 м2 в расчете на 1 м3 аппарата.
Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать
следующим требованиям: наибольшей поверхностью фильтрации при
меньших габаритах; минимальному сопротивлению; возможности более
удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой
сборки отдельных фильтров. Этим требованиям в наибольшей степени
соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной
конструкции (рис. 5.38). Фильтрующий материал в виде ленты укладывается
между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета
открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между
соседними слоями материала устанавливаются гофрированные
разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. Рамки,
разделители, боковые стенки корпуса могут быть из различного материала: фанеры,
винипласта, алюминия, нержавеющей стали. Загрязненные газы поступа-
2 3 Газы
Рис. 5.38. Рамный фильтр тонкой очистки:
/ — П-образная планка; 2 — боковая стенка; 3 — разделители; 4 — фильтрующий материал
183

ют в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят
с противоположной стороны.
Глубокие фильтры. Глубокие фильтры лишены основного недостатка
тонковолокнистых фильтров — короткого срока непрерывной работы. Они
представляют собой многослойный фильтр общей высотой 0,3-2,0 м.
Диаметр волокон 8—19 мкм. Скорость фильтрации составляет 1 м/с. Первый
слой фильтра на пути движения очищаемой среды состоит из грубых
волокон, последний — из тонких. Основная сфера применения — очистка
вентиляционных и технологических газов от радиоактивных частиц, а
также в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков,
витаминов и других медицинских аппаратов.
Глубокие фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10-
20 лет, что подтверждено практикой их эксплуатации. При очистке от
радиоактивных веществ фильтры по истечении всего срока службы
захоранивают на месте путем цементирования. При очистке от бактерий глубокие
фильтры стерилизуют острым паром в течение 4 ч, а затем подсушивают
путем продувки в течение суток.
Грубоволокнистые фильтры. Основная задача грубоволокнистых
фильтров — снижение начальной концентрации аэрозоля при
высокоэффективной очистке. Они имеют высокую пылеемкость и значительно дешевле
(почти в 10 раз) тонковолокнистых фильтров. В связи с этим их можно легко
заменять или регенерировать.
Оптимальный состав грубоволокнистого фильтра — смесь волокон
диаметром 1-20 мкм, причем до 50% волокон должны иметь размеры до 4 мкм.
При скорости фильтрации 0,05-0,1 м/с материал должен почти полностью
улавливать частицы крупнее 1 мкм. После частичного забивания пылью
фильтр становится эффективным для частиц субмикронного размера.
Срок службы грубоволокнистого фильтра до смены или регенерации
определяется его пылеемкостью, которая в свою очередь зависит от допустимого
гидравлического сопротивления аппарата. Установлено, что при
гидравлическом сопротивлении 0,3-0,5 кПа дальнейшая эксплуатация фильтра
нецелесообразна. Обычно при входной концентрации от 0,5-1 мг/м3 смену
грубоволокнистых фильтров производят 4-6 раз в год.
На рис. 5.39 представлен фильтр предварительной очистки марки ДСВ.
В качестве набивки используется грубое лавсановое волокно диаметром
от 15 до 25 мкм; плотность набивки 15-25 кг/м3; толщина слоя — 0,1 м.
Мокрые фильтры-туманоуловители. Для улавливания жидких
аэрозольных частиц широко применяются волокнистые и сеточные
фильтры-туманоуловители, принцип действия которых основан на захвате жидких
частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с
непрерывным выводом из него уловленной жидкости. Материалами
волокон могут быть стекло, синтетика и металлы.
184

Рис. 5.39. Фильтр
предварительной очистки с лавсановой
насадкой: Газы
/ — разделительная перегородка; 2 —
фильтрующий материал; 3 — сетка;
4 — кожух деревянный
12 3 4
Отличительной особенностью волокнистых фильтров-туманоуловите-
лей являются коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с
поверхностью волокон и образование на них пленки жидкости,
удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель,
перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы
тяжести. При этом обычно не требуется никаких механических воздействий
на фильтрующие слои, т. е. фильтры работают с постоянным
сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации (самоочищения).
Выгодно отличаясь по всем параметрам от других устройств для
улавливания жидких частиц, волокнистые фильтры обладают существенным
недостатком: возможностью зарастания при наличии в тумане
значительного количества твердых частиц и образования в слое нерастворимых
отложений - солей (CaS04, CaC03, CaF2, CaS03, и др.).
Несмотря на указанные недостатки, эти аппараты характеризуются
высокой степенью очистки, надежностью в работе, простотой конструкции,
монтажа и обслуживания, а главное — возможностью обеспечения
очистки тонкодисперсных туманов до любой остаточной концентрации.
Поэтому в ряде случаев туманоуловители являются незаменимыми, а иногда
единственными аппаратами для тонкой очистки газов от туманов в
технологических процессах получения серы и термической фосфорной
кислоты, концентрирования различных кислот и солей упаркой, производства
хлор-газа, испарения масел и других органических жидкостей.
В соответствии с основным механизмом осаждения частиц в фильтре
туманоуловители разделяют на низкоскоростные, работающие в режиме
осаждения за счет диффузии, касания и использующие тонкие волокна, и
185

высокоскоростные, т. е. инерционные фильтры, как правило, на основе
грубых волокон и объемных сеток, а также двухступенчатые.
Низкоскоростные фильтры-туманоуловители. Низкоскоростные филь-
тры-туманоуловители (vr < 0,2 м/с) снаряжаются волокнами диаметром 5—
20 мкм (меньшие не используются из-за низкой скорости вывода
жидкости, быстрого зарастания твердыми примесями) и предназначены для
улавливания субмикронных частиц за счет диффузии и эффекта
зацепления; эффективность их увеличивается с уменьшением скорости
фильтрации, размера частиц и диаметра волокон.
Для снаряжения низкоскоростных фильтров оптимальной является
смесь волокон с определенным соотношением грубых и тонких. Грубые
упругие волокна обеспечивают равномерное объемное распределение
более тонких, увеличивают скорость вывода жидкости из слоя, придают слою
механическую прочность и стабильность, обеспечивая возможность
работы более тонким волокнам по всей глубине слоя. Обычно применяются
слои смеси волокон диаметром от 5 до 30 мкм с плотностью упаковки 100—
200 кг/м3 и толщиной 0,05 м. Характерная конструкция фильтрующего
элемента приведена на рис. 5.40. Элемент состоит из двух соосно
расположенных цилиндрических элементов сеток из проволоки диаметром 3,2 мм,
приваренных к дну и входному патрубку-фланцу. Пространство между
сетками заполнено стекловолокном. Дно элемента оборудовано трубкой,
гидрозатвором, погруженным в стакан, из
которого жидкость перетекает в корпус.
В зависимости от производительности
установок в одном корпусе может
монтироваться от 5 до 100 элементов. Габариты
наиболее распространенных элементов:
диаметр 450 мм, высота 2,4 м. Особое
внимание при проектировании аппаратов
уделяется выбору конструкционных
материалов (пластик, нержавеющая сталь). При
температурах выше 50 °С применяют
легированные молибденистые стали. Для
изготовления волокон используют стекла
специальных составов, лавсан, полипропилен
и другие полимеры. Толщина слоя
составляет от 5 до 15 см, скорость фильтрации —
Рис. 5.40. Цилиндрический фильтрующий
элемент:
/ — опорная трубчатая перегородка; 2 — уплотняющий
патрубок-фланец; 3 — шпилька; 4 — прокладка; 5 — сетки;
6 — стекловолокнистый слой; 7 — дно; 8 — трубка
гидрозатвора; 9 — стакан
186

Рис. 5.41. Элемент высокоскоростного
фильтра:
/ — короб с фланцев; 2— стеклянное волокно;
3— решетка
5-20 см/с. Аэродинамическое
сопротивление сухих фильтров
составляет 200-1000 Па, а в
режиме самоочищения — от 1200
до 2500 Па. Максимально
допустимая температура для
фильтров из стеклянного волокна —
400 °С.
Высокоскоростные филыпры-
туманоуловители.
Высокоскоростные фильтры-туманоуловители
(уг > 0,5-ь1,2 м/с) со слоем грубых
волокон диаметром 20-100 мкм,
служащие для выделения из газа
частиц крупнее 1 мкм за счет
механизма инерционного
осаждения, эффективность которого
возрастает с увеличением размера
частиц и скорости фильтрации до
определенной (критической) величины (обычно 2,5 м/с), при которой
начинается вторичный брызгоунос уловленной жидкости из слоя в виде
крупных капель.
Высокоскоростные тумано-брызгоуловители фирмы Monsanto
выполняются в виде плоских элементов (рис. 5.41), в которых волокно 2
уложено между двумя плоскими параллельными решетками 3. В установках
большой производительности они вмонтированы в многогранный опорный
каркас, имеющий снизу подцон конической формы, в который стекает
условленная жидкость. Эффективность улавливания частиц размером
менее 3 мкм составляет 90-98% при Ар= 1500-5-2000 Па. Снижение
проектной скорости фильтрации в этих фильтрах более чем на 20-30%
сопровождается резким падением эффективности очистки.
Такие фильтры нашли широкое применение во многих отраслях
промышленности, в частности, при производстве серной кислоты, аммиака,
метанола, этилена, переработке пластмасс.
Для улавливания жидких частиц при высоких скоростях наиболее
благоприятным способом формирования волокнистых слоев является
иглопробивной, так как при этом волокна сцепляются не только в плоскости
слоя, но и переплетаются между отдельными слоями. При этом
образуется объемная однородная структура, очень устойчивая к механическим
воздействиям, упругая и стабильная в мокром состоянии. Наиболее
подходящим материалом являются полипропиленовые волокна, обладающие
универсальной химической стойкостью.
187

На рис. 5.42 показан фильтр, снаряжаемый полипропиленовыми и
лавсановыми иглопробивными материалами. Цилиндрический фильтрующий
элемент установлен в слой уловленной кислоты, находящейся в
пространстве, образованном входящим внутрь элемента с патрубком и стенками
корпуса фильтра. Фильтрующий элемент представляет собой
перфорированный и решетчатый барабан с глухой крышкой. Соосно с ним
установлен брызгоулавливающий элемент, имеющий больший диаметр. На
решетчатом цилиндре крепится пакет из винипластовых сеток или складчатый
грубоволокнистый войлок толщиной 3-5 мм.
Грубоволокнистые фильтры с периодической и непрерывной
промывкой применяются для очистки тумана и брызг растворов кислот, солей и
щелочей при проведении операций травления металлических изделий и
гальванопокрытий. На рис. 5.43 представлен фильтр ФВГ-Т,
предназначен
роооо.
ooooq
~~>ood
fooo |
>ooq
ood
о о о о
~~ Qaci
AWVWNVyl
Газы
Туман
Рис. 5.42. Волокнистый туманоуловитель:
/ — фильтрующий элемент; 2 — фильтрующий
материал; 3 — брызгоуловитель; 4 —
предварительный каплеуловитель
Рис. 5.43. Волокнистый
фильтр ФВГ-Т:
/ — корпус; 2 — кассета с
фильтрующим материалом; 3—люк для
промывки; 4 — люк для смены кассеты;
5— форсунка для промывки шлангом
Загрязненный
газ^
Раствор
188

ченный для очистки аспирационного воздуха от частиц хромовой и серной
кислоты. Внутри корпуса фильтра размещена кассета с фильтрующим
материалом, наложенным на каркас и прижатым решеткой (из пруткового
материала). Кассета изготовлена в виде вертикально расположенных
складок. Установка и смена кассет осуществляется через монтажный люк. Фильтр
работает в режиме накопления уловленного продукта на поверхности
фильтрующего материала с частичным стоком жидкости. При достижении
перепада давления 500 Па фильтр подвергается периодической промывке
(обычно 1 раз в течение 15—20 суток) с помощью переносной форсунки, вводимой
через промывочные люки.
Промышленность выпускает пять типоразмеров подобных фильтров
производительностью от 5000 до 80 000 м3/ч. При скорости фильтрации
3-3,5 м/с эффективность очистки составляет 96%. Фильтрующий
материал — иглопробивное волокно марки Т-2. Кассеты с таким же
фильтрующим материалом могут располагаться непосредственно в бортовых
отсосах ванн.
Двухступенчатые филътры-туманоуловители. Разработаны два
основных типа двухступенчатых волокнистых туманоуловителей,
различающихся между собой функциями, которые выполняются ступенями. В одном
типе установок, в первом по ходу газа фильтре, улавливаются крупные
частицы и несколько снижается концентрация тумана. Кроме того,
задерживаются твердые взвешенные частицы, загрязняющие туман. Во втором
фильтре (обычно низкоскоростном) осуществляется тонкая очистка тумана
от высокодисперсных частиц, не уловленных на первой ступени.
В другом типе установок на первой ступени используется
тонковолокнистый слой. На его тыльной поверхности при скорости газа, равной или
больше критической, образуются многочисленные пузырьки, при разрыве
которых формируются мелкие капли, уносимые газовым потоком.
Вторичные капельки значительно крупнее, в связи с чем первая ступень
является агломератом — укрупнителем частиц всех размеров. На второй
ступени используется фильтр-брызгоуловитель. Конструктивно обе ступени
фильтра размещаются в едином корпусе.
Сеточные тумано-брызгоуловители. Для очистки грубодисперсных
туманов (размер частиц жидкости более 5 мкм) и улавливания брызг
применяются каплеуловители, состоящие из пакетов вязаных металлических
сеток, которые при высокой нагрузке по улавливаемой жидкости и большой
скорости потока устойчиво сохраняют форму и размеры ячеек. Сетки
трикотажного переплетения изготавливаются из проволоки диаметром 0,2—
0,3 мм, материалом для них служат легированные стали (мягкие сорта),
монель-металл, сплавы на основе титана или других
коррозионно-стойких металлов, а также фторопластовое и полипропиленовое моноволокно
(леска). Размеры ячеек от 5 до 13 мм.
189

Сетки гофрируют и укладывают в
пакеты толщиной 100—200 мм. Для
аппаратов диаметром менее 2 м сетки
свертывают в цилиндрические
сплошные элементы. Для аппаратов
большего диаметра пакеты изготавливают
стандартного размера и формы, что
позволяет вести монтаж их через люки
и легко удалять для очистки (рис. 5.44).
Для работы в различных условиях
используют пакеты различной
плотности — от 112 до 180 кг/м3. Сеточные
брызгоуловители устанавливаются как
внутри технологических аппаратов,
Рис. 5.44. Сеточный брызгоуловитель для так И В отдельном корпусе.
аппаратов большого диаметра: Для повышения эффективности
1 - опорное кольцо из уголка; 2-дополнитель- улаВЛИВаНИЯ Тумана ПредуСМатрИВа-
ная опора; 3 - фильтрующий материал ются дае ступени сет0ЧНЫХ СепараТО-
ров. На нижней ступени устанавливают пакеты с более мелкими ячейками
и повышенной плотностью (до 224 кг/м3), которые действуют как укруп-
нители капель; пакеты второй ступени имеют низкую плотность (96—112
кг/м3). Различная плотность упаковки достигается применением сеток с
различной высотой гофр и величиной ячеек в сетках. В нижнем пакете
поддерживается режим затопления. При этом улучшается промывка пара или
газа, увеличиваются скорость движения капель и их инерционный захват
расположенными выше сетками пакета. Практически установлено, что
эффективность улавливания тумана на смоченных сетках более высокая, чем
на сухих. Расстояние между ступенями обычно составляет около 3/4
диаметра колонны.
Допустимая скорость движения газа составляет 0,9—6 м/с. Следует
отметить, что высокая эффективность сепарации сеточных каплеуловите-
лей сохраняется в диапазоне изменения скорости движения газов от 30 до
110% оптимальных значений; при этом максимальная концентрация
жидкой фазы в парах (газах) не должна превышать 100-120 г/м3.
Гидравлическое сопротивление смоченных сеток при исходной концентрации
жидкости менее 5 г/м3 в 1,5—2 раза выше, чем сопротивление сухих сепараторов.
При расчетах фильтров-туманоуловителей, как правило,
эффективность принимается в соответствии с данными паспортов на уловители.
Естественно, что параметры газового потока должны минимально
отличаться от тех, при которых определялись паспортные данные. Однако в
некоторых источниках приводится порядок расчета туманоуловителя.
Например, эффективность очистки от капель в сетчатом пакете может
быть рассчитана по формуле
190

Л =1-1-0,2-
HS
^
N
(5.43)
где Я—толщина пакета, м; N— число сеток в пакете; S — удельная
поверхность проволоки в пакете сеток, м2/м3; г\'— эффективность очистки воздуха
капель определенного размера (фракционная очистка) одной сеткой.
Толщина пакета сеток выбирается в пределах 100-200 мм, а удельная
поверхность проволоки в пакете сеток вычисляется по формуле
S„ =4
1-П
(5.44)
где П — пористость пакета сеток, выбираемая в пределах 0,85^-0,95; dn —
диаметра проволоки сетки, м (обычно dn = 100+200 мкм).
Значение г|' определяется графически (рис. 5.45).
При определении критерия Стокса (см. § 4.1) скорость фильтрации
рассчитывается по формуле
vr =0,107
Р«-Рг
Рг
(5.45)
Задаваясь различными значениями
размера капель, окончательно
определяем эффективность очистки по формуле
(5.3).
В качестве туманоуловителей могут
использоваться также и мокрые
газоочистители и электрофильтры.
Сравнительная характеристика туманоуловителей
приведена в табл. 5.22.
Рис. 5.45. Зависимость фракционной
эффективности очистки тумана от
критерия Стокса
Таблица 5.22
Сравнительная характеристика туманоуловителей
Тип аппарата
Электрофильтры
Скрубберы Вентури
Волокнистые фильтры:
низкоскоростные
высокоскоростные
Сетчатые пакеты
Скорость газа в
активной зоне,
м/с
0,3-1,5
50-150
0,01-0,1
1-10
2,5-4,5
Эффективность очистки, %, от
частиц размером, мкм
До1
75-95
90-97
92-99
50-85
20-40
1-3
90-99
95-100
96-100
85-97
70-90
3-10
98-100
98-100
100
95-100
90-98
Гидравлическое
сопротивление,
кПа
0,1-0,3
5-20
0,5-5
1,5-8
0,2-1,0
191

Тканевые фильтры. Фильтрация запыленных промышленных газов и ас-
пирационного воздуха в тканевых фильтрах является радикальным
техническим решением для достижения эффективного пылеулавливания при
относительно умеренных капитальных и эксплуатационных затратах.
Возросшие требования очистки газов выявили тенденцию к увеличению
доли применяемых тканевых фильтров перед аппаратами мокрой очистки
газов и электрофильтрами.
Тканевые фильтры различаются по следующим признакам:
— по форме фильтровальных элементов (рукавные, плоские,
клиновые и др.) и наличию в них опорных устройств (каркасные, рамные);
— по виду используемой ткани;
— по способу регенерации ткани;
— по наличию и форме корпуса для размещения ткани —
прямоугольные, цилиндрические, открытые (бескамерные);
— по числу секций в установке (однокамерные и многосекционные);
— по месту расположения вентилятора относительно фильтра
(всасывающие, работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под
давлением).
Чаще всего тканевые фильтры содержат гибкую фильтровальную
перегородку, имеющую форму гибких цилиндрических рукавов (рис. 5.46),
закрепленных на трубных перегородках в корпусе, оборудованном
устройствами для удаления уловленного материала с рукавов и выгрузки его из
бункеров. Тканевые фильтры способны улавливать частицы размером от
нескольких сотен микрон до субмикронных, что обеспечивается главным
образом осажденным пылевым слоем на поверхности фильтра.
Виды фильтровальных тканей. Эффективность очистки в основном
зависит от вида фильтровальной ткани, из которой изготовлены рукава. К
тканям, используемым в качестве фильтрующих материалов, предъявляются
следующие требования:
1) высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать
после регенерации такое количество пыли, которое достаточно для
обеспечения высокой эффективности очистки газов от тонкодисперсных частиц;
2) сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в
равновесно запыленном состоянии;
3) высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при
многократных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной
температуре и агрессивном воздействии химических примесей,
находящихся в сухих и насыщенных влагой газах;
4) способность к легкому удалению накопленной пыли;
5) низкая стоимость.
Применяемые материалы удовлетворяют не всем перечисленным
требованиям, поэтому каждый материал используется в определенных,
наиболее благоприятных для него условиях.
192

Рис. 5.46. Рукавные фильтры типа ФРКИ и ФРКДИ:
а — фильтр ФРКИ: / — корпус; 2 — бункер; 3 — рукава; 4 — коллектор сжатого воздуха; 5 — клапанное
устройство; 6 — раздающий коллектор; 7 — крышка; 8 — диффузор-сопло; / — газ; // — пыль;
б — фильтр ФРКДИ: / — корпус; 2 — бункер; 3 — шнек; 4 — коллектор чистого газа; 5 — рукав;
б—диффузор; 7— раздающий коллектор; 8— заслонка; 9— клапан; /— газ; //— пыль; /// — сжатый воздух
В тканевых фильтрах применяются фильтрующие материалы двух
типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фет-
ры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания
волокон иглопробивным методом.
Фильтровальная ткань представляет собой материал с определенным
видом переплетения нитей, скрученных из коротких или непрерывных
волокон диаметром от 6 до 20-30 мкм.
В зависимости от состояния поверхности фильтровальные ткани
бывают ворсированными и гладкими. Наличие ворса повышает
эффективность фильтрации. Ворс должен быть обращен навстречу запыленному
потоку. При движении запыленного потока воздух прижимает ворсинки к
ткани. При обратной продувке происходит выпучивание ворсинок и
накопившиеся пылевые частицы удаляются (рис. 5.47). Если же ворс будет
направлен в противоположную сторону, то количество задержанной пыли
уменьшается, поскольку происходит выпучивание ворсинок. Затруднена
и регенерация, поскольку ворсинки прижимаются к нитям и
препятствуют отделению пыли от ткани.
13-4543
193

Рис. 5.47. Положение ворса фильтровальной ткани при различных режимах работы:
а — рабочее положение ворса: 1 — нить ткани; 2 — нить ворса; 3 — частицы пыли; б — пылевой пробор
ткани; в — обратная продувка
Все фильтровальные материалы по виду используемых волокон можно
подразделить на четыре основных типа (рис. 5.48), различающихся тем, что
они изготовлены из: естественных органических волокон животного и
растительного происхождения (шерстяные, льняные, хлопчатобумажные,
шелковые); искусственных органических волокон (лавсан, нитрон, капрон, хлорин,
оксалон и др.); естественных минеральных (неорганических) волокон (асбест);
искусственных неорганических волокон (стеклоткань, металлоткань).
Хлопковое волокно служит основой для производства
хлопчатобумажных тканей. Хлопковое волокно на 94-95% из целлюлозы, оно гигроско-
Естественные
Органические
Животного
происхож- |—|
дения
Шерсть
Шелк

Растительного проис-|
хождения
Лен
Хлопок
Сульфон М
Феннлон
Н Хлорин | Н Te4M°H ]
Ацетохлорин
Фторлон
Рис. 5.48. Классификация волокон
194

лично. При нагревании до 120-130 °С заметных последствий не
наблюдается, при более высокой температуре происходит нарушение волокон.
Именно поэтому хлопчатобумажные ткани, несмотря на низкую
стоимость, нашли ограниченное применение для фильтровальных тканей.
Шерстяные волокна содержат 90% каротина. В отличие от хлопка
шерстяные волокна менее стойки к кислотам и кислым газам, особенно к
оксидам серы. Шерстяные ткани характеризуются высокой
воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и легкость регенерации.
Шерстяные волокна, несмотря на более высокую стоимость, более
пригодны для изготовления фильтровальных тканей благодаря большей
упругости.
В настоящее время материалы из шерсти и хлопка вытесняются
синтетическими тканями.
Ткани из нитрона обладают высокой механической прочностью,
могут применяться длительное время при температуре 120-130 °С и
выдерживают кратковременное воздействие температуры до 180 °С. Они более
устойчивы к кислотам, органическим растворителям, к действию
микроорганизмов, моли.
Ткани из лавсана прочны, устойчивы к истиранию и температуре так
же как и нитроновые ткани, однако более устойчивы к химическим
реагентам. Износ лавсановых и нитроновых тканей ускоряется при резких
колебаниях температуры.
Асбестовые волокна не очень прочные, однако не загнивают, стойки
по отношению к растворам щелочей и кислот и, самое главное, обладают
высокой термостойкостью.
Стеклянное волокно — одно из наиболее перспективных, поскольку
обладает высокой термостойкостью (до 300 °С), химической стойкостью,
выдерживает значительные разрывные нагрузки. Фильтровальные
стеклоткани обычно изготовляют из волокон диаметром 6-8 мкм. Для улучшения
сопротивляемости к многократным изгибам стеклянные ткани
покрывают кремнийорганическим соединением — силиконом и графитируют.
Свойства фильтровальных тканей, применяемых в промышленности,
приведены в табл. 5.23.
Как было указано в гл. 4, эффективность очистки в тканевых фильтрах
во многом определяется наличием на поверхности ткани слоя пыли. В табл.
5.24 приведены данные об эффективности очистки пыли тканевыми
фильтрами в различные периоды их работы.
При низких входных концентрациях пыли процесс образования слоя
занимает много времени, поэтому лучшие результаты достигаются при
очистке газов с высокой запыленностью. При регенерации часть осадка
удаляется, но внутри ткани между нитями и волокнами остается значительное
количество пыли, сохраняющее высокую эффективность очистки газов,
поэтому при регенерации тканей нельзя допускать их переочистки.
13*
195

Таблица 5.23
Основные свойства фильтровальных тканей
Фильтровальный
материал
Сукно №2, арт.
20, ГОСТ 6986-69
1 (шерсть + капрон)
Ткань ЧШ, арт. 21,
| саржа 2/2
Ткань нитрон Н,
| арт. 133, ТУ 5509-72
Ткань ЦМ, арт. 83,
ТУ 17 41-47-70
(шерсть 80% + кап-
1 рон 20%), саржа 2/2
Ткань лавсановая
фильтровальная,
арт. 86033, ТУ 17
1 3238-78
Двухслойная ткань
лавсан, арт. 5468, ИУ
1 17 8053-75
Стеклоткань
РСФ(Б)-0, ГОСТ
15974-70, алюмобо-
росиликатная
Стеклоткань
ТСФ(Ш)-0,ТУ6
11-252-73, уток
штапельный, 4-ре-
мизный сатин
Стеклоткань ТСФТ-
2-0, ТУ 6 11-261-73,
саржа 3/1
Стеклоткань
ТСФР(Б)7с, ГОСТ
10146-74, саржа
2/2, алюмомагнези-
1 альная
2
340
495
430
500
316
940
392
600
600
385
Толщина, мм
1,5
2,4
1,6
2,3
1,0
2,6
0,37
0,65
0,55
0,33
Число нитей в
10 см длины
Основа
228
116
109
106
326
184
200
200
200
200
Уток
147
108
91
100
159
154
450
150
ПО
150
Разрывная
нагрузка полоски
50x100 мм, Н
Основа
420
620-
720
960
890-
920
2400
2500*
1600**
1700**
1750**
2000**
Уток
300
360-610
600
400-650
1300
2000*
1000**
600**
750**
1600**

Воздухопроницаемость, л/м2с
р = 50МПа
50
80
110
150
180
67
100-180
160
90
75
Изгибоустойчивость
X
X
X
X
X
X
П
п
п
п
Вид изделия
Полотно
Тоже
Тоже
Рукава
Полотно
Полотно
Рукав
Полотно
Полотно
Рукав
196

Продолжение табл. 5.23
Фильтровальный
материал
Ткань оксалоновая
ТТО-3,ТУ6 06-
31-124-76 саржа
| 2/2, арт. B-903
Нетканый холсто-
прошивной лавсан,
ТУ 17 7043-74
Войлок
иглопробивной, ТУ 17 413-77,
1 лавсан арт. 204-Э
Войлок
иглопробивной с каркасом,
лавсан ТУ 17 14-45-77,
| арт.931521
ее*
у
о
<Л
2
510
500
600
460
Толщина, мм
0,7
-
2,0
2,5
Число нитей в
10 см длины
Основа
120
-
-
-
Уток
100
-
-
-
Разрывная
нагрузка полоски
50x100 мм, Н
Основа
4200**
700 по
длине
1140**
1000**
Уток
3280**
1300 по
ширине
550**
760**

Воздухопроницаемость, л/м2с
р = 50 МПа
ПО
75
140
140
Изгибоустойчнвость
X
X
X
X
Вид изделия
Полотно
Тоже
Тоже
Тоже
* Для полоски 50x200 мм. ** Для полоски 25x100 мм; X — хорошая, У —
удовлетворительная, П — плохая.
Таблица 5.24
Влияние слоя осажденной пыли на эффективность улавливания тканью частиц
диаметром 0,3 мкм
Ткань
Тонкая синтетическая
Толстая ворсованная
синтетическая
То же, шерстяная
Эффективность очистки, %
Чистая ткань
2
24
39
После запыления
65
75
82
После очистки
обратной продувкой
13
66
69
В тканевых фильтрах целесообразно использовать небольшие скорости
фильтрации, обычно 0,5-1,2 см/с. При большей скорости происходит
чрезмерное уплотнение пылевого слоя, сопровождающееся увеличением
гидравлического сопротивления, что в свою очередь может привести к
вторичному уносу.
Рассмотренные недостатки тканей в значительной мере устраняются
при использовании в качестве фильтрующего материала войлока. Эф-
197

фективность улавливания частиц в этом случае не будет определяться
главным образом наличием ранее сформированного слоя пыли. Равномерное
распределение волокон по всей поверхности и в толще фетра и отсутствие
сквозных отверстий обеспечивает равноценное участие волокон в процессе
осаждения частиц. Процесс фильтрации протекает в объеме материала. При
очистке фетров внутри них всегда остается часть пыли, обеспечивающая
очень высокую эффективность улавливания субмикронных частиц. Это
принципиальное отличие войлочных фильтрующих материалов от тканых
дает возможность в 2-5 раз увеличить нагрузку по газу, а также проводить
регенерацию материала без прекращения подачи пылегазового потока.
Способы регенерации тканевых фильтров. Существуют два основных
способа регенерации запыленных тканей:
1) встряхивание фильтрующих элементов (механическое,
аэродинамическое — путем пульсации или резких изменений направления
фильтруемого потока газов, воздействием звуковых колебаний и т. п.);
2) обратная продувка фильтрующих элементов очищенными газами
или воздухом (нагнетание в секцию газов с низким давлением при
большом расходе, подсос атмосферного воздуха, струйная локальная продувка
каждого рукава или плоского элемента и др.).
В большинстве случаев сочетаются оба способа фильтрации.
Механическое встряхивание
(рис. 5.49) закрепленных на общей
раме закрытых сверху рукавов
наиболее эффективно в продольном
направлении, но при этом сильно
изнашиваются рукава, особенно в нижней части.
Встряхивание должно быть
кратковременным и резким, но не настолько
сильным, чтобы вызвать большие
механические усилия в ткани. Операция
встряхивания рукавов в продольном
направлении заключается в поднятии
штанги подвеса на 7—10 см и
последующем свободном падении ее с этой
высоты вместе с рукавами на подушки,
которые амортизируют удар. Подъем и
сброс повторяются непрерывно 5-15
раз, в зависимости от свойств пыли.
Этот способ в сочетании с обратной
продувкой наиболее старый.
Колебательные перемещения
верхних частей рукавов в горизонтальном
Рис. 5.49. Способы механического
встряхивания рукавов:
а — встряхивание в горизонтальном
направлении; б — ослабление и натяжение рукава в
вертикальном направлении; в — вибрация
198

направлении вызывают значительно меньший износ, но они и менее
эффективны, так как колебания плохо распространяются по длине рукавов.
Пыль удаляется по длине рукава неравномерно. Обычно в средней части
рукавов остается больше пыли, что вызывает неравномерное
распределение скоростей газов и более быстрое изнашивание тех мест, где
интенсивнее происходит процесс регенерации — в верхней или нижней частях, в
зависимости от способа встряхивания. Колебания рукавов в поперечном
направлении чаще используются для тонких тканей с гладкой
поверхностью, а также тканей, не стойких на излом (стеклотканей).
Диаметр рукавов, как правило, составляет 0,1-0,3 м, а длина 0,5—4,0 м.
К фильтрам с механическим встряхивания относятся фильтры РФГ,
УРФМ, РФК.
Регенерация с помощью аэродинамического встряхивания (рис. 5.50)
осуществляется путем подачи импульса сжатого воздуха внутрь каждого
фильтрующего элемента. В рассматриваемом методе механическое воздействие,
обеспечивающее деформацию
ткани, сочетается с обратной
продувкой. Такой вид регенерации
используется в каркасных рукавных и
плоских фильтрах. Металлический
каркас рукавов используется во
избежание «схлопывания» рукавов.
Избыточное давление сжатого
воздуха при регенерации составляет
0,4-0,8 МПа; длительность
импульса 0,1-0,2 с. В качестве
фильтрующего материала обычно используют
фетры, ибо ткани часто очищаются
слишком интенсивно. Расход
продувочного сжатого воздуха
составляет 0,1-0,2% от количества
очищаемых газов. В таких фильтрах нагрузка
по газу составляет 1,5—6 м/мин.
Одним из основных условий
эффективных условий работы данного типа
фильтров является ограниченность
геометрических размеров
фильтровальных элементов, что связано с
эффективной регенерацией по всей
длине рукава, в условиях, когда
энергия импульса при перемещении
вдоль рукава постепенно рассеивает-
Воздух
Пыль
Рис. 5.50. Каркасный рукавный фильтр с
импульсной продувкой:
/—соленоидный клапан; 2—труба для ввода
сжатого воздуха; 3— сопло; 4— струя сжатого воздуха;
5— прибор автоматического управления
регенерацией; б— рукав; 7— каркас; 8— бункер
199

Рис. 5.51. Струйная продувка
рукавов:
7 — рукав; 2— пылевой слой; 3—
кольцевая каретка с отверстиями; 4 —
ниппель; 5 — гибкий шланг
ся. Поэтому диаметр рукавов не превышает
0,135 м, а длина, как правило, составляет 2-
3 м (лишь в отдельных случаях до 6 м). К
фильтрам данного типа относятся ФРКИ и ФРКДИ
(см. рис. 5.46).
Обратная продувка без механического
встряхивания достигается использованием
отдельного вентилятора и применяется для
пылей, легко сбрасываемых с ткани.
Предпочтительно использовать для продувки
очищенный газ, поскольку при этом не
увеличивается общий объем газов. Объем
продувочного газа лежит в пределах 7-10% по
отношению к объему очищаемого газа. Этот
способ считается «мягким» и используется
в больших фильтрах, оснащенных
стеклотканями. Диаметр рукавов фильтров
данного типа, как правило, не превышает 0,3 м, а
длина — 5 м. Отечественной промышленностью выпускается ряд фильтров
с обратной посекционной продувкой — ФРО, ФР, СМЦ. В фильтрах с
обратной продувкой, так же как и в фильтрах с механическим
встряхиванием, используют рукава, выполненные из тканого материала, который
является «подложкой» для формирования пылевого слоя, обеспечивающего
высокую эффективность очистки газов.
Обратная струйная продувка используется для всех видов
фильтровальных элементов (рукава или кассеты, тканые и войлочные материалы,
осаждение пыли на внутренней и наружной поверхности рукава, одна или
несколько секций). Принцип работы фильтра заключается в следующем.
Вдоль рукава (рис. 5.51) вверх и вниз движется полое кольцо, через
которое проходит истечение радиальной высокоскоростной струи воздуха с
повышенным давлением, выдувающим пыль в направлении, обратном
фильтрации. Воздух подается в кольцо или в раму с кольцами от
высоконапорного вентилятора или газодувки через гибкие шланги. Диаметр
рукавов фильтров данного типа, как правило, не превышает 0,3 м, а длина —
5 м. К фильтрам с обратной струйной продувкой относится фильтр РФСП.
Недостаток струйной продувки — относительно сложная кинематика
механизма перемещения каретки.
В России выпускается несколько десятков типов тканевых фильтров,
отличающихся формой корпуса, диаметром рукава (от 90 до 450 мм),
длиной рукава (от 2,5 до 10 м), отношением длины рукава к его диаметру
(15—20), способом регенерации, видом применяемой фильтровальной
ткани и др. Большинство из них разработано применительно к специфи-
200

ческим физико-химическим свойствам пылегазовых потоков в отраслях
промышленности. Поэтому многие аппараты изготавливаются индивидуально
или малыми сериями. Конструкции тканевых фильтров и их подробные
характеристики представлены в источниках.
Наиболее дорогостоящий элемент при эксплуатации фильтра —
фильтровальный материал (20-60% стоимости фильтра), а срок их службы —
18—36 месяцев. Для нормального функционирования любого тканевого
фильтра необходимо выполнение следующих требований.
1. Температура очищаемого газа не должна превышать порога
термостойкости фильтровального материала.
2. Система пылевыгрузки и транспортировки пыли должна
функционировать бесперебойно. В случае неудовлетворительной пылевыгрузки и
транспортировки, бункере переполняются и забиваются уловленной
пылью, и в итоге фильтр выходит из строя.
3. Замена изношенных рукавов должна производиться своевременно.
Для обнаружения секций фильтра с поврежденными рукавами в
патрубки, соединяющие секции с коллектором очищенного газа,
перпендикулярно газовому потоку, через специальные пробки вставляются
специальные прутки, которые периодически вынимаются из патрубков. Наличие
наростов пыли на них свидетельствует о разрыве или нарушении
герметичности фильтра.
4. Правильное и своевременное техническое обслуживание всех
вспомогательных узлов фильтра.
Расчет тканевых фильтров. Эффективность очистки воздуха в
тканевых фильтрах достаточно высока и обычно не рассчитывается.
Разработка и расчет любого фильтра начинаются с выбора удельной
газовой (или воздушной) нагрузки уф, которая представляет собой
отношение объема очищаемого газа (воздуха) в единицу времени к площади
поверхности фильтрации. Удельная газовая нагрузка измеряется в м3/(м2мин)
или м3/(м2ч). Ясно, что численно это отношение после деления
соответствует скорости фильтрации (м/мин).
Правильный выбор удельной газовой нагрузки (скорости фильтрации)
является непростой задачей. Она должна выбираться исходя из
оптимального соотношения между гидравлическим сопротивлением фильтра и
занимаемой им площади. При высокой скорости фильтрации
увеличиваются гидравлические потери, износ, возникает большая вероятность забивания
рукавов пылью, уменьшается эффективность пылеулавливания. В
результате возрастают эксплуатационные затраты на фильтр. Выбор неоправданно
низких скоростей фильтрации приводит к большим габаритным размерам
фильтра и завышенным капитальным затратам.
При выборе величины удельной газовой нагрузки обычно
ориентируются на практический опыт эксплуатации тканевых фильтров на промыш-
201

ленных установках (табл. 5.25). При выборе удельной газовой нагрузки
необходимо учитывать свойства ткани (табл. 5.26).
Результаты этих испытаний рассматриваются как ориентир для
окончательного выбора величины удельной газовой нагрузки, который произ-
Таблица 5.25
Рекомендуемые скорости фильтрации в рукавных фильтрах
Класс пыли
1
2
3
4
5
Виды пыли
Сажа* кремнезем (белая сажа); возгоны свинца*
цинка* и другие аналогичные аэрозоли,
образующиеся в газовой фазе за счет конденсации и химических
реакций; красители; косметические порошки;
моющие средства; молочный порошок; активированный
уголь; цемент от печей*
Возгоны железа *и ферросплавов* литейная пыль;
глинозем* цемент от мельниц* возгон карбидных
печей* известь* корунд; аммофос и другие
удобрения; пластмассы; крахмал
Тальк; каменный уголь; пыль от песко- и
дробеструйной очистки; летучая зола*, пыль
керамических производств; сажа (вторичная переработка);
1 каолин; известняк*, рудные пыли
Асбест; волокнистые материалы; гипс; перлит; пыли
в производстве резины; мука; пыли от
шлифовальных процессов
Табак; кожевенная пыль; пыль в процессах
деревообработки; грубые растительные волокна (пенька,
| джут и др.)
Скорости фильтрации, м/ мин
для фильтров
со встряхиванием и
продувкой
0,45-0,6
0,6-0,75
0,7-0,8
0,8-1,5
0,9-2,0
с импульсной продувкой
0,8-2,0
1,5-2,5
2,0-3,5
2,5-4,5
2,5-6,0
с обратной продувкой
0,33-0,45
0,45-0,55
0,6-0,9
-
-
* Пыли, для улавливания которых применяют фильтры с обратной продувкой.
Таблица 5.26
Рекомендуемые значения удельной газовой нагрузки для различных тканей
Ткань
Нагрузка по газу, м3/м2'мин
Шерстяная или
хлопчатобумажная
0,6-1,2
Синтетическая
0,5-1,0
Стеклянная
0,3-0,9
202

водится с учетом характеристик очищаемого газа. Более низкие значения
удельной газовой нагрузки применяются при:
— улавливании мелких частиц;
— улавливании маслянистых и мелких частиц;
— увеличении интервалов между циклами регенерации;
— повышенной запыленности и температуре газового потока.
Наиболее надежным методом определения оптимальной удельной
газовой нагрузки считается испытание «пилотной установки»
непосредственно на промышленном объекте.
Практически удельная газовая нагрузка для выбранного типа фильтра
может определяться двумя способами.
1. Для ориентировочных расчетов скорости фильтрации можно
пользоваться табл. 5.25, где деление пыли на пять классов является условным.
Однако значения уф относятся к средним величинам входных
концентраций пыли. Скорость фильтрации, как правило, будет меньше при
повышенных концентрациях и температуре и при меньших размерах частиц,
чем это обычно встречается. Поэтому выбранную скорость корректируют
по формуле
v^v^ABCD, (5.46)
где v. — константа удельной нагрузки, зависящая от вида улавливаемой пыли:
определяется по табл. 5.25 как среднее арифметическое из максимального и
минимального значений нагрузки; А — коэффициент, учитывающий
влияние размера частиц и определяемый по приведенным ниже данным:
Медианный размер частиц, мкм Коэффициент А
> 100 1,2
50-100 1,1
10-50 1,0
3-10 0,9
1-3 0,8
< 1,0 0,7
В — коэффициент, учитывающий влияние технологического передела
и определяемый по приведенным ниже данным:
Отвод пыли от узлов пересылки, конвейеров, упаковочных пунктов 1,0
Улавливание продукта после мельниц, сушильных камер
в системах пневмотранспорта 0,9
Очистки газов сушилок, обжиговых и плавильных цехов 0,8
С— коэффициент, учитывающий влияние температуры газов и
определяемый по приведенным ниже данным:
203
Температура, °С
Коэффициент С
20
1,0
40
0,9
60
0,84
80
0,78
100
0,75
120
0,73

D — коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли в
очищаемом газе и определяемый по приведенным ниже данным
Концентрация пыли, г/м3 0-7 8-19 20-40 41-91 свыше 91
Коэффициент/) 1,2 1,0 0,95 0,9 0,85
2. При расчете газовой нагрузки исходят из количества пыли,
поступающей на единицу поверхности ткани. Полагают, что для нормальной
эксплуатации фильтров, например в цементной промышленности, это
количество пыли на 1 м2 не должно превышать 12-18 г/(м2-мин). Исходя из этого,
расчетная нагрузка по газам определится из уравнения
18
уф=77- (5-47)
где С— входная концентрация пыли, г/м3.
Как правило, гидравлически сбалансированный фильтр обеспечивает
высокую эффективность пылеулавливания, поэтому после удельной
газовой нагрузки второй важнейшей характеристикой фильтра является его
гидравлическое сопротивление, которое складывается из гидравлических
потерь при прохождении через входной и выходной патрубки, корпус и
непосредственно через фильтровальный материал. Гидравлическое
сопротивление корпусных узлов зависит от его конструкции и колеблется в
пределах 250—500 Па.
Гидравлическое сопротивление чистой фильтровальной ткани
характеризуется воздухопроницаемостью — расходом воздуха при
определенном перепаде давления, обычно равном 49 Па. Воздухопроницаемость
измеряется в м3/м2мин, численно она равна скорости фильтрации при АР =
= 49 Па. Сопротивление незапыленных тканей АРт обычно составляет 5—
40 Па. Гидравлическое сопротивление запыленного фильтровального
материала в работающем фильтре может составлять 250 Па и более. После
обратной продувки начальное сопротивление ткани не достигается: оно
становится выше за счет проникновения мелких частиц в поры ткани,
которые не выдуваются обратно в процессе регенерации. После
определенного периода работы фильтра с чередованием циклов фильтрации и
регенерации, остаточное количество пыли в ткани стабилизируется; оно
соответствует равновесному пылесодержанию ткани G (г/м2) и
остаточному сопротивлению равновесия запыленной ткани АР.
В общем случае гидравлическое сопротивление тканей постоянно
изменяется во времени в некоторых пределах: от остаточного сопротивления
равновесно запыленной ткани АРр до заданного сопротивления перед
регенерацией АРт п.
Исходя из практических и экономических соображений,
сопротивление фильтров не должно превышать 0,75-1,5 кПа и только в особых
случаях оно может составлять до 2—2,5 кПа. При более высоком значении со-
204

противления резко увеличивается величина проскока и возможен срыв
рукавов или их разрушение по шву в результате аэродинамических ударов при
переключении секций на регенерацию.
Соотношение между гидравлическим сопротивлением фильтра АР (Па)
и скоростью фильтрации уф (м/мин) выражается уравнением
АР = Куф, (5.48)
где К— коэффициент сопротивления фильтра, Па мин/м.
Для фильтров с механическим встряхиванием и обратной продувкой:
K=K0 + Ki> (5-49)
для фильтров с импульсивной продувкой:
К=К^ + КХ+КГ (5.50)
В уравнениях (5.49) и (5.50): К0 — коэффициент сопротивления ткани
после регенерации; Кх — коэффициент сопротивления свежеотложенного
слоя пыли; К2 — коэффициент сопротивления повторно отложенного слоя
пыли.
Последние определяют по результатам лабораторных и
опытно-промышленных исследований модели фильтра на конкретном промышленном
объекте. В этом случае по формуле (5.48) можно определить значение
удельной газовой нагрузки при выбранном гидравлическом сопротивлении.
В некоторых источниках приводятся формулы по определению
гидравлического сопротивления в рабочем (запыленном) состоянии:
= 817цуф(1-тл) Г58Ы0-6-(1-т„)50И уСЛ
где тп — пористость пылевого слоя, доли; тТ — пористость ткани, доли;
d — средний условный диаметр пылинок, определенный по методу
воздухопроницаемости, и, С — запыленность газов, поступающих на фильтр,
кг/м3; х — время фильтрации (промежутки между регенерациями ткани), с;
рп — плотность пыли, кг/м3.
Значения тт для некоторых тканей приведены ниже:
Шерстяная ткань, артикул 21 0,86
Рукава ЦМ, артикул 83 0,83
Нитрон рукава НЦМ 0,83
Нитрон термофиксированный 0,72
Сатин четырехремизный из стекловолокна 0,49
Сатин ТСФ из стекловолокна С-2 5/3 0,55
ТСФ-9 из стекла 20 (ВНИИстекловолокно) 0,47
Ситец хлопчатобумажный 0,63
Бязь 0,53
Хлорин, артикул 300 0,63
205

Заключительным этапом расчета является определение площади
фильтрации тканевого фильтра, выбор типоразмера и необходимого числа
тканевых фильтров. Для приближенного расчета площади фильтрации
тканевого фильтра следует определить общий расход запыленных газов,
поступающих на ткань (с учетом подсосов воздуха), и расход продувочных
газов или воздуха, поступающих из регенерируемой секции.
Общая площадь фильтрации установки S. (м2) составит:
V +V
р
(5.51)
где S — площадь фильтрации в одновременно работающих секциях, м2;
S — площадь ткани в регенерируемой секции, м2; Vl — расход запыленных
газов с учетом подсоса. Для небольших фильтров (РФГ, РФК, СМЦ,
ФРКИ, ФРКН и др.) подсос газа составляет 5-10%, для крупных
фильтров (УРФМ, РФСП-1580, ФРО и др. 15-20%), м3/ мин; К, — расход
продувочных газов или воздуха, м3/ мин.
Определив общую площадь ткани, находят требуемое число фильтров
или секций п в многосекционной установке:
n = SJSv (5.52)
где Sx — площадь фильтровальных рукавов в одном фильтре (в одной
секции), м2.
Так как п должно быть целым числом, полученное значение
округляют в сторону увеличения числа фильтров или секций.
Фильтровальная ткань не связана, за исключением отдельных
специальных случаев, с каким-либо определенным типом фильтра. Выбирая
ткань, необходимо руководствоваться следующими соображениями. Во-
первых, ткани из синтетических волокон предпочтительнее натуральных,
во-вторых, ткань быстро разрушается даже при кратковременных пиках
температуры сверх ее нормального паспортного предела применения.
Поэтому ее следует выбирать не по среднему, а по максимальному значению
температуры.
При выборе типа тканевого фильтра применительно к новому
технологическому процессу следует иметь в виду, что почти все виды серийных
аппаратов, особенно крупномасштабные, созданы для определенных
производств. Например, фильтры РФГ, УРФМ, РФОСП применяются в
основном для улавливания возгонов в цветной металлургии; фильтры ФР —
в сажевых производствах; фильтры СМЦ — на цементных заводах. Вместе
с тем все эти типы аппаратов могут быть успешно использованы в других
отраслях промышленности.
Представленные выше методы расчета оптимальных параметров
работы тканевых фильтров не доведены до возможности их практического
применения. Поэтому в каждом конкретном случае после соответствующих
206

расчетов необходимо провести анализ данных эксплуатации фильтров с
подходящими тканями, в условиях, аналогичных рассматриваемым,
уточняя оптимальные параметры работы путем проведения испытаний
опытно-промышленных установок. При этом желательно пользоваться
официальными каталогами, регламентами и рекомендациями НИИ.
Зернистые фильтры. Фильтрующие слои, состоящие из зерен
сферической или другой формы, применяются реже, чем волокнистые
материалы. Преимуществами многих зернистых фильтров является доступность
материалов, возможность работы при очень высоких температурах и в
условиях афессивной среды, выдерживать большие механические нагрузки
и перепады давлений, атакже резкие перепады температуры. Кроме того,
зернистые фильтры при соответствующем выборе насадки могут
выполнять функцию катализатора или адсорбента.
Различают следующие типы зернистых фильтров:
1) зернистые насадочные (насыпные) фильтры, в которых
улавливающие элементы (гранулы, куски и т. д.) не связаны друг с другом. К этим
фильтрам относятся: статические (неподвижные) слоевые фильтры;
динамические (подвижные) слоевые фильтры с фавитационным
перемещением сыпучей среды; псевдоожиженные слои;
2) жесткие пористые фильтры, в которых зерна прочно связаны друг с
другом в результате спекания, прессования или склеивания и образуют
прочную неподвижную систему. К этим фильтрам относится пористая
керамика, пористые металлы, пористые пластмассы.
Улавливание аэрозольных частиц в зернистых фильтрах подчиняется
тем же закономерностям, которые рассматривались для волокнистых
материалов.
Зернистые насыпные фильтры. В качестве насадки в насыпных
фильтрах используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы,
древесные опилки, кокс, крошку резины, пластмассы, фафит и другие
материалы. Выбор материала для насадок обусловливается требуемой термической
и химической стойкостью, механической прочностью и их доступностью.
Широко применяются природные материалы и различные отходы
производства. Но чаще насадки готовят специально — путем дробления и
просеивания для получения требуемой фракции.
Зернистый фильтр с неподвижным слоем. Конструкции фильтров с
неподвижным слоем представлены на рис. 5.52.
Регенерация фильтрующего материала может осуществляться
рыхлением, ворошением или вибрационной всфяской и происходит при
возрастании сопротивления до предела, допускаемого вентилятором.
После ряда циклов регенерации наступает момент, когда эта операция
уже не дает заметного снижения Ар.. Тогда насадку меняют или (при
улавливании растворимых аэрозолей) промывают водой непосредственно в ап-
207

Рис. 5.52. Фильтры с неподвижным зернистым слоем:
а — горизонтальный с периодическим ворошением; б—с цилиндрическим расположением слоя и
виброрегенерацией; в— горизонтальный с вибровстряхиванием; г—двухходовой напружинах; д—плоский
двухслойный; е—вертикальный шахтного типа; ж — с вращением кассеты; з — с секционированным слоем и
регенерацией псевдоожиженнем; / — вибратор; 2 — шнек; 3 — ворошитель; / — газ; // — продувочный агент
парате. В зависимости от габаритов фильтра рыхление проводят вручную
или механически с приводом от электродвигателя.
Чаще всего размер зерен в рассматриваемых фильтрах составляет 0,2-2 мм;
воздух направляется сверху вниз. Нагрузку воздуха в зависимости от
исходной концентрации (z = 1-20 мг/м3) принимают от 2,5 до 50,0 м3/(м2мин);
начальное сопротивление при этом составляет 50—200 Па. Высота слоя на
сетках выбирается от 10 до 15 см. Остаточное содержание пыли в очищенных
газах обычно составляет 10-100 мг/ м3; эффективность очистки до 99,5%.
При начальной концентрации пыли более 12 г/м3 перед гравийными
фильтрами устанавливают циклоны.
Зернистые насыпные фильтры предназначены для очистки газов от
пылей механического происхождения (от дробилок, грохотов, сушилок,
мельниц, транспортирующих устройств). Они применяются при
получении цемента, извести, гипса, фосфорных удобрений и других производств,
при наличии абразивной пыли и агрессивных газов или веществ, плохо
улавливаемых в электрофильтрах и других пылеуловителях. Однако в этих
фильтрах нельзя очищать трудноудаляемые пыли. Наибольшее
распространение в РФ получили отечественные фильтры: роторные зернистые
фильтры ФЗРИ-100, ФЗРИ-50; фильтры с вертикальным радиальным рас-
208

положением секций ФЗВИ-30-1-300; зернистые фильтры — циклоны
ФЦЗ; зернистые кассетные фильтры ЗФ; цепные фильтры ФЦГМ и
ФЦ-1Щ1Э).
Конструкция цепного фильтра представлена на рис. 5.53. Принцип его
действия основан на осаждении частиц пыли в фильтрующем элементе,
выполненном из цепей. Во время фильтрации верхняя рама с цепями
опущена на нижнюю. Цепи находятся в сложенном состоянии и образуют
фильтрующий слой.
Регенерация фильтрующего слоя производится автоматически путем
поднятия и опускания верхней рамы с цепями. Для переключения с
фильтрации на регенерацию и обратно служит клапанное устройство.
Уловленная пыль без дополнительной переработки возвращается в
технологический процесс.
Производительность данного фильтра — 10 000 м3/ч, максимальный
перепад давления — 500 Па, эффективность очистки — 96-98%.
Зернистые фильтры с движущейся средой. Свойство сыпучести
зернистых материалов используют для создания фильтров с движущейся средой
и периодическим или непрерывным удалением из установки на регенера-
Рис. 5.53. Фильтр цепной
ФЦГМ:
/—транспортное устройство; 2—бункер;
3— входной патрубок; 4— опорная
решетка; 5 — ограничительная решетка; б —
фильтровальный слой из цепей; 7—
подвижная рама; 8— корпус; 9 — выходной
патрубок; /0—привод; 11 —дроссельная
заслонка; /2—люк; 13 — грузовые цепи;
14— люк; /— очищенный воздух; //—
запыленный воздух
1Л.
741'/' Г ^П
т
3?
14 - 4543
209

Рис. 5.54. Фильтры подвижные зернистые:
а — со шнековым промывателем и центрифугой; б — с аксиальным расположением слоя; в — с
наклонным расположением слоя; г — с жалюзи, вибратором и промывкой; д — с циклоном и фильтрацией через
пылевой слой; е — с цилиндрическим расположением и периферийным выводом газа; ж — с
вертикальным расположением слоя; з — с устройством для предотвращения выноса гранул; / — вход загрязненного
газа; 2 — выход очищенного газа; J, 4 — вход и выход продувочного агента; 5 — шнек; 6 — центрифуга;
7— вода для промывки; 8 — бункер загрузочный; 9, 10 — конусы приемные внутренний и наружные
цию слоя зерен, забитого пылью. Обычно материал перемещается между
сетками или жалюзийными решетками под действием гравитационных сил.
Регенерация выгруженного материала от уловленной пыли проводится в
отдельном аппарате путем грохочения или промывкой в восходящем
потоке воды зерен, находящихся в псевдоожиженном состоянии.
Наиболее перспективные фильтры с движущейся средой показаны на
рис. 5.54.
Перспективным направлением считается использование в качестве
фильтрующей среды тот же материал, что и улавливаемая пыль. В этом
случае загрязненные гранулы выводятся из системы газоочистки и
используются в технологическом процессе. На рис. 5.55 схематически показана
опытная установка с несколькими последовательно расположенными
зернистыми слоями.
За рубежом разработкой зернистых фильтров занимается фирма «Лур-
ги» (ФРГ). Перспективными можно считать и конструкции с импульсной
продувкой без применения механических устройств регенерации. Другое
перспективное направление — использование в качестве насыпного
материала соответствующего абсорбента или катализатора, что позволит
отказаться от дополнительных устройств для очистки от газообразных
вредных веществ.
210

Рис. 5.55. Фильтр с движущимися
слоями зернистого материала:
1 — короб для подачи свежего зернистого
материала; 2 — питатели; 3 — затворы;
4 — фильтрующие слои; 5 — короб для
ввода запыленного материала; 6 — люки
Газы
Газы
+4
Зернистые жесткие фильтры. Керамические (поролитовые), металло-
пористые (металлокерамические) и другие жесткие пористые перегородки
занимают особое место среди регенерируемых фильтров, в связи с высокой
устойчивостью их к высокой температуре, коррозии и механическим
нагрузкам. Существенными недостатками жестких фильтров, по сравнению с
тканевыми, является их высокая стоимость, большое гидравлическое
сопротивление и трудность осуществления длительной регенерации, что
значительно сокращает срок их службы.
Жесткие пористые элементы могут регенерироваться следующими
методами:
1) продуванием воздуха или газа в направлении, противоположном
рабочему потоку;
2) пропусканием жидких растворов в обратном движению газа
направлении, иногда при одновременном воздействии на жидкость ультразвуком;
3) пропусканием горячего пара (при забивании фильтров парафином)
или струй горячих газов для выжигания смолистых примесей;
4) простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами,
устанавливаемой в эластичном уплотнении, или самих элементов,
закрепленных на перегородке с помощью резиновых патрубков.
Трудность регенерации жестких перегородок вызвана глубоким
проникновением высокодисперсных частиц в поры при полном удалении слоя пыли
с поверхности.
Жесткие пористые фильтры редко применяются в системах очистки
воздуха или газов большой производительности, так как сопротивление
их велико и необходимо работать при низкой скорости фильтрации.
14*
211

Керамические фильтры. Керамические патроны, пластины и диски
получают спеканием отсортированных зерен шамота, кварцевого песка, асбеста и
других природных минералов до стекловидного состояния. Керамические
пористые изделия хрупки; для увеличения их прочности стенки патронов
изготавливаются значительной толщины (6-10 мм и более), но при этом
увеличивается их гидравлическое сопротивление. Длина патронов обычно составляет
0,5-1,2 м, диаметр — 50-80 мм; общая пористость — 35—55%.
Патроны могут быть открытыми с обоих концов или с закрытым дном;
сверху обычно предусматривают бурты для их крепления. Патроны
закрепляются в трубной решетке с помощью стяжных шпилек (рис. 5.56, я),
или поджатием сверху (рис. 5.56, б).
Скорость фильтрации, в зависимости от вида керамики,
концентраций и свойств пыли, а также от располагаемого давления в системе,
составляет 0,01-0,5 м/с.
Керамические фильтры применяют для очистки технологических
газов внутри аппаратов (газов крекинга, аммиака в производстве азотной
кислоты и других газокаталитических процессов); в системах газоснабжения
(для очистки природных и синтетических газов); для очистки сжатого
воздуха, применяемого при окраске методом распыления; для
обеспыливания сжатых газов (хлора, диоксида углерода). Размеры и форма
фильтрующих керамических элементов представлены в табл. 5.27.
Рис. 5.56. Крепление керамического цилиндрического патрона
в съемной трубной решетке:
а — стяжной шпилькой; б— поджатием пружиной
212

Таблица 5.27
Размеры и форма фильтрующих керамических элементов
Диаметр пор,
мкм
80 ±20
80 ±10
120 ±20
50 ±5
1-2
Кажущаяся
пористость, %
25-35
30-40
30-40
25-35
30-50
Предел
прочности при
сжатии, МПа
15
15
10
18
30
Типовые размеры керамических
изделий, мкм
Наружный
диаметр
50 ±2
50 ±1
89 ±2
64 ±1
45 ±1
35 ±1
40 ±1
38 ±1
Внутренний
диаметр
20 ±1
30 ±1
50 ±2
25 ±1
19 ±1
12 ±0,5
37 ±1
35 ±1
Высота
130 ±2
760 ±3
305 ±5
102 ±1
102 ±1
319 ±3
Назначение
Для очистки воздуха от пыли
и частиц масла
Для очистки воздушно-
аммиачной смеси
Для очистки газов от пыли
адсорбентов
Для очистки кислорода от
графитовой пыли
Для очистки газов от
тонкодисперсного
кремнезема
Металлокерамические фильтры. Исходным материалом для
изготовления служат металлические порошки шарообразной формы с гладкой
поверхностью или порошки несферической формы с шероховатой
поверхностью. Порошки изготавливаются из нержавеющих сталей (Х18Н9,
Х17Н2, Х18Н12М2Т и т. п.), из бронзы, меди, никеля, титана, монеля,
нихрома, алюминия, вольфрама и других металлов.
Металлокерамические фильтрующие материалы получают методом
прессования и прокаткой, с последующим спеканием при высокой
температуре (800-1300 °С) в виде цилиндрических элементов высотой 80-100 м,
толщиной стенок 2—5 мм; трубок разного диаметра; лент шириной 300—
400 мм; листов больших размеров толщиной 0,35-2,5 мм и других форм
(рис. 5.57). На рис. 5.58 представлены схемы патронного и тарельчатого
фильтров.
Металлокерамические цилиндрические элементы более прочны и
пластичны, чем керамические фильтры, и лучше сопротивляются ударным
нагрузкам. Однако стоимость их в 10 и более раз выше, чем керамических.
Фильтрующие свойства металлокерамических элементов также лучше;
кроме того, их можно сварить, склеивать и подвергать механической
обработке на станках. Изделия, получаемые прессованием,
характеризуются более высокой эффективностью очистки газов, чем изделия,
получаемые спеканием, при одинаковой пористости.
213

Рис. 5.57. Фильтрующие элементы из
пористых металлов:
/ — цилиндрические сварные; 2 — «звездочка»;
3 — коробчатый; 4 — чечевицеобразный;
5 — гофрированный
Размеры пор в фильтровальных перегородках из пористых металлов 1—
75 мкм, пористость до 50%. Нагрузки по газу в металлокерамических
фильтрах могут изменяться от 0,2 до 10 м3/(м2-мин) при аэродинамическом
сопротивлении от 0,1 до 6 кПа. Поэтому эти фильтры громоздки: например,
при производительности 0,1 м3/с фильтр имеет диаметр 1,2 м и высоту 1,8
м. Так как на жесткой поверхности образуется очень однородный слой, то
эффективность улавливания в этих фильтрах, даже по субмикронным
частицам, очень высокая. Металлокерамические элементы из порошка, раз-
Рис. 5.58. Схемы фильтров
из пористых металлов:
а — патронный фильтр: 1 — корпус
фильтра; 2 — крышка; 3 —
цилиндрический элемент; 4 — прокладка;
5 — стяжной болт; 6 — откидное
дно; б — тарельчатый фильтр: / —
корпус фильтра; 2 — фильтрующий
пакет; 3 — заглушка; 4 — крышка
214

мером частиц от 75 до 150 мкм, практически полностью задерживают
частицы более 1 мкм. Остаточная концентрация обычно составляет при этом
менее 1 мг/ м\
В настоящее время широкое применение для улавливания твердых
аэрозолей при высоких температурах получили фильтровальные
элементы из многослойных (прессованных) металлических сеток. По
гидродинамическим характеристикам они идентичны зернистым слоям со
связанной структурой. Степень очистки в таких фильтрах может достигать 99,99%
при входной концентрации пыли 20-40 г/м3. Фильтровальные элементы
обычно выполняют в виде обечаек, надетых на жесткий каркас.
Металлокерамические фильтры наиболее широко применяются для
выделения из горячих газовых потоков ценных пылевидных продуктов,
например, пылевидных катализаторов.
Зернистые жесткие пористые фильтры находят широкое применение
в очистке выхлопных газов автомобилей.
5.4. МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного
газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и
уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки от пыли
считается достаточно простым и в то же время эффективным способом
обеспыливания.
При современном уровне развития техники пылеулавливания
наметилась тенденция применения сухих пылеуловителей, однако в ряде
случаев мокрые пылеуловители конкурируют с такими
высокоэффективными аппаратами, как рукавные фильтры и электрофильтры.
Преимущества мокрых пылеуловителей перед аппаратами других типов:
— сравнительно небольшая стоимость (без учета шламового хозяйства)
и более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению
с сухими механическими пылеуловителями;
— применение для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;
— охлаждение и увлажнение (кондиционирование) газов;
— возможность применения для очистки высокотемпературных
газовых потоков;
— возможность одновременной очистки от пыли и от газообразных
вредных веществ, т. е. использование в качестве абсорберов.
К недостаткам пылеуловителей относятся:
— улавливаемый мокрыми пылеуловителями продукт выделяется в
виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод;
— потери жидкости вследствие брызгоуноса;
215

— необходимость антикоррозионной защиты оборудования при
фильтрации агрессивных газов и смесей.
В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще
всего применяется вода. При решении вопросов пылеулавливания и
химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента)
обусловливается процессом абсорбции.
Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей в настоящее
время не существует. Обычно они классифицируются на группы в
зависимости от поверхности контакта или по способу действия:
— полые газопромыватели;
— насадочные скрубберы;
— тарельчатые газопромыватели;
— газопромыватели с подвижной насадкой;
— мокрые аппараты ударно-инерционного действия;
— мокрые аппараты центробежного действия;
— механические газопромыватели;
— скоростные газопромыватели.
Помимо перечисленных групп к мокрым пылеуловителям в какой-то
степени могут быть отнесены мокрые электрофильтры, орошаемые
волокнистые фильтры и аппараты конденсационного действия.
Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на
низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным
аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых
не превышает 1500 Па. В эту группу входят полые скрубберы, барботеры,
мокрые центробежные аппараты и др. К средненапорным мокрым
пылеуловителям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся
некоторые динамические скрубберы — газопромыватели ударно-инерционного
действия. Группа высоконапорных газопромывателей с гидравлическим
сопротивлением больше 3000 Па включает в основном скрубберы Вентури.
Подвод орошающей жидкости в мокрые газоочистные аппараты.
Надежная и эффективная работа мокрых пылеуловителей в немалой степени
зависит от правильного выбора устройств подвода жидкости. Способ
подачи жидкости в значительной мере влияет на распределение энергии,
затрачиваемой на проведение процесса. В аппаратах, где главная роль в
энергетических затратах принадлежит орошающей жидкости (полые),
применяются энергоемкие средства подвода орошения — форсунки,
работающие под высоким давлением. В аппаратах, где затраты энергии,
подводимой к жидкости, играют второстепенную роль (скрубберы Вентури),
используются низконапорные форсунки. В тех же аппаратах, где
практически вся энергия подводится к газовому потоку (насадочные,
тарельчатые) и требуется равномерное орошение всего сечения аппарата,
применяют оросители различных конструкций.
216

Форсунки. Форсунки подразделяются на три основные группы:
механического, пневматического и электрического действия.
Механические форсунки, наиболее распространенные в газоочистных
аппаратах, бывают прямого действия, центробежные и ультразвуковые. На
рис. 5.59 показаны типы механических форсунок: струйные, струйно-удар-
ные, с внешним соударением струй, центробежные, центробежно-струйные.
В центробежных форсунках жидкость приобретает вращательное
движение за счет тангенциального подвода (рис. 5.59, в) или проходя через
завихрительную спираль (рис. 5.59, а, б). Далее струя покидает форсунку в
виде полого вращающегося конуса (рис. 5.60, я), который под действием
центробежных сил распадается на отдельные капли. Достоинства
центробежных форсунок — простота конструкции, возможность широкой регу-
д е ж
Рис. 5.59. Механические форсунки:
а-в — цетробежные форсунки (а — Григорьева-Поляка; б — Кертинга; в — эвольвентная форсунка);
г-е — центробежно-струйные форсунки (г— ВТИ; д—с цилиндрическим вкладышем и горизонтальными
каналами; е — с цилиндрическим плоским вкладышем и с периферийными винтовыми каналами);
ж — плоскофакельная струйная форсунка
217

Рис. 5.60. Формы факела
форсунок:
а — полый факел; б — заполненный
факел; в — плоский факел
лировки расхода жидкости и угла распыла, высокая эксплуатационная
надежность.
В центробежно-струйных форсунках, помимо вращающейся струи,
создается и осевая струя. При этом образуется сплошной конус распыла
(рис. 5.60, б) для равномерного получения которого необходимо
соблюдать правильное соотношение между количеством вращающейся
жидкости и жидкостью, подаваемой в центральную струю.
Производительность форсунок определяется в основном их
конструкцией и не зависит от физических свойств распыляемой жидкости.
Объемный расход жидкости определяется по формуле
е.-
ndl
К
Рж
(5.53)
где dc — диаметр сопла форсунки, м; Кж — коэффициент расхода
жидкости; рж — давление жидкости перед форсункой, Па.
Наибольшие значения коэффициента расхода характерны для
струйных форсунок (0,75-0,98), наименьшие — для центробежных (0,2-0,3).
В пневматических форсунках поток жидкости дробится, соприкасаясь
с высокоскоростным потоком газа или пара (рис. 5.61). Жидкость
подается в пневматические форсунки под небольшим давлением либо
засасывается инжектирующим действием газового потока. Форма факела зависит
от конфигурации выходного отверстия и от расхода газа.
Энергозатраты пневматических форсунок выше, чем механических,
поэтому они не получили широкого распространения в мокрых
пылеуловителях. Однако они позволяют получить более тонкий распыл, вследствие
чего их можно использовать при увлажнении газов.
Оросители. По режиму истечения жидкости оросительные устройства
делятся на струйные разбрызгивающие и на струйные неразбрызгивающие.
218

Рис. 5.61. Пневмофорсунка:
1 — патрубок для подвода воды; 2—
элемент плоскофакельной форсунки;
3 — горловина
Вода
(_, bujijiii.
Г2Ш.
Воздух
Орошение сечения аппарата может быть точечным, зональным и
сплошным (рис. 5.62). Точечное орошение целесообразно при ограниченном
расходе жидкости и при недопустимости брызгоуноса. Обеспечивается
струйными неразбрызгивающими оросителями. Примером таких оросителей
является желобчатые оросители (рис. 5.62, а).
Зональное и сплошное орошение обеспечивается различными видами
брызгалок. При зональном и сплошном орошении обеспечивается лучшая
смачиваемость, однако этот способ связан с большим расходом
орошающей жидкости. Кроме того, за счет перекрытия смежных зон орошения
наблюдается значительная неравномерность плотности орошения по сечению
аппарата.
Каплеулавливающие устройства. Во всех мокрых пылеуловителях в той
или иной степени происходит брызгоунос, интенсивность которого
определяется скоростью газового потока в свободном сечении аппарата и
способом подвода орошающей жидкости.
Максимально возможный размер уносимых капель может быть
рассчитан по скорости витания капель (номограмма), которая принимается
равной скорости газов в свободном сечении аппарата.
Для сепарации капель из газов используются следующие механизмы
осаждения: гравитационный, инерционный, центробежный,
диффузионный и электростатический. Последние два используются в основном для
улавливания туманов. Наибольшее применение нашли инерционные,
центробежные и диффузионные.
Каплеулавливающие устройства могут монтироваться в одном
корпусе с мокрым пылеуловителем, а могут в виде отдельного аппарата
устанавливаться за ним.
Инерционные каплеуловители. В качестве инерционных каплеуловите-
лей используют различные насадки, гальку, кольца Рашига, вязаную
сетку и т. д. (рис. 5.63). Эффективность инерционных каплеуловителей
увеличивается с ростом скорости газов, однако этот рост не может быть
219

Эскиз оросителя
Схема
распределения точек
орошения
Эскиз
оросителя
Схема распределения Эскнз 0росш*ля
зон орошения
Схема распределения
зон орошения
j_^
шцшЗнЖЁфз
и и и в а
t \ \
7П
мм
тгто
1 5
а
/ *\
и
Ф ♦
- Границы смежных
неперекрывающихся
зон
Границы
перекрывающихся зон
Перекрытия
смежных зон
Рис. 5.62. Основные типы оросителей:
а — точечное орошение; б — зональное орошение; в — сплошное орошение; J — распределительная плита; 2 — желоб с боковыми прорезями;
3 — желоб с длинными патрубками; 4— многотрубчатый ороситель; 5 — перфорированный стакан; 6— щелевая брызгалка; 7— розетка; 8—
многоконусный ороситель; 9 — разбрызгивающая звездочка

беспредельным, поскольку при достижении определенной скорости газа
возникает вторичный унос, наступает захлебывание каплеуловителя.
Обычно оптимальная скорость газа лежит в диапазоне 3—5 м/с, максимальная —
5—6 м/с. Критическая скорость определяется конструкцией,
направлением набегающего газового потока и др.
Кроме представленных на рис. 5.63 инерционных каплеуловителей на
практике широко применяются сеточные брызгоуловители,
представляющие собой пакет вязаных сеток (металлическая проволока,
фторопластовое и полипропиленовое волокно).
Для некоторых каплеуловителей при расчетах оптимальной скорости
можно использовать формулу
vr=^^Z£l, (5.54)
где кс — коэффициент, изменяющийся от 0,09 до 0,305.
Рис. 5.63. Элементы инерционных каплеуловителей:
а, б — горизонтальные жалюзийные; в — прямоточный сепаратор Карбейта;
г — гофрированные вязаные сетки; д — уголковые; е — вертикальные жалюзийные;
ж — швеллерковые
221

Газы
Газы
Рис. 5.64.
Малогабаритный циклон
каплеуловитель КЦТ
Основным недостатком инерционных
каплеуловителей является возможность образования
отложений.
Центробежные каплеуловители.
Центробежные пылеуловители получили наибольшее
распространение в газоочистной технике.
В качестве каплеуловителей могут быть
использованы обычные циклоны, например циклоны
НИИОгаза. Однако более эффективными
являются специально разработанные устройства,
например, циклон-каплеуловитель (рис. 5.64),
устанавливаемый обычно за трубами Вентури. Скорость газа
в плане аппарата составляет 4,5-5,5 м/с.
Разработан типоразмерный ряд каплеуловителей КЦТ на
производительность по газу — 3100-84 000 м3/ч.
Кроме того, в качестве каплеуловителей
могут применяться устройства коленного типа
(рис. 5.65). Эффективность подобного каплеуло-
вителя после трубы Вентури составляет 90%.
Более перспективными считаются
встроенные каплеуловители, один из которых
представят
,i
5СГ
1.
Рис. 5.65. Каплеуловитель коленного типа:
/ — корпус; 2 — лопатка; 3 — сливные карманы;
4 — труба для сбора уловленной жидкости;
5 — устройство для вывода жидкости
Рис. 5.66. Цилиндрический каплеуловитель:
/ — диск; 2 — кольцо; 3 — лопатки; 4 —карман;
5—канал
222

лен на рис. 5.66. Оптимальная скорость равна 5 м/с. Отвод жидкости
осуществляется через сливные патрубки, расположенные в нижней части.
Диффузионные каплеуловители. Применяются при улавливании капель
размером меньше 3 мкм. Представляют собой волокнистые фильтры диаметром
волокон 5—20 мкм и толщиной слоя 50 мм. Гидравлическое сопротивление
колеблется от 1 до 5 кПа. Капли диаметром 3 мкм улавливаются на 100%.
Полые газопромыватели. В полых газопромывателях газопылевой поток
пропускают через завесу распыляемой жидкости. При этом частицы пыли
захватываются каплями промывной жидкости и осаждаются в промывателе, а
очищенные газы удаляются из аппарата. Наиболее распространенные аппараты
этого класса представлены на рис. 5.67. Они широко используется как для
Рис. 5.67. Конструкции полых скрубберов:
а — с тарельчатыми форсунками; б— конденсационная башня; в—д — колонны улавливания фтористых газов и
аммиака; е — скруббер типа СП; / — ярусы орошения; 2— система гидросмыва каплеуловителя; 3— капле-
уловитель; 4—завихритель; 5— форсунки газохода
223

очистки газов от достаточно крупных частиц пыли, так и для охлаждения газов,
выполняя в различных системах пылеулавливания роль аппарата,
обеспечивающего подготовку (кондиционирование) газов.
По направлению движения газов и жидкости полые скрубберы
делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости.
Гидравлическое сопротивление полого скруббера весьма
незначительно: при отсутствии каплеуловителя и газораспределителя оно обычно не
превышает 250 Па. Полые форсуночные скрубберы обеспечивают высокую
степень очистки только при улавливании частиц размером больше 5 мкм.
Максимальная эффективность при инерционном осаждении
улавливаемых частиц на каплях, падающих под действием силы тяжести в
неподвижном воздухе (независимо от размера частиц), достигается при dK = 0,6—
1,0 мм. Поэтому в полых газопромывателях обычно устанавливают
центробежные форсунки грубого распыла (работающие под давлением от
3■ 105 до 4-105 Па), которые и создают капли требуемого размера. Такие
форсунки позволяют работать на оборотной воде, содержащей взвеси, просты
в изготовлении и мало подвержены износу. Для расчета полого
газопромывателя необходимо знать расход пылегазового потока (?, плотность
газов рг, плотность частиц пыли рч и ее дисперсный состав. Расчет
выполняют в следующем порядке.
1. Определяют площадь сечения скруббера 5, м2:
S=Q/vr (5.55)
2. По найденному значению S рассчитывают диаметр скруббера D и его
высоту Я по формулам
D = V457tc, (5.56)
Я*2,5Д (5.57)
3. Удельный расход жидкости т принимают от 0,5 до 10 л/м3 и
определяют общий расход жидкости на орошение аппарата (?ж:
Q* = tnQr. (5.58)
4. Коэффициент очистки в полом противоточном скруббере находят
по формуле
г|„ =1-ехр
(5.59)
3 0кГ13(у|.+ук)Я~
2£AvK
где т|з — эффективность захвата каплями частиц определенного диаметра;
vK — скорость осаждения капли, м/с; dK — диаметр капли, м.
Значения г|з приведены в таблице 5.28. Скорость осаждения капель vk
определяют по номограмме, представленной на рис. 5.68.
Насадочные газопромыватели. Насадочные газопромыватели
представляют собой колонны, заполненные телами различной формы (рис. 5.69).
224

d4 Диаметр пылинок (верхние кривые), мкм
О 50 100 150 200 250 ,-9000
О 10 20 30 40
d4 Диаметр пылинок (нижние кривые), мкм
Рис. 5.68. Номограмма для определения диаметра частиц по скорости их витания
Таблица 5.28
Эффективность захвата частиц пыли распыленной водой
(для частиц с рч = 2000 кг/м3)
</ч, мкм
1,4
2,0
4,0
10,0
600с->
0
0
0,07
0,54
1200 с-'
0
0
0,24
0,70
Лз при (\ + \)/d
2300 с-1
0
0,07
0,41
0,85
3500 с-1
0,03
0,17
0,54
0,89
4000 с"1
0,06
0,21
0,58
0,90
15-4543
225

Рис. 5.69. Типы насадок:
/ — кольца Рашига; 2 — кольца с перегородкой;
3— кольца с крестообразной перегородкой; 4—
кольца Палля; 5 — седла Берля; 6 — седла Инталокс
.Жидкость
4"^
Рис. 5.70. Противоточный насадоч-
ный скруббер:
/ — опорная решетка; 2— насадка; 3 —
оросительное устройство
Эти аппараты (рис. 5.70) рекомендуется применять только при
улавливании хорошо смачиваемой пыли особенно в тех случаях, когда процессы
улавливания пыли сопровождаются охлаждением газов и абсорбцией. При
улавливании плохо смачиваемой пыли (но не склонной к образованию твердых
отложений) могут использоваться аппараты с регулярной и разряженной
насадкой.
Основными параметрами насадки являются: удельная поверхность,
свободный объем и эквивалентный диаметр (табл. 5.29). Удельная
поверхность а представляет собой геометрическую поверхность насадочных тел
и выражается в м2/м3. Свободный объем е характеризует объем пустот
насадки и выражается в м3/м3.
Эффективность улавливания пыли в скруббере возрастает при
применении более мелкой насадки, равномерности орошения и увеличении
слоя насадки. При улавливании пыли расход орошающей жидкости в про-
тивоточных аппаратах обычно составляет 1,3—2,6 л/м3. Эффективность
очистки рассчитывается по формулам (5.7), (5.8). Необходимое
значение гидравлического сопротивления определяется в такой
последовательности.
Предварительно определяют сопротивление сухой насадки, Па:
УгРгД/*н
-g-r- (5-6°)
где Ан — высота насадки, м; £0 — коэффициент сопротивления сухого
аппарата.
АР =Е -
СОХ ^0
226

Таблица 5.29
Характеристика насадок
Насадка
Название
Типоразмер
Удельная
поверхность я, м2/м3
2
V©
о
2
в
§£
еа *
Эквивалентный
диаметр </э, м
Насыпная плотность
р, кг/м3
Количество, шт. в м3
| Регулярные насадки |
Керамические
кольца Рашига
50x50x5
80x80x8
ЮОхЮОхЮ
100
80
60
0,735
0,72
0,72
0,027
0,036
0,048
650
670
670
8 500
2 200
1050 |
| Неупорядоченныенасадки |
Керамические
кольца Рашига
Стальные кольца
Рашига
Керамические
кольца Палля
Стальные кольца
Палля
Керамические
седла Берля
Керамические
седла Инталокс
10x10x1,5
15x15x2
25x25x3
35x35x4
50x50x5
10x10x0,5
15x15x0,5
25x25x0,8
50x50x1
25x25x3
35x35x4
50x50x5
60x60x6
15x15x0,4
25x25x0,6
35x35x0,8
50x50x1,0
12,5
25
38
12,5
19
25
38
1 50
440
330
200
140
90
500
350
220
ПО
220
165
120
96
380
235
170
108
460
260
165
650
335
255
195
1 118
0,7
0,7
0,74
0,78
0,785
0,88
0,92
0,92
0,95
0,74
0,76
0,78
0,79
0,9
0,9
0,9
0,9
0,68
0,69
| 0,69
0,78
0,77
0,775
0,81
| 0,79
0,006
0,009
0,015
0,022
0,035
0,007
0,012
0,017
0,035
0,014
0,018
0,026
0,033
0,010
0,015
0,021
1 0,033
0,006
0,011
| 0,017
0,005
0,009
0,012
0,017
| 0,027
700
690
530
530
530
960
660
640
430
610
540
520
520
525
490
455
415
720
670
| 670
545
560
545
480
1 530
700 000
220 000
50 000
18 000
6 000 1
770 000 1
240 000
55 000
7 000 1
46 000
18 500
5 800
3 350 |
230 000 1
52 000
18 200
6 400
570 000
78 000
| 30 500
730 000
229 000
84 000
25 000
| 9 350
Коэффициент £0 зависит от режима движения газа и является функцией
критерия Рейнольдса — Re. Значения £0 определяются в зависимости от
типа насадок:
— для беспорядочных насадок, в которых пустоты распределены
равномерно по всем направлениям (шары, седлообразные насадки):

^0=(133/Rer) + 2,34; (5.61)
— для беспорядочных кольцевых насадок при Rer < 40:
$0=140/Rer; (5.62)
- при (Rer>40):
$0=16/Re'\ (5.63)
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки всегда больше
сухой и его определяют из отношения
АР =МАР . (5.64)
ор сух v '
Значение М находят из выражения
М=10РЧр, (5.65)
где Lc — плотность орошения, м/с; Р' — коэффициент, значение которого
находят в зависимости от вида насадки.
Керамические кольца Рашига Р'-Ю3 в укладку:
50 мм 48
80 мм 40
100 мм 33
Керамические кольца Рашига в навал:
25 мм 51
50 мм 47
100 мм 33
Керамические кольца Палля:
50 мм 35
Блоки 42
Для уменьшения расхода жидкости применяются насадочные
скрубберы с поперечной подачей жидкости и прямоточные скрубберы (на 40-
50%). Гидравлическое сопротивление прямоточных скрубберов — 800—
3600 Па на 1 м слоя насадки. Кроме того, благодаря возможности работать
при высоких скоростях (8-10 м/с), эффективность прямоточных
скрубберов выше.
Тарельчатые газопромыватели. В основе этих аппаратов лежит
взаимодействие газов с жидкостью на тарелках различной конструкции.
Характер взаимодействия в значительной степени определяется скоростью
газового потока. При малых скоростях (~ 1м/с) газы проникают через слой
жидкости в виде пузырей — происходит барботаж.
С ростом скорости газов взаимодействие газового и жидкостного
потоков сопровождается образованием высокотурбулизованной пены, в
которой происходит непрерывное разрушение, слияние и образование но-
228

вых пузырьков. Поэтому газопромыватели данного типа часто называют
пенными аппаратами.
Разработан ряд конструкций тарельчатых (пенных) газопромывателей:
аппараты с провальными тарелками (рис. 5.71, а) и аппараты с
переливными тарелками (рис. 5.71, б). В аппарате с провальными тарелками
применяются два вида тарелок: дырчатые и щелевые.
Щелевые тарелки изготавливают сварными из трубок и пластин.
Оптимальная с точки зрения гидравлического сопротивления тарелка должна
иметь толщину 4-6 мм. Обычно диаметр отверстий в тарелках пенного
пылеуловителя dQ = 4^-8 мм, ширина щели b = 4-^-5 мм, а свободное сечение
V0 колеблется в пределах 0,2-0,25 м2/ м2. В случае применения аппарата
для охлаждения газов устанавливают тарелки с большим свободным
сечением — до 0,4-0,5 м2/ м2.
По способу организации движения газа и жидкости тарелки
классифицируются на следующие группы: перекрестного типа, прямоточные, проти-
воточные. Наибольшее распространение нашли тарелки перекрестного типа.
К ним относятся колпачковые, ситчатые, клапанные, с ^-образными
элементами (рис. 5.72) и колпачково-ситчатые.
А
Газы
Рис. 5.71. Тарельчатые скрубберы:
а — скруббер с провальной тарелкой: 1 — корпус; 2 — оросительное устройство;
3 — тарелка; б — скруббер с переливной тарелкой: 7 — корпус; 2 — тарелка;
3 — приемная коробка; 4 — порог; 5 — сливная коробка
229

Для предотвращения возникновения волнового режима на тарелке
вплоть до скорости газов 4,0 м/с применяют стабилизаторы пены
(соответственно аппараты получили название «пенные аппараты со
стабилизатором пенного слоя»).
Стабилизатор представляет собой сотовую решетку из вертикально
расположенных пластин, разделяющих сечение аппарата и пенный слой
на небольшие ячейки и установленную непосредственно на тарелке. Это
позволяет существенно расширить скоростной интервал пенного
режима. Наличие стабилизатора обусловливает значительное накопление
жидкости на тарелке, и, следовательно, увеличение высоты пены по
сравнению с уровнем при провальной тарелке без стабилизатора. Применение
стабилизатора позволяет существенно сократить расход воды на
орошение аппарата.
Главным параметром, определяющим гидродинамический режим,
является скорость газа. С увеличением газа уменьшаются размеры аппарата
и эффективность пылеулавливания, однако скорость можно увеличивать
лишь до определенных значений, так как резко снижается стабильность
барботажного слоя, возрастает гидравлическое сопротивление и брызго-
унос. Поэтому при расчете тарельчатых аппаратов необходимо
определить скорость газа, соответствующую устойчивой работе аппарата.
Максимально допустимую скорость газа для пенных аппаратов определяют
по формуле
vmax =(0ЛК1К2^-К3(?-35))>/р^;, (5.66)
где hT— расстояние между тарелками, м; q — линейная плотность
орошения, м2/ч.
Коэффициент К, в зависимости от типа тарелки имеет следующие
значения:
230

Тип тарелки Коэффициент К,
Колпачковая:
с круглыми колпачками 1,0
с прямоугольными колпачками 0,8
Ситчатая 1,2
Клапанная 1,15
Струйная 1,2
Струйная с отбойниками 1,4
При атмосферном и повышенном давлении К2 = 1, при вакууме К2 =
= 0,75. Коэффициент Къ = 0,00042 для струйных тарелок и Къ = 0,00034 для
остальных типов тарелок.
Если q < 10 м2/ч или q > 65 м2/ч, то в формулу (5.66) подставляются
значения #, равные соответственно 10 или 65.
Рабочую скорость принимают на 20-25% ниже, чем определенную по
формуле (5.66).
Гидравлическое сопротивление зоны контакта, т. е. тарелки со слоем
пены (в случае применения провальных тарелок оптимальной толщины),
определяется по формуле
4р = ^-7ПГ + 4Рс. (5.67)
где &ра — гидравлическое сопротивление за счет сил поверхностного
натяжения; Ат — параметр, зависящий от режима взаимодействия газов и
жидкости на тарелке; s0 — свободное сечение тарелки, м2/м2.
Величина Аро для щелевых тарелок рассчитывается по уравнению:
Ара=2^, (5.68)
и
где b — ширина щели, м; а — поверхностное натяжение на границе раздела
фаз газ-жидкость, Н/м (а = 72,8-Ю-3 Н/м), а для дырчатых — по формуле:
^ = 1,3^0!о,08^- <5-69)
Значение параметра А^ зависит от типа тарелки и режима ее работы.
Для дырчатых или щелевых тарелок со свободным сечением тарелки 0,15-
0,25 м2/м2:
Аг=38,8^'57 ^ Р^ (570)
Диаметр газопромывателя по конструктивным соображениям,
связанным с распределением газов, не должен превышать 2,5 м. В случае боль-
231

шого количества очищаемых газов необходимо устанавливать несколько
параллельных аппаратов.
Для улавливания пыли достаточно одной тарелки. Вторая тарелка
практически не способствует повышению эффективности осаждения частиц.
Удельное орошение в тарельчатых пылеуловителях поддерживается на
уровне 0,3-0,6 л/м3.
Фракционная эффективность тарельчатого пылеуловителя, так же как
и большинства других мокрых пылеуловителей, подчиняется
логарифмически нормальному закону распределения улавливаемых частиц по
размеру. Величина lg ац для тарельчатого газопромывателя имеет значение
0,15. Тогда при условии, если дисперсный состав пыли на входе в аппарат
также подчиняется логарифмически нормальному закону распределения,
эффективность очистки можно определить по формуле (5.6). Величина
^50*является функцией энергии Кч (кДж), затрачиваемой на очистку 1000
м3 газов и при условных значениях рч* = 1000 кг/м3, \1ч* = 18- Ю-6 Пас
может быть определена по формуле
4=188/С'645. (5-71)
Формула (5.71) действительна в интервале 100 < Кч < 30 000 и может быть
использована для других мокрых пылеуловителей.
Значение Кч может быть определено по формуле (5.7). Для пересчета
на значения d50, соответствующим реальным условиям, используется
формула
^5о=^о^г> (5.72)
где |ir и рч — соответствуют реальным условиям работы аппарата.
Эффективность очистки увеличивается за счет роста слоя пены. Для
учета этого влияния вводится поправка по формуле
Л„=Т!|^| . (5.73)
где Т|0 — величина эффективности, рассчитываемая без учета слоя пены.
Высота слоя пены на тарелке #п (м) рассчитывается по формуле
/г0,6 v0,5
Н»=^^ф^> (5.74)
где hQ — высота исходного слоя жидкости на тарелке, м. Определяется из
выражения
^0 Рж
232

где £с — коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки (при
толщине тарелок 4—6 мм £с = 1,6+-1,7).
Газопромыватели с подвижным слоем насадки. В этих аппаратах
улавливание пыли в основном происходит в слое подвижной насадки.
Принципиальная схема такого аппарата представлена на рис. 5.73.
Введение в пенный слой дополнительных подвижных конструктивных
элементов позволяет увеличить межфазную поверхность не столько за счет
появления новых поверхностей контакта, сколько за счет лучшей
организации структуры слоя. Насадочные тела, движущиеся во всех
направлениях с высокой скоростью, разбивают вихри газовой фазы на большое
количество мелких вихрей и струй, пронизывающих жидкую фазу. Движение
насадки приводит к удлинению их пути, в результате возрастает
межфазная поверхность и длительность контакта фаз. Кроме того, появляется
возможность работы при высоких скоростях газового потока с дополнительной
турбулизацией и обновлением межфазной поверхности при сниженных
диффузионных сопротивлениях. Увеличение
турбулентности и дополнительное развитие
межфазной поверхности способствуют
повышению значений коэффициентов массооб-
мена и пылеулавливания.
Большое свободное сечение
опорно-распределительной решетки и турбулентное
движение насадки препятствуют забиванию
аппарата, что позволяет успешно применять
аппараты с подвижной насадкой для
мокрого обеспыливания и для процессов,
сопровождающихся образованием взвесей и
осадков.
Основной фактор интенсификации
процесса пылегазоулавливания — турбулизация
газожидкостного слоя, которая достигается в
результате непрерывного и хаотического
движения элементов насадки. Поэтому для
создания высокотурбулизованных
газожидкостных систем для аппаратов с подвижной
насадкой разработаны различные типы
насадок.
В промышленных аппаратах
применяются в основном насадочные тела в виде полых
и сплошных шаров. Для увеличения
поверхности контакта фаз полые шары
изготавливают со сквозными отверстиями, лопастями
Рис. 5.73. Газопромыватель с
подвижной насадкой:
/ — опорная тарелка; 2 — шаровая
насадка; 3 — отражательная
тарелка; 4 — ороситель; 5 — брызгоуло-
витель
233

ш гя
каплевидной формы, а сплошная шаровая насадка — в виде соединенных
упругой приставкой половинок, со сквозными каналами, а также с
рисками и гофрами на поверхности.
На практике также используют кольцевые насадки с гладкой
поверхностью и перфорированными поверхностями. К разновидностям
кольцевых насадок относятся насадочные тела в виде сплошных труб и
цилиндров с турбулизаторами различной формы. Получили распространение
сложные конструкции элементов насадки, выполненные в виде взаимо-
пересекающихся дисков, полос, шипов, колец и двойной спирали.
Имеются полые и перфорированные
насадочные тела больших
размеров, внутри которых помещены
тела небольшого диаметра.
Предпочтение отдается более
практичной шаровой насадке из-за ее
большой подвижности и лучшей
обтекаемости. Основные
разновидности насадки
цилиндрической и сферической формы
представлены на рис. 5.74.
В качестве материала для
изготовления насадки обычно
используются резина, пластмасса и другие материалы, плотность которых меньше
воды. Однако в некоторых случаях, например, когда аппарат работает при
высоких температурах воздушного потока, в качестве насадки используют
тонкостенные, стальные шары. Разработаны технические условия изготовления
шаровой насадки из пористой резины, обладающей высокой стойкостью к
износу.
Разработано большое количество конструкций газоочистных аппаратов
с подвижной насадкой, многие из которых являются комбинированными.
Оптимальным режимом работы является режим развитого
псевдоожижения. Скорость газа v'r, соответствующая началу режима развитого
псевдоожижения, определяется по эмпирическим выражениям в зависимости
от конструкции аппаратов. Одна из формул представлена ниже:
Рис. 5.74. Насадки сферической (а) и
цилиндрической (б) формы
(<1
■ = csn
-12,6
(5.76)
где dm — диаметр шаровой насадки, м; с — коэффициент (при ширине щели
в опорной тарелке b = 2 мм, с = 2,8-103 при Ъ > 2 мм с = 4,6-103).
Предельно-допустимая скорость газа, при которой резко возрастает
гидравлическое сопротивление и насадка «прилипает» к верхней
ограничительной решетке, рассчитывается по формуле
234

.-0,15
(5.77)
Минимальная статическая высота слоя насадки #ст (м) составляет
5—8 диаметров шаров, а максимальная определяется из соотношения
HJDm<l.
Для расчета гидравлического сопротивления имеются различные
подходы, однако, все они основаны на эмпирических уравнениях. В
большинстве случаев предлагается определять общее гидравлическое
сопротивление в виде суммы сопротивлений сухой решетки Арср, слоя сухой насадки
Арсн и жидкостного слоя Аргж :
Ар = Арср+Арсм + Аргж (5.78)
Для отдельных видов аппаратов предложено определять
гидравлическое сопротивление по специально разработанным номограммам или по
формулам. Так, для аппарата с инерционно-турбулентной подвижной
насадкой, сочетающего в себе элементы аппаратов с подвижной насадкой и
газопромывателя ударно-инерционного действия такая формула имеет вид:
Я°.23
/V = 2465vr°'77C3-^r, (5.79)
где И0 — высота исходного уровня жидкости, м.
Расчет эффективности пылеулавливания аналогичен расчету в пенных
пылеуловителях. Величина lg а для газопромывателя с подвижной
насадкой имеет значение 0,15. При этом после расчета по формуле (5.6)
производят пересчет с учетом высоты слоя подвижной насадки:
Л = Л0
(Н„,
(5.80)
0,09
ч
где Г|0 — величина эффективности, рассчитываемая без учета слоя
подвижной насадки.
Динамическая высота слоя подвижной насадки рассчитывается по
формуле
Нлт =0,118 Q^Hl
\0,93
(5.81)
Кроме этого, эффективность аппаратов с подвижной насадкой может
определяться при помощи кривых фракционных степеней очистки.
При пылеулавливании рекомендуется применять удельное орошение —
в пределах 0,5-0,7 л/м3. Доля свободного сечения принимается в пределах
0,4 м2/м2.
235

Вследствие применения повышенных скоростей газа, аппараты с
подвижной насадкой имеют несколько меньшие габариты, а также несколько
большую эффективность очистки, чем у пенных аппаратов.
Аппараты с подвижной насадкой находят широкое применение в
случае необходимости одновременной очистки от взвешенных веществ и от
газообразных загрязнителей.
Газопромыватели ударно-инерционого действия. К аппаратам ударно-
инерционного действия относится большая часть мокрых
пылеуловителей, у которых контакт жидкости с газами осуществляется за счет удара
газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием
газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации. В
результате такого взаимодействия образуются капли диаметром 300—400 мм.
Особенностью аппаратов ударно-инерционного действия является полное
отсутствие средств для перемещения жидкости, поэтому вся энергия,
необходимая для создания поверхности контакта фаз, подводится через
газовый поток. В связи с этим такие газопромыватели иногда называют
«аппараты с внутренней циркуляцией жидкости».
Важное значение для нормальной эксплуатации газопромывателей
этого класса имеет поддержание постоянного уровня жидкости в аппарате.
Даже незначительное отклонение уровня жидкости может привести к
резкому снижению эффективности или значительному увеличению
гидравлического сопротивления.
Шлам из аппарата может удаляться через гидрозатвор периодически
или непрерывно. При использовании последнего теряется основное
достоинство ударно-инерционных аппаратов — снижение удельного расхода
воды. Наибольшее распространение получили следующие аппараты.
Скруббер Дойля (рис. 5.75). В аппарате газовый поток поступает через
трубы, в нижней части которых установлены конусы, увеличивающие ско-
Жндкость Рис. 5.75. Скруббер Дойля
236

рость газов в свободном сечении трубы. Скорость газов непосредственно в
щели на выходе из трубы составляет 35-55 м/с, и газовый поток с достаточно
высокой скоростью ударяется о поверхность жидкости, создавая завесу из
капель. Уровень жидкости в скруббере (в статическом состоянии) на 2—3 мм
ниже кромки трубы. Гидравлическое сопротивление газопромывателя в
зависимости от скорости истечения и высоты исходного уровня жидкости
составляет 500—4000 Па. Удельный расход жидкости — 0,13 л/м3. Этот
аппарат нашел наибольшее применение зарубежом.
Ротоклон типа РПА (рис. 5.76) является другим типичным
представителем газопромывателей ударно-инерционного действия.
Аппарат отличается от других аппаратов тем, что щелевой контактный
канал смонтирован в стенках плавающей камеры, которая одновременно
является и камерой загрязненного газа. Основное отличие от остальных
аппаратов данного типа — автоматическое поддержание гидравлического
сопротивления на постоянном уровне при изменении расхода газа в
широком диапазоне — до ±30% от номинального. Недостатками аппаратов
этого класса являются большая металлоемкость и ограничение по
производительности. Гидравлическое сопротивление от 2500 Па до 3500 Па.
Производительность 2000-12 000 м3/ч.
Газы
Газы
Рис. 5.76. Ротоклон саморегулирующий:
7 — корпус; 2 — балластировочный груз; 3 — плавающая камера;
4 — тяга; 5 — контактный канал (импеллер); 6 — импеллерный отсек;
7 — окно (прохода) промывной жидкости; 8 — штуцер для слива
жидкости; 9 — газоход для подвода газов в аппарат; 10 — перегородка;
77 — газоходный отсек; 12 — штуцер для заливки промывной
жидкости и подпитки
237

Газопромыватель типа ПВМ (рис. 5.77). Изготавливается совместно с
вентилятором. Запыленный газ поступает через отверстия в боковой
стенке. При включении вентилятора уровень воды в среднем отсеке
пылеуловителя между двумя симметричными перегородками устанавливается
ниже, чем за перегородкой 3. В результате между поверхностью воды и
каждой перегородкой 2 образуется щель, через которую газовый поток
устремляется с большой скоростью в виде плоской струи, частично увлекая за
собой воду. Встречая на своем пути перегородку 3, струя отклоняется вверх,
причем на поверхность перегородки, смоченную водой, осаждаются
сепарирующиеся из струи частицы пыли. Увлеченная газовым потоком вода
перетекает вверх по перегородке 3, отклоняется водоотстойником и
сливается в крайний отсек. Газы проходят через каплеуловитель и
выбрасываются наружу вентилятором.
При оценочном расчете ударно-инерционных пылеуловителей
используется энергетический метод (5.6), (5.7), (5.71). При этом Кч принимается
равным Ар, a lg ац = 0,29.
Рис. 5.77. Газопромыватель типа ПВМ:
/ — корпус; 2, 3 — перегородки; 4 — брызгоотстойник; 5 — каплеуловитель; б— вентилятор; 7— входной
патрубок; 8— регулятор уровня жидкости; 9—задвижка
238

Центробежные газопромыватели. Принцип использования
центробежной силы для улавливания частиц пыли, широко используемый в
циклонах, нашел применение в целом ряде мокрых аппаратов.
Осаждение частиц в центробежном скруббере происходит за счет
суммарного действия двух механизмов: центробежного, перемещающего
частицы к стенкам аппарата, и инерционного, способствующего осаждению
частиц на каплях орошающей жидкости.
Центробежные скрубберы конструктивно можно разделить на два вида:
аппараты с тангенциальным подводом газов (рис. 5.78), и аппараты, в
которых вращение газового потока осуществляется с помощью специальных
направляющих лопаток (рис. 5.79).
К аппаратам первого типа относится циклон с водяной пленкой (ЦВП) —
один из наиболее распространенных газопромывателей (рис. 5.80). Аппарат
выполнен в виде цилиндрической обечайки 7 с плоской крышкой и
нижним конусом 7. Патрубки для ввода и вывода газа подсоединены к цилиндру
тангенциально, что обеспечивает вращательное движение газа. Орошение
стенок аппарата осуществляется с помощью сопел 6. Для смыва пылевых
Рис. 5.78. Центробежный скруббер
с тангенциальным подводом газов:
/ — лопатки для выравнивания потока; 2 —
центральный диск; 3— система орошения; 4—устройство для
ввода газов; 5 — вращающаяся заслонка на входе;
6 — шток; 7— патрубок для шлама; 8— патрубок для
подвода орошающей жидкости
Рис. 5.79. Центробежный скруббер
с внутренним завихрителем:
7 — раскручиватель для выравнивания потока;
2— ороситель; 3— завихритель; 4— емкость для
сбора жидкости; 5— насос
239

наростов применяют сопло 3. С целью
предотвращения брызгоуноса сопла
установлены по касательной по ходу вращения газа
под углом 30° к горизонту. Питание сопел
осуществляется через коллектор 4. Циклон
ЦВП выпускается и в скоростном
исполнении. В последнем случае во входном
патрубке устанавливается вставка, которая
уменьшает сечение входного патрубка и
соответственно увеличивает скорость газа в
патрубке до 30-40 м/с вместо 16-25 м/с.
Скорость газа в свободном сечении не
превышает 6 м/с. Коэффициент
гидравлического сопротивления, отнесенный к
скорости газового потока, составляет от 30 (для
основного исполнения) до 78 (для
скоростного исполнения).
Механические газопромыватели.
Характерной особенностью механических
газопромывателей является наличие
вращающегося устройства (ротора, диска и
т. д.), которое обеспечивает
разбрызгивание и перемешивание жидкости или
вращение газового потока. В зависимости от
способа подвода механической энергии
аппараты этого типа подразделяются на
две группы. К первой группе, которая
получила название «механические
скрубберы», относятся газопромыватели, в
которых очищаемые газы приводятся в
соприкосновение с жидкостью при помощи
вращающегося тела (весла, диски,
барабаны). В настоящее время такие
аппараты практически не применяются для очистки газов от пыли.
Ко второй группе относятся центробежные механические
газопромыватели, в которых дополнительная подводимая механическая энергия
служит для вращения газового потока. Такие аппараты получили название
динамических газопромывателей. Динамические газопромыватели
отличаются от сухих ротационных пылеуловителей только подводом
орошающей жидкости, которая способствует росту их эффективности.
Один из представителей газопромывателей этого типа — циклонно-
ротационный пылеуловитель ЦРП — представлен на рис. 5.81. Запылен-
Рис. 5.80. Центробежный скруббер с
внутренним завихрителем:
/ — раскручиватель для выравнивания
потока; 2 — ороситель; 3 — завихритель;
4— емкость для сбора жидкости; 5— насос
240

Рис. 5.81. Циклонно-ротационный пылеуловитель
ный газ по штуцеру 3 поступает в первую ступень аппарата. Благодаря
тангенциальному подводу газ приобретает вращательное движение и
перемещается по винтовой линии сверху вниз. Под действием
центробежных сил наиболее крупные частицы отбрасываются к смачиваемой стенке
аппарата и поступают в бак 1. Затем газовый поток всасывается в
центральную трубу 9 и попадает в полость вращающегося ротора. Сюда же с
помощью насоса /0 подается осветленная вода из бака 1. Газожидкостная
смесь с большой скоростью выбрасывается из каналов ротора, смоченные
частицы пыли при этом ударяются о стенку аппарата и смачиваются
жидкостью, направляясь в нижнюю циклонную часть, а затем в бак /.
Очищенный газ выводится из аппарата через штуцер 11. ЦРП обладает рядом
преимуществ: может работать автономно (без вентилятора), эффективно
улавливается пыль размером менее 10 мкм.
16-4543 ~л.

В механических газопромывателях не вся энергия вращения является
полезной: большая часть ее теряется в приводных устройствах и
расходуется на трение движущихся частей. Это необходимо учитывать при
расчете расхода энергии и ориентировочной оценке эффективности пылеочис-
тки энергетическим методом.
Скоростные газопромыватели. В скоростных газопромывателях
происходит интенсивное дробление газовым потоком, движущимся с высокой
скоростью (до 150 м/с), орошающей жидкости. Частое использование для
этой цели труб Вентури привело к тому, что скоростные пылеуловители
называют «скрубберы Вентури».
Скрубберы Вентури являются наиболее эффективными аппаратами
мокрого пылеулавливания. Общей конструктивной особенностью этих
аппаратов является наличие трубы распылителя (рис. 5.82), в которой
непосредственно происходит процесс дробления, и установленного за ней
каплеуловителя.
ь^ >П^ ►!
Рис. 5.82. Нормализованная труба Вентури:
/ — конфузор; 2 — горловина; 3 — диффузор
В скруббере Вентури при улавливании пыли размером 1 мкм и более
решающее значение имеют инерционные силы. Диффузионные силы
приобретают решающее значение при осаждении частиц размером
менее 0,1 мкм.
Скрубберы Вентури отличаются высокой степенью очистки и
большими гидравлическими потерями. По гидродинамическим характеристикам
скрубберы Вентури подразделяются на высоконапорные (до 20 000 Па) и
низконапорные (3000-5000 Па).
Разработан большой ряд конструкций скрубберов Вентури,
отличающихся сечением и длиной горловины, способом подвода орошающей
жидкости, компоновкой и т. д. По конфигурации поперечного сечения трубы
Вентури подразделяются на щелевые, кольцевые и круглые. При
переменных расходах газа необходимо регулирование скруббера, что достигается в
основном изменением сечения трубы Вентури.
В зависимости от подвода жидкости можно выделить основные типы
аппаратов (рис. 5.83):
— с центральным подводом жидкости в конфузор;
242

Рис. 5.83. Конструкции труб Вентури:
а — центральное форсуночное орошение; б— периферийное орошение; в — пленочное орошение;
г — с подводом жидкости за счет энергии газового потока
— с периферийным орошением;
— с пленочным орошением;
— с подводом жидкости за счет энергии газового потока.
Скрубберы Вентури с центральным орошением. В скрубберах подобного
типа подача орошающей жидкости осуществляется форсунками,
установленными перед конфузором или непосредственно в нем. Давление перед
форсунками обычно составляет от 0,2 до 0,3 МПа. В основном
применяются центробежные (механические эвольвентные, цельнофакельные и др.)
форсунки.
Скрубберы с периферийным орошением. Периферийный подвод
орошающей жидкости возможен в горловину или в конфузор. При таком
подводе жидкости возможна прочистка отверстий в соплах орошающих
устройств, исключается абразивный износ орошающих устройств и
образование на них отложений.
Скрубберы с пленочным орошением. Подвод жидкости осуществляется в
щелевых трубах-распылителях. Применяется для предотвращения
образования отложений на стенках диффузора и конфузора и для орошения
трубы, загрязненной оборотной жидкостью.
Скрубберы Вентури с подводом жидкости за счет энергии газового
потока еще называют «бесфорсуночные скрубберы Вентури». Они
применяются в качестве абсорберов, но могут использоваться и для пылеулавливания,
особенно при орошении оборотной жидкостью с большим количеством
взвеси. Газы, подаваемые на очистку, контактируют с поверхностью
жидкости, находящейся в приемной чаше или другой емкости, захватывают и
увлекают жидкость за собой в виде брызг и капель в трубку-распылитель.
16*
243

В качестве каплеуловителя в скруббере Вентури могут применяться
сепараторы различных конструкций, однако наибольшее распространение
получили циклоны (см. рис. 5.64), коленные сепараторы, разделительные
емкости, сепараторы с закручивающими элементами. Реже в качестве
уловителей за трубами Вентури используются пенные аппараты, полые и на-
садочные скрубберы, электрофильтры.
В отечественной промышленности широкое применение нашли
высоконапорные трубы ГВПВ, скрубберы с кольцевым сечением горловины
типа СВ-Кк (рис. 5.84), коагуляционный мокрый пылеуловитель типа
КМП (рис. 5.85).
Газы
Шлам
Рис. 5.84. Скруббер с кольцевым
сечением горловины типа СВ-Кк:
/ — труба Вентури; 2 — регулирующая вставка с
эллиптическим обтекателем; 3— циклон-капле-
уловитель; 4 — конический центробежный
завихритель
Рис. 5.85. Коагуляционный мокрый
пылеуловитель типа КМП:
7 — труба Вентури; 2,3 — штуцеры для подвода
воды соответственно в трубу Вентури и каплеуло-
витель; 4— циклон-каплеуловитель; 5—
гидрозатвор для отвода шлама
Расчет скруббера Вентури. Ведется в следующем порядке.
1. Определяют геометрические параметры скруббера (см. рис. 5.82)
Диаметр горловины трубы по формуле
D =
а
j 900 тс v/ <5'82)
где Qr — расход газа, м3/ч; v — скорость движения газа в горловине трубы
244

Вентури, м/с. Длина горловины /г = 0,15 D. Угол сужения принимается а{ =
= 25-^-28°. Длина конфузора
,_ (д-р)
'' = 2tg(a,/2)' <5-83>
где jDj —диаметр входного сечения, м; определяется исходя из скорости газа
в воздуховоде. Угол раскрытия принимается ос2 = 6-*7°. Длина диффузора:
/2 = 2tg(a2/2)' <5-84>
Диаметр входного отверстия форсунки, м
i=i—^
0,73^7^7^' (5'85)
где Р — давление жидкости (принимаем 150 Па); Qx — скорость
жидкости, м3/с.
Скорость жидкости определяется исходя из удельного расхода
жидкости т, составляющего обычно от 0,5 до 1,5 л/м3.
2. Определяется гидравлическое сопротивление аппарата.
Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури складывается из
гидравлических сопротивлений трубы Вентури и каплеуловителя, причем
основная часть потерь энергии приходится на трубу Вентури. Обычно
гидравлическое сопротивление трубы Вентури при подаче в нее орошающей
жидкости описывают уравнением
Ар = Арг + Арж, (5.86)
где Ар — гидравлическое сопротивление трубы Вентури, Па; Арг —
гидравлическое сопротивление трубы Вентури, обусловленное движением газа
(без подачи орошения), Па; АРЖ — гидравлическое сопротивление трубы
Вентури, обусловленное вводом орошающей жидкости, Па.
Определяют сопротивление трубы Вентури обусловленное движением
газа (без подачи орошения)
Дрг = С,.^-, (5-87)
где £г — коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы. При
10D > /r > 0,15Z) коэффициент гидравлического сопротивления сухой
трубы определяется из соотношения
^г =0,165 +
0,034/г
/
0,06 + 0,028^ |М, (5.88)
D
где М = vB/v3B — число Маха; v3B — скорость звука.
245

Определяют гидравлическое сопротивление трубы Вентури,
обусловленное вводом орошающей жидкости:
Држ = Сж^™> (5.89)
где т — удельный расход орошающей жидкости, м3/м3; £ж — коэффициент
гидравлического сопротивления, учитывающий ввод в трубу Вентури
орошающей жидкости, определяется из таблицы 5.30.
Таблица 5.30
Формулы для расчета коэффициента £ж
Способ подвода орошения
Центральный подвод
орошения, предварительное
дробление орошающей жидкости,
пленочное орошение
Периферийное орошение в кон-
фузоре
Батарея труб Вентури
Скорость
газа vr, м/с
>60
<60
>80
<80
40-150
Длина
горловины
трубы, /г, м
(0,15-12,0)/)
0,15/)
0,15/)
Формула
Сж= 1,68^ (IJDfv-m* -\
где Ъ= 1,121 (/у/))-0045
где Ъ = 0,98 (IJDf-M 1
^ = 0.215 ^/"-°'и
3. Рассчитывают эффективность очистки, используя
вероятностно-энергетический метод [формулы (5.6), (5,7), (5.71), (5.72)]. Величина lg оц
принимается равной 0,29.
5.5. ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ
Теоретические основы осаждения пыли в электрофильтре изложены в
главе 4.
Электрофильтр представляет собой аппарат с вертикальным и
горизонтальным движением газового потока, в котором размещены
осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды заземлены, а к
коронирующим подводится выпрямленный электрический ток высокого
напряжения от преобразовательной подстанции.
Конструктивная схема электрофильтра представлена на рис. 5.86.
Между двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В
пространство между плоскостями поступает запыленный газ. В поле коронного
разряда частицы заряжаются и движутся к осадительным плоскостям, с которых
они периодически удаляются.
Процесс очистки газов в электрофильтре можно разделить на стадии:
зарядка взвешенных частиц в поле коронного разряда, движения заря-
246

Электрофильтр
Агрегат питания
3 4
Рис. 5.86. Схема электрофильтра:
1 — выключатель; 2 — предохранительное устройство; 3 — регулятор напряжения; 4 — трансформатор;
5— выпрямитель; 6— кабель; 7— изолятор; 8 — осадительный электрод; 9 — коронирующий электрод;
10— заземление
женных частиц к электродам, осаждение частиц на электродах, удаление
осажденных частиц с поверхности электродов. (Рассмотреть
самостоятельно.)
Преимущества электрических фильтров:
— низкие энергозатраты (0,1—0,5 кВч) на 1000 м3 газов;
— высокая степень очистки газов — до 99% и выше при улавливании
частиц любых размеров;
— низкое газодинамическое сопротивление (100-150 Па);
— возможность работы в агрессивных средах;
— возможность очистки высокотемпературных газов;
— возможность полной автоматизации; процессы регулирования
напряжения, удаление с электродов уловленных частиц и выгрузки
пыли в электрофильтрах могут быть полностью механизированы и
автоматизированы;
— широкий диапазон применения;
— возможность очистки как от твердых, так и от жидких частиц.
Однако удельные капитальные затраты для установок электрической
очистки газов возрастают с уменьшением их единичной
производительности. По этим соображениям сухие электрофильтры применяют, если
количество очищаемых газов более 80-100 тыс. м3/ч.
Мокрые электрофильтры применяют и для очистки меньших количеств
газов, особенно при очистке вентиляционного воздуха от жидких частиц,
когда напряжение, подаваемое на электроды, не превышает 10-15 кВ.
Недостатки электрических фильтров:
— высокая чувствительность процесса фильтрации к отклонениям от
заданных параметров технологического режима и к механическим
дефектам в активной зоне аппаратов;
247

— высокая требовательность к уровню обслуживания;
— невозможность очистки от взрывоопасной пыли.
Конструкция электрофильтра в основном определяется
технологическими условиями его работы: составом и свойствами очищаемых газов и
частиц пыли, температурой, давлением и влажностью газов, требуемой
степенью очистки и другими факторами.
Классификация электрических фильтров. Электрофильтры
разделяются на однозонные и двухзонные аппараты. В однозонных электрофильтрах
зарядка и осаждение частиц пыли производится в одной конструктивной
зоне электродов, а в двухзонных аппаратах зарядка и осаждение пыли
происходит в двух последовательных зонах — ионизаторе и осадителе.
Двухзонные электрофильтры применяются в основном для очистки
вентиляционного воздуха, а однозонные аппараты получили широкое применение
для улавливания пыли почти во всех отраслях промышленности.
В зависимости от количества последовательно расположенных
электрических полей электрофильтры подразделяются на однопольные и
многопольные, а в зависимости от числа параллельных аппаратов — на одно- и
многосекционные. В зависимости от направления газового потока в
активной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и
вертикальные.
По конструкции осадительных электродов электрофильтры
подразделяются на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах
осадительные электроды выполняются в виде параллельных
поверхностей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых
электрофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого,
овального или шестигранного сечения.
Осадительные электроды должны удовлетворять следующим
требованиям:
— обладать достаточной механической прочностью и жесткостью;
— иметь гладкую без острых кромок поверхность;
— обладать высокими аэродинамическими характеристиками;
— обеспечивать эффективное встряхивание осажденной пыли.
Гладкая поверхность осадительного электрода необходима для
обеспечения максимальной напряженности электрического поля. Гладкие
электроды просты в изготовлении, хорошо встряхиваются, однако
обладают существенным недостатком, связанным с повышенным вторичным
уносом пыли при встряхивании ее с электродом.
По этой причине гладкие (плоские) осадительные электроды
применяются при скоростях газов не более 1 м/с. В то же время для обеспечения
надежной работы в условиях высоких температур и сильных вибраций
конструкция осадительного электрода должна обеспечить минимальный
вторичный унос пыли и обладать достаточной механической прочностью.
248

Рис. 5.87. Типы осадительных электродов:
а — гладкие; б— прутковые; в — коробчатые (тюль-
панообразные); г — желобчатые; д — С-образные;
е — широкополосные С-образные; ж — трубчатые;
з — сотовые; / — осадительные электроды;
2 — коронирующие электроды
1 2
ооооооооооооооооооооооо
ооооооооооо
ООООООООООООООООООООООО
б
о о о о о о
в
ооооооооооо
gogofogogogogofogogog©
G-OC-OO-OC-^ЭСг^ЭС-ОСг^ЭС^ЭСг^ЭО-ОСгЧЭ
о0о офоофоофоофоофоофоофоофоофоофо
&-ос-^эо-ос-^эо-^эс--э&-^эе--эсг-ос^эсг^э
Основные конструкции
осадительных электродов представлены
на рис. 5.87. Наиболее
распространенными электродами в сухих
пластинчатых электрофильтрах
являются прутковые, коробчатые,
С-образные.
Исследования, проведенные в
НИИОгаз, показали, что наиболее
полно требованиям к осадитель-
ным электродам удовлетворяют
С-образные электроды,
прокатываемые из стальной ленты. По
сравнению с другими электродами они
выгодно отличаются пониженной
металлоемкостью (удельная масса
20 кг/м2), имеют высокие
аэродинамические характеристики,
хорошо встряхиваются. Кроме того, на
С-образных электродах
равномерно распределяется осажденная
пыль.
К коронирующим электродам
предъявляются следующие
основные требования:
— точная форма — для созда-
ния интенсивного и
достаточно однородного коронного разряда;
— механическая прочность и жесткость — для обеспечения
надежности и долговечности работы электрофильтра в условиях вибрации,
воздействия механизмов встряхивания и пылегазового потока;
— простота изготовления и низкая стоимость; поскольку в
современных высокопроизводительных аппаратах длина коронирующих
электродов составляет десятки километров, это требование очень
существенно;
— стойкость к агрессивным средам.
По характеру коронирования электроды подразделяются на две груп-
А
О О О/О О
о о о о
офо офо офо офо офо офо офо офо офо офо
0 Щ
249

пы: без фиксированных точек ионизации и с фиксированными точками
ионизации. В электродах первой группы разрядные точки расположены
вдоль поверхности электрода; они непостоянны как по месту
расположения, так и по времени. Для обеспечения коронирования такие электроды
изготавливают с достаточно малым радиусом кривизны, но при этом
должна обеспечиваться жесткость электрода при выборе его поперечного
сечения (рис. 5.88, а).
Конструкция коронирующих электродов второй группы обеспечивает
фиксацию точек коронирования по их длине. У таких электродов
ионизация происходит с поверхности шипов или игл, расположенных на
определенном расстоянии друг от друга. Изменяя расстояние между шипами или
иглами, а также меняя высоту шипов, можно управлять коронным
разрядом. В зависимости от свойств пылегазового потока и улавливаемой пыли,
а также условий работы электрофильтра чаще всего применяют различные
1 2
II / /
о ♦ <=>
12 3 4
+ +
п
V
и и
1 Г
У [
п г
1 ШН
Г 111
1 Р 1
J I |l 11_1
V ^Г1 °0° Ц] ^^ ап соп ап
8 9 10 11 12 13 14 15
16 17
Рис. 5.88. Типы коронирующих электродов:
а — без фиксированных точек ионизации; б — с фиксированными точками ионизации; / — круглый
провод; 2 — штыкового сечения; 3 — ленточный; 4 — спиральный; 5 — канатный; 6 — ленточный с
изгибами; 7— крестообразный; 8-11 — игольчатые; 12 — колючая проволока; 13 — ленточно-зубча-
тый; 14 — полоса «экспалит»; 75 — пилообразный; 16, 17 — с фиксированными выступами
250

типы игольчатых электродов (рис. 5.88, б). Использование игольчатых
коронирующих электродов дает возможность получить коронный разряд с
заданной неравномерностью при пониженных значениях токов, что в
целом является благоприятным фактором.
Конструкция электрофильтров. Основными конструктивными
элементами электрофильтров являются: система осадительных и коронирующих
электродов; устройства встряхивания (смыва) осевшей пыли с электродов;
узлы газораспределения в аппарате; корпус, где размещается механическое
оборудование; узлы подвода и отвода очищаемых газов; устройства для
вывода из аппарата уловленного продукта; узлы ввода в электрофильтр тока
высокого напряжения.
Системы встряхивания и промывки электродов. По способу удаления
пыли с электродов различают сухие и мокрые электрофильтры. В сухих
электрофильтрах пыль с электродов удаляется с помощью механизмов
встряхивания, осыпается в бункер и поступает в систему пылеудаления. В мокрых
аппаратах осевшие частицы пыли смываются с электродов водой.
Осадительные электроды встряхивают путем сообщения электродам
возмущающего усилия, способного оторвать накопившийся на их
поверхности слой пыли. Очистка поверхности происходит лучше, если электроду
сообщается большее ускорение, однако при увеличении силы удара
появляется опасность механического повреждения как электродов, так и систем
их подвески.
В сухих электрофильтрах для удаления пыли с осадительных электродов
применяются следующие системы встряхивания: ударно-молотковая
система, пружинно-кулачковый механизм, магнитно-импульсное и
вибрационное встряхивания. Устройство ударно-молотковой системы встряхивания,
которое, как показала практика,
является наиболее эффективной,
приведено на рис. 5.89.
В ударно-молотковой системе
встряхивание электродов
осуществляется поочередно молотками шар-
нирно-рычажного типа,
укрепленными на валах со смещением по
винтовой линии относительно друг
друга на 24°. Валы встряхивания
каждого поля приводятся во вращение
электродвигателем с редуктором с
частотой вращения 0,3 об/мин.
Удар молотка передает энергию
осадительному электроду, элементы
которого начинают колебаться. Для
Рис. 5.89. Ударно-молотковое встряхивание:
/—элемент осадительного электрода; 2— вал
встряхивания; 3 — молоток; 4 — полоса встряхивания
251

эффективного удаления пыли с осадительных электродов необходимо
встряхивающие ускорения порядка (100*150) g. Наиболее полно этим
требованиям удовлетворяют С-образные широкополосные электроды с
ударно-молотковой системой встряхивания. Для эффективного встряхивания С-образные
элементы должны иметь надежный контакт с полосой встряхивания.
Пружинно-кулачковая система не обеспечивает интенсивного
соударения электродов при встряхивании, имеет сложности в обслуживании и
регулировке, поэтому в последнее время не используется.
В магнитно-импульсной системе производится удар по штанге
встряхивания стальным плунжером, входящим в состав электромагнита
постоянного тока. Несмотря на возможность регулирования интенсивности
встряхивания в широких пределах, из-за трудностей конструктивного
характера не находит широкого применения.
Вибрационное встряхивание осуществляется электромагнитными виб-
Рис. 5.90. Корпус пластинчатого горизонтального электрофильтра:
/ — колонна постамента; 2 — опорный пояс корпуса; 3 — бункер форкамеры; 4 — правая стенка форка-
меры; 5 — левая стенка форкамеры; 6— крышка форкамеры; 7— балка крышки корпуса; 8 —
монтажный проем; 9 — стенка левая; 10 - утопленная изоляторная коробка; 11 — стенка правая; 12 — балка
крышки корпуса; 13 — горловина люка обслуживания; 14 — опорный карниз для установки
осадительных электродов; 15 — стойка корпуса; 16 — площадки обслуживания; 17— горловина люка
обслуживания; 18 — скользящая опора корпуса; 19 — бункер электрических полей
252

Рис. 5.91. Газораспределительное
устройство:
/ — лопатки; 2 —
газораспределительная решетка
раторами. Существенным недостатком,
сдерживающим его широкое применение,
является усталостное разрушение
металлоконструкций электрофильтра.
При проектировании системы
встряхивания важно найти оптимальное
соотношение между мощностью встряхивания и
обеспечением надежности и долговечности
оборудования электрофильтра.
Корпуса и газораспределительные устрой-
ства. Корпус пластинчатого
электрофильтра (рис. 5.90) представляет собой
прямоугольную камеру, выполненную в виде
прямоугольных рам, несущих на себе
основные элементы оборудования.
Снаружи корпуса электрофильтров покрывают слоем теплоизоляции,
которая предупреждает появление температурных деформаций и
препятствует конденсации влаги на внутренних стенках корпуса.
Для равномерного распределения газов по сечению электрофильтра
аппарат снабжен газораспределительным устройством (рис. 5.91),
состоящим из одной или нескольких газораспределительных решеток, перед
которыми обычно устанавливают направляющие лопатки. Живое сечение
решеток составляет 35-45%. Для предохранения от залипания пылью в
отдельных случаях, обусловленных технологическими условиями, они
снабжаются механизмами встряхивания.
Агрегаты питания электрофильтров. Высокое напряжение на
электрофильтры (60-80 кВ) подается от повысительно-выпрямительных
устройств, которые в технической литературе получили название «агрегаты
питания электрофильтров» (см. рис. 5.86). Система электрический
фильтр — агрегат питания работает в режиме оборотной связи (рис. 5.92):
любое изменение в активной зоне электрического фильтра отражается в
режиме работы агрегата питания.
Разработано достаточно много способов автоматического
регулирования напряжения: системы регулирования по заданному току и напряже-
LT^-LJ U
Обратная связь
Рис. 5.92. Блок-схема электрофильтр—агрегат питания:
- регулятор; 2 — повышающий трансформатор; 3 — выпрямитель; 4 — электрофильтр
253

нию; по дуговому пробою в фильтре; по заданному числу искровых
разрядов в электрофильтре; по максимальному значению мощности коронного
разряда; по максимальному среднему напряжению.
Конструкция агрегата питания состоит из двух основных блоков:
«бака», в котором размещены высоковольтный трансформатор и
выпрямительное устройство, и «шкафа», в котором находится электрическая и
электронная аппаратура, осуществляющая управление работой агрегата.
На коронирующие электроды подается отрицательное напряжение. Это
вызвано тем, что при отрицательной короне величины пробивных
напряжений в разрядном промежутке значительно большие, чем при
положительной короне.
В настоящее время используются агрегаты питания типов АФАС, АРС,
АИФ, АУФ, АТФ с автоматическим регулированием напряжения. Буквы в
названиях агрегатов обозначают: А — агрегат; Ф — для фильтров; С — с
селеновым выпрямительным устройством; И — с регулированием по числу
искрений; У — универсальный; Т — тиристовый. Все указанные типы
агрегатов — однофазные.
Агрегаты питания электрофильтров устанавливаются в отдельном
помещении — подстанции. Кроме агрегатов питания, в подстанции
установлены системы управления и сигнализации аппаратов и механизмов
установки электрической очистки газов. Питание к подстанции, где установлены
агрегаты, подводится от заводских понизительных подстанций.
Трехфазный переменный ток напряжением 380—500 В подается по кабелям на
распределительный щит подстанции.
Основные типы электрофильтров. Наибольшее распространение в
промышленности нашли следующие электрофильтры.
1. Сухие электрофильтры.
— У Г — унифицированный горизонтальный электрофильтр для
очистки газов температурой до 250 °С. Применяется для очистки от
пыли дымовых газов, аспирационного воздуха и других
промышленных газов;
— УГТ — унифицированный горизонтальный высокотемпературный
электрофильтр для очистки газов температурой до 425 °С.
Применяется в основном в химической промышленности, в черной и
цветной металлургии, в цементной промышленности;
— УВП — вертикальный пластинчатый электрофильтр,
предназначен для улавливания угольной пыли;
— ЭГА — электрофильтр горизонтальный для очистки газов
температурой до 330 °С. Применяется для обеспыливания
неагрессивных газов в различных отраслях промышленности;
— ЭГТ — электрофильтр горизонтальный высокотемпературный для
очистки газов температурой до 450 °С. Применяется в основном в
254

химической промышленности, в черной и цветной металлургии, в
промышленности строительных материалов.
2. Мокрые электрофильтры.
— ДМ — вертикальный трубчатый электрофильтр. Применяется для
тонкой очистки доменных газов температурой до 60 °С;
— ШКМ — вертикальный трубчатый электрофильтр. Применяется
для очистки газов от тумана серной кислоты температурой до 50 °С.
Существует большое количество марок электрофильтров, многие из
которых имеют несколько типоразмеров. Для любого электрофильтра в
технической характеристике приводится площадь активного сечения,
производительность по газу, гидравлическое сопротивление, масса,
допустимая запыленность, допустимая температура.
Электрофильтры различной производительности отличаются друг от
друга высотой электродов, активной длиной электрических полей по ходу
газа, площадью активного сечения, площадью осаждения и активной
длиной коронирующих элементов в аппаратах.
Рассмотрим один из типов электрофильтров. Электрофильтры типа
УВП (рис. 5.93) применяют в электродной промышленности для сухой
Выход газа
Рис. 5.93. Электрофильтр
типа УВП:
/ — взрывной клапан; 2 — труба
подвеса коронирующей
системы; 3 — ударный шток
встряхивания коронирующих
электродов; 4 — подвес коронирующих
электродов; 5 — изолятор;
6 — осадительные электроды;
7 — коронирующие электроды;
8 — газораспределительная
решетка; 9 — приемный бункер;
10 — течка из бункера; 11 —
механизм встряхивания
электродов; 12 — подвес осадительных
электродов; 13 — изоляторная
коробка; 14 — желоб для пыли;
15 — корпус
mvj
Удаление пыли
Вход газа
255

очистки от пыли парогазовоздушной смеси, выделяющейся в атмосферу
при паровой и газовой сушке дробленого угля. Электрофильтры типа
УВП — вертикальные, однопольные, односекционные аппараты с осади-
тельными электродами карманного типа. Коронирующие электроды
выполнены в виде рам с горизонтально натянутыми нихромовыми
проводами. Вверху аппарат свободно открыт для создания безопасных условий
работы при возникновении вспышек и взрывов тонкой угольной пыли,
взвешенной в газе. На наклонных стенках в верхней части аппарата
расположены взрывные клапаны. В аппарате предусмотрены
блокировочные устройства и механизмы встряхивания осадительных и коронирую-
щих электродов.
Условные обозначения типоразмеров электрофильтра: У — угольный,
В — вертикальный, П — пластинчатый; цифры означают площадь
активного сечения.
Выбор и расчет электрофильтра. Выбор электрофильтра определяется
требуемой степенью улавливания частиц, свойствами этих частиц,
параметрами и объемом очищаемых газов, а также условиями установки
электрофильтра.
При повышенной требуемой степени очистки газов или при
необходимости повышенных требований стабильности очистки применяются
мокрые электрофильтры, вследствие отсутствия вторичного уноса.
Однако для мокрых электрофильтров характерны недостатки всех мокрых
пылеуловителей: необходимость обработки шламов и коррозия.
При выборе сухих электрофильтров следует отдавать предпочтение
горизонтальным многопольным электрофильтрам, в которых может быть
достигнута более высокая степень очистки.
Эффективность очистки газа в электрофильтре зависит от
химических и физических свойств газа, свойств пыли, напряжения, силы тока,
напряженности поля и др.
Среди свойств пыли основным является удельное электрическое
сопротивление (см. § 1.2). Пыли третьей группы (низкой проводимости)
улавливаются с большими проблемами, из-за возможного накопления на
электроде слоя отрицательно заряженных частиц, препятствующих дальнейшему
осаждению частиц. Кроме того, возможно явление обратной короны, при
котором значительно увеличивается потребляемый ток при снижении
напряжения на электродах. Пыли этой группы часто образуют на электродах
прочный изолирующий слой, трудно поддающийся удалению. К таким
пылям относятся гипс, оксиды свинца и цинка, сульфид свинца. Для
снижения УЭС можно понижать температуру пылегазового потока ниже 130 °С
или нагревать свыше 350 °С, а также добавлять в газ реагенты, например,
аммиак, сернистый ангидрид и др.
256

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть
определена по формуле Дейча, полученной теоретическим путем:
h=l-exp(-vgA (5.90)
где/— удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных
электродов, приходящаяся на 1 м3/с очищаемого газа (воздуха), м2.
Для трубчатого электрофильтра/= 2/,/(уЛ), для пластинчатого
электрофильтра/^ L/(v//), где L — активная длина электрофильтра, м; R —
радиус трубчатого осадительного электрода, м; Я — расстояние между коро-
нирующими электродом и пластинчатым осадительным электродом, м; vr —
скорость газа в активном сечении, м/с; vg — скорость дрейфа частиц, м/с.
Степень эффективности очистки, определенная теоретически,
отличается от действительной эффективности, так как исходит из
идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на
эффективность. Обычно пользуются практическими данными об эффективности,
подбирая при этом аналогичный электрофильтр. При выборе аналога
необходимо стремиться к максимальному соответствию факторов, от
которых зависит скорость дрейфа (уравнение 4.28).
Другим важнейшим параметром является скорость очищаемого газа в
активной зоне, которая определяет время пребывания частиц в активной
зоне. При ее выборе необходимо учитывать фактор вторичного уноса.
Обычно в сухих электрофильтрах принимается vr = 0,8-1,7 м/с, при
обязательном равномерном распределении скорости по сечению аппарата.
5.6. ПОДГОТОВКА ВЫБРОСОВ
ПЕРЕД ОЧИСТКОЙ
В ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ
Подготовка выбросов перед очисткой — один из перспективных
методов повышения эффективности очистки газов, так как благодаря ей
становится возможным применение аппаратов с меньшей удельной
стоимостью очистки. Обычно подготовка газов к очистке от взвешенных частиц
производится в следующих направлениях:
— охлаждение запыленных газов. В некоторых случаях отходящие газы
имеют высокую температуру. А так как наиболее эффективные
пылеулавливающие аппараты нормально функционируют при
температуре газов до 200-300 °С, подлежащие очистки газы приходится
подвергать охлаждению;
— укрупнение частиц пыли с помощью различных механизмов
коагуляции;
17-4543
257

— снижение концентрации взвешенных частиц посредством
предварительной очистки газов в простых неэнергоемких аппаратах;
— увлажнение запыленных газов. При этом снижается значение УЭС
пыли и улучшаются свойства промежутка между коронирующим и
осадительным электродами;
— подогрев газов для исключения конденсации паров воды и кислот;
— введение в газовый поток специальных добавок (аммиак,
сернистый ангидрид), интенсифицирующих процесс пылеулавливания в
электрофильтрах.
Коагуляция. Аэрозоль подвержена постоянным изменениям. При
воздействии различных сил на взвешенные частицы, движущиеся с газовым
потоком, можно при определенных условиях добиться сближения частиц
до их соприкосновения друг с другом, в результате чего происходит
процесс укрупнения частиц, называемый коагуляцией (агрегатированием,
агломерацией) взвешенных частиц. Увеличение среднего размера частиц за
счет слипания мелких частиц с образованием крупных агрегатов
значительно облегчает последующее их осаждение в газоочистных аппаратах.
Коагуляция взвешенных частиц может происходить за счет
броуновского движения (тепловая коагуляция), а также под действием
гидродинамических, гравитационных, акустических, электрических и других сил.
Параллельно с процессом образования агломератов происходит процесс
разрушения образовавшихся укрупненных частиц.
Коагуляция происходит тем интенсивнее, чем больше вероятность
столкновения аэрозольных частиц. Мелкие частицы больше повержены
коагуляции, чем крупные. Ускоряется также процесс коагуляции при
повышении концентрации пылевых частиц в газовой среде.
Скорость коагуляции многих аэрозольных частиц подчиняется
следующему закону:
-п~ = К^ (5.91)
где п — концентрация частиц в некоторый момент времени т (в с), 1/м3; nQ —
начальная концентрация частиц, 1/м3; Кк — константа коагуляции, м3/с.
Откуда скорость убывания счетной концентрации частиц в результате
процесса коагуляции может быть определена из выражения
N=-dn/dt = -KKn\ (5.92)
где N— скорость коагуляции — величина, соответствующая числу встреч
частиц в единице объема в единицу времени, 1/(м3с).
В начальный момент времени, когда счетная концентрация частиц
велика, коагуляция протекает с большой скоростью, но затем скорость ее
быстро падает.
258

Рис. 5.94. Изменение
концентрации частиц в неподвижном
воздухе во времени:
/, 2,5,4— соответственно пыли вяза,
ясеня, березы, красного дерева
1000
800
600
400
200
Чч<^
4'
1
* ^^^^
v2
i^^
i
i
i
i
i
i
i
т >*^
т—i^^
30
60
90 120 150 180
мин
На рис. 5.94 показано изменение счетной концентрации древесной
пыли ряда пород в результате коагуляции в период времени, в течение
которого число частиц уменьшилось вдвое.
Тепловая {броуновская) коагуляция. В основе броуновской коагуляции
лежит хаотическое, беспорядочное движение весьма малых частиц — до
0,1 мкм. Процесс тепловой коагуляции мало зависит от природы
пылевых частиц.
Константа тепловой коагуляции Кбр (в м3/с) может быть рассчитана по
формуле
кбр
3|ir
(5.93)
где къ = 1,38-Ю"23 Дж/К — постоянная Больцмана; Г — абсолютная
температура газов, К.
Согласно теоретическим и экспериментальным данным,
полидисперсные аэрозоли коагулируют быстрее монодисперсных. Особенно быстро
происходит поглощение мелких частиц крупными, однако увеличение
скорости коагуляции за счет полидисперсности не превышает 10%.
Скорость броуновской коагуляции N6p в 1/(м3с) может быть вычислена
по формуле
A^ = 8pZ)4/i02, (5.94)
где D4 — коэффициент диффузии частиц, характеризующий интенсивность
броуновского движения, м2/с.
Из формулы видно, что скорость тепловой коагуляции растет с
увеличением температуры, однако, поскольку вязкость газа также увеличивается с
увеличением температура, скорость будет расти не прямо пропорциональ-
17*
259

но температуре. Скорость коагуляции возрастает также с повышением
давления.
Броуновская диффузия играет существенную роль в начальный момент
образования мелких частиц, так как способствует практически
мгновенному укрупнению частиц. Именно благодаря броуновской коагуляции
дисперсный состав пыли в технологических газах, поступающих на
газоочистку, практически всегда характеризуется большей крупностью частиц, чем
в момент их образования в реакторе (источнике пылеобразования).
Градиентная коагуляция. При наличии поперечного градиента
скорости газов в потоке происходит градиентная коагуляция. В качестве
примера можно привести течение газов у твердой стенки. В соответствии с
законами гидродинамики, частица, находящаяся ближе к стенке, движется с
меньшей скоростью, чем частица, расположенная дальше от нее. Если при
этом расстояние между ними меньше суммы их размеров, то частицы
должны встретиться.
Скорость градиентной коагуляции может быть определена по
формуле
^=^n]rdl (5.95)
где N — скорость градиентной коагуляции, 1/(м3с); Г— градиент
скорости, 1/с.
Действие градиентной коагуляции ограничивается в основном
пристенным слоем при турбулентном движении газового потока. Поэтому она
играет существенную роль при движении потока по длинным трубам или
при развитой поверхности контакта.
Турбулентная коагуляция. Скорость коагуляции частиц в дисперсной
среде может быть искусственно повышена путем турбулизации аэрозоля.
Вихревое движение среды, возникающее вследствие турбулизации,
увеличивает вероятность столкновения частиц, и следовательно, укрупнения
частиц.
При турбулентном движении решающую роль в столкновении частиц
играют турбулентные пульсации. В турбулентном потоке возможны два
механизма коагуляции. Первый из них имеет место при полном
увеличении частиц турбулентными пульсациями. Этот механизм
преимущественно наблюдается при плотности частиц, мало отличающейся от плотности
потока. В случае аэрозольных частиц, плотность которых примерно в 103
раз больше плотности газов, полного увеличения частиц не происходит.
Поэтому для аэрозольных частиц этот механизм имеет второстепенное
значение. Наибольший коагуляционный эффект в турбулентном
газопылевом потоке осуществляется благодаря второму механизму, получившему
название «механизм ускорения».
260

Коагуляция за счет механизма ускорения осуществляется благодаря
различию в плотности газового потока и частиц аэрозоля. Скорости,
приобретаемые частицами, зависят от их массы и имеют существенное
различие в полидисперсных системах. Благодаря различию в скоростях
движения частиц и происходят встречи этих частиц, которые сопровождаются
их коагуляцией.
Скорость турбулентной коагуляции по первому механизму может быть
выражена в виде формулы
N «1,3 .НЫ.Ч
'Ч2.
(5.96)
где ет — величина, характеризующая турбулентный поток (в м2/с3).
Скорость турбулентной коагуляции по второму механизму
определяется по формуле
Р в0'75 4 2п
^«Ятг-Ьг^ч "° Р' (5.97)
гг г
где Р — коэффициент, характеризующий распределение частиц по
размерам.
Механизм ускорений преобладает у крупных частиц.
Турбулентное движение сильнее искажает линии тока мелких частиц
аэрозоля, движущихся мимо более крупной частицы, чем инерционные
силы. Поэтому в случае турбулентной коагуляции каждое столкновение,
рассчитанное на основе прямолинейных траекторий, приводит к
коагуляции.
Кинематическая коагуляция. Процесс кинематической коагуляции
происходит при относительном движении частиц различного размера под
действием внешних сил — сил гравитации, центробежных сил и т. д. Частицы
различного размера двигаются с различными скоростями. Вследствие этого
происходит их столкновение и укрупнение. Наиболее распространенный
пример кинематической коагуляции — осаждение частиц на каплях,
падающих под действием силы тяжести (гравитационная коагуляция).
Кинематическая коагуляция происходит также при встречном движении
распыленной воды и аэрозоля в мокрых пылеуловителях.
Акустическая коагуляция. При воздействии звуковых и ультразвуковых
волн на промышленные газы, содержащие взвешенные частицы, можно
при определенных условиях добиться такого колебательного движения
частиц, при котором значительно увеличивается столкновение частиц друг
с другом, в результате чего частицы слипаются, образуя крупные агрегаты
(коагулируют), что значительно облегчает последующую очистку газов в
газоочистных аппаратах.
261

На взвешенные в газах частицы при воздействии акустических
колебаний действуют три основных фактора: совместное колебание частиц и
газовой среды, динамические силы между соседними частицами и давление
акустической радиации.
Обычно в загрязненном потоке имеются взвешенные частицы
различного диаметра, поэтому в акустическом поле частицы колеблются с
разными фазами и разными амплитудами.
Когда частицы очень малы или когда частота колебаний очень низка,
частицы в акустическом поле будут колебаться с такой же амплитудой, что
и среда. С увеличением частоты колебаний увеличивается инерция частиц,
вследствие чего уменьшается амплитуда их колебаний, и при некоторой
частоте частицы могут оставаться неподвижными, в то время как среда
колеблется. При промежуточных частотах частицы в зависимости от размера
колеблются в различной степени.
Воздействие акустических волн на промышленные газы приводит к
увеличению числа столкновений между взвешенными частицами, в
результате чего происходит коагуляция частиц.
Устройство для акустической коагуляции взвешенных частиц обычно
состоит из генератора звуковых или ультразвуковых колебаний и
агломерационной камеры. В качестве генератора акустических колебаний могут
применяться статические и динамические сирены и свистки. Диапазон
частот колебаний у сирен составляет 3—5 кГц. Уровень звукового
давления колеблется от 100 до 170 дБ.
До недавнего времени метод акустической коагуляции не находил
широкого применения ввиду неэкономичности, так как применяемые
сирены имели низкий КПД. В настоящее время создаются эффективные
экономичные сирены, которые позволят преодолеть этот недостаток. На рис.
5.95 показана установка для акустической обработки пыли, которая
состоит из акустической колонны, при прохождении которой поток
подвергается воздействию звука сирены, к которой подведен сжатый воздух, а
также пылеуловителя и вентилятора.
По данным, акустическая коагуляция во многом определяется слипа-
емостью пыли. Сильнослипающиеся пыли (мучная и цементная) могут
укрупняться в 8 раз.
Электрическая коагуляция (электрокоагуляция). Во многих случаях
взвешенные в газах частицы, в зависимости от происхождения и химического
состава, несут на себе положительный или отрицательный электрический
заряд.
Пыли заряжаются в процессах дробления или распыления материала,
при трении или контакте с поверхностью оборудования и коммуникаций,
движении через раскаленную среду (зарядка ионами и в результате
термоионной или фотоэлектрической эмиссии электронов).
262

Рис. 5.95. Схема установки для
акустической обработки
запыленного воздуха:
1 — акустическая колонна; 2 — цик
лон; 3 — вентилятор; 4— электродви
гатель; 5 — сирена
Дымы заряжаются при движении через раскаленные среды в результате
ионизации в пламени, термоэлектронной 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 излучения,
электрической индукции.
Этот естественный электрический заряд взвешенных частиц
называется трибозарядом.
Электрические заряды взвешенным частицам можно сообщать и
искусственно, например, путем воздействия на газы различных
ионизаторов — электроэфлювиальных люстр (рис. 5.96) и проводников антенного
типа, ионизаторов, использующих коронный разряд (упрощенные
электрофильтры), ионизаторов, создающих контакт с заряженными телами.
В большинстве случаев неметаллические взвешенные частицы в
естественных условиях заряжаются положительно, металлические частицы —
отрицательно; заряд солей зависит от их химического состава. В промышленных
газах число положительно заряженных частиц, получивших естественные
электрические заряды, 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.
Между электрически заряженными взвешенными частицами, а также
между заряженными частицами и между частицами, не имеющими
электрического заряда, развиваются силы взаимодействия, под действием
которых при определенных условиях частицы могут двигаться навстречу друг
другу, сталкиваться и слипаться, образуя укрупненные агломераты, на чем
и основан процесс электрической коагуляции взвешенных частиц.
Между взвешенными частицами могут действовать следующие силы
взаимодействия:
263
Очищенный
воздух
w
2\
W
»^ф
&
Сжатый воздух
Запыленный
воздух
V

ШШпШШш
Рис. 5.96. Электроэфлювиаль-
ная люстра:
/ — заводская труба; 2 — электроэф-
лювиальная люстра; 3—дымо-или пы-
лесборник; 4—кабель высокого
напряжения; 5— проходной высоковольтный
изолятор; 6— высоковольтный
опорный изолятор; 7 — высоковольтный
опорный изолятор на люстре; 8— во-
доподающий трубопровод; 9—
сливной трубопровод; 10— стяжные
хомуты; 11 — угловые кронштейны;
12, 14 —вертикальные стойки;
13 — поперечные связи
1) сила притяжения или отталкивания (кулоновская сила);
2) сила индукции между заряженной частицей и индуцированным
зарядом на соседней незаряженной частице;
3) сила взаимодействия между заряженной частицей и другими
частицами, заряженными униполярно.
Если взвешенные в газах частицы несут на себе электрические заряды,
то электрическая коагуляция их происходит самопроизвольно по пути
движения газов в газопроводах и различных аппаратах.
Сравнительную оценку рассмотренных выше механизмов коагуляции
можно сделать на основании рис. 5.97, где приводятся зависимости N/(n)2
отс1ч.
Охлаждение газов. При подготовке газов к очистке применяются оба
основных метода охлаждения газов: поверхностное и охлаждение путем
непосредственного ввода охлаждающей среды в газовый поток
(охлаждение смешением). Выбор метода охлаждения определяется условиями
технологического процесса, применяемым способом очистки и количеством
газов.
264

Рис. 5.97. Сопоставление механизмов
коагуляции (в воздухе при нормальных
условиях):
/ — броуновский; 2 — турбулентный; 3 —
электрический (£ = 3105 В/м); 4— градиентный
(градиент скорости у стенки 1041/с); 5—
ускорения; 6 — кинематический (относительная
скорость газов и частиц vj= 0,7 м/с; d = 2- Ю^м,);
7— кинематический (vw= 100 м/с; d=2- 10йм).
Условия: скорость газов в газоходе 10 м/с;
диаметр газохода 1 м; рч= 1000 кг/м3
Поверхностное охлаждение
обычно осуществляется в
теплообменниках рекуперативного
типа: котлах-утилизаторах и
поверхностных теплообменниках
(кулерах). Регенеративные
теплообменники почти не нашли
применения в газоочистной технике.
Котлы-утилизаторы
используются, когда имеется
возможность использовать тепло охлаждаемых газов. Это наиболее оптимальный
вариант.
В поверхностных теплообменниках тепло переходит в более холодную
среду через стенку газопроводов, которая должна иметь развитую
поверхность.
В аппаратах смешения два тепловых агента непосредственно
контактируют друг с другом. Существуют два вида таких устройств:
— аппараты, в которых в качестве тепловоспринимающего агента
используется атмосферный воздух;
— аппараты, в которых технологические газы контактируют с
жидкостью. К аппаратам этого вида относится большинство мокрых
пылеуловителей: полые скрубберы; насадочные скрубберы; барботаж-
ные и тарельчатые скрубберы; скрубберы с подвижной насадкой;
трубы Вентури.
Процесс охлаждения нужно вести таким образом, чтобы не достигнуть
так называемой «кислотной точки росы». Ее образование возможно при
охлаждении дымовых газов, образующихся, например, при сжигании
сернистого топлива в результате конденсации паров серной кислоты, так как
эти пары конденсируются при более высокой температуре, чем водяные
пары. Опасность конденсации кислых паров следует учитывать при
выборе схемы пылеулавливающей установки.

6. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
УДАЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ
ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПРИМЕСЕЙ
Известны четыре метода удаления газовых компонентов:
— абсорбция газов жидкостью;
— адсорбция на поверхности твердого вещества;
— каталитическая очистка;
— термическое обезвреживание.
Физико-химические основы этих методов были рассмотрены в § 4.2.
Ниже остановимся на конкретном использовании процессов в
технологии очистки газов.
6.1. АБСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Разработка и проектирование абсорбционных систем. Важнейшим
вопросом проектирования абсорбционных систем является выбор абсорбента.
Требования к абсорбентам:
— возможно большая абсорбционная емкость;
— высокая селективность;
— невысокое давление насыщенных паров;
— легкость регенерации;
— термохимическая устойчивость;
— невысокая коррозионная активность;
— небольшая вязкость;
— доступность;
— низкая стоимость.
Естественно, что абсорбенты, отвечающие в полной мере всем этим
требованиям, отсутствуют. Поэтому в каждом конкретном случае
необходимо подбирать абсорбент, максимально соответствующий определенным
требованиям.
Абсорбционная очистка газов от диоксида серы. Из большинства
разработанных хемосорбционных методов очистки газов от диоксида серы чаще
всего применяется абсорбция водой, водными растворами и
суспензиями щелочных и щелочно-земельных металлов.
266

Абсорбция водой диоксида серы сопровождается реакцией
so2+h2o = h+ + hso-3
Растворимость S02 в воде мала. Зависимость общей концентрации S02 в
растворе и равновесным давлением fto, выражается формулой
где p*S02 —равновесное давление S02;m c — константа фазового равновесия
для S02, М2-Па/кмоль; К — константа равновесия реакции.
Равновесные концентрации для системы диоксид серы-воздух—вода
приведены ниже:
Парциальное давление Р, Па 66,65 160 426 1133 1880 3470 5060 7880 12250
Концентрация S02, г/100 г воды 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5
При абсорбции S02 водой процесс лимитируется диффузионным
сопротивлением со стороны газа и жидкости.
Известняковые и известковые методы. Достоинством известняковых и
известковых методов очистки отходящих газов от диоксида серы является
простая технологическая схема, низкие эксплуатационные затраты,
доступность и дешевизна сорбента, возможность очистки газа без
предварительного охлаждения и обеспыливания. Процесс абсорбции этими
методами представляется в виде следующих стадий:
so2 + h2o = h2so3
со2 + н2о = н2со3
СаС03 + H2S03 = CaS03 + H2C03
СаС03 + Н2С03 = Са(НС03)2
CaC03+ H2S03= Ca(HS03)2
Ca(HS03)2+ 2CaC03 = Ca(HC03)2 + 2CaS03
Ca(HC03)2+ 2H2 S03 = Ca(HS03)2 + 2H2C03
Ca(HS03)2+02=Ca(HS04)2
2CaS03 + 02=2CaS04
Ca(HS04)2 + 2CaS03 = Ca(HS03)2 + 2CaS04
Ca(HS04)2+ 2CaC03= Ca(HC03)2 + 2CaS04
Ca(HS04)2+ Ca(HS03)2= 2CaS04+ 2H2S03
2CaS03 + 0,5H2O = CaS03 * 0,5H2O
CaS04+ 2HX) = CaSOa*2H90
4 2 4 2
Протекание тех или иных реакций зависит от состава и рН-суспензии.
Если в растворе присутствуют различные примеси, процесс абсорбции
значительно осложняется. Например, действие небольших количеств MgS04
267

повышает степень очистки и степень использования известняка. При этом
протекают следующие реакции:
Ca(HS03)2 + MgS04= Mg(HS03)2 + CaS04
CaC03 + Mg(HS03)2 = MgS03 + CaS03 + H2C03
MgS03 + S02 + H20 = Mg(HS03)2
Для повышения интенсивности массообмена газ — жидкость и
уменьшения отходов в поглотитель добавляют ионы магния, хлора и карбоно-
вых кислот. В присутствии этих ионов возрастает степень использования
поглотителя, и тем самым сокращается количество токсотропных шламов.
Введение иона Mg2+ в состав извести значительно меняет растворимость
сульфита кальция, что приводит к росту коэффициента массопередачи и
позволяет уменьшить отношение жидкость-газ в абсорбере и обеспечить
степень использования извести ~ 90%. Концентрация магния в
циркулирующей суспензии должна быть строго определенной, так как избыток его
приводит к образованию труднофильтруемой жидкости гидроксида
магния Mg(OH)2.
Механизм действия карбоновых кислот такой же, как и ионов магния.
Они являются буфером, понижающим рН раствора до 4—5, что приводит
к увеличению концентрации S02 на поверхности раздела фаз.
Требования, предъявляемые к кислотам, добавляемым к суспензии
извести: константы их диссоциации должны быть в пределах Ю-4, ..., Ю-5;
они должны быть доступными (выпускаться промышленностью) и иметь
низкую стоимость, хорошо растворяться в воде, обладать вязким
давлением паров (во избежание потерь).
Могут быть использованы бензойная, адипиновая и лимонная
кислоты. В результате химических реакций при добавлении кислот образуются
кальциевые соли, которые реагируют с сернистой кислотой, Например,
при добавке бензойной кислоты протекают следующие реакции:
СаС03 + С6Н5СООН = Са(С6Н5СОО)2+ Н2 О + С02
Са(С6Н.СОО)2+ H2S03 = Ca(HS03)2 + 2 C6H5COOH
Освобождающаяся кислота вновь взаимодействует с СаС03 При
этом увеличивается коэффициент использования известняка.
Наибольшее распространение на практике находит адипиновая кислота
НООС(СН2)4СООН. Карбоновые кислоты добавляют в количестве 0,1 —
0,3% от массы известняка.
Магнезитовый метод. Диоксид серы в этом случае поглощается оксид-
гидроксидом магния. В процессе хемосорбции образуются
кристаллогидраты сульфита магния, которые сушат, а затем термически разлагают на
802-содержащий газ и оксид магния. Газ перерабатывают в серную
кислоту, а оксид магния возвращают на абсорбцию.
268

В абсорбире протекают следующие реакции:
MgO + H20 = Mg(OH)2
MgS03 + H20 + S02 = Mg(HS03)2
Mg(HS03)2 + Mg(OH)2= 2MgS03 + 2H20
Растворимость сульфита магния в воде ограничена, избыток его в виде
MgS03 • 6Н20 и MgS03 • 3H20 выпадает в осадок.
Достоинства магнезитового метода: 1) возможность очищать горячие
газы без предварительного охлаждения; 2) получение в качестве продукта
рекуперации серной кислоты; 3) доступность и дешевизна хемосорбента,
высокая эффективность очистки.
Недостатки: 1) сложность технологической схемы; 2) неполное
разложение сульфата магния при обжиге; 3) значительные потери оксида
магния при регенерациии.
Цинковый метод. Абсорбентом служит суспензия оксида цинка, при
этом идет реакция
S02 + ZnO + 2,5 Н20 = ZnS03-2,5 H20
При большой концентрации 02 в газе может протекать реакция
2S02 + ZnO + H20 = Zn(HS03)2
Образующийся сульфит цинка не растворим в воде, его отделяют в
гидроциклонах, а затем сушат и обжигают при 350 °С. Сульфит цинка
разлагается по реакции:
ZnS03-2,5H20 = S02 + ZnO + 2,5 Н20
Образующийся диоксид серы перерабатывают, а оксид цинка
возвращают на абсорбцию.
Достоинством метода является возможность проводить процесс
очистки при высокой температуре (200-250 °С). Недостаток—образование
сульфата цинка, который экономически не целесообразно подвергать
регенерации, а необходимо непрерывно выводить из системы и добавлять в нее
эквивалентное количество диоксида цинка.
Абсорбция хемосорбентами на основе натрия. Достоинством этого ме-
тодаявляется использование нелетучих хемосорбентов, обладающих
большой поглотительной способностью. Метод может применяться для
улавливания диоксида серы из газов любой концентрации.
Возможны различные варианты процесса. При абсорбции раствором
соды получаются сульфит и бисульфит натрия:
Na2C03 + S02= Na2S03+ C02
Na2S03+ S02+ H20 = 2NaHS03
При абсорбции гидроксидом натрия также образуются сульфит-бисуль-
фитные растворы. Газы вступают в реакцию с сульфитом и бисульфитом,
что ведет к увеличению содержания бисульфита:
269

S02 + NaHS03 + Na2S03 + H20 = 3NaHS03
Образующийся раствор взаимодействует с оксидом цинка:
NaHS03 + ZnO -> ZnS03 + NaOH
Сульфит цинка обжигают:
ZnS03 = ZnO + S02
Диоксид серы перерабатывают в серную кислоту или серу, а оксид
цинка возвращают в процесс.
Аммиачные методы. При этих методах поглощение диоксида серы
производится аммиачной водой или водными растворами сульфит-бисульфита
аммония с последующим его выделением. Достоинством метода является
высокая эффективность процесса, доступность сорбента и получение
необходимых продуктов (сульфит и бисульфит аммония). Химические
реакции процесса:
NH4OH + H2S03 = (NH4)2S03 + H20
(NH4)2S03 + H2S03 = 2NH4HS03
2(NH4)2S03 + 02=2(NH4)2S04
Имеются циклические и нециклические методы. В аммиачно-нецик-
личном методе бисульфит аммония выпускают в качестве товарного
продукта. В цикличном методе получают концентрированный диоксид серы.
Абсорбция расплавленными солями. Для очистки газов при высокой
температуре используется эвтеклическая смесь карбонатов щелочных металлов
состава, %: ЦС03 - 32; Na2C03 - 33; К2С03 — 35. Точка плавления смеси 397 °С
При425 °С смесь имеет вязкостьО,012Паси плотность 2000 кг/и3. При
содержании диоксида серы в газе от 0,3 до 3% он сорбируется смесью до 99%.
Процесс состоит из стадий абсорбции, восстановления и регенерации
абсорбента. Абсорбция диоксида серы производится карбонатами с
образованием сульфитов и сульфатов металлов. Скорости реакций очень велики,
поэтому процесс лимитируется скоростью переноса диоксида серы.
Абсорбцию производят в оросительном скруббере при скорости газа 7,5 м/с.
Реакции, проходящие в скруббере, экзотермичны, что позволяет частично
компенсировать потерю тепла.
На стадии восстановления используют генераторный газ. Процесс
проводят при 600 °С. Происходит восстановление сульфатов до сульфидов
металлов:
4Me2S03 -> 3Me2S04 + Me2S
Me2S04 + 4H2-^ Me2S + 4Н20
Me SOd + 4CO -> Me0S + 4CO,
2 4 2 2
Реакции восстановления протекают медленно. На стадии регенерации
сульфиды реагируют со смесью диоксида углерода и воды при 425 °С:
270

Me2S + C02+ H20 -> Me2S03 + H2S
Последняя реакция протекает быстро. Полученный расплав солей вновь
возвращают в процесс. Газ, выходящий из реактора регенерации, содержит
30% H2S, оксид углерода и воду. Его направляют на установку, работающую
по методу Клауса, для получения серы.
Абсорбция ароматическими аминами. Для абсорбции диоксида серы из
отходящих газов цветной металлургии [концентрация S02 в газе 1-2% (об.)]
применяют растворы ксилидина или диметиланилина. В одном из
разработанных процессов абсорбентом является смесь (1:1) ксилидина и воды.
Ксилидин и вода обычно не смешиваются, но при взаимодействии
диоксида серы с ксилидином образуется некоторое количество ксилидинсуль-
фита, растворимого в воде:
2C6H3(CH3)2NH2 + S02= 2C6H3(CH3)2NH2 • S02
При концентрации диоксида серы 100 кг/м3 смесь становится
гомогенной.
Абсорбционные методы очистки газов от оксидов азота. Известны
следующие соединения азота с кислородом: N20, NO, N203, N02, N 204, N 205,
N03,N206.
Большей частью с отходящими газами выбрасываются N0 и N02 при
их одновременном присутствии. Для абсорбции окислов азота используют
воду, растворы щелочей и селективные сорбенты, кислоты и окислители.
Абсорбция водой. При абсорбции диоксида азота водой в газовую фазу
выделяется часть оксида азота, скорость окисления которого при низких
концентрациях мала:
3N02 + Н20 = HN03 + NO + Q
Для утилизации оксидов можно использовать разбаваленные растворы
пероксида водорода с получением азотной кислоты
NO + H202-> N02+ H20, 3N02+ H20 ->2HN03 = NO
N203 + Н202-> N 204+ Н20, N 204 + Н20 -> HN03 + HN02
Основным фактором, определяющим экономику процесса, является
расход пероксида водорода. Он приблизительно равен: 6 кг на 1 т кислоты
в сутки.
Разработан процесс очистки газов водой и циркулирующей HN03.
Физическая абсорбция оксидов азота в азотной кислоте увеличивается с
ростом концентрации кислоты и парциального давления NOx Увеличение
поверхности контакта способствует протеканию процесса, так как на границе
раздела фаз идет реакция окисления N0 в N02. Для интенсификации
процесса используют катализатор. Степень очистки может достигать 97%.
Абсорбция щелочами. Для очистки газов применяются различные раство-
271

ры щелочей и солей. Хемосорбция диоксида азота раствором соды
протекает по уравнению
2N02 + Na2C03 = NaN03 + C02 + Q.
Уравнения для хемосорбции N203 различными щелочными
растворами или суспензиями представлены ниже
2NaOH + N203= 2Na N02 + 2H20, Na2C03 + N203= 2NaN02 + C02;
2NaHC03 + N203= NaN02+ 2C02 + H20, 2KOH + N203= 2К N02 + H20;
K.CO, + N203= 2KN02+ C02, 2KHC03 + N203= KN02+ C02 + H20;
Ca(OH)2 + N203= Ca(NO)2 + H20, CaC03 + N203= Ca(NO)2 + C02;
Mg(OH)2 + N203= Mg(NO)2 + H20, MgC03 + N203= Mg(NO)2 + C02;
Ba(OH)2 + N203= Ba(NO)2 + H20, BaC03 + N203= Ba(NO)2 + C02;
2NH4OH + N203= 2NH4 N02 + 2H20, 2NH 4HC03 + N20= NH 4N02 +
+2C02 + H2Q
При абсорбции N203 активность щелочных растворов убывает в такой
последовательности:
КОН > NaOH > Ca(OH)2> Na2C03>K2C03> Ba(OH)2> NaHC03 > КНС03 >
1 0,84 0,80 0,78 0,63 0,56 0,51 0,44
> MgC03> BaC03> CaC03> Mg(OH)2
0,4 0,40 0,39 0,35
Цифры под каждым из щелочных растворов показывают их активность
относительно раствора КОН, активность которого условно принята за
единицу. Данные приведены для начальной концентрации растворов 100 г/л
и времени проскока газа 10 мин. Активность щелочных растворов
определяется начальным рН раствора. Активность тем выше, чем выше этот
показатель.
При абсорбции растворами аммиака образуются соединения с низкой
температурой разложения. Например, образующийся нитрит аммония
NH4N02 при 56 °С полностью распадается:
NH4N02->N2 + 2H20
Селективные абсорбенты. Для очистки газов от NO при отсутствии в
газовой фазе кислорода могут быть использованы растворы FeS04, FeCI2
Na2S203, NaHS03. Для первых растворов протекают реакции с
образованием комплексов
FeS04 + NO = Fe(NO)S04
FeCI2 + NO = Fe(NO)CI2
При нагреве до 95-100 °C комплекс Fe(NO)S04 распадается и NO
выделяется в чистом виде, а восстановленный раствор вновь возвращается в
производство. Аналогично распадается комплекс Fe(NO)Cl2.
272

Раствор FeS04 является наиболее доступным и эффективным
поглотителем. В качестве абсорбента могут быть использованы и травильные
растворы, содержащие FeS04. Поглотительная способность раствора зависит
от концентрации FeS04 в растворе, температуры и концентрации N0 в газе.
При температурах 20-25 °С раствор может поглощать N0 даже при
небольших концентрациях. Предел растворимости оксида азота соответствует
соотношению NO/Fe2+ = 1/1. Присутствие в растворе серной и азотной
кислот, солей и органических веществ снижает его поглотительную
способность. Однако наличие в растворе 0,5-1,5% (об.) серной кислоты
предохраняет FeS04OT окисления кислородом воздуха до Fe2(S04)3.
Использование растворов Na2S203, NaHS03,(NH2)2CO приводит к де-
фиксации азота
Na,S90, + 6NO = 3N, + 2Na,S04 + 2SO,
2 2 3 2 2 4 2
2NaHS03 + 2NO = N2 + 2NaHS04
2(NH2)2CO + 6NO = 5N2 + 4H20 + 2C02
Таким же образом NO взаимодействует и с растворами ZnCl2, CH20,
с2н2о4.
При температуре выше 200 °С NO взаимодействует с аммиаком по
реакции
4NH3 + 6NO -> 5N2 + 6Н20
Серная кислота используется для поглощения N02 и N203 с
образованием нитрозилсерной кислоты
RS04 + NO = NOHSO. + HNO,
2 4 2 4 3
2H.SO. + N.O, = 2NOHSO, + H,0
2 4 2 3 4 2
При нагревании нитрозилсерной кислоты или при разбавлении ее
водой происходит выделение оксидов азота:
2NOHSO. + НО = 2H,S04 + NO + NO,
4 2 2 4 2
Взаимодействие оксидов азота с жидкими сорбентами наиболее
эффективно протекает при 20,..., 40 °С.
Абсорбционная очистка газов от оксида углерода. Оксид углерода
является высокотоксичным газом. Он образуется при неполном сгорании
веществ, содержащих углерод. СО входит в состав газов, выделяющихся в
процессах выплавки и переработки черных и цветных металлов,
выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, газов, образующихся при
взрывных работах, и т. д.
Для очистки газов от оксида углерода используют абсорбцию или
промывку газа жидким азотом. Абсорбцию проводят также
водно-аммиачными растворами закисных солей ацетата, формиата или карбоната меди.
Медно-аммиачная очистка. В случае применения медно-аммиачных
pais -4543
273

створов образуются комплексные медно-аммиачные соединения оксида
углерода:
[Cu(NH3)m(H20)J+ + xNH3 + уСО = [Cu(NH3)/n+;c(CO)/H20)J+ + Q
Показано, что наиболее вероятной формой существования однова-
летной меди является ион [Cu(NH3)2H20]+, образующий с СО ион
[Cu(NH3)2*CO *H20]+ с выделением одного моля воды.
Раствор имеет слабощелочной характер, поэтому одновременно
поглощается и диоксид углерода
2NH4OH + С02 = (NH4)2C03 + Н20
(NH4)2C03 + С02 + Н20 = 2NH4HC03
Абсорбционная способность раствора увеличивается с повышением
концентрации одновалентной меди, давления СО и уменьшения
температуры абсорбции. Соотношение свободного аммиака и диоксида углерода
в растворе также влияет на поглотительную способность раствора.
Абсорбция оксида углерода медь-алюминий-хпорыднымы растворами. Этот
метод применяют при наличии в газе кислорода и большого количества
диоксида углерода. Процесс основан на химической абсорбции оксида
углерода раствором смешанной соли тетрахлорида меди и алюминия в
различных ароматических углеводородах с образованием комплекса с
оксидом углерода. Рекомендуется раствор, содержащий 20-50% CuAICI4 и
80-50% толуола.
Процесс абсорбции можно представить следующим образом. Сначала
идет образование комплекса
CuCl + AIC13 + 2С6Н5СН3 ->(СиА1С14)(С6Н.СН3)2
с6н5сн3
(СиА1С14)(С6Н5СН3)2 + 2СО ->(CuAlCl4)- 2CO + 2С6Н5СН3
с6н5сн3
Другие газы — С02,02, N2 H2, СО — не реагируют с комплексом, однако
вода разрушает комплекс с выделением HCI:
2CUA1CL + Н,0 -> HCI + CuCl + CuAlCl/AlOCl.
4 2 4
Поэтому перед абсорбцией газ должен быть осушен, что является
недостатком процесса.
Авторами разработана и постоянно пополняется база данных
абсорбентов, содержащая перечень наиболее часто используемых жидкостей для
абсорбционной очистки различных газов. В табл. 6.1 приведен фрагмент
этой базы, содержащий наряду с абсорбентом и обезвреживаемым
веществом литературный источник, в котором имеется достаточно подробное
описание абсорбционного процесса.
Даже при поверхностном рассмотрении этой таблицы можно сделать
вывод, что практически любое загрязняющее вещество может быть удале-
274

Таблица 6.1
Абсорбенты, применяемые для очистки газов
Газообразный
загрязнитель
Диоксид серы
Сероводород
Оксид
углерода
Аммиак
Абсорбент
Вода-Н20;
Суспензия известняка в воде;
Водный раствор сульфита аммония с добавкой серной кислоты —
(NH4)2S03;
Аммиачная вода — (NH4)2OH;
Водный раствор сульфит-бисульфита аммония — (NH4)2S03, NH4HS03;
Водный раствор, содержащий сульфит, бисульфит аммония и
фосфорную кислоту;
Смесь ксилидина и воды (1:1) — C6H3(CH3)2NH2;
Диметиланилин безводный;
Водный раствор поташа — К^СО^
Водный раствор сульфита калия — K^SO^
Формиат калия в виде расплава — КНООС;
Формиат калия в виде водного раствора — КНООС;
Эвтектическая смесь расплавов карбонатов металлов —
Li2C03, Na2C03, К,С03;
Магнезитовая водная суспензия — MgO, MgS03, MgS04;
Водный раствор карбоната и сульфита калия;
Водная суспензия цинка — ZnO;
Сточная вода, имеющая рН = 10,3-11,4;
Суспензия золы в воде (вода золоудаления ТЭС);
Водный раствор соды — Na2C03;
Водный раствор, содержащий карбонат и сульфит натрия
Водный раствор поташа — KjCOj;
Водный раствор фосфата калия — К3Р04;
Водный раствор моноэтаноламина — OH-CH2_CH2_NH2;
Оксид мышьяка, растворимый в растворе соды или в растворе
аммиака — Na.As^S.O;
4 2 6'
Щелочной раствор с рН=8,5-9,5 соды с эквимолекулярным
количеством ванадата натрия-аммония и антро-хинон-2,6—2,7—
дисульфоната;
Водный раствор хинона;
Взвесь гидроксидов двух- и трехвалентного железа в растворе соды —
Na2C03, FeS04, Fe2(S04)3
Медно-аммиачный раствор — [Cu(NH3)2(H20)]~;
Жидкий азот;
Раствор СиА1С14 в толуоле
Вода - Н20;
Водный раствор фосфорной кислоты — Н3Р04;
Водный раствор серной кислоты — H2S04
Водный раствор ПАВ с добавкой серной кислоты
18*
275

Продолжение табл. 6.1
Газообразный
загрязнитель
Оксид азота
Диоксид азота
Смесь оксидов
азота
Смесь
диоксида серы и
оксидов азота
Фенол
Формальдегид
Ксилол
Толуол
Абсорбент
Водный раствор сульфата железа — FeS04;
Водный раствор хлорида железа — FeCl2;
Водный раствор тиосульфата натрия — Na2S203;
Водный раствор гидросульфита натрия — NaHS03;
Водный раствор мочевины — (NH2)2CO;
Сульфаминовая кислота — NH2S03H;
Водный раствор аммиака — (NH4)2OH;
Раствор соды с Ре(И)-ЭДТА в качестве катализатора;
Хлорная вода — С12ОН;
Вода
Вода;
Раствор мочевины с тетрасульфофталоцианином кобальта (меди или
никеля) в качестве катализатора — CO(NH2)2;
Раствор серной кислоты — H2S04;
Водный раствор соды — Na2C03;
Водный раствор аммиака — (NH4)2OH;
Водный концентрированный раствор азотной кислоты — HN03;
Водный раствор сульфита аммония — (NH4)2S03;
Водный 3%-ный раствор гидроксида натрия — NaOH;
Водный раствор гидроксида кальция — Са(ОН)2;
Аммиачно-щелочной раствор
Водный раствор пероксида водорода — Н202;
Водный раствор мочевины — CO(NH2)2;
Смесь серной и азотной кислот
Водный раствор соды — Na2C03;
Водный раствор едкого натра — NaOH;
Суспензия гидроксида кальция в воде — Са(ОН)2;
Водный раствор мочевины концентрацией — CO(NH2)2;
Вода
Водный раствор гидроксида натрия — NaOH;
Раствор пероксидисульфоната аммония с нитратом серебра
Раствор щелочи, содержащий фенолят натрия;
Водный раствор, содержащий пероксидисульфат аммония, аммиак и
нитрат серебра;
Водный раствор мочевины — CO(NH2)2;
Водный раствор формальдегида;
Смесь аммофоса и мочевины (1:1)
Вода;
Эмульсия минерального масла состава в водном растворе ПАВ
Дизельное топливо;
Вода;
| Эмульсия минерального масла состава в водном растворе ПАВ
276

Продолжение табл. 6.1
Газообразный
загрязнитель
Хлор, С12
Хлороводород
Фтор, F2
Фтороводород
Абсорбент
Водный раствор гидроксида натрия — NaOH;
Водная суспензия известкового молока — Са(ОН)2;
Водный раствор лигносульфоната кальция
Вода
Вода
Водный раствор щелочи
Водный раствор карбоната натрия — Na2C03;
Водный раствор бифторида калия — KH-HF;
Вода;
Водный раствор карбоната аммония — (NH4)2C03;
Водный раствор аммиака — (NH4)2OH
но из выбросов за счет абсорбции. Единственным газом, для удаления
которого практически не используются абсорбционные процессы, является
оксид углерода.
От правильного выбора абсорбента зависит решение главной
проблемы абсорбционного метода — проблемы сточных вод.
Правильно сконструированная абсорбционная газоочистная
установка должна работать с максимально возможной эффективностью и
пропускной мощностью и с наименьшими капитальными и эксплуатационными
расходами.
Технологический расчет абсорбционной установки выполняют в три
этапа.
На первом этапе производят материальные и энергетические расчеты
и устанавливают условия равновесия, определяют необходимость
циркуляции раствора, устанавливают необходимую степень регенерации
раствора, расход энергии на регенерацию и потери раствора при регенерации.
На втором этапе выбирают конструкции аппаратов, рассчитывают мас-
со- и теплопередачу, гидродинамику и габариты аппаратов.
На третьем этапе уточняют технологические параметры и
осуществляют оптимизацию процесса.
Расчет аппаратов для процессов физической абсорбции. Для расчета
размеров абсорбера составляют материальный баланс:
GHYH+kX»=GJK+LKXK (6.1)
и уравнение рабочей линии:
Y = — X +
G
Y-'ox-
(6.2)
277

Минимальный расход абсорбента определяют по формуле
, ..с (Y„-YK)
Общий расход абсорбента равен
I.-G-tt-7')
(6.3)
(6.4)
Среднюю движущую силу процессов массопередачи вычисляют по
формулам
Y-Yv .„ Х..-Х„
AY =■
СР У»
АХ,
J Y-Y*
dX
г ал
(6.5)
Y-Y
Если равновесная линия представляет собой прямую Y*=mX, то
средняя движущая сила равна
А,г,=
АУ6 ~АУМ
61 Ау
m6=yu-y:
ах6=хи-х:
АХ„
АХ6-АХМ
2.3 Igf^
АХ..
(6.6)
АК =Y -Y":
м к к '
ах.. = х-х;
где G — расход газовой фазы, кг/с; GH, GK — то же, на входе в абсорбер и
выходе из него, кг/с; X — концентрация распределяемого компонента в
жидкой фазе, масс, доли; Хи, Хк — то же, на входе в абсорбер и выходе из
него, масс, доли; L — расход абсорбента, кг/с; LH, LK — то же, на входе в
абсорбер и выходе из него, кг/с; Y— концентрация распределяемого
компонента в газовой фазе, масс, доли; YH, YK — то же, на входе в абсорбер и
выходе из него, масс, доли; X* — равновесная концентрация
распределяемого компонента, масс, доли; Y* — равновесная концентрация, масс, доли;
т — коэффициент распределения; АУб, АХб, АУм, АХм — большая и
меньшая движущая сила процесса, масс. доли.
Интеграл в уравнениях (6.5) есть ни что иное, как число единиц
переноса (уравнение 4.52):
ч.-1
Л—bJL. N -f dX _K,F,
Y-Y' G ' ож lx'-X L '
1 _ 1 1 1 _ 1 A
N ~ N. N A' N .~ N. N '
(6.7)
(6.8)
278

Высота единицы переноса
где Nor, N^ — общее число единиц переноса; TV, УУж—числа единиц переноса
в газовой и жидкой фазах; К^ Кж — коэффициенты массопередачи, м/с; F—
поверхность контакта фаз, м2; Л — абсорбционный фактор; А = L/(G • т); а—
удельная поверхность контакта фаз, м2/м3; S— площадь поперечного
сечения абсорбера, м2.
Высота аппарата при непрерывном контакте фаз равна
или
Н =
H = N„K->
м
Ка5ДУ '
г ср
N = N0Xh0X
н- м
Кжя5ДХср
(6.10)
(6.11)
где М — количество абсорбируемого вещества, кг/с.
При движении газа и жидкости в колонне происходит продольное
перемешивание потоков, выравнивание концентраций по высоте и
уменьшение движущей силы процесса. Влияние продольного перемешивания
потоков можно учесть, используя следующее уравнение:
—^- =—■ \в В +N \ аВ +ЬВ
N В В I ог ож orL ог °5
ог.ф or ож
+ c^BJ3^-dylBer + B„ + g(Btr-BeK)^]}t (6Л2)
где No — фиктивное число единиц переноса, рассчитанное по движущей
силе для истинного противотока; Вог, Вож— число Боденштейна для
газовой и жидкой фаз;
в =v" в *~н
х> D ож -о D
vr г ж ж
где Dr, х>ж — газосодержание и количество удерживаемой жидкости, м3/м3;
Dr, Вж— эффективный коэффициент продольного перемешивания в газе и
жидкости, м2/с; я, Ь, с, d,g,h — коэффициенты, определяемые по рис. 6.1.
При расчете высоту абсорбера сначала определяют при противотоке, т. е.
по #огф, а затем ее увеличивают на величину, равную отношению Nor/NOT^.
Высота колонны со ступенчатым контактом фаз зависит от числа
тарелок и расстояния между ними. Число тарелок в колонне рассчитывают
аналитическими или графическими методами определения числа ступеней
контакта или через число единиц переноса. На практике используют
коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице поверхности контакта фаз,
279

Рис. 6.1. Зависимость констант а, Ь, с, d,
g, h от абсорбционного фактора
3,0 1/А
единице площади тарелки или к единице объема газожидкостного слоя на
тарелке.
Расчет аппаратов для процессов хемосорбции. Абсорберы для процессов
хемосорбции рассчитывают теми же методами, что и для процессов
физической абсорбции.
Уравнение материального баланса:
G(YI-Y2) = ±L(XA1-XA2) = ±L(C2-Ci), (6.13)
где С — химическая емкость раствора:
п п
(6.14)
где ХА и Хв — концентрации компонента и активной части в растворе; R —
доля активной части, химически связанной с абсорбируемым
компонентом; п — число киломолей активной части, реагирующих с 1 кмоль
компонента; индексы 1 и 2 относятся к входу и выходу газа. Знак плюс означает
противоток, а знак минус — прямоток.
Минимальный удельный расход раствора равен
/
- -4- m'n
"~ G
{Yy-Y2)-n
где Z,min — минимальный расход исходного раствора.
Уравнение рабочей линии имеет вид
Y = Yi-l(C-Cl)
или для состава газа (в мольных долях):
\ + Yx-l(C-CxY
(6.15)
(6.16)
(6.17)
где Z=±—.
G
Диаграмма Y-Хддя абсорбции, сопровождаемой химической
реакцией, показана на рис. 6.2.
280

с - хь,п _^_ (
с = о
1
А
\_^шШ^
1 с
щ
*АЕ
ХА=0
x»R
R=Q R=l
Рис. 6.2. Диаграмма У—Хцдя хемосорбции в
жидкой фазе (вертикальные отрезки между
линиями АВ и CD являются значениями
движущей силы Y-Y' АВ—рабочая линия;
CD—линия значений Y)
Рис. 6.3. График для определения X
при абсорбции, сопровождаемой
химической реакцией в жидкой фазе
По мере протекания хемосорбции коэффициент массоотдачи в жидкой
фазе Р'ж уменьшается, что затрудняет вычисление движущей силы и числа
единиц переноса. Для необратимых реакций Nor рассчитывают по формуле
(при переменном значении К):
N =UL.=
ог J Y-Y*
У-Г" G
(6.18)
Для необратимой реакции значение У* равно 0, поэтому в формулу
подставляют значения Y.
Так как коэффициент массоотдачи в газовой фазе Рг при хемосорбции
не изменяется, число единиц переноса можно определить по формуле
».-)
dY _p,.F
У2 Р
(6.19)
где Y — равновесная концентрация на границе раздела фаз.
Из соотношения Pr (Y-Yp) = (Зж %Хр при Хр=тХр получим
1 Р
Хп
— т
(6.20)
где % — коэффициент ускорения.
Значение X, соответствующее данному У, определяют графически
(рис. 6.3). Для этого, задаваясь значениями^, строят линию АВ,
определяющую зависимость % от X. Далее строят линии CD, CD', C"D"n C'"D'" no
формуле (6.20) при разных значениях Y. Точки Е, Е', Е"и Е'"будут соответ-
281

L*
A 1
MX
E
\bs
HG
F
^ C .
D Ei
~7G
Рис. 6.4. Диаграмма У—Л' для абсорбции,
сопровождаемой быстрой химической
реакцией в жидкой фазе (АВ — рабочая линия;
СЕ —вспомогательная линия; FGH—линия
значении Y)
О а2Х2 ах Хг
Рис. 6.5. Построение псевдорабочей и
псевдоравновесной линии на диаграмме
Y—X (АВ—рабочая линия; А 'В'—
псевдорабочая линия; ОС—линия
равновесия; ОС—псевдоравновесная линия)
ствовать значениям X для значения У. Затем из У = тА'находят У и строят
(рис. 6.4) линию CD, являющуюся функцией У =f[R).
Если реакция протекает по первому или псевдопервому порядку, то %,
рж и Кг в процессе абсорбции постоянны и число единиц переноса
рассчитывают так же, как и для физической абсорбции, но движущую силу
выражают разностью У— У*/%. Исходя из этого, строят псевдоравновесную
линию в координатах У*/% — X. При У* = О число единиц переноса равно
Afor=ln(Vr2). (6.21)
При быстрых необратимых реакциях второго порядка
Р._(у-ур)
(6.22)
значение Ур находят по диаграмме. Линию Сопроводят под углом, тангенс
которого равен т". Вертикальные отрезки между линиями CD и СЕ равны
Хр = У/т. Через произвольную точку Мпроводят линию MQ с тангенсом
угла наклона tga = (Зург; из треугольника MNQ следует, что У— У = MN\
Х + С = NQ. Ордината точки N равна У.
Задаваясь другими точками на линии АВ и делая аналогичные
построения, получают линию FG, ординаты любой точки которой равны У.
При обратимых химических реакциях расчет можно вести, используя
псевдокоэффициент массоотдачи. При расчете строят на диаграмме У-Х
псевдоравновесную и псевдорабочую линии (рис. 6.5).
Равновесие между фазами определяется уравнением (кривая ОС):
Х = а + Ь =
Г
т + /(а)9
(6.23)
282

где X— общая концентрация компонента в жидкости; а и b — концентрации
свободного и связанного компонента; т — константа фазового равновесия.
Уравнение псевдоравновесной линии ОС, выражающей зависимость
между У* и концентрацией свободного компонента я, имеет вид:
Г =тХ. (6.24)
Уравнение псевдорабочей линии имеет вид:
Y{-Y = l{[al+f(al)]-[a + f(a)]}. (6.25)
Задаваясь значениями я, находят значение У и строят псевдорабочую
линию АВ.
Из диаграммы определяют А'— псевдодвижущую силу.
Для определения гидродинамических характеристик абсорбционных
аппаратов (гидравлического сопротивления, поверхности контакта фаз,
критических скоростей газа и т. д.) можно частично воспользоваться
зависимостями для мокрых пылеуловителей (§ 5.4).
При выборе типа контактного аппарата необходимо пользоваться
следующими рекомендациями.
1. Следует использовать аппараты, обеспечивающие наибольшую
интенсивность контакта фаз.
2. Контакт фаз должен быть организован таким образом, чтобы он
происходил в противотоке, т. е. чтобы смесь содержала минимальное
количество абсорбируемого компонента, контактировала со свежим
поглотительным раствором.
В наибольшей степени этим условиям удовлетворяет обыкновенный
насадочный скруббер, однако при наличии твердых взвешенных веществ
(что имеет место практически всегда при очистке воздуха), он быстро
будет забиваться твердыми отложениями. Поэтому чаще используются
аппараты, в которых принцип противотока явно отсутствует, но зато имеет
место интенсивное перемешивание фаз: пенные аппараты, скрубберы с
подвижной насадкой.
Полые скрубберы применяются обычно для поглощения хорошо
растворимых газов.
Скрубберы Вентури могут также применяться как абсорберы, однако
до настоящего времени использовались не так широко, хотя повышенное
гидравлическое сопротивление заставляет использовать их при
комплексной очистке газов.
Практика показывает, что точный расчет и прогнозирование
результатов абсорбции в условиях практического проектирования невозможны.
Условия протекания абсорбции в газоочистительных сооружениях всегда
нестабильны. Меняется состав газовой фазы выбросов, меняется ее
температура. В распылительных абсорберах, например, происходит
испарение и уменьшение капель, следовательно, концентрация поглощенного
283

компонента растет быстрее, нежели это происходило бы при неизменном
диаметре. Есть еще много факторов, попытки теоретического учета
которых приводят к крайне сложным зависимостям. Существенную роль
играет время контакта; известны случаи, когда при превышении времени
абсорбции сверх некоторого оптимального начиналось вторичное выделение
абсорбтива из абсорбента обратно в газовую фазу. Кроме того,
эмпирические формулы, используемые при расчетах, очень часто дают
противоречивые результаты. Поэтому при проектировании в первую очередь
необходимо искать близкий аналог или регламент НИИ. Помимо абсорбции
в мокрых аппаратах всегда происходят теплообменные процессы. Они, как
правило, однонаправлены: теплота от горячих газов отбирается более
холодной жидкостью. Теплообмен должен учитываться при проектировании,
что еще больше усложнит расчеты.
Установки для абсорбции могут быть разомкнутыми (без регенерации
абсорбента) и циркуляционными (с регенерацией абсорбента). Последние,
по известным причинам, более предпочтительны. При этом значительно
усложняется технология газоочистки. Как пример можно привести
очистку фторсодержащих газов раствором едкого натра (рис. 6.6).
Инертный газ
4-
Р = pNaF
Рис. 6.6. Технологическая схема очистки отходящих газов, содержащих фтор и
фтористый водород:
/ — абсорбционная башня; 2 — сопло; 3 — газоход; 4 — регенерационный танк; 5 — гаситель извести;
6 — танк-отстойник; 7— переливное устройство; 8— теплообменники; 9— бункер извести; /0—
ленточный транспортер; // — холодильник; 12 — хранилище; 13 — танк декантации
284

Загрязненные фтором газы поступают в насадочную абсорбционную
башню 7 через сопло. Башня орошается противотоком 5-10%-ным
раствором щелочи, который подается в башню через сопло 2 Через газоход J
продувается инертный газ. Отработанная жидкость, содержащая фторид
натрия, постоянно удаляется из башни и поступает в регенерационный танк
4, куда из гасителя 5 подается известковое молоко. В регенерационном
танке 4 образовавшийся фторид натрия превращается во фторид кальция при
взаимодействии с Са(ОН)2 в условиях тщательного перемешивания. Смесь
проходит к танку-отстойнику 6, где осаждается фторид кальция и избыток
извести. Прозрачный регенерированный раствор протекает через
переливное устройство 7 и вновь поступает в башню 7. Чтобы поддерживать
определенный температурный режим в башне, эта жидкость проходит через
систему теплообменников 8, регулируемую автоматически. Температура
жидкости поддерживается в пределах 37,8-65,6 °С.
Как видно из рис. 6.6, собственно абсорбционная газоочистка
занимает лишь небольшое место. Основную часть технологической схемы
составляют системы регенерации и раствороподготовки.
В последнее время абсорбционная газоочистка уступает место
другим способам. Однако, по мнению большинства специалистов, в случае
экономичного решения проблемы отработанного раствора этот метод
может быть предпочтительнее других.
6.2. АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Адсорбенты, используемые в процессах очистки отходящих газов,
должны удовлетворять следующим требованиям:
— иметь большую адсорбционную способность при поглощении
компонентов при небольших концентрациях их в газовых смесях;
— обладать высокой селективностью;
— иметь высокую механическую прочность;
— обладать способностью к регенерации;
— иметь низкую стоимость.
В качестве адсорбентов наибольшее распространение нашли такие
материалы, как активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.
Активные угли — пористые адсорбенты органического происхождения.
Их получают из различных видов органического сырья: угля, торфа, дерева,
костей животных, скорлупы орехов. При производстве исходный материал
подвергают термической обработке без доступа воздуха (600-900 °С), в
результате которой из него удаляют летучие вещества. Затем улучшают
активацией — обработкой паром, газами или химическими реагентами
(активатором). Изменяя температуру, скорость подачи активаторов и время
285

активации, можно получать угли с заранее заданными адсорбционно-струк-
турными свойствами.
В зависимости от назначения угли подразделяются на осветляющие
(для обесцвечивания растворов), рекуперационные (для улавливания
паров легкокипящих растворителей) и газовые (для поглощения газов и
паров с малыми размерами молекул и малыми их концентрациями в газовых
смесях). В газоочистке наибольшее значение имеют последние два типа.
По размеру и форме частиц активные угли подразделяют на
гранулированные и порошкообразные. Гранулированные выпускают в виде
цилиндриков диаметром 2-5 мм, причем высота всегда больше диаметра.
Применяют чаще всего при очистке и разделении газовых потоков.
Порошкообразные угли состоят из частиц величиной менее 0,15 мм. Их
используют чаще для очистки веществ в жидкой фазе.
Активированный уголь гидрофобен и адсорбирует прежде всего
гидрофобные вещества, к числу которых принадлежит большинство
органических веществ. Адсорбционная активность возрастает с повышением
молекулярного веса и температуры адсорбируемого вещества.
Марки углей указывают на их происхождение и назначение: АУ —
активированный уголь; БАУ — березовый активированный уголь; АГ —
гранулированный активированный уголь; СКТ — уголь
сернисто-калиевого активирования, торфяной; КАУ — косточковый активный уголь;
АР — активированный уголь рекуперационный. Характеристика и область
применения некоторых активных углей представлена в табл. 6.2.
Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента
является его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при
температуре выше 250 °С. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю
добавляют до 5% силикагеля.
В настоящее время широкое распространение находят активированные
угли, изготавливаемые из полимерных материалов — молекулярно-сито-
вые угли типа MSC. К этой подгруппе относится уголь САУ (см. табл. 6.2),
изготавливаемый из полимера сарана. Благодаря своей структуре угли типа
MSC могут поглощать газовые смеси в присутствии такого полярного
компонента, как вода.
Силикагели. По своей химической природе является гидратированным
аморфным кремнеземом (Si02«H20). Его получают путем взаимодействия
жидкого стекла с серной кислотой. Продукты реакции промывают водой,
высушивают до остаточной влажности — 5-7%, прокаливают при 800 °С,
после чего дробят и рассеивают на фракции размером 0,2—7 мм или
получают гранулы шарообразной формы диаметром 3-6 мм. Силикагели
представляют собой твердые, прозрачные стекловидные или матовые зерна.
Используют для осушки газов и поглощения паров полярных
органических веществ (например, метилового спирта). Пары неполярных орга-
286

Таблица 6.2
Характеристика и область применения активных углей
Марка
БАУ
АГ-3
АГ-5
САУ
КАУ
| APT
СКТ-1
CKT-2
скт-з
CKT-4
CKT-6
_
Размер
гранул,
мм
1-5
1,5-2,7
1-1,5
1-5
1-5
1-6
0,5-2,7
1,0-2,7
1-3,5
1-3,5
0,5
Насыпная
плотность,
кг/м3
350
450
450
450
400
550-600
470
460
380
430
470
Время
защитного
действия,
мин.
-
38
45
-
-
-
70
-
-
50
65
Предельный
адсорбционный
объем микропор,
см3/г
0,26
0,30
0,30
0,36
0,33
0,33
0,45-0,59
0,45-0,59
0,46
-
-
Область применения
Адсорбция газов и паров |
Адсорбция газов и паров |
Адсорбция газов и паров
Адсорбция газов и паров
Адсорбция газов и паров
Тонкая очистка газов
Очистка газов от сероводорода
Улавливание углеводородных
газов
Улавливание паров
органических растворителей
Улавливание паров
органических растворителей
Адсорбция радиоактивных
газов
нических веществ поглощаются слабо. Преимущества по сравнению с
активными углями: дешевы, негорючи, при получении можно регулировать
их пористую структуру, обладают повышенной механической прочностью
к истиранию, имеют низкую температуру регенерации (110-120 °С).
Удельная поверхность силикагеля может изменяться в зависимости от
назначения на два-три порядка. Промышленность выпускает кусковые
(зерна неправильной формы) и гранулированные силикагели (зерна
правильной формы) с зернами размером 0,2—7 мм, насыпной плотностью 400-
900 кг/м3. Для различных способов абсорбции рекомендуется свой
гранулометрический состав: для процессов с кипящим слоем — 0,1-
0,25 мм; для процессов с движущимся слоем — 0,5—2,0 мм; для процессов
со стационарным слоем — 2,0-7,0 мм. Характеристики некоторых силика-
гелей приведены в табл. 6.3.
Недостатком силикагелей, особенно мелкопористых, является
разрушение их зерен под действием капельной влаги.
Алюмогели (активный оксид алюминия). Является гидрофильным
адсорбентом. Технология получения алюмогелей схожа с технологией
получения силикагеля. Используют для осушки газов и поглощения некоторых
полярных органических веществ из газовых смесей. При осушке газов они
287

Таблица 6.3
Характеристика некоторых марок силикагелей
Марка
КСК — крупный силикагель
крупнопористый, гранулированный
МСК — мелкий силикагель
1 крупнопористый, кусковой
КСМ — крупный силикагель
мелкопористый, гранулированный
МСМ — мелкий силикагель
1 мелкопористый, кусковой
КСС — крупный силикагель
среднепористый, гранулированный
Средний
радиус пор, м
4,5 Ю-9—Ю-8
(6,4V7)-10-9
(0,8-2)-10-9
(i,3-l,5)-10-9
(1,8+3,5)-! О"9
Удельная
поверхность, м2/кг
300-450
282-288
400-750
550-580
500-650
Суммарная
пористость, м3/кг
(0,9-1,1)Ю-3
(0.93-0,97)-10-3
(0,25-0,6)10-3
0,34-10"3
(0,60-0,85)-10-3
способны поглощать от 4 до 10% водяных паров от собственной массы.
Промышленность выпускает гранулированные алюмогели
цилиндрической формы (диаметр гранул 2,5-5 мм и высота 3-7 мм), а также
шарообразной формы (диаметр частиц 3-4 мм). В отличие от силикагелей
алюмогели более стойки к действию воды.
Цеолиты1. Это алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных и ще-
лочно-земельных металлов. Основная отличительная особенность
цеолитов — строго регулярная пористая структура (одинаковые по размеру поры),
что позволяет использовать их для избирательной адсорбции.
Цеолиты подразделяются на природные и синтетические. Из
природных практически используют морденит, шабазит, эрионит. Размер пор до
4-10-10, а объем микропор 0,15 см3/г. Природные цеолиты рассеяны в
природе, к тому же они загрязнены различными примесями, что усложняет их
использование.
В настоящее время синтезировано около 100 наименований цеолитов.
Чаще всего используются синтетические цеолиты следующих марок: КА,
NaA, CaA, CaX, NaX. Первая буква соответствует форме катиона,
компенсирующего заряд решетки, вторая — тип кристаллической решетки.
Каждой марке соответствует определенный размер пор. Синтетические
цеолиты выпускаются в виде гранул шарообразной формы (диаметр 2—5 мм)
и цилиндрической формы (диаметр 2-4 мм и длина 2-4 мм). Цеолит КА
используется только для осушки газов, цеолит NaA адсорбирует газы —
сероводород, аммиак, метан, оксид углерода и др., цеолит СаА поглощает
углеводороды и спирты только нормального строения. Характеристики
некоторых цеолитов приведены в табл. 6.4.
1 От греч. zeo — вскипаю, lithos — камень; по способности вспучиваться при нагревании.
288

Таблица 6.4
Характеристики некоторых промышленных цеолитов
Марка
KA
NaA
СаА
СаХ
NaX
Размер зерна
</3, мм
0,1-0,32
0,1-0,6
0,1-0,6
0,1-0,6
0,1-0,6
Насыпная
плотность р, кг/м3
0,62
0,65
0,65
0,6
0,6
Удельная
поверхность S, м2
-
00
750-800
1030
1030
Механическая прочность
на истирание, %
-
70
-
-
70
Размер
пор, А
3
4
5
8
10
Для очистки газовых выбросов от вредных примесей в последнее время
используются активные углеродные волокна. Достоинства их по сравнению
с активными углями следующие: обладают фильтрующими и
адсорбционными свойствами, высокой скоростью процессов адсорбции —
десорбцией, а также высокой химической, термической и реакционной стойкостью.
Одним из направлений развития адсорбционной очистки является
поиск дешевых адсорбентов, не подлежащих регенерации, с условием его
дальнейшего использования. Примером такого адсорбента является
глинозем, используемый для поглощения фтористых соединений и
являющийся сырьем для производства алюминия.
Регенерация адсорбента. Регенерация заключается в удалении из его пор
адсорбированного вещества. Оттого, насколько быстро и полно удается
выделить из адсорбента адсорбируемые вещества, зависит эффективность
процесса очистки в целом. На регенерацию адсорбентов приходится примерно
60-70% всех энергетических затрат адсорбционно-десорбционного цикла.
Регенерацию адсорбента проводят одним из следующих методов:
— термическим методом. Процесс происходит при 300-400 °С в печах
различных конструкций: барботажных, многоходовых и с кипящим
слоем. При термической регенерации теряется 5—10% адсорбента и
происходит деструкция адсорбируемого вещества;
— десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром. Во
втором случае используется перегретый пар при 200-300 °С;
— десорбцией инертным газом при 120—140 °С.
Виды адсорберов.
Основная задача адсорберов — обеспечить интенсивный контакт
очищаемого газа с адсорбентом. В зависимости от состояния адсорбента
различают три группы адсорберов.
1. Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Адсорберы с
неподвижным слоем представляют собой цилиндрические вертикальные или
горизонтальные емкости, заполненные слоем абсорбента. Адсорбент
располагают на решетках, а подачу газа осуществляют сверху вниз. При
19-4543
289

конденсатор
Очищенный
Теплоноситель
ЧХЗ-
Рис. 6.7. Многополочный адсорбер
периодического действия:
1 — корпус; 2 — слои адсорбента
необходимости адсорбент
располагают несколькими слоями
на полках (рис. 6.7). Чтобы
обеспечить непрерывность процесса,
необходимо устанавливать
несколько адсорбционных
аппаратов, каждый из которых
периодически работает в режиме
адсорбции или регенерации.
Возможна работа по двух-
или четырехстадийному циклу.
При четырехстадийном
цикле работа осуществляется по
следующим стадиям:
1)адсорбция;
2) десорбция — прекращают подачу парогазовой смеси и подают
теплоноситель (пар); в результате нагрева происходит десорбция поглощенных
компонентов, которые вместе с паром удаляются из аппарата разделения;
3) сушка адсорбента — прекращается подача пара и вместо него
подается горячий воздух;
4) охлаждение адсорбента — вместо горячего подается холодный воздух.
При двухстадийном режиме процессы сушки и охлаждения
осуществляются одновременно с процессом адсорбции. Процессы конденсации и
рекуперации улавливаемых продуктов проводят в выносных аппаратах.
Предложены конструкции, в которых стадии адсорбции и десорбции
совмещены в одном корпусе.
Расчет адсорберов периодического действия с неподвижным слоем
адсорбента. Расчет адсорберов этого типа, равно как и других, сводится к
определению их конструктивных размеров (диаметра, высоты), объема
адсорбента, времени защитного действия, гидравлического сопротивления и
некоторых других величин.
В периодическом адсорбере происходит изменение концентрации
вещества во времени и по высоте слоя. По изменению скорости процесс
адсорбции разделяют на два периода: 1) период уменьшающейся скорости,
ограниченной временем хо и высотой слоя HQ; 2) период постоянной
скорости х > т0. Продолжительность процесса адсорбции равна
Г=х + хд+хс, (6.26)
где х — время адсорбции; хд— время десорбции; хс — время сушки и
охлаждения адсорбентов.
290

Продолжительность собственно адсорбции приближенно можно
определить из соотношения
__ Gc(*2-*i)
v05pr(y,-,2)' (6-27)
где G^ — масса адсорбента, кг; хх их2 — концентрации вещества в
адсорбенте в начале и конце процесса; v0 — фиктивная скорость газовой смеси, м/с;
S — сечение адсорбера, м2; рг — плотность газовой смеси, кг/м3; ух и у2 —
концентрация вещества в газе в начале и конце процесса.
Высота работающего слоя адсорбента #0 в момент хо определяется из
соотношения
H0=N0h,
где N0 — число единиц переноса; h — высота единицы переноса
h=^' <6-28>
где Км — коэффициент массопередачи [уравнение (4.54)].
Для определения числа единиц переноса N0 в момент времени то на
диаграмме у — х строят изотерму адсорбции и рабочую линию. Уравнение
рабочей линии для момента времени хо имеет вид
dy = -^dx. (629)
Это — уравнение прямой линии, проходящей через начало координат,
тангенс угла которой равен у/хн. Интеграл находят графическим
интегрированием. Он равен числу единиц переноса No:
J Г — У
(6.30)
где хс — концентрация вещества в конце работающего слоя адсорбента.
Площадь сечения адсорбера находят по формуле
5=^р? <6-31)
где G — расход газа, кг/с; v — скорость газа, отнесенная к полному
сечению адсорбера, м/с (принимают равной 0,08-0,25 м/с).
2. Адсорберы с движущимся слоем адсорбента. Адсорберы этого класса
лишены недостатков адсорберов с неподвижным слоем, в них возможно
обеспечение непрерывности процесса, более полно используется
адсорбционная емкость адсорбента, в одном аппарате может быть совмещено
несколько стадий, за счет чего уменьшается занимаемая площадь. Кроме того,
у него меньше гидравлическое сопротивление и он более прост в управле-
19*
291

нии и автоматизации. К недостаткам можно отнести истирание
адсорбентов и необходимость строгого соблюдения гидродинамических
характеристик процесса при эксплуатации установок.
На рис. 6.8 представлены два вида аппаратов с движущимся слоем,
когда в одном аппарате может быть совмещено несколько стадий (рис. 6.8, а)
и когда регенерация осуществляется за пределами аппарата.
Адсорберы с движущимся слоем адсорбента, в котором совмещаются
стадии в одном корпусе, являются одними из наиболее перспективных.
Расчет адсорберов с движущимся адсорбентом аналогичен расчету
адсорбентов с неподвижным слоем с тем лишь условием, что необходимо
рассчитывать дополнительно скорость движения твердой фазы, а также расход
адсорбента. Скорость перемещения адсорбента в аппарате может быть
определена по уравнению
где хк — концентрация адсорбата в твердой фазе, равновесная с ун, кг/м3;
^ — порозность слоя подвижного адсорбента, доли единицы (еп = 0,33-0,49).
Вода
3
2
Адсорбент
i
плллщ
r~Ywvwvd
Свежий
адсорбент
/Продукты
J адсорбции
Адсорбент на
регенерацию
Рис. 6.8. Адсорбер с движущимся слоем адсорбента:
а — с совмещением стадий в одном корпусе: / — зона адсорбции; 2 — распределительные тарелки;
3 — холодильник; 4 — подогреватель; 5 — затвор; б — с регенерацией за пределами корпуса: 1 —
газораспределительная решетка; 2 — бункер; 3 — корпус; 4 — штуцер; 5 — ленточный фильтр; 6 — затвор;
7 — адсорбент
292

Рис. 6.9. Адсорберы с кипящим слоем:
а — однокамерный адсорбер: /—нижний штуцер;
2 — конусное днище; 3—решетка; 4— патрубок для
ввода адсорбента; 5—циклонное устройство; 6 —
цилиндр; 7— адсорбент; 8— патрубок для вывода
адсорбента; б— многокамерный адсорбер: 1 —
штуцер; 2—переточные трубки; 3 — входная труба; 4—
штуцер выходной; 5— перфорированные тарелки;
б— корпус; 7— выходная труба
3. Адсорберы с кипящим слоем
адсорбента. Для интенсификации
работы адсорберов возможно
использование кипящего (взвешенного)
слоя, когда размеры частиц
меньше, чем в неподвижном слое. Это
позволяет увеличивать ПКФ,
уменьшать сопротивление и
увеличивать допустимую скорость газа.
Аппараты с кипящим слоем могут
быть как периодического, так и
непрерывного действия.
Формирование оптимальных
гидродинамических условий
зависит от многих факторов: скорости газового потока, размера и плотности
адсорбента, формы аппарата, диаметра и высоты кипящего слоя, способа
подачи твердой фазы, конструкции газораспределительных решеток и т. д.
Стабильный кипящий слой достигается в том случае, когда высота
кипящего слоя примерно равна диаметру.
На рис.6.9. представлены конструкции адсорбентов с кицящим слоем.
Расчет адсорберов со взвешенным слоем адсорбента. Влияние
продольного перемешивания на процесс учитывается коэффициентом
продольного перемешивания кп:
(6.33)
Адсорбент
к=-
Диаметр адсорбера рассчитывают по формуле
G
D =
|0,785vpr
Среднюю скорость газа рассчитывают по формуле
Аг
Re =
18 + 0,61л/Аг"
(6.34)
(6.35)
293

Высоту взвешенного слоя на тарелке определяют из соотношения
Пористость е взвешенного слоя можно определить из зависимости
\0,2!
(l8Re+0,36Re2 |
" = [ Аг J ' <6-37>
где е0 — пористость неподвижного слоя; е0 = 0,4; Асл— высота слоя сорбента:
h =50-60 мм; Re = -^ZBi- критерий Рейнольдса; Аг= з(Р«-й-)Рг* _
критерий Архимеда; d3 — диаметр зерна адсорбента; ра — плотность
адсорбента; рг — плотность газа; |ir — динамический коэффициент вязкости газа.
Высоту рабочей зоны многоступенчатого аппарата рассчитывают по
формуле Явзв = hm nT .
Число ступеней пг аппарата находят по диаграмме Y— X, на которой
отложены изотерма адсорбции и рабочая линия.
Уравнение материального баланса для всей колонны будет иметь вид:
£аоЧ\к=у(Ун-Ук)> (6.38)
где т|к — степень обработки адсорбента на выходе из колонны; т|к > 0,8; ун,
ук — концентрация компонента в газовой фазе на входе в колонну и выходе
из нее соответственно.
Рассчитав лт, определяют действительное число тарелок:
пд = пткп. (6.39)
Коэффициент продольного перемешивания вычисляют по формуле
*п=1 + (0,1 + 9,ЗЛ)л"*-т1к
expf-4,95^\ (6.40)
где А = — н сл—'- — безразмерный комплекс (8 — кажущаяся плотность).
bd] v
Если все слои в колонке равноценны, т. е. частицы адсорбента
шарообразны, одного и того же размера и равномерно распределены по объему
слоя, то для расчета концентрации компонента на выходе из любого слоя
■Уных / Рекомендуется уравнение
У«х., = Ун ехР
(6.41)
Используя это уравнение, можно также рассчитать число тарелок в
колонне.
294

Рис. 6.10. Схема адсорбционной установки для улавливания паров растворителей:
/ — фильтр; 2 — гравийный огнепреградитель; 3 — предохранительное устройство с разрывными
мембранами; 4 — калорифер; 5 — обводная линия; 6 — адсорбер; 7 — конденсатор; 8, 9 — вентиляторы
Адсорбционные методы обезвреживания выбросов нашли наибольшее
применение в случаях, когда необходимо рекуперировать уловленный
продукт [в основном, растворители: ацетон, толуол и др. (рис. 6.10)], для
удаления неприятных запахов. Имеются сведения об адсорбционной очистке
выбросов от диоксида серы, оксидов азота, а также от их смеси.
6.3. КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Каталитическая очистка газов основана на гетерогенном катализе и
служит для превращения примесей либо в безвредные соединения, либо в
соединения, легко удаляемые из газовой смеси. Достоинства метода:
— высокая степень очистки;
— компактность;
— небольшая металлоемкость;
— высокая производительность;
— легкость автоматического управления.
Недостатки:
— образование новых веществ, которые часто надо удалять из газа;
— высокая стоимость катализаторов.
Особенность каталитической очистки газов состоит в том, что
очищаются большие объемы отходящих газов с малым содержанием примеси.
Кроме того, в газах могут содержаться не один, а несколько вредных
компонентов.
При очистке газов реакции протекают в основном в диффузионных
областях, поэтому катализаторы должны иметь высокоразвитую пористую
структуру (см. § 4.2).
295

Катализаторы для очистки газов. Катализаторы должны обладать
следующими свойствами:
— активностью и селективностью к извлекаемому компоненту;
— пористой структурой;
— стойкостью к катализаторным ядам;
— механической прочностью;
— низкой температурой зажигания;
— большим температурным интервалом работы;
— термостойкостью;
— низким гидравлическим сопротивлением;
— иметь небольшую стоимость.
Обычно катализатор представляет собой смесь нескольких веществ
(контактная масса): каталитически активного вещества, активатора и носителя.
Каталитически активное вещество — основа катализатора. Именно оно
вступают в реакцию обменного действия. В настоящее время накоплен
достаточно большой опыт выбора каталитически активных веществ для
проведения различных процессов. В качестве каталитически активного
вещества используются чистые металлы, оксиды металлов, а также большое
количество химических соединений. Основные материалы, используемые
в качестве каталитически активных веществ, применяемых при очистке
газов: платиновые металлы, палладий, рутений, родий, сплавы, содержащие
никель, хром, медь, цинк, ванадий.
Активаторы — вещества, которые повышают активность
катализаторов. При этом сами активаторы обычно не обладают каталитическими
свойствами, но способны усиливать действие каталитически активных веществ.
Активаторы могут усиливать действие каталитически активных веществ в
сотни и тысячи раз. Их действие до конца не изучено, предполагают, что
они вступают в реакцию с каталитически активным веществом. В качестве
активатора могут использоваться самые разнообразные вещества, выбор
которых осуществляется чаще всего эмпирическим путем.
Носители — основание, на которое наносится катализатор. В ряде
случаев они могут оказывать влияние на активность и селективность
катализаторов. В качестве носителей чаще всего используют инертные пористые
вещества, обладающие развитой поверхностью: силикагели,
алюмосиликаты, цеолиты и т. д.
В качестве контактной массы чаще всего используют:
1. Активный металлический катализатор на металлическом носителе.
Например, катализатор — платина или другой благородный металл —
вместе с активаторами наносят на стружку из никелевого сплава. Разработаны
специальные катализаторы для селективных реакций. Обычная
каталитическая установка представляет собой неглубокую матрицу, хотя для
некоторых операций используются цилиндрические патроны.
296

2. Активный металлический катализатор на носителе из оксида
металла. Например, тонкий слой металла платиновой группы наносят на
носитель — обоженный а-оксид алюминия либо фосфор (свечного типа).
Носитель изготавливают в виде цилиндрических гранул, расположенных рядами,
смещенными по отношению друг к другу.
Катализатором может быть также у-оксид алюминия с большой
удельной поверхностью и платиновым покрытием. К этой же группе относится
палладиевый катализатор на носителе из оксида алюминия.
3. Активный катализатор — оксид металла на подложке из оксида
металла. Активные оксиды (например, у-А1203), обладающие высокой
удельной поверхностью, могут быть нанесены на носитель из оксида металла
(например, на у-А1203). Такая система обладает следующими преимуществами:
она способна выдержать высокие температуры; в ее состав входят дешевые
материалы (по сравнению с катализаторами из благородных металлов);
кроме того, она может быть изготовлена в виде стержней или таблеток.
К этой категории относят также катализаторы, целиком состоящие из
активного материала, включая и носитель; такие катализаторы называют
иногда «бесподложечные». К их числу относят смесь оксидов меди и
марганца («Хопкалит»), обеспечивающую полное сгорание углеводородов при
300-400 °С, за исключением метана (30% при 400 °С).
4. Активный оксид металла на металлическом носителе. Например,
каталитическая система, представляющая собой металлическую
проволоку в качестве носителя. В процессах очистки газов такие системы
практически не используются.
В настоящее время разрабатываются комплексные катализаторы,
обладающие активностью к нескольким реакциям (при обезвреживании
нескольких вредных веществ).
Температура, которая обычно необходима для начала каталитической
реакции (температура зажигания), зависит от присутствующих в газе
веществ и типа катализатора. Для некоторых веществ температура
зажигания приведена в табл. 6.5.
Важнейшим требованием к катализаторам, используемым в очистке
газов, является стойкость к каталитическим ядам. Некоторые аспекты
действия каталитических ядов были рассмотрены в § 4.2.
Рассмотрим действие основных каталитических ядов на катализаторы
при очистке выбросов.
Фосфорорганические соединения, встречающиеся в аэрозолях,
образуемых смазками, при окислении дают фосфорную кислоту, которая
покрывает катализатор тонким дезактивирующим слоем.
Тяжелые металлы — свинец и мышьяк — действуют подобно фосфатам,
образуя тонкие дезактивирующие пленки. Дезактивация и засорение
катализатора могут быть обусловлены присутствием пыли в очищенном газе.
297

Таблица 6.5
Температура зажигания катализаторов при каталитическом окислении
Загрязняющее вещество в очищаемых газах
Альдегиды, антрацены, пары масла, углеводороды |
Водород, оксид углерода, метан, углерод
| Оксид углерода, углеводороды
Парафины, пары масел
1 Водород, метан, оксид углерода, формальдегид
1 Растворители, смолы
| Фенол
Маленовая и фталевая кислоты, нафтахиноны,
оксид углерода, формальдегид
Углеводороды
Растворители
Углеводороды
Растворители, лаки
Температура каталитического
окисления, °С
320-370 |
650-980 |
340-450 |
320-370 1
340
260-400
320-430
320-340
260-650
320
320-370
320-370
Если эта пыль огнеупорная (оксиды алюминия, кремния и железа), ее
дезактивирующее действие может быть постоянным; если не произошло
спекание, фильтрующие элементы могут быть очищены и активность
катализатора частично восстановится.
Временная потеря активности может быть вызвана отложением
мелкой угольной пыли и сажи вследствие неполного сгорания. В этом случае
уголь выжигается из катализатора при кратковременном повышении
температуры до 350 °С.
Стоимость катализатора зависит от стоимости исходного сырья и
технологии его получения. Часто для приготовления катализаторов
используют драгоценные и редкие металлы: платину, серебро, радий, палладий,
рутений, церий и другие, а также цветные металлы: медь, цинк, хром,
никель кобальт, олово, алюминий, титан, молибден и другие. С целью
снижения стоимости следует синтезировать, где это возможно, катализаторы,
не содержащие драгоценных металлов или снижать их содержание. В ряде
случаев такие катализаторы по активности и другим показателям не
уступают катализаторам, в состав которых входят драгоценные металлы.
Немаловажное влияние на стоимость катализаторов оказывает
технология их приготовления. Технология получения катализаторов зависит от
того, в каком виде его получают. Например, в виде металлических сеток,
гофрированной ленты, керамических блоков, таблеток, колец, шариков и
др. Наиболее часто контактные массы получают в виде таблеток путем со-
298

вместного осаждения каталитически активных веществ с последующим
добавлением активаторов и наполнителей.
Производство таких катализаторов включает следующие стадии:
подготовку сырья, растворение, осаждение, фильтрование, промывку,
сушку, прокаливание, формовку.
Конструкция каталитических реакторов. Требования к конструкции:
— высокая производительность;
— обеспечение непрерывности процесса при оптимальных
технологических режимах;
— легкость в управлении;
— возможность автоматизации;
— малое гидравлическое сопротивление;
— доступность загрузки и выгрузки катализатора;
— наличие устройства для подогрева газовых смесей и рекуперации
тепла;
— небольшая металлоемкость, доступность монтажа, ремонта и
транспортировки.
По способу взаимодействия газов с катализатором аппараты
подразделяются на 3 группы:
1. Каталитические реакторы с фильтрующим слоем катализатора.
К аппаратам с фильтрующим слоем относятся емкостные, трубчатые и
полочные аппараты, принцип действия которых основан на
фильтрации газа через слой неподвижного катализатора (рис. 6.11). На этом
принципе основана работа большинства контактных аппаратов.
Причем катализатор может находиться в виде металлических сеток,
натянутых по ходу движения газа, трубчатых контактных аппаратов или в виде
твердых тел различной формы, располагаемых на перфорированных
решетках. Достоинства таких аппаратов: простота конструкции. К
недостаткам следует отнести отсутствие теплообмена, что позволяет
проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими
тепловыми эффектами.
Для полноты протекания процесса в одном аппарате может быть
установлено несколько слоев контактной массы. Многослойные контактные
аппараты чаще всего устанавливают, когда имеется необходимость
очищаемый газ подвергать дополнительной обработке (нагреванию,
охлаждению и т. д.). Это позволяет вести процесс при оптимальном
температурном режиме на каждой полке.
В зависимости от функционального назначения контактные аппараты
с фильтрующим слоем катализатора имеют несколько вариантов
конструктивного оформления: реакторы каталитические с твердым
катализатором, размещенном в отдельном корпусе (тип К); реакторы
каталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подо-
299

Газ Газ
* Катализатор *
О в виде сеток
Газ
t
ух-т
I I; .'J Г. .'J ll-.'J I:.'J Ln Л1СПП1
Катали
V затор , .эт
Теплооб- (Ш^ЩШЭД
менник
:••.-. |.«8л»||.<1:

Катализатор
Рис. 6.11. Схемы контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора:
а — контактный аппарат с катализатором в виде сеток; б— трубчатый контактный аппарат; в — контактный
аппарат с перфорированными решетками; г — многослойный контактный аппарат; д —
контактный аппарат с трубками Фильда; е — контактный аппарат с теплообменником
греватель (тип ТК); реакторы термокаталитические, в которых в общем
корпусе размещены контактный узел и рекуператор тепла (тип KB);
реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены
подогреватель, контактный узел и рекуператор тепла (тип ТКВ). Наиболее
перспективными являются аппараты ТКВ, которые в максимальной степени
отвечают экологическим требованиям.
Например, термокаталитический дожигатель конструкции Гипрогаз-
очистка(рис. 6.12).
Газ, содержащий вредные примеси, подогревается очищенными
газами в теплообменнике-рекуператоре. Затем смешивается с топочными
газами, образующимися при сжигании топлива в горелках 7, после чего
происходит обезвреживание на поверхности катализатора 2.
Недостатком аппаратов с фильтрующим слоем является возможность
засорения катализатора твердыми частицами. В этом случае могут быть
использованы трубчатые реакторы с нанесенными на внутреннюю
поверхность трубок катализаторами.
300

Рис. 6.12. Каталитический дожигатель
конструкции Гипрогазочистка: j
J — горелка; 2—слой катализатора;
3—теплообменник-рекуператор
Расчет реактора с фильтрующим слоем. Гидравлическое сопротивление
реактора рассчитывают по разным формулам, в зависимости от его
конструкции.
Для реактора с неподвижным слоем катализатора:
АР = И
'а^
'рг<Л
\ и )
#о>
(6.42)
где £ — коэффициент сопротивления при Re < 50 величина \ = 220/Re; при
Re > 50 величина £ = ll,6/Re0>25; v — фиктивная скорость газа, м/с; #0 —
высота неподвижного слоя катализатора, м; £0— порозность неподвижного
слоя; а — удельная поверхность катализатора, м2/м3.
Для нахождения размеров реактора определяют число единиц
переноса и высоту, эквивалентную единице переноса (ВЕП):
Я^ВЕПЛГ, (6.43)
ВЕП = -
^ср =
МсрРг^ср
(p + PAyA)-(P-PAiyA)
In
Р + РАУл
Число единиц переноса рассчитывают по уравнению
1 Ai
*.-J
ср А
" Ai
-I
N dNA
cp A
(р+рлуЖ *Ai У A ) NAi Ai J
(6.44)
(6.45)
(6.46)
301

где Нр— высота реактора; G — массовая скорость газа, кг/(м2ч); Мс —
средняя молекулярная масса компонентов газового потока; а — удельная
поверхность катализатора, м2/м3; Рс — среднее логарифмическое парциальное
давление компонента Л в пленке газа около поверхности катализатора; РА—
парциальное давление компонента^, Па; РА — парциальное давление
компонента на поверхности катализатора, Па; уА — изменение числа молей
компонента/! в результате реакции (на 1 моль исходного вещества A); Ncp =
Рс /Р — среднее логарифмическое значение концентрации реагента А в
пленке газа; NA и NAi— мольная доля компонента/! в газе и на поверхности
катализатора соответственно.
Значения ВЕП и N0 можно определить по формулам (6.44) и (6.46).
Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем
используют теплообменники, расположенные вне слоев катализатора.
2. Каталитические реакторы со взвешенным слоем катализатора.
Недостатком фильтрующего слоя является наличие зон, плохо омываемых газом
в местах соприкосновения гранул катализатора. Для устранения этих
недостатков используют кипящий слой, в котором каждая гранула катализатора
интенсивно (рис.6.13), со всех сторон соприкасается с газом, что
интенсифицирует процесс очистки.
Достоинством таких аппаратов является также хорошая
теплопроводность слоя, возможность механизировать и интенсифицировать процесс
загрузки и выгрузки катализатора,
исключение возможности локального
перегрева или переохлаждения,
возможность использовать мелкий
катализатор (в фильтрующем слое
мелкозернистый катализатор не
используется из-за повышенного сопротивления
и неравномерности температурного
слоя).
К недостаткам взвешенного слоя
следует отнести истирание и унос
пылевидного катализатора из аппарата, что
требует установки пылеулавливающего
аппарата и предъявляет повышенные
требования к прочности катализаторов,
а также невозможность осуществления
противотока, что снижает движущую
силу процесса. Перечисленные
недостатки не являются определяющими и
многие из них могут быть полностью
или частично устранены.
Рис. 6.13. Каталитический реактор с
кипящим слоем катализатора:
/ — цилиндрическая часть корпуса; 2—
зернистый катализатор; 3 — верхняя часть корпуса;
4 — циклон; 5— шнековое устройство; 6—
газораспределительная решетка
302

Для упорядоченного перемешивания твердой фазы в кипящем слое
иногда вводят механические мешалки, что способствует усреднению
времени пребывания частиц в аппарате.
Для увеличения степени очистки газов используют многополочные
аппараты с кипящем слоем.
Для реактора со взвешенным слоем частиц скорость начала
взвешивания находят по формуле
Re"3" = 1400+5,227^' (6'47)
v„„=v.3„e- (6.48)
Гидравлическое сопротивление взвешенного слоя рассчитывается по
формуле
AP = gpT(l-e)tf. (6.49)
Значения Н и е определяют следующим образом:
tf=-*f ^, (6.50)
1-е
18Re+0,36Re2
Аг
(6.51)
где е — средняя порозность взвешенного слоя; Я — высота взвешенного
слоя.
Для отвода (подвода) тепла из реакторов со взвешенным слоем
используют теплообменники, расположенные внутри слоев катализатора.
Поверхность теплообмена рассчитывают по уравнению теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи от взвешенного слоя к поверхности
теплообмена двзв при оптимальной скорости газа рассчитывают по формуле
М/= 0,86 Дг02, (6.52)
где Nu = -^ критерий Нуссельта; \— коэффициенттеплопроводно-
сти газа, Вт/(м-К).
3. Каталитические реакторы с пылевидным катализатором. В
аппаратах с пылеввдным катализатором измельченный катализатор распыляют в
рабочую зону с помощью специальных сопел (рис. 6.14). Этим
достигается более полное использование реакционного объема. Реакция протекает
в тот момент, когда частицы катализатора находятся в полете.
Обычно процессы каталитического восстановления и окисления
рассматривают отдельно.
303

I
Ш£ЩР£
K'"ft%'V£*.''&'\
р2Шу&&\'£
ftp
pip
iffiffirv^
^
Очищенный
газ
\7
1 Катализатор (возврат)
' Свежий катализатор
Рис. 6.14. Каталитический реактор
с пылевидным реактором:
/ — цилиндрический корпус; 2 — циклон;
3 — сопло; 4 — бункер; 5 — эжекторное
устройство
Отработанный катализатор
Каталитическое окисление используют для удаления диоксида серы
из дымовых газов, очистки выбросов от окиси углерода, органических
веществ, а каталитическое восстановление для обезвреживания газов от
оксидов азота.
После каталитического окисления газы направляют на дальнейшую
переработку, например, абсорбцию, с получением готового продукта. Для
некоторых газов эта стадия не предусмотрена, так как загрязнитель
превращается в безвредное соединение. Чаще всего этими соединениями являются
вода и диоксид углерода. Однако безвредность последнего весьма
относительна (см. § 1.1).
Каталитическое восстановление оксидов азота производят до
элементного азота в присутствии газа-восстановителя.
Для обезвреживания отходящих газов от оксидов азота применяют
высокотемпературное каталитическое восстановление, селективное
каталитическое восстановление и разложение гетерогенными восстановителями.
Высокотемпературное каталитическое восстановление оксидов азота.
Процесс происходит при контактировании нитрозных газов с
газами-восстановителями на поверхности катализаторов.
В качестве катализаторов используются металлы платиновой группы
(палладий, рутений, платина, родий) или более дешевые, но менее
эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель,
хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы. С целью
увеличения поверхности контакта их наносят на пористые или непористые
материалы (керамика, оксид алюминия, силикагель, металлические ленты и
т.п.) различной формы. Восстановителями являются метан, природный,
коксовый или нефтяной газ, оксид углерода, водород или азотно-водо-
родная смесь.
304

Эффективность обезвреживания NOx зависит от активности
используемого катализатора. В частности, катализаторы на основе платиновых
металлов при объемных скоростях газа (212)-104 ч-1 позволяют достигать
остаточных содержаний NOx 5*10^ — 5*10~2% (об.).
Суть протекающих восстановительных процессов выражается
следующими рекциями:
4NO + CKL -> 2N, + СО + 2Н,0
4 2 2
2N02 + СН4 -> N2 + СО + 2Н20
4NO + 2CO->N2 + 2C02
2N02 + 4СО -> N2 + 2С02
2NO + 2H2->N2+2H20
2N02 + 4H2->N2+4H20
Нагрев и восстановление нитрозных газов производится путем их
смешения с газом-восстановителем и сжигания образующейся смеси над слоем
катализатора. На практике обычно используют природный газ из-за его
доступности и низкой стоимости. Несмотря на то, что все процессы
восстановления N0^ экзотермичны, нагрев реакционной смеси происходит в
основном за счет реакции восстановителя с кислородом, так как содержание
последнего в нитрозных газах обычно во много раз превышает
концентрацию в них NOx В процессе восстановления температура газа быстро
возрастает до 700 °С и более, поэтому возникает необходимость использования
термостойких катализаторов или восстановителей с низкой температурой
зажигания либо проведения ступенчатого контактирования с
промежуточным охлаждением обрабатываемого газового потока.
Каталитические методы очистки выбросов считаются наиболее
прогрессивными и в перспективе они могут занять лидирующее положение в
области очистки газов.
6.4. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ГАЗОВ
Если загрязняющие вещества легко окисляются, как, например, пары
углеводородов в отходящих газах цехов растворителей или красок, то их
удаление может быть осуществлено путем сжигания газов, причем
образуются диоксид углерода и вода при сжигании углеводородов или
диоксид серы и вода — в случае органических сульфидов.
Преимущества метода:
— отсутствие шламового хозяйства;
— высокая эффективность;
— простота обслуживания;
20 - 4543
305

— возможность полной автоматизации;
— относительно низкая стоимость очистки.
Недостатки:
— при сжигании могут образовываться продукты реакции, во много раз
превышающие по токсичности исходный газовый выброс (это
касается галогенов, фосфора и серы);
— необходимость учитывать, что смесь горючих веществ с кислородом
образуют взрывоопасные смеси (концентрация горючих веществ в
смеси должна составлять не более 25% от нижнего предела
взрываемое™);
— необходимость учитывать наличие в выбросах смолы и горючих пы-
лей, которые при транспортировке могут откладываться в местах
резкого изменения направления движения, что приводит к их
воспламенению при аварийной ситуации.
К оборудованию термического обезвреживания выбросов предъявляют
следующие требования:
— полнота сгорания, предотвращающая образование других вредных
промежуточных и конечных продуктов;
— бездымность сгорания;
— стабильность технологического процесса горения при изменении
расхода и состава сбрасываемых газов;
— взрывобезопасность;
— шумность и яркость должна быть в пределах санитарных норм.
В зависимости от условий сжигания и технологического оформления
процесса применяют два метода термического обезвреживания: в
факельных устройствах и в печах (топках) различной конструкции.
Сжигание в пенах (в замкнутом пространстве) используют, если
содержание сжигаемых примесей в газах недостаточно (малая теплотворная
способность газового потока). При этом приходится либо добавлять топливо,
либо предварительно нагревать газовый поток до температуры сгорания.
Аппараты термического обезвреживания в топках подразделяются на
следующие группы: камерные печи; печи с использованием циклонного
принципа смешения газов; печи со струйным смешением газов; системы
обезвреживания выбросов в технологических топках; регенеративные
установки термического обезвреживания выбросов; комбинированные
установки обезвреживания выбросов.
Камерные печи (рис. 6.15) обычно подразделены на две камеры: камеру
горения и камеру смешения, которая переходит в дымоход. Несмотря на
значительное время пребывания газов в печи (до 3,5 с), обусловленное ее
большими габаритами, и довольно высокую температуру (более 850 °С) в
печи не достигается необходимая степень обезвреживания.
306

Рис. 6.15. Печь для
обезвреживания фенолсодержащих веществ:
1 — горелка; 2 — топка; 3 — взрывной
клапан; 4 — поворотный клапан;
5 — сотовые перегородки; 6 —
дымовая труба; 7— газоход; 8— камера
смешения; 9 — окно; 10 — перегородка
Фенольный
воздух
Процесс термического обезвреживания кислородсодержащих выбросов
в ряде случаев целесообразно проводить в топках котельных и других
технологических агрегатах путем подачи выброса в качестве окислителя. При этом
выбросы могут подаваться непосредственно в горелки котла или зону
горения. Недостающее количество воздуха, необходимое для полного горения
топлива, добавляют к выбросу до его подачи в технологический агрегат.
При этом может происходить ускоренная коррозия и некоторое снижение
КПД котлов. Однако последнее может компенсироваться дополнительным
теплом от сжигания СО. К технологическим агрегатам, где возможно это
использовать, относятся котлы ТЭЦ.
Наиболее экономичными и перспективными для термического
обезвреживания газов являются печи с использованием регенеративных
теплообменников. Такие печи состоят из камеры горения и двух или нескольких
слоев регенеративной насадки 4. За счет реверсивного движения
обезвреживаемых газов через аппарат (клапан 7, патрубки 2иЗ) слои насадки
обеспечивают утилизацию тепла с помощью насадки, которая, нагреваясь
продуктами горения, отдает аккумулированное тепло обезвреживаемому газу
(рис. 6.16).
При сжигании на факельных установках используется газообразное или
жидкое топливо. При этом необходим избыток кислорода на 10-15%
больше стехиометрического количества. Обычно на факельных установках
сжигают попутные газы, метан, пропан и другие углеводороды. Оборудование
для сжигания в этом случае включает горелку, установленную на стальной
трубе, по которой идет газ. Чтобы пламя факела было некоптящим (при
сжигании углеводородов с низким соотношением углерод — водород),
добавляют воду в виде пара. При этом происходит реакция водяного пара с
углеводородами с образованием водорода и СО.
20*
307

6^ [ишшшшшашшй^ш^!
Рис. 6.16. Устройство для
технического дожигания
отбросных газов с вертикально
расположенными насадками:
/ — клапаны; 2,3— патрубки; 4—
насадка; 5— камера; б—теплоизолированный
корпус; 7 — перегородки;
8 — смесительные каналы; 9 —
горелки; 10 — окна
В зависимости от характера сжигания факельные установки
подразделяют на три типа: факелы, в которых сжигаемый газ и воздух
предварительно смешиваются вне зоны горения; факелы, в которых кислород
соединяется с сжигаемым газом в момент горения; комбинированные факелы,
в которых часть кислорода предварительно смешивается с горючим газом, а
недостающий кислород поступает из окружающей среды.
По способу расположения факельной горелки установки могут быть
высотными и наземными. В высотных установках горелка расположена в
верхней части факельной трубы и продукты сгорания непосредственно
поступают в атмосферу. В наземных установках горелка расположена на
небольшом расстоянии от земли, а продукты сгорания отводятся в
атмосферу через дымовую трубу.
В зависимости от давления установки подразделяют на установки
низкого (до 0,2 мПа) и высокого (выше 0,2 мПа) давления.
По периодичности работы они могут быть периодического и
постоянного действия, а по месту расположения — отдельно стоящие и
размещенные на технических установках.
В зависимости от состава газов, поступающих на сжигание, установки
подразделяют на сухие и мокрые. Мокрые предназначены для сжигания
газов, содержащих водяные пары и тяжелые углеводороды, а сухая — для
сжигания сухих паров углеводородов с молекулярной массой менее 45 при
температуре 0°.
На рис. 6.17 показан один из вариантов факельной установки.
Сбрасываемые газы направляются через сепаратор 1 на сжигание в факельную
трубу 2. Конденсат из сепаратора возвращают в производство или сливают
в канализацию через гидрозатвор 5. Факельную трубу оснащают
дежурными 3 и запальными горелками 4, к которым подводится природный газ.
При такой схеме факельная труба может быть смонтирована отдельно или
на технологической установке.
308

5 6
4 3 4
МЫ
Воздух
Рис. 6.17. Устройство факельной
установки:
/ — сепаратор; 2 — факельная труба; 3 — дежурные
горелки; 4 — запальные горелки; 5— гидрозатвор
Факельный
газ
Рис. 6.18. Факельная горелка с соплом
Вентури:
1 — электрозапал; 2 — трубопровод топливного
газа; 3 — дежурная горелка; 4 — трубка из пиро-
лана; 5 — запальная свеча; 6 — футеровка;
7 — кольцо из жаропрочной стали; 8 —
колосниковая решетка для стабилизации пламени;
9 — решетка огнеоградителя
Основная часть факельной установки — факельная труба и горелка. Один
из вариантов горелки (горелка с соплом Вентури) представлен на рис. 6.18.
Такая конструкция позволяет сжигать газы без образования дыма. В этой
горелке пламя стабилизируется колосниковой решеткой. Факельную
горелку рекомендуется выполнять из жаропрочной стали или футеровать
жаростойким бетоном.
Расчеты показывают, что для увлечения достаточного количества
воздуха скорость газового потока должна приближаться к сверхзвуковой.
Поэтому на практике обычно вокруг форсунок для впрыска газа располагают
сопла для подачи пара с высокой скоростью, что приводит к большому
шуму факела и является одним из главных недостатков этого способа
сжигания.

7. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
ГАЗООЧИСТКИ
Интенсификация процесса газоочистки возможна при подготовке газа
перед очисткой и непосредственно в газоочистном аппарате.
Первый путь был подробно рассмотрен в § 5.6. Остановимся на втором.
Различают режимную и конструктивно-технологическую
интенсификацию.
Суть режимной интенсификации заключается в том, что работа
газоочистительного аппарата доводится до возможно более напряженных
режимов, исходя из свойств очищаемого газа и улавливаемого продукта.
Например, в трубе Вентури режимная интенсификация может быть
достигнута увеличением либо скорости газа в горловине, либо удельного
расхода орошающей жидкости. И то и другое влечет за собой увеличение
энергозатрат.
Режим циклонного процесса можно интенсифицировать, просто
увеличив скорость газа в циклоне. Однако энергозатраты при этом растут
пропорционально квадрату скорости газа, а степень очистки—значительно
медленнее (она связана со скоростью газа сложной зависимостью через
интеграл вероятности). К тому же для каждого типа циклона существует
некоторый верхний предел скорости, при превышении которого
энергозатраты быстро растут, а степень очистки не только не увеличивается, но в
ряде случаев падает из-за вторичного уноса частиц.
Режим фильтрации аэрозоля через ткань можно сделать более
напряженным, увеличив скорость фильтрации (но только до пределов, выше
которых начинается «проскок» частиц через ткань). При этом возрастает
гидравлическое сопротивление фильтра и снижается срок службы ткани.
Такое направление интенсификации считается бесперспективным, так
как в большинстве случаев сокращается срок службы аппарата за счет
интенсивного износа его отдельных элементов.
При конструктивно-технологическом способе интенсификации в
конструкцию газоочистительного аппарата вносят усовершенствования,
способствующие интенсификации происходящих в нем процессов: например,
в электрофильтрах вместо гладких проволочных коронирующих
электродов применяют игольчатые или пилообразные. Было замечено, что на
гладких электродах корона не выглядит равномерной, а имеет наибольшую
интенсивность в местах, где на электроде существуют незначительные,
310

практически незаметные выступы. Это подсказало идею создания корони-
рующего электрода с фильтрующими точками.
В мокрых методах очистки прежде всего подвергаются
конструктивному усовершенствованию устройства, от которых зависит характер контакта
очищаемого газа с жидкостью. Так, в качестве насадки газопромывателей с
подвижной насадкой применяются правильные многогранники с
отношением площади поверхности к объему равным 5,2-5,4. При этом масса
насадки должна быть сосредоточена в центре. Это приводит к увеличению
поверхности контакта фаз на 35-40% при одновременном снижении
динамической высоты и уменьшении гидравлического сопротивления. Или в
подвижную насадку иногда предлагается добавлять ферромагнитные
элементы с последующим наложением переменного электромагнитного поля.
Это позволяет увеличить диапазон устойчивой и эффективной работы
газопромывателя с подвижной насадкой.
Рассмотрим основные направления и способы интенсификации
отдельных видов газоочистных устройств.
Интенсификация фильтрации газов. Развитие техники фильтрации
направлено в основном по следующим путям:
— разработка новых видов фильтровальных материалов войлочного
типа, позволяющих снизить гидравлическое сопротивление,
повысить производительность аппаратов по газу и увеличить срок
службы фильтровальных элементов;
— совершенствование стеклянных тканей;
— разработка различных модификаций тканей и войлоков со
специфичными свойствами, учитывающими особые и оптимальные
условия эксплуатации;
— создание способов регенерации для фильтровальных материалов
войлочного типа, позволяющих работать при повышенной
скорости с сохранением эффективности пылеулавливания;
— использование тканевых фильтров для одновременного удаления
газообразных загрязнителей за счет нанесения сорбирующих
порошков на поверхность рукавов.
Аппараты фильтрации проникают в области, в которых преобладали
другие методы очистки. Можно ожидать, что уже в ближайшие годы
появятся фильтры для обеспыливания дымовых газов с температурой до 500 °С
и выше, в которых присутствуют агрессивные компоненты.
Интенсификация мокрой газоочистки. Интенсификация очистки газов в
скруббере может быть достигнута следующими способами.
Предварительная электрическая зарядка частиц и капель орошающей
жидкости. Этот метод позволяет существенно увеличить эффективность
мокрых аппаратов при улавливании частиц размером меньше 2-3 мкм.
Наилучшие результаты при использовании метода электризации в мок-
311

ром пылеулавливании достигаются при разноименной зарядке частиц и
капель орошающей жидкости. В этом случае (при малых значениях
относительной скорости частиц и капель) механизм осаждения частиц за счет
электрических сил превосходит инерционный механизм (параметр
осаждения КЕ превосходит параметр инерционного осаждения St).
Применение предварительной электризации в эжекторном скруббере позволило
достигнуть эффективность улавливания частиц размером 0,1-0,8 мкм
до 96-98%.
Использование эффекта конденсации. Повышение эффективности
мокрых пылеуловителей может быть достигнуто за счет использования эффекта
конденсации, наблюдающегося при охлаждении газов, предварительно
насыщенных водяными парами. В этом случае имеет место явление диффу-
зиофореза, описанное в § 4.1.
Подготовка газов перед подачей их в мокрый пылеуловитель,
работающий в конденсационном режиме, чаще всего осуществляется
предварительным испарительным охлаждением запыленного газового потока. На
орошение пылеуловителя, работающего в конденсационном режиме,
необходимо подавать воду с возможно более низкой температурой.
Эффективность пылеулавливания в мокром пылеуловителе за счет
эффекта конденсации может быть рассчитана двумя способами:
1) Используя энергетический метод (формула 5.7). В этом случае
константы В и % должны быть определены на основании экспериментальных
данных. Энергетические затраты могут быть определены по формуле
*4 = < + Ai, (7.1)
где Кч — энергетические затраты механического происхождения,
определяемые по формуле (5.6); А/ — разность энтальпий водяного пара на входе и
выходе из аппарата, кДж/1000 м3 газов;
2) По формуле
i! = l-(W)(l-ilJ, (7.2)
где т|' — эффективность мокрого пылеуловителя без учета эффекта
конденсации (за счет инерционного механизма); т|к — эффективность
пылеуловителя за счет эффекта конденсации, определяемая по формуле
Ах
^=й^041' (7-3>
Ах — изменение влагосодержания газов в скруббере в результате
конденсации паров, кДж/кг сухого газа.
Применение поверхностно-активных веществ. Применение
поверхностно-активных веществ может быть эффективно при улавливании крупных
частиц. Поэтому применение смачивателей возможно в низконапорных мок-
312

4
Рис. 7.1. Схема подогрева очищенных
в скрубберах газов:
1 — очищенный газ; 2— горячий
неочищенный газ; 3 — теплообменник; 4 — мокрый
пылеуловитель; 5 — атмосферный воздух
рых пылеуловителях, поскольку в
высоконапорных скрубберах высокая
эффективность может быть достигнута и без их
применения.
Подогрев очищенных газов перед
выводом в атмосферу. После мокрых
газоочистителей газы насыщены влагой и
чаще всего содержат некоторое
остаточное количество пыли, а возможно, и
газовых примесей. В результате
конденсации водяных паров это может
привести к образованию отложений на лопастях дымососов,
устанавливаемых за аппаратами мокрой очистки газов; к коррозии, вызывающей
разрушение дымососов, стенок газоходов и дымовых труб; к образованию
на выходе из дымовых труб тумана, являющегося причиной выпадения
кислотных дождей. Для предотвращения конденсации желательно
подогревать газы перед очисткой на 15-30 °С. Наиболее перспективными
схемами подогрева являются те, в которых используется теплота
неочищенного газа (рис. 7.1)
Кроме того, подогрев газов улучшает рассеивание вредных веществ,
что снижает приземную концентрацию этих вредных веществ (см. § 2.1).
Интенсификация электрической очистки газов. Интенсификация
очистки газов в электрофильтре может быть достигнута следующими
способами.
1. Выбор большего значения активной длины электрофильтра,
уменьшение скорости газового потока в активной зоне аппарата и сокращение
разрядного расстояния. Увеличение активной длины аппарата может быть
достигнуто либо введением дополнительного электрического поля, либо
удлинением существующих полей. В обоих случаях требуются
дополнительные производственная площадь и оборудование. Уменьшение
скорости газа в активной зоне связано со снижением объема газа проходящего
через электрофильтр, т. е. снижением производительности аппарата.
Реализация этого способа повышения степени очистки сопряжена с
установкой параллельно работающего аппарата, что также требует
дополнительной производственной площади. Другой способ уменьшения величины
скорости газа заключается в максимальном снижении подсосов газа в
аппарате и на всем тракте газоочистки. Этот прием хотя и менее
эффективный, но значительно более дешевый. Сокращение разрядного расстояния
усложняет центровку электродов.
2. Увеличение скорости дрейфа частиц у осадительного электрода. По
сравнению с предыдущим способом является предпочтительным.
313

Скорость дрейфа частиц у осадительного электрода в наибольшей
степени зависит от напряженности поля коронного разряда у осадительного
электрода, а также от размера частиц и динамической вязкости среды.
Следовательно, для интенсификации процесса электроосаждения необходимо
добиваться максимальных значений напряженности поля короны у
осадительного электрода. Эта задача решается в первую очередь обеспечением
максимальных значений рабочего напряжения в активной зоне
электрофильтра путем выбора электродной системы, обеспечивающей наибольшую
электрическую прочность разрядного промежутка, а также путем выбора и
поддержания оптимального режима питания электрофильтра,
обеспечивающего наибольшие средние значения напряжения в режиме оптимального
числа искрений.
Максимальные пробивные напряжения для данного разрядного
расстояния получаются при использовании коронирующих электродов с
фиксированными точками ионизации, т. е. игольчатых. Учитывая трудоемкость
изготовления, жесткость элементов, их технологичность, разработаны лен-
точно-игольчатые электроды. В этих электродах иглы представляют собой
выштампованные шипы высотой 6 либо 12 мм. Шаг между иглами
составляет 40 мм.
Оптимальный режим питания электрофильтров обеспечивается при
использовании современных автоматизированных агрегатов питания АТФ
иАУФ.
3. Установка дополнительных электрических полей при очистке
сильно запыленного газа с преобладанием мелкодисперсной пыли. Эта мера
позволяет бороться с явлением «запирание короны», суть которого
состоит в том, что при очистке сильно запыленного газа числа ионов,
испускаемых с коронирующего чехла, не хватает для предельной зарядки, а
то и просто зарядки всех частиц пыли в потоке. В результате этого пыль
оказывается недозаряженной и скорость ее дрейфа к осадительному
электроду в среднем снижается. К тому же резко падает ток коронного
разряда: все ионы осели на частицы, а скорость движения пылинок к
осадительному электроду значительно меньше (~ в 1000 раз), чем скорость потока
ионов.
4. Применение направленного импульсного и знакопеременного
питания аппаратов, применение электрофильтров с чередованием зон
зарядки и осаждения частиц. Эти способы позволяют осуществлять очистку от
высокоомной пыли (с высоким значением удельного электрического
сопротивления пыли). Основная проблема при очистке этого вида пыли —
образование «обратной короны», т. е. внедрения положительных ионов с
осадительного электрода в разрядный промежуток.
Необходимо отметить, что реализация этих методов на практике не дала
ощутимых результатов. Видимо, при улавливании высокоомных пылей
314

экономически целесообразно отказаться от использования
электрофильтров.
Интенсификация очистки газов от газообразных вредных веществ.
Интенсификация очистки газов от газообразных вредных веществ может быть
достигнута за счет следующих способов.
Интенсификация абсорбционной очистки газов. Для интенсификации
абсорбционных процессов могут быть использованы следующие методы.
1. Физические методы воздействия: увеличение поверхности контакта
фаз путем тонкого диспергирования струй жидкости или газа, увеличение
скорости движения взаимодействующих потоков, поверхностная
конвекция и турбулентность, вибрация, пульсация, добавление ПАВ, наложение
электромагнитных, электростатических, ультразвуковых полей.
2. Конструктивное совершенствование отдельных элементов
абсорбционного оборудования: насадок, тарелок, распылительных устройств и
т. д. Основная работа ведется в направлении создания новых химически
стойких эффективных насадочных тел; производства новых совершенных
конструкций оросителей, которые обеспечивали бы равномерное
орошение абсорберов.
3. Создание принципиально новых конструкций абсорбционных
аппаратов. При этом, однако, следует стремиться, чтобы повышение
эффективности абсорбционных процессов не сопровождалось резким
увеличением гидравлического сопротивления аппаратов, возрастанием их
металлоемкости и сложности изготовления, чтобы не снижалась
производительность и надежность работы аппаратов.
Интенсификация адсорбционной очистки газов. Для интенсификации
абсорбционных процессов могут быть использованы следующие методы:
1. Разработка оптимальных гидродинамических режимов очистки.
Оптимальными гидродинамическими условиями считаются такие, которые
обеспечивают большие скорости фильтрации очищаемого газа через
адсорбент, обеспечивая при этом высокую степень очистки газа при малом
гидравлическом сопротивлении слоя. Это позволяет создавать
компактные адсорбционные аппараты большой производительности и
интенсифицировать процессы массопередачи в слое адсорбента.
2. Разработка новых типов адсорбентов. Одним из направлений
интенсификации адсорбционных процессов является использование
кристаллов цеолита в виде тонких порошков без связующего. В качестве
поглотителя в этом случае используется суспензия, состоящая из
жидкости-носителя и кристаллов цеолита. В качестве жидкостей-носителей, в
зависимости от природы очищаемого газа, могут быть использованы
различные органические или неорганические растворы. Процесс адсорбции
газов протекает в две стадии: растворение извлекаемого компонента в
жидкости-носителе, а затем его адсорбция кристаллами цеолита. Десорбция
315

адсорбата осуществляется путем нагревания суспензии с отдувкой десорби-
руемого компонента инертным газом, например азотом. Применение
цеолитов без связующих компонентов повышает селективность адсорбента. При
этом происходит полное разделение газовых потоков на стадии адсорбции
и десорбции, что имеет большое значение при тонкой очистке газов;
отсутствуют потери адсорбента за счет его истирания и уноса с газовой фазой.
3. Разработка нового адсорбционного оборудования.
Интенсификация каталитической очистки газов. Для
интенсификации каталитической очистки газов могут быть использованы следующие
методы:
1. Разработка новых эффективных катализаторов, в полной мере
отвечающих требованиям, предъявляемым к катализаторам. Примерами таких
катализаторов могут служить сотовые катализаторы на керамической
основе, микросферические катализаторы для обработки сред во взвешенном
состоянии.
2. Создание оптимальных конструкций аппаратов.

8. ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ РАДИОАКТИВНЫХ
ГАЗОВ И АЭРОЗОЛЕЙ
Производство энергии на атомных электростанциях (АЭС) с точки
зрения обеспечения радиационной безопасности значительно выделяется из
всех циклов ядерно-топливного цикла.
В работающем реакторе АЭС радиоактивность вещества оборудования
в процессе деления 233U, 235U или 239Pu и активации нейтронами различных
материалов, присутствующих в активной зоне реактора
(конструкционные материалы, топливо, примеси теплоносителя, замедлителя, топлива
и т. д.). Активность этих веществ обусловлена в основном короткоживущи-
ми радионуклидами. К радиоактивному загрязнению среды могут
привести только выход радионуклидов, период полураспада которых больше
нескольких минут или даже нескольких часов — в зависимости от
физико-химических свойств и особенностей поведения в биосфере.
Продукты деления. Большая часть продуктов деления, а также их
дочерние продукты, — радиоактивны (исключительно (3- и у-активна). Их
период полураспада находится в пределах от долей секунды до десятков
лет и более.
Все продукты образуются внутри таблеток ядерного топлива и в
основном остаются там. Небольшая часть продуктов деления вследствие
диффузии попадает в пространство между таблетками топлива и оболочкой
тепловыделяющего элемента (твэла). Выход через герметичную оболочку
твэла в охладительную воду возможен также только за счет процесса
диффузии. Этот выход мал для всех нуклидов, кроме трития (радиоактивный
изотоп водорода). Последний же химически связывается цирконием,
входящим в состав материала оболочки: в результате выход трития через
оболочку не превышает 1%.
На практике некоторые твэлы в активной зоне могут иметь различные
дефекты оболочки, возникающие в процессе работы реактора, —
микротрещины, через которые диффундируют газообразные продукты деления,
или большие трещины, через которые возможен прямой контакт воды и
топлива, в результате чего в воду может также попасть некоторое
количество нелетучих продуктов деления или даже топлива. В отечественных
реакторах типов ВВЭР и РБМК, а также в зарубежных PWR и BWR
допускается число газонеплотных твэлов (с микротрещинами) не выше 1%, а с
крупными дефектами — не выше 0,1%. Фактически количество дефект-
317

ных твэлов на действующих АЭС, как правило, во много раз меньше
предельно допустимых значений.
В зависимости от физико-химического состояния и особенностей
поведения в технологических системах АЭС и окружающей среде продукты
деления разделяют на следующие группы:
1) благородные газы (Аг, Кг, Хе);
2) летучие вещества (I, Cs);
3) тритий (Т);
4) малолетучие вещества (La, Sr, Rb и др.).
Во всех группах, кроме третьей, присутствует большое количество
различных биологически значимых радионуклидов. В таблице 8.1 приведены
биологически значимые газообразные радионуклиды, образующиеся при
работе ядерного реактора.
Примечание: все приведенные в таблице нуклиды р- и (или) у-активен;
Тщ — период полураспада.
Количество трития, образующегося в ядерном реакторе, полученное
расчетным путем, представлено в табл. 8.2.
Таблица 8.1
Биологически значимые радионуклиды благородных газов и иода,
образующиеся при работе ядерного реактора
Нуклид
85Кг
85тКг
85Кг
85Кг
T1/2
10,7 года
4,5 г
1,3 г
2,8 г
Нуклид
шХе
штХе
135Хе
135тХе
T1/2
5,2 сут
2,2 сут
9,1 суг
15,7 сут
Нуклид
129J
131!
133!
135!
T1/2
1,6.107 лет
8 сут
21 г
6,6 г
Таблица 8.2
Расчетное количество q трития, образующегося в энергетическом реакторе
Реакция
Деление
Активация:
D
6Li
10в
3Не
q, Ки / [МВт(эл.) год] |
ВВЭР (PWR)
18-20
0,001
0,02
0,5
PBMK(BWR)
18-20 '
0,01
0,5*
< 0,6**
* На примеси лития в графите.
** В газовом контуре РБМК.
Продукты активации. Эти продукты возникают при активации
нейтронами конструкционных материалов, примесей теплоносителя,
замедлителя и самого топлива. При этом образуются следующие газообразные ра-
318

дионуклиды: 41Аг, Т, 14С. Последний дает при взаимодействии с
кислородом радиоактивные оксиды углерода.
Изотоп 41Аг образуется в результате нейтронной активации 40Аг,
растворяющегося вместе с воздухом в охлаждающей воде:
40Аг (п,у) 41Аг.
Так как содержание 40Аг в воздухе мало, вклад 41Аг в общую активность
первичного теплоносителя незначителен. Однако в реакторе РБМК этот
радионуклид образуется также и в газовом контуре за счет той же реакции.
Скорость образования 41Аг зависит от состава газовой смеси и может быть
значительной.
Образование трития происходит в реакции активации дейтерия,
лития и бора, присутствующих в воде первичного контура в качестве
примесей:
D(n,y)T,
6Li(n,y)T,
10Br(n, 2а) Т.
Дейтерий входит в состав воды (0,015%), литий и бор — в добавляемые
к теплоносителю реактора ВВЭР и PWR гидрооксид лития (для
регулирования содержания водорода в теплоносителе) и борную кислоту (для
дополнительного регулирования реактора).
В реакторе типа РБМК тритий может возникать также в результате:
>Не (п,р) Т.
В РБМК гелий присутствует в газовом контуре. Источником 14С в
ядерном реакторе возможны реакции
,4N (n, р)14С,
170 (п, а) 14С,
,3С(п,у)14С.
Вклад каждой из этих реакций зависит от типа и особенностей
конструкции реактора. В водоохлаждаемых реакторах протекают реакции при
азоте и кислороде. В них 170 и 14N (как примесь) содержится в топливе,
теплоносителе и замедлителе. В легководных реакторах ВВЭР (PWR) и BWR
нормированное количество образующегося 14С по оценке разных авторов
составляет 0,02-0,03 Ки/[МВт (эл.)год].
Газообразные отходы АЭС и их обработка. Основной источник
газообразных отходов — система байпасной очистки теплоносителя первого
контура АЭС с реакторами ВВЭР или PRW) (рис. 8.1) и эжектор конденсатора
(АЭС с реакторами РБМК или BWR) (рис. 8.2). Кроме того, газообразные
отходы возникают в результате дегазации разного рода протечек
теплоносителя, выхода газа при водообмене в реакторе при отборе проб воды.
319

Пар(274 'С)
L3
А
332 °С
.^ш
Подпитка
Ч1У
Подпитка
Рис. 8.1. Схема основных технологических контуров АЭС с реактором типа ВВЭР
(указаны характеристики первого контура ВВЭР-1000):
/ — ректор; 2 — парогенератор; 3 — турбогенератор; 4 — инжектор; 5— конденсатор; 6 —
спецводоочистка второго контура; 7 — деаэратор; 8 — питательный насос; 9 — байпасная очистка; 10 — главный
циркуляционный насос
Газообразные отходы проходят сплошную систему обработки, после
чего выбрасываются через газоотводную трубу.
На рис. 8.3 представлены схемы удаления газообразных
радиоактивных, используемых в американских реакторах, работающих на воде и на
водяном паре PWR и BWR. В верхней части схемы (рис. 8.3) показана
система сдувок радиоактивных газов первого контура. Наибольшую опасность
представляет иод, криптон и ксенон. Иод является активным элементом и
может быть связан химическим путем. Для благородных газов
используется физические методы удержания. Эти газы компрессором подают в
емкости выдержки (газгольдеры) и выдерживают в течение 30-45 дней перед
контрольным выбросом в атмосферу через вентиляционную трубу.
Типичные значения годовых выбросов радиоактивных газов от PWR
электрической мощностью 1000 МВт представлены в табл. 8.3.
Наибольший вклад (примерно 1013 Бк) при наличии обработки
газообразных отходов связан с 85Кг.
На BWR объем удаляемых газов из-за постоянной деаэрации
питательной воды много больше. Газы, выделяющиеся в деаэраторе, являются
радиоактивными, так как имели прямой контакт с ядерным топливом. В
состав газов, кроме образующихся при радиолизе 02 и Н2, входят также 13N,
16N, 180.
Если в PWR радиоактивные газы обрабатываются отдельными
порциями, то в BWR из-за большого объема удаляемых газов они обрабатываются
и выбрасываются в окружающую среду непрерывно с минимальной
30-минутной задержкой в больших трубопроводах. Радиоактивные газы могут быть
320

Пар(280 °С)
о
сип
Рис. 8.2. Схема основных технологических контуров АЭС с реактором РБМК:
1 — реактор; 2— графитовая кладка; 3—биологическая защита; 4—технологические каналы; 5— барабан-
сепаратор; 6 —турбогенератор; 7— инжектор; 8— конденсатор; 9— конденсатоочистка; 10—деаэратор;
// — подпиточный насос; 12—байпасная очистка на ионообменных фильтрах; 13—главный
циркуляционный насос; 14 — вентиляционная труба; /5— аэрозольный фильтр; 16 — газгольдер для выдержки газа;
17— адсорбер С02, CO, H2, NH3; 18— компрессор; 19 — аэрозольный и йодный фильтры
направлены в фильтры со слоем активированного угля, где задерживаются
на большое время. Для короткоживущего криптона время задержки
составляет 16, а для ксенона — 9 дней. При выдержке в 30 мин радиоактивные
газы после разбавления воздухом выбрасываются в атмосферу через
высокую (около 100 м) трубу.
Разбавление и рассеивание уменьшает концентрацию радиоактивных
газов в атмосфере вокруг АЭС до очень низких допустимых уровней (85Кг —
3,7-10~4 Бк/л). Значения газогорящих выбросов от 1000-мегаваттного BWR
приведены в таблице 8.4.
В системе удаления газообразных отходов BWR имеется контактный
аппарат для превращения кислорода и водорода в воду. После
30-минутной задержки влага удаляется в результате конденсации при температуре
на несколько градусов выше точки замерзания. Перед выбросом с АЭС
газы дополнительно задерживаются в угольном фильтре. При такой тех-
21-4543
321

WC№
-й-wl
P-20
С-21
A-22
Рис. 8.3. Система удаления газообразных отходов PWR:
1 — коллектор газовых сдувок первого контура; 2 — возврат в первый контур; J — компрессор; 4 — бак-
отстойник; 5 — емкость задержки для распада радиоактивности; 6 — шайба; 7— приточная вентиляция;
8— первый контур; 9 — парогенератор; 10— пар; // — конденсат; 12 — турбина; 13— конденсатор; 14 —
воздушный эжектор; 15— расширитель продувки; 16 — вентиляционная шахта; 17— защитная оболочка;
18 — дренаж в систему удаления отходов; 19 — вентиляция защитной оболочки; 20 — фильтр грубой
очистки; 21 — фильтр с активированным углем; 22 — аэрозольный фильтр тонкой очистки
Таблица 8.3.
Эффективность различных систем обработки газообразных отходов
для благородных газов на PWR электрической мощностью 1000 МВт
Источник выброса
Системы обработки газообразных отходов:
без обработки
после задержки в емкости с активированным древесным углем
72 дня для ксенона, индия и криптона
Хранение в газгольдере
60 дней
90 дней
Другие источники (оценки):
защитные оболочки
вспомогательный корпус
Годовой выброс, Ки
316 000
329*
412*
306*
88*
10**
* Из этого количества примерно 300 Ки дает 85Кг.
** При полной утечке 0,00473 м3/с
322

Таблица 8.4
Эффективность различных систем обработки газообразных отходов
для благородных газов на BWR электрической мощностью 1000 МВт.
Источник выброса
Системы обработки газообразных отходов:
с 30-минутной задержкой
с контактным аппаратом, с задержкой в активированном угле**
(80 дней — задержка для Хе, 2,7 дня — задержка для Кг)
Другие источники:
защитная оболочка
вспомогательный корпус
машинный зал
хранилище радиоактивных отходов
отсос из уплотнений турбины
механические вакуумные насосы
Годовой»выброс, Ки
1 260 000*
282
125
373
3637
1144
5652
1800
* Из этого количества 240 Ки 85Кг.
** Для системы с 21 800 кг угля, работающей при Т= -18 °С, точка росы -29 °С и
расходом воздуха 36 м3/ч.
нологии обработки газовый выброс от BWR составляет 10% допустимого
значения.
В Р\\Т1первый контур находится под давлением водорода, что вызывает
непрерывную рекомбинацию радиолитических кислорода и водорода в воду.
Для обработки воздуха и уменьшения концентрации водорода на
американских АЭС используются контактные аппараты. Контактный аппарат —
стальной бак с заменяемым вкладышем или слоем, содержащим
химический катализатор, который представляет собой мелкие частицы платины
или палладия, нанесенные на металлические пластины или керамику,
подобную таблеткам из оксида алюминия. Лучшие характеристики
контактного аппарата получаются при температуре от 120 до 480 °С в зависимости
от расхода на единицу поверхности. Чтобы исключить опасность
неконтролируемого загорания, объемная доля водорода в поступающем в аппарат
газе должна поддерживаться ниже 4%.
В американской системе удаления газообразных отходов для очистки
выбрасываемого в атмосферу газа от радиоактивных примесей широко
используется процесс фильтрации. Три фильтра включают
последовательно: фильтр грубой очистки со слоем стекловолокна, угольный фильтр для
поглощения галогенов, в первую очередь радиоактивного иода, и
высокоэффективный аэрозольный фильтр ионной очистки.
Грубый фильтр обычно используется первым на пути потока для
продления полезного срока службы фильтра тонкой очистки.
Для защиты от иода предусмотрены специально спроектированные
фильтры. Они содержат активный уголь, поглощающий иод, и размещают-
21*
323

ся до и после аэрозольных фильтров. Таким образом, фильтрация
обеспечивает необходимую обработку больших объемов воздуха из защитной
оболочки и вспомогательных зданий.
Отечественная система очистки газообразных выбросов АЭС от
радиоактивных газов (рис. 8.4) включает в себя следующие виды очистки: от
паров воды и водорода, от аэрозолей на аэрозольных фильтрах и иода на
йодных угольных фильтрах.
Для уменьшения активности выбрасываемых газов на АЭС
осуществляется, так же как и на американских станциях, их временная задержка перед
выбросом в трубу, в течение которой происходит распад короткоживущих
радионуклидов. Для этого газы либо на определенное время закачивают в
специальные газгольдеры, либо пропускают через радиохроматографичес-
кую систему (РХС) очистки газов. Основной элемент этой системы —
фильтр-адсорбер, заполненный активированным углем. Благодаря
динамической адсорбции в угле происходит временная задержка газов при их
прохождении через РХС в течение времени от нескольких суток до нескольких
ГО от эжектора
конденсатора
(РБМК)
ГО из систем
очистки воды
первого контура
Газоотводная
труба
Очистка
отН
ГО из систем очистки
воды второго контура
(ВВЭР)
Вентиляция
помещений первого
контура
Сдувки
газового контура
(РБМК)
Вентиляция
вспомогательных
помещений
шшшл
Рис. 8.4. Схема обработки и удаления газообразных отходов АЭС с легководным
реактором типа ВВЭР или РБМК:
Г — фильтр грубой очистки; А (И) — аэрозольный (йодный) фильтр; РХС — радиохроматографическая
система очистка газов
324

десятков суток в зависимости от конструкции РХС, условий эксплуатации,
массового числа радионуклида. Так, адсорбер с рабочим объемом 20 м3
обеспечивает задержку ксенона на 42 сут. и криптона на 3,5 сут. Адсорбер
объемом 40 м3 задерживает криптон в течение 10 суток. Временная задержка
газообразных отходов во много раз уменьшает их активность, что эквивалентно
улавливанию значительной части радионуклидов.
Дополнительным источником газообразных отходов на АЭС служит
вентиляция основных и вспомогательных помещений станций. Перед
выбросом через трубу поток вентилируемого воздуха подвергается очистке на
аэрозольных и йодных фильтрах. Если удельная активность этого воздуха
из вспомогательных помещений невысока, то можно проводить его
выброс, минуя систему очистки.
Существенное различие между реакторами ВВЭР (BWR) и ВВЭР (PWR) с
точки зрения образования радиоактивных отходов заключается в том, что
из-за замкнутости первого контура ВВЭР (PWR) время пребывания в нем
радиоактивных веществ немного больше, чем в открытом первом (и
единственном) контуре ВВЭР (BWR). Поток из воды из первого контура ВВЭР в
систему безопасной очистки или в виде протечек относительно мал,
поэтому период полувыведения радиоактивных газов из первого контура
довольно большой: от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от типа
реактора конструкционных особенностей и режима работы.
В кипящем реакторе РБКМ или BWR газы переходят из воды в пар и
довольно быстро (примерно за 30 мин) выходят из контура через эжектор
конденсатора. Поэтому на АЭС с реакторами этого типа временная
задержка газов перед выбросом через трубу и имеет более важное значение, чем
на АЭС с реакторами ВВЭР или PWR.
В состав газообразных радиоактивных выбросов отечественных АЭС
входят радиоактивные благородные газы (РБГ), некоторое (обычно
небольшое) количество трития (большая часть содержится в жидких
отходах), малые количества пара для аэрозолей, не извлеченных при
очистке. РБГ состоят из изотопов криптона и ксенона и продукта активации
41Аг. В газообразных отходах иод присутствует в основном в виде
органических соединений (~90%) с примесью аэрозольного и
элементарного иода (-10%).
Отнесенные ранее различия в конструкциях реакторов ВВЭР и РБМК
проявляются в том, что количество РБГ, выбрасываемого в атмосфере, на
АЭС с реактором РБМК на порядок больше, чем на АЭС с реакторами
ВВЭР. При этом существенно различен их изотопный состав: в выбросах
ВВЭР преобладает относительно долгоживущие 133Хе, а в выбросах
РБМК — более долгоживущие изотопы криптона и ксенона (табл. 8.5).
Рассчитанный нормированный выброс радиоактивных газов в
атмосферу от АЭС с разными типами реакторов представлен в таблице 8.6.
325

Таблица 8.5
Состав радиоактивных благоприятных газов (РБГ) и иода в
газообразных выбросах АЭС
Нуклид
4Аг
85Кг
85шКг
87Кг
88Кг
,33Хе
,33тХе
135Хе
,35тХе
Другие изотопы
Хе
| Всего РБГ
1Э1Т
1зз!
135J
Всего
Относительное содержание, %
ВВЭР
0,2
6
5,4
1
2,2
72
13,2
100
59,8
31,9
8,3
100
PWR
0,03
1
0,6
0,4
0,3
90
0,5
3,2
0,8
2,5
100
98
1
1
100
РБМК
0,3
0,7
6,6
13,4
18,6
35,2
25,4
100
23,8
43,5
32,7
100
BWR
2
5
12
14
14
0,6
26
4
22,4
100
12,7
39,7
47,6
100
* Без 4,Аг из газового контура.
Таблица 8.6
Нормированный выброс радиоактивных газов «аэрогенной» в атмосферу АЭС,
Ки / [Мвт(эл.)/год]
Тип реактора
ВВЭР
РБМК
РБГ
1-7,5
<75
I
МО^-1,510-2
Аэрозоли без I
мо-5-з-ю-4
8-Ю"6
т
0,2-0,9
<0,6
Системы очистки радиоактивных газов АЭС и разбавление в воздухе
выбрасываемых радиоактивных газов позволяют существенно снизить дозы
облучения населения, проживающего вблизи АЭС.
Эквивалентная доза на расстоянии до 100 км от АЭС составляет
для реактора типа ВВЭР 0,35 мкЗв/год, для РБМК — 4,2 мкЗв/год, что
значительно ниже предельно допустимых значений (5 мЗв/год), а
эффективная коллективная мощность доз соответственно для ВВЭР —
0,013 чел. Зв/год, что намного ниже опасных генетически значимых
величин.
Таким образом, современные технологии очистки выбрасываемого
воздуха АЭС, работающих в нормальном режиме, от радиоактивных газов,
допускают выход в атмосферу таких их количеств, которые не
представляют опасности даже для рядом проживающих людей.

9. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
СИСТЕМ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ
Тягодутьевые машины. Эффективность пылеулавливания в
значительной мере зависит от выбора и условий эксплуатации тягодутьевых
устройств, обеспечивающих движение пылегазового потока от
технологических агрегатов к пылеуловителям и выброс обеспыленного воздуха в
атмосферу. Наибольшее применение в процессах очистки
технологических и вентиляционных газов нашли вентиляторы, газодувки и дымососы.
Однако при использовании таких машин для транспортирования и
рекуперации газовых отходов, имеющих высокие температуры и содержащих
значительное количество взвесей, часто химически активных и
требующих высоких напоров, предъявляются особые требования к их
конструкции, что ограничивает область применения агрегатов
общепромышленного назначения. Обычно применяют центробежные вентиляторы типов
ЦП (для пылеочистных установок и пневмотранспорта), Ц (для
транспортирования газов, содержащих неабразивные включения и липкие
вещества до 0,5 кг/кг), ВВД (вентиляторы высокого давления для работы при
температуре среды до 100 °С, не содержащей липких и длинноволокнистых
веществ), ВДН (дутьевые, с направляющим аппаратом на всасывании),
ВГДН (для работы при температуре до 400 °С), ВМ (мельничные) и др.
Одни тягодутьевые машины предназначены для сильно запыленных и
загрязненных газов, имеют бронированные лопатки, часто не загнутые
радиальные. Центробежное колесо этих машин не имеет переднего диска.
Другие (например, ВВД, ВД) — высокооборотные и используются при
необходимости развития достаточно высокого давления, поэтому часто их
снабжают передними дисками для жесткого крепления лопаток и
направляющими аппаратами для преобразования кинетической энергии газа в
энергию давления. Как обычные вентиляторы работают и дымососы
(например, серии Д), используемые в теплоагрегатах технологических
установок, однако они отличаются повышенной износостойкостью
конструкционных материалов и пригодны для работы в условиях высоких температур.
Установки газоочистки обычно работают по нескольким схемам.
1. Тягодутьевая машина установлена на самом конце тракта газоочистки.
Используется, когда пылевая нагрузка почти полностью отсутствует.
Однако, если в схеме есть мокрый аппарат, дающий кислый брызгоунос,
тягодутьевая машина должна иметь противокоррозионную защиту из-за
327

опасности коррозионного износа. С точки зрения гидравлики, такое
расположение можно считать нормальным для сравнительно простых
газоочистных сооружений с недлинным газовым трактом — с относительно
небольшим гидравлическим сопротивлением. В сложных системах
возможно создание, в последних, по ходу газа аппаратах, ббльших разряжений.
Следствием его являются чрезмерно большие паразитные подсосы
наружного воздуха через неплотности аппаратов и пылегазопроводов.
2. Тягодутьевая машина расположена в самом начале газового тракта.
В этом случае тягодутьевая машина подвергается воздействию всех
компонентов, имеющихся в выбросе, включая и абразивное действие пыли.
Гидравлика системы противоположна описанной в сх. 1: первые по ходу
газа аппараты оказываются под избыточным давлением, далее по тракту
давление падает.
3. Тягодутьевая машина расположена после основного сухого
пылеулавливающего аппарата, но перед мокрым аппаратом. В этом случае
тягодутьевая машина защищена от абразивного износа пылью и от
коррозионного износа брызгами жидкости.
4. На тракте устанавливаются две тягодутьевых машины
последовательно: в начале и в конце. Такая схема используется, когда по тем или иным
причинам необходимо, чтобы тракт газоочистки работал при
минимальном разряжении, что достигается соответствующим подбором и
регулированием тягодутьевой машины. Например, тягодутьевая машина
устанавливается на входе в крупногабаритный электрофильтр и сразу же после
него. В этом случае фильтр находится под давлением, близким нулю,
благодаря чему снижаются подсосы воздуха.
Выбор вентилятора или дымососа осуществляется в зависимости от
требуемой производительности и полного напора (приведенного к
нормальным условиям). Потребная мощность на валу электродвигателя
определяется по формуле
N= L. (9.1)
где Н — полный напор, Па; т|в — КПД вентилятора; г|п — КПД передачи.
Установленная мощность электродвигателя определяется по формуле
Ny = K-N, (9.2)
где Кз — коэффициент запаса мощности (для центробежных вентиляторов
при изменении Not 0,5 до 5 кВт и более ^меняется от 1,5 до 1,1).
Мощность электродвигателя принимают равной расчетной или
ближайшей большей по каталогу электродвигателей. Тип электродвигателя
выбирают с учетом условий его эксплуатации. При подборе тягодутьевых
машин запас на производительность принимают 10% и на требуемое
давление — 21%.
328

Если один вентилятор не обеспечивает требуемой
производительности, то допускается установка параллельно работающих вентиляторов. В
случае, когда нельзя достигнуть требуемого давления от одного вентилятора,
для повышения давления допускается установка двух последовательно
работающих вентиляторов.
Технические и аэродинамические характеристики вентиляторов и
дымососов приведены в специальной литературе и справочниках.
Газоходы. Предупреждение заполнения газоходов пылью.
Эффективность систем газоочистки в значительной мере зависит от проектного и
конструктивного решения пылегазовых трактов и условий их
эксплуатации.
Газоходы газоочистных сооружений служат для подвода газа к началу
тракта газоочистки, соединения последовательно расположенных
газоочистных аппаратов и отвода очищенного газа до конца тракта.
В максимальном варианте конструкция газоходов может включать
следующие детали:
1) ствол, изготовленный из труб или обечаек. Кроме прямых участков
к стволу относятся переходы, колена, тройники и т. д;
2) газо- и пылераспределительные устройства на поворотах и в
коллекторах;
3) специальные устройства для предотвращения образования пылевых
отложений и конденсата;
4) компенсаторы и запорно-регулирующие устройства;
5) седла, в которые укладывается ствол в местах опоры;
6) теплоизоляция;
7) внутреннее противокоррозионное покрытие;
8) внутренняя футеровка;
9) люки, патрубки и штуцера для установки
контрольно-измерительных приборов.
Трассы газоходов надо проектировать, по возможности,
кратчайшими, с минимальным числом фланцев, креплений и компенсаторов.
Газоходы бывают круглого и прямоугольного сечения. Первые менее
металлоемки и более удобны в изготовлении при сложных
конфигурациях, поэтому газоходы прямоугольного сечения применяют лишь в тех
случаях, когда это диктуется компоновочным соображением.
При компоновке следует избегать резких расширений и поворотов
газоходов, особенно резких поворотов подводящих газоходов перед
пылеуловителями, так как это приводит к нарушению равномерного
распределения пыли по входному сечению пылеуловителя.
Газоходы и воздухопроводы изготовляют из листовой стали толщиной
0,5 — 5 мм. Фланцы изготовляют из листовой стали при Dy менее 500 мм;
при D = 500-1400 мм из полосовой и угловой стали. В качестве прокла-
329

дочного материала между фланцами применяются асбестовый картон или
шнур, а также технический картон.
При выборе сечения газоходов руководствуются следующим:
во-первых, пыль не должна оседать в газоходах и забивать их. Для поддержания
пыли или транспортируемых материалов во взвешенном состоянии и для
подъема осевших частиц при пуске системы скорость движения газа
следует принимать больше скорости трогания частиц транспортируемого
материала. Скорость трогания, м/с, находят по формуле Л.С. Клячко:
v,=UVpT- (9.3)
Во-вторых, гидравлическое сопротивление газоходов должно быть
минимальным. Расчет потери давления в воздухопроводах осуществляют по
методу скоростных (динамических) давлений, в котором потери давления
в воздухопроводах на трение заменяются эквивалентными потерями
давления на местные сопротивления.
При перемещении малозапыленного воздуха с концентрацией массы
|i< 0,01 кг/кг потери давления, Па, на расчетном участке определяются по
формуле
ДИ^+Х^. (9-4)
где Е£ — сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном
участке воздуховода; £э — приведенный коэффициент трения.
Рекомендуемые скорости газового потока (м/с), которые достаточно
полно удовлетворяют обоим условиям, приведены ниже:
Газоходы общего назначения 10-20
В газоходах при входе в:
Циклоны ЦН-15, ЦР, ЦРк, УЦ, СКЦН-34, ЛИОТ, СИОТ, ВЦНИИОТ 12-15
Батарейные циклоны ПБЦ, БЦ, ПКН 9—10
Группы циклонов ЦН 12-15
Пылеуловители инерционные ПИ-10 14-18
Скрубберы полые СП, насадочные СДК, гидродинамические ГДП и ПГП,
пенные аппараты 12-14
Скрубберы Вентури ГВПВ, CB-Кк, коагуляционные мокрые
пылеуловители КМП и КЦМП 14-16
Фильтры рукавные ФРКИ, ФРКДИ, ФР, ФРОС, УРФМ-ПМ,
фильтры с зернистыми слоями 12-14
Устройство длинных горизонтальных газоходов, особенно подводящих
запыленный газ к пылеуловителям, нецелесообразно. При значительной
запыленности газов и необходимости применения длинных газоходов
последние выполняют зигзагообразной конфигурации в вертикальной
плоскости с установкой ловушек в местах возможного выпадения пыли. В этом
случае для уменьшения гидравлического сопротивления газоходов
скорость газов в них снижают до 9-10 м/с.
ззо

При передаче по газоходам влажного газа с температурой, близкой к
точке росы, газоходы теплоизолируют. К теплоизоляционным материалам
предъявляют следующие требования:
— низкая объемная плотность — выше 650 кг/м3 для стационарных и
250 кг/м3 для нестационарных установок;
— низкий коэффициент теплопроводности;
— высокая температуроустойчивость — материал не должен гореть и
поддерживать горение, тлеть после удаления открытого пламени и
должен выдерживать температурные пределы его применения;
— механическая прочность, определяющая долговечность изоляции и
надежность ее в эксплуатации;
— низкая водопоглощающая способность при погружении в воду и
низкая гигроскопичность;
— морозостойкость;
— биостойкость — материал не должен подвергаться гниению;
— антикоррозионность — материал не должен вызывать или
способствовать коррозии металла;
— отсутствие специфического запаха — материал не должен выделять
при эксплуатации и горении ядовитые и вредные газы, кроме
оксида и диоксида углерода, и должен быть безвредным при монтаже и
эксплуатации;
— воздухо- и газонепроницаемость;
— удобство в монтаже;
— материал должен изготовляться промышленностью.
В наибольшей степени этим требованиям отвечает минеральная вата.
Она состоит из тончайших стекловидных волокон, полученных путем
распыления жидкого расплава шихты из шлаков, горных пород или иных
силикатных материалов. Минеральную вату используют в качестве
теплоизоляционного материала, при температуре изолируемых
поверхностей до 600 °С. Широкое применение получили минеральные маты,
представляющие собой полотнища из минеральной ваты прямоугольной
формы и равномерной толщины с обкладкой проволочной сеткой с двух
сторон и прошитые отожженной проволокой диаметром 0,8 мм. Маты
имеют продольную или поперечную прошивку. Размеры типовых матов
следующие: длина 1000, ширина 500, толщина 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и
100 мм.
Наибольшее распространение в качестве
запорно-регулирующихприспособлений находит плоская задвижка (шибер) (рис. 9.1) и дроссельный
клапан (рис. 9.2).
Конструкция шиберов может быть самой разнообразной. Она зависит
от условий применения: формы сечения пылегазопровода, свойств и
характеристик среды, перепада давлений при закрытом положении, техно-
331

^р^
v
L
>
J
Рис. 9.1. Плоский шибер:
/ — рама; 2 — подвижный отсекающий элемент; 3 — круглый пылегазопровод; 4 — направляющие;
5 — патрубок для продувки сжатым воздухом; 6 — тяга; 7 — ребро жесткости; 8 — блок; 9 — трос;
10 — лебедка; И — мотор редуктор; 12 — шток с винтовой нарезкой; 13 — маховик ручного управления
логических требований. Предпочтительно использовать шиберы,
выпускаемые серийно промышленностью.
Дроссельные задвижки применяют
значительно чаще, нежели плоские
задвижки: они проще в изготовлении
и надежнее в работе. Существуют две
группы: однолопастные (рис. 9.2) и
многолопастные. Первые
применяются в основном для круглых пылегазо-
проводов, вторые — для
прямоугольных. Для приведения дроссельных
задвижек в действие применяют
ручные и электрические механизмы.
Для компенсации температурных
удлинений газоходов, работающих при
температуре до 400 °С, используют
компенсаторы. Они подразделяются на
линзовые, сальниковые и
комбинированные. Наибольшее применение
получили линзовые компенсаторы. Лин-
Рис. 9.2. Однолопастный дроссельный 30ВЫе КОМПенсаТОрЫ ДЛЯ запыленной
клапан: СреДЫ ВЫПОЛНЯЮТ С СЭЛЬНИКОВЫМИ уп-
/- фланец; 2 -обечайка; 3 - упорное полу- ЛОТНеНИЯМИ (рИС. 9.3), ЧТОбЫ Не ДОПу-
кольцо; 4 - вал; 5 - лопасть; 6 - ребро СТИТЬ ОТЛОЖеНИЯ ПЫЛИ В ЛИНЗаХ.
жесткости
332

Рис. 9.3. Компенсаторы — двухлинзовый с уплотнением (а) и однолинзовый без
уплотнения (б):
1 — линза; 2 — основной ствол пылегазопровода; 3 — гайка; 4 — стяжной болт; 5 — уплотнение
По сечению компенсаторы делят на круглые и прямоугольные.
Компенсаторы выполняют одно-, двух- и трехлинзовыми. На рис. 9.3
представлены конструкции одно- и двухлинзовых компенсаторов.
Величину необходимой компенсации удлинения газохода (м)
определяют по формуле
/ = 12,5.10"6/ I,
(9.5)
где 12,5-Ю-6 — коэффициент расширения стали, 1/ °С; tci — температура
стенки газохода, °С (при наличии теплоизоляции принимается равной
температуре газа); L — дайна газохода, м.
Если температурное удлинение значительно, то по всей длине
газохода устанавливают два и более компенсаторов общей компенсирующей
способностью, равной общему удлинению газохода.
Материалы для изготовления газоходов выбирают в соответствии со
СНиП И-В.3-72. В случае работы в агрессивных средах необходимо
предусматривать мероприятия по защите от коррозии.
Нормальное газораспределение по сечению является важным как для
газоходов, так и для газоочистных аппаратов. Степень неравномерности
распределения газа неодинаково влияет на эффективность пылеуловителей
различных типов. Наибольшее влияние она оказывает на аппараты с
малым гидравлическим сопротивлением, это электрофильтры (см. рис. 5.89),
пылеосадительные камеры, простейшие инерционные пылеуловители,
прямоточные циклоны, полые форсуночные скрубберы и т. д. Менее
чувствительны аппараты, у которых гидравлическое сопротивление находится в
пределах 400-800 Па. К ним относятся группы циклонов, батарейные циклоны,
пенные аппараты, насадочные скрубберы. Эффективность фильтров и
высоконапорных труб Вентури еще меньше зависит от степени
неравномерности распределения пылегазового потока.
Выравнивание газового потока по сечению может быть достигнуто
или при помощи различных направляющих устройств, понижающих со-
333

Рис. 9.4. Подводы газов к некоторым типам газоочистных аппаратов:
а — подвод газа к электрофильтру; 6 — подвод газа к группе циклонов; в — подвод газа втрубу
Вентури с регулируемой горловиной;
противление движению газа, или принудительно путем создания
дополнительного сопротивления движению газа, или тем и другим способами
одновременно.
Направляющие устройства особенно эффективны в случае
расширяющихся газоходов и в изогнутых коленах. Принудительное выравнивание при
помощи сеток, решеток и тому подобных устройств эффективно во всех
случаях, но не всегда желательно по конструктивным либо
эксплуатационным соображениям.
Некоторые примеры конфигурации пылегазопроводов на подходе к
аппаратам и встроенных в них газораспределителей приведены на рис. 9.4.
Предупреждение заполнения пылью газоходов.
Образование пылевых отложений возможно, если транспортируется
аэрозоль высокой концентрации с дисперсной фазой средней и грубой
дисперсности, или скорость газа недостаточна для предотвращения оседания
грубых частиц. Кроме того, отложения образуются в случае переменной
скорости газового потока. Наибольшая вероятность отложений в начале
тракта. Осевшая пыль удерживается за счет сил адгезии (в
первоначальный момент) и аутогезионными силами. При этом обе силы с течением
времени увеличиваются, что необходимо учитывать при выборе способов
борьбы с заполнением пылью газоходов.
Основными способами борьбы с отложением являются:
— скорость потока должна исключить или свести к минимуму
возможность оседания пыли [уравнение (9.3)]. В зависимости от
концентрации, дисперсности и плотности она выбирается в пределах 15-20 м/с;
— на участках транспортировки неочищенного газа следует избегать
длинных горизонтальных пылегазопроводов. Часто применяется
334

г
JL L.
A-B
Рис. 9.5. Борьба с отложением пыли,
использованием обдува:
/ — ствол пыле газопровода; 2 — воздушные
сопла; 3 — воздушный коллектор
транспортировка
неочищенного газа по
газопроводам ломаного профиля, с уг-
лами наклона несколько
больше естественного
откоса пыли;
— оклейка донной части
пластмассой (адгезия пыли к
пластмассе меньше, чем к
металлам);
— обдувка пылегазопровода в
его нижней части
концентрированными струями воздуха из простых щелевых сопел (рис. 9.5);
— использование трубопроводов грушевидной формы со шнеком,
который во время работы пылегазопровода также непрерывно работает,
сгребая осаждающую пыль (рис.9.6);
— проектирование двух параллельных пылегазопроводов одинакового
назначения: рабочего и резервного. Это должно быть технически и
экономически обосновано.
Бункеры. Пыль, осаждаемая в газоочистных аппаратах, собирается в
бункерах, откуда осуществляется ее выгрузка. Бункера пылеуловителей могут
иметь пирамидальную, коническую или клиновидную форму.
Клиновидный бункер с выпускным отверстием щелевой формы (рис. 9.7, а)
обеспечивает наилучшие условия для истечения пыли, удобен для наружного
обогрева и оборудования побудительных устройств. Однако в бункерах данного
типа невозможно применение затворов — питателей для дозированной
выгрузки пыли. Их применение возможно в пирамидальном бункере (рис.
9.7, б). Однако в углах пирамидального бункера возможны образования
застойных зон с отложениями пыли.
Рис. 9.6. Грушевидный
пылегазопровод с
пылесборным шнеком в
нижней ее части
к^&
шь&м]
335

Рис. 9.7. Основные типы
бункеров пылеулавливающих
устройств:
а — щелевой; б — пирамидальный
Основными геометрическими параметрами бункера, от которых
зависит истечение пыли, являются угол наклона стенки и ширина выпускного
отверстия. Для надежной выгрузки из бункера угол наклона стенки должен
превышать угол естественного откоса пыли. Обычно угол наклона стенок
бункера принимается равным 60°, что значительно превышает угол
естественного откоса для большинства пыли.
Ширина выпускного отверстия должна превышать некоторую
критическую величину Ьк, называемую максимальным сводообразующим
размером выпускного отверстия. Если ширина отверстия становится меньше
величины Ьк, то при выгрузке пыли под выпускным отверстием образуется
свод или труба, которые препятствуют дальнейшему истечению пыли
(рис. 9.8). Причина образования свода или трубы заключается в том, что
прочность пылевой массы в этой области превышает давление,
оказываемое массой самой пыли.
Величина Ьк имеет определенное значение для каждой пыли в
зависимости от ее свойств и условий пребывания в бункере. Значение Ьк связано
с формой бункера и углом наклона стенок. При увеличении угла наклона
стенок величина Ьк несколько уменьшается, но при этом увеличиваются
высота бункера и соответственно пылеулавливающего аппарата в целом.
Величина Ък для щелевых бункеров на 10-20% меньше, чем для
пирамидальных и конических.
Рис. 9.8. Виды нарушений работы
бункера:
а — наросты на стенках; б —
образование сводов; в — образование труб
336

Рис. 9.9. Усовершенствование
конструкций бункеров:
а — бункер с расширением в области выпускного
отверстия; б, в — бункеры с вставками над
выпускным отверстием
При выборе угла наклона стенки и ширины выпускного отверстия
необходимо учитывать такие свойства пыли, как слипаемость, склонность к
схватыванию и слеживанию, повышенное внутреннее трение, малая
объемная плотность.
Образование отложений возможно также в результате недостаточной
производительности пылевыгрузного оборудования, работы
пылеуловителей с периодической выгрузкой пыли и конденсации влаги,
содержащейся в пыли. Наиболее опасной влагой является гигроскопичная, т. е.
впитанная частицами из окружающей среды, поскольку она может
превратить нормальный сухой материал в недосушенный.
Для улучшения условий истечения пыли рекомендуются следующие
мероприятия:
— конструктивные совершенствования (рис. 9.9). Например,
применение в бункере одной или двух вертикальных вставок, создающих
хорошие условия для вывода пыли. Применение вставок и уступов
позволяет снижать степень уплотнения;
— применение антифрикционных и антиадгезионных покрытий для
уменьшения величины трения частиц пыли о стенки бункера. В
качестве таких покрытий могут использоваться полимерные
материалы, стеклянные плитки, лакокрасочные материалы;
— обогрев бункера целиком или в зоне выпускного отверстия. В
нагретом состоянии пыль обладает более высокой текучестью,
вследствие уменьшения влажности;
— непрерывный режим вывода пыли. Если же это экономически
нецелесообразно, следует ограничивать заполнение бункера
определенной, оптимальной для данной пыли высотой. Оптимальная
высота устанавливается опытным путем;
— применение вибрационных механизмов. При этом на стенки
бункера может оказываться вибрационное воздействие или могут
использоваться дополнительные вибрирующие элементы: стальные
полосы или решетки, помещенные внутрь бункера. Конструкция
вибрационного механизма для устранения сводообразования
представлена на рис. 9.10.
22 - 4543
337

Рис. 9.10. Вибрационный сводообрушитель:
/ — корпус; 2 — штанга; 3 — вибратор; 4 —
подвижная рама
Удаление уловленного продукта. Продукт, уловленный в газоочистных
аппаратах, может находиться в трех состояниях:
— в виде жидкости. Образуется при осуществлении абсорбции
вредных газообразных веществ или при улавливании тумана;
— в виде шлама. Образуется в мокрых пылеуловителях;
— в виде сухого сыпучего материала. Образуется в сухих
пылеуловителях.
Наибольшие сложности возникают в третьем случае, т. е. при
удалении пыли из сухого аппарата.
Устройства для сухой выгрузки пыли. Для сухой выгрузки пыли из
бункера используют различные виды пылевых затворов. Основным условием
надежной работы затворов является обеспечение условия герметичности.
Несоблюдение этого условия может привести к резкому снижению
эффективности очистки в основном газоочистном оборудовании.
По характеру работы пылевые затворы могут быть периодического или
непрерывного действия.
Пылевые затворы первой группы применяются при периодической
(один-два раза в сутки) выгрузке пыли в накопительную емкость или
непосредственно в пылегрузовой транспорт. К ним относятся шаровые
(рис. 9.11, д), шиберные (рис. 9.11, б) и дисковые (рис. 9.11, в) затворы.
Наименьшую герметичность обеспечивают шиберные затворы,
которые к тому же часто заклиниваются. Часто их используют в качестве
отсекающих устройств перед непрерывно действующими затворами для
осуществления ремонта или замены последних.
Пылевые затворы второй группы обеспечивают непрерывный отвод
пыли из бункера. К ним относятся: мигалки с плоским (рис. 9.12, 6) и
конусным клапанами, шлюзовые питатели (рис. 9.12, а) и некоторые виды
конвейеров (рис. 9.12, в).
338

Рис. 9.11. Пылевые затворы периодического действия:
а — шаровые; б — шиберные; в — дисковые; 1 — верхняя часть корпуса; 2 — диск- заслонка;
3 — нижняя часть корпуса; 4 — рукоятка; 5 — рычаг
Наиболее перспективными считаются пылевые затворы без привода —
плоские и конусные мигалки. В тот момент, когда статический напор слоя
пыли в стояке превысит разность давлений в аппарате и пылеуловителе,
язык мигалки открывается и пыль высыпается из стояка. При больших
разрежениях (более 1000 Па) устанавливаются две мигалки. Главный
недостаток мигалок — низкая герметичность.
Основным недостатком лопастного затвора является опасность
заклинивания посторонними включениями, а также необходимость
обеспечения электроприводом.
Винтовые (шнековые) конвейеры одновременно могут обеспечивать
транспортирование пыли на небольшие расстояния. Основная область
применения — клиновидные бункеры. Применяются при перепадах давления
до 15 кПа.
Устройства для мокрого пылеудаления. Мокрое пылеудаление осуще-
22* 339

I
Рис. 9.12. Пылевые затворы непрерывного действия:
а — шлюзовый лопастной; б — плоская мигалка: 1 — стояк; 2 — язык; 3 — ограничитель;
4 — петля; в — винтовой: 1 — винт; 2 — опора; 3 — звездочка; 4— клапан; 5— груз
ствляется из мокрых пылеудалителей. В этом случае используются
гидрозатворы, эрлифты, скребковые механизмы.
Гидрозатворы изолируют аппарат от внешней среды и обеспечивают в
нем необходимый манометрический режим (давление или разряжение).
Оптимальная скорость отвода жидкости — 0,2-0,3 м/с, максимально
допустимая скорость слива — 0,5-0,6 м/с. На практике применяют два типа
гидрозатворов — в виде петли (рис. 9.13, а) или открытой промежуточной
емкости (рис. 9.13, б). В затворе первого типа обеспечивается постоянство
скорости слива по всей его длине. Второй тип гидрозатвора обеспечивает
небольшие колебания уровня жидкости при пуске и остановке. Оба типа
применяются при небольших разрежениях и давлениях (до 20 кПа).
В мокрых пылеуловителях с внутренней циркуляцией жидкости
возможен периодический отвод шламовой воды, позволяющий уменьшить
удельный расход жидкости на орошение аппарата. При этом чаще всего
используется скребковый механизм.
Работа эрлифта основана на использовании сжатого воздуха. Этот
способ целесообразен при небольшой высоте подъема отводимой жидкости.
Эрлифт может использоваться в аппаратах с внутренней циркуляцией
жидкости (рис. 9.14).
340

Рис. 9.13. Гидрозатвор в виде петли:
а — в виде петли; б— с открытой
промежуточной емкостью
Разрежение
Давление
Сжатый
воздух
Шлам
Рис. 9.14. Эрлифтное пылеудаление:
1 — пылеуловитель; 2— эрлифтное
устройство; 3— шламоотстойник
Средства транспортирования пыли. Средства транспортирования пыли
решают задачи, связанные с перемещением уловленной пыли от аппаратов
к местам складирования или в отвалы.
Неудовлетворительная работа средств транспортирования пыли
приводит к вторичному загрязнению воздуха, а если пыль может быть
утилизирована — к потере ценных материалов.
Уловленная пыль может транспортироваться:
— с помощью механических средств;
— с помощью воздуха (пневмотранспорт);
— в суспензированном виде (гидротранспорт).
341

Пыль с помощью механических устройств может транспортироваться
периодически или непрерывно. Периодическая транспортировка пыли
осуществляется в герметичных контейнерах (цилиндрической или
прямоугольной формы с запорными отверстиями вверху и внизу), в полиэтиленовых
или водостойких бумажных мешках. Для непрерывного удаления
используют шнековые, цепные или ленточные транспортеры.
Пневмотранспорт включает систему трубопроводов, по которым пыль
перемещается с помощью воздуха, а также побудители давления,
разгрузители и бункеры. Пневмотранспорт может работать как под давлением, так и
под разрежением. Отличается простотой конструктивного оформления, но
требует больших энергозатрат по сравнению с механическими
устройствами для перемещения пыли. Пневмотранспорт исключается в случае
необходимости перемещения слипающихся и влажных материалов. Скорость
воздуха должна быть больше скорости трогания материала [уравнение( 9.3)].
В пылеулавливании гидротранспорт используют для перемещения
пыли от мокрых пылеуловителей. Гидротранспорт пыли может
осуществляться как самотеком, так и в напорных трубопроводах. Для самотечного
гидротранспорта обычно применяют открытые лотки (желоба). Глубина
желобов должна быть больше ширины. Напорный гидротранспорт
осуществляется с помощью насосов. Шламовую суспензию рекомендуется
перекачивать в сильно разжиженном состоянии. Скорость движения
шламовой пульпы составляет обычно 1,5—2,5 м/с.
Обработка уловленного продукта. Проектирование систем очистки
выбросов обязательно должно включать вопросы дальнейшей переработки
уловленного продукта.
В большинстве случаев первичная обработка уловленной
утилизируемой пыли заключается в ее грануляции. Это позволяет исключить
вторичное выделение пыли при ее переработке. Для этих целей используются
различные грануляторы. Размер получаемых гранул колеблется от 10 до 20 мм.
Неутилизированная пыль обычно вывозится для захоронения, что
крайне нерационально и может применяться только при отсутствии
технологий по использованию уловленного продукта.
Проблема обработки мокрого уловленного продукта намного сложней.
Как отмечалось в § 5.4 и 6.1, именно эта проблема является основным
сдерживающим фактором мокрой газоочистки. Существует несколько
направлений дальнейшей переработки жидких отходов газоочистки.
Шлам может транспортироваться на шламовое поле, где высыхает и
далее используется, или же пропускается через систему отстойников и
фильтров. После фильтрации жидкость возвращается на орошение, а
отфильтрованная масса утилизируется.
Жидкость либо направляется в общезаводскую (городскую) систему
очистки стоков, либо проходит локальную очистку в пределах газоочист-
342

ного сооружения и вновь подается на орошение аппарата. Последнее
направление, хотя и требует больших капитальных затрат, является более
оправданным, поскольку позволяет уменьшить расход жидкости и
содержащихся в ней реагентов. Обычно предусматривается цикличность
орошения, т. е. многократное использование одного и того же раствора с
постепенным частичным выводом его из цикла и добавкой свежего
раствора.
Важнейшую роль здесь играет предельное состояние раствора, т. е.
состояние, достигаемое без подвода добавки свежего. В этом случае через
некоторое время исключается его дальнейшее использование.
Предельное состояние может определяться следующими факторами.
1. Если раствор улавливает дисперсную фазу твердого аэрозоля, то
взвесь не должна превышать концентрации, выше которой начинается
работа оросителей. Другим критерием предельного состояния в этом случае
является недопустимое снижение степени пылеулавливания.
2. При накоплении в растворе некоторых компонентов, например,
малорастворимых карбонатных соединений, при определенных условиях
начинается их кристаллизация на внутренней поверхности труб,
аппаратов и т. д. Начало кристаллизации означает, что наступило предельное
состояние раствора.
3. При абсорбции паров или газов предельным состоянием является
такое насыщение раствора, при котором его дальнейшее использование
теряет смысл: между раствором и абсорбируемым компонентом
устанавливается равновесие, и абсорбция прекращается.
Схем обработки жидких отходов, образующихся при мокрой газоочистке
огромное разнообразие. Принципиальная схема для переработки таких
сточных вод представлена на рис. 9.15.
Схема включает в себя осветлитель, в котором помимо очистки воды от
взвеси может быть и химическая обработка воды. Иногда химическая
обработка осуществляется в отдельном (отдельных) аппаратах. Если в схеме
предусмотрено охлаждение газов и необходимо подавать на орошение
относительно холодную воду, осветленная оборотная вода может охлаждаться в
вентиляторной градирне, в брызгальном бассейне или в поверхностном
теплообменнике. При тонком распыливании устанавливаются специальные
фильтры.
Для отделения взвешенных частиц используются радиальные
отстойники или специальные пруды. Если взвешенные частицы имеют размер
менее 1 мкм, то используют коагулянт (растворы серно-кислого железа,
хлорного железа и т. д.). Очистка сточных вод в отстойниках является наиболее
экономичной, однако имеет и недостатки: частичная утечка воды в грунт,
ее потери вследствие естественного испарения, а также большая
занимаемая площадь.
343

i Газы
Газы
r^ m
Шлам
Рис. 9.15. Схема оборудования для очистки сточных вод мокрой газоочистки:
/ — пылеуловитель; 2 — отстойник; 3— насос; 4 — градирня; 5 — фильтр для очистки воды
Шлам из нижней части осветлителя откачивается специальным
(шламовым) насосом для дальнейшей переработки. Обезвоживание шламов
осуществляется в гидроциклонах, сгустителях, вакуум-фильтрах и центрифугах.
Наиболее распространены напорные и открытые гидроциклоны (рис. 9.16),
принцип работы которых аналогичен циклонным пылеуловителям. В
некоторых случаях гидроциклоны могут непосредственно использоваться для
очистки сточных вод, образующихся при мокрой очистке газов.
Химическая обработка воды включает нейтрализацию щелочных
сточных вод кислотой (лучше всего серной) или нейтрализацию кислых
сточных вод добавкой щелочи или известковым молоком (последний способ
вследствие дешевизны получил наибольшее распространение).
Однако оптимальным способом переработки отработанной жидкости
является получение из нее готового продукта. Для некоторых вредных
соединений, например S02, имеется большое количество наработок в этом
направлении. Например, абсорбционный процесс поглощения диоксида
серы, с получением сульфата аммония, который находит дальнейшее
использование в сельском хозяйстве.
Основные материалы, используемые в системах очистки воздуха.
Защита оборудования от коррозии. Выбор конструкционных и вспомогательных
344

лг
Загрязненная
вода
Рис. 9.16. Гидроциклоны:
а — напорный: / — сливной насадок; 2 — перегородка; 3 — патрубок для отвода жидкости; 4 — цилиндр;
5— конус; 6— патрубок для вывода шлама; 7— входной патрубок; б — открытый: / — корпус; 2 —лоток
осветленной воды; 3— коническая диафрагма; 4— цилиндрическая перегородка; 5—тангенциальный патрубок
для подвода шламовой воды
материалов машин, аппаратов, элементов сооружении для систем очистки
газовых потоков определяется:
— параметрами режима работы (температурой, давлением, составом
рабочей среды и др.);
— требованиями к физическим, химическим, механическим и другим
свойствам материалов;
— технологичностью изготовления конструкции;
— доступностью и стоимостью материала.
Выбор материала завершается технико-экономическим сравнением
возможных вариантов. Предпочтение отдают материалу в наибольшей
степени удовлетворяющему указанным выше требованиям.
Все виды используемых материалов подразделяют на три группы:
металлические материалы и сплавы, органические материалы и
неорганические неметаллические материалы.
Металлические материалы и сплавы. В пылегазоочистном
оборудовании применяются следующие металлические материалы.
1.Углеродные стали (СтО, Ст1, БСтО, ВСт2 и др.). Нашли наибольшее
применение в связи с доступностью, относительной дешевизной и техно-
345

логичности. Используются в случае отсутствия особых требований к
материалу (коррозионной стойкости, жаростойкости и т. д.)
2. Низколегированные стали (26ГС, 09Г2 и др.). Используются для
изготовления аппаратуры, работающей под небольшим давлением и в
контакте с неагрессивными средами. Наибольшее использование нашли крем-
немарганцевые стали, нормативно допускаемое напряжение которых на
15—30% превышает эти показатели для углеродистых сталей. Кремнемар-
ганцевые стали отлично свариваются, обладают хорошей пластичностью.
Применение этих сталей позволяет облегчить конструкции и повысить их
эксплуатационную надежность, а также снизить интенсивность оборота
вторичных черных металлов.
3. Легированные стали. В основном используются легированные
стали, обладающие повышенной коррозионной стойкостью,
жаростойкостью или жаропрочностью. Среди легированных коррозионно-стойких
сталей наибольшее применение нашли:
— низкоуглеродистые высоколегированные стали. Обладают
повышенной стойкостью к ножевой коррозии и коррозионному
растрескиванию;
— экономнолегированные никелем хромистые стали. Более высокие
пределы текучести малоникелевых и безникелевых сталей
позволяют снизить металлоемкость аппаратов;
— малоуглеродистые безникелевые и малоникелевые стали с
суммарным содержанием углерода и азота до 0,015%. Характеризуются
коррозионной стойкостью, устойчивостью к коррозионному
растрескиванию и межкристаллитной коррозии;
— хромомарганцовистые стали.
Для экономии легированных сталей, особенно при изготовлении
аппаратов с большой толщиной стенки, применяют двухслойные металлы с
тонким плакирующим слоем из легированного материала.
4. Чугун. Используется для изготовления корпусов, опор, крышек и
других деталей, работающих в условиях агрессивных сред.
5. Цветные металлы — свинец, медь, алюминий, никель и др.
Используют для работы в средах средней и повышенной агрессивности. Алюминий
(и его сплавы), медь и латунь являются основными конструкционными
материалами для емкостной, колонной теплообменной аппаратуры,
работающей при низких температурах. Элементы машин, подверженные истиранию
(цапфы, шестерни, детали подшипников), а также арматуру трубопроводов
часто изготавливают из сплавов на основе цветных металлов.
Органические материалы. К ним относятся неметаллические
материалы органического происхождения.
1. Древесина. Из древесины сосны, ели, лиственницы изготовляют
простейшие аппараты, хранилища, тару, хордовые насадки, переточные лотки,
346

мешалки и т. д. Покрытие бакелитовыми и другими лаками часто
расширяет область применения дерева в качестве конструкционного материала.
2. Резина. Используется в виде листов, труб, шлангов, ею часто
гуммируют аппараты, емкости, трубопроводы (обмазывание изделий жидкими
резиновыми смесями с последующей вулканизацией изделий),
изолируют кабели. Резина обладает не только химической, но и эрозионной
стойкостью. Однако тепловая стойкость ее не высока (-80 °С), под действием
окислителей и света она стареет и растрескивается, в органических
растворителях сильно набухает. Основное свойство резины — способность к
большим обратимым (высокоэластическим) деформациям — обеспечивает ей
широкое применение в различных конструкциях.
3. Пластмассы. Обладают высокой коррозионной стойкостью во
многих средах и большой прочностью на единицу массы оборудования.
Наибольшее применение находят: фенопласты, текстолит, винипласт,
органическое стекло, фторопласт.
Фенопласты — термомеханически обработанные композиции,
состоящие из фенольных смол, наполнителей и различных добавок (отвердите-
лей, смазывающих веществ). В технике газоочистки применяются влаго-
химические марки фенопластов — фаолиты, получаемые на основе
фенолформальдегидной смолы и кислотостойкого наполнителя. По
сравнению с другими пластмассами фаолит обладает повышенной
теплостойкостью и химической стойкостью в органических растворителях,
поддается всем видам механической обработки, хорошо прессуется, склеивается
и применяется (до 140 °С) как кислотоупорный материал для колонных и
других аппаратов, трубопроводов, а также как футеровочный материал.
К недостаткам относятся малая ударная вязкость, отсутствие
эластичности. Выпускают трех марок: А — наполнитель асбест, В — наполнитель тальк,
Т — наполнитель графит.
Текстолит используется при температуре от -196 до 125 °С в основном
для изготовления муфт, шестерен, роликов и др.
Винипласт листовой — продукт полимеризации хлорзамещенных
производных этилена. Используется для изготовления обечаек, днищ
аппаратов, вентиляционных газоходов и др.
Органическое стекло — продукт полимеризации метилового эфира ме-
такриловой кислоты. Применяют в тех случаях, когда необходимо
обеспечить оптическую прозрачность отдельных элементов аппаратуры.
Полиэтилен — синтетический продукт, получаемый полимеризацией
этилена в присутствии катализатора. Используется для футеровки как
прокладочный материал для изготовления труб и пленок, полимербетонов.
Из всех известных пластмасс наиболее химически стойким является
фторопласт — полимер фторпроизводных этиленового ряда. Он устойчив
при температуре от -269 до 260 °С. Характеризуется высокой прочностью,
347

диэлектрическими и антифрикционными свойствами. Накоплен большой
опыт использования фторопласта для изготовления труб и арматуры,
емкостной аппаратуры, насосов и их деталей, в качестве уплотнительного
материала и ддя напыления. Однако фторопласт дорог, практически не
сваривается и с трудом склеивается.
4. Вспененные пластические массы (пенополиуретан, пенополисти-
рол, фенольные и карбамидные пенопласты) имеют низкую
теплопроводность, малую объемную массу, достаточную механическую прочность,
сравнительно низкую стоимость. Наибольшее применение нашли для
теплоизоляции в условиях агрессивных сред.
Неорганические неметаллические материалы. Материалы этого класса
относятся в основном к строительным материалам. Используются во
вспомогательном оборудовании, а также для теплоизоляции. Например, для
изготовления трубопроводов, применяемых для транспортирования
агрессивных веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии, а также при
необходимости визуального контролирования процесса применяется
техническое стекло.
Преимущество стеклянной аппаратуры заключается в высокой
химической стойкости, меньшем зарастании стенок трубопроводов
продуктами коррозии, сохранении теплопроводности, относительно низкой
стоимости.
Защита оборудования от коррозии и абразивного износа. В газоочистной
технике фактор коррозии имеет свою специфику. Так, почти не изучена
зависимость коррозии от взвешенных твердых частиц. Поэтому иногда
отмечаются неожиданности: коррозия почти полностью отсутствует, хотя по
проектам ее опасность имеет место. Если нет абсолютно твердой
уверенности в том, что коррозия не начнется, то следует предусмотреть меры по
защите оборудования.
Многолетние наблюдения позволяют сделать следующие выводы:
1. При наличии в газе кислотного тумана наиболее уязвимы сухие
электрофильтры, изготовленные из обычной углеродистой пыли (в
первую очередь коронирующие электроды).
2. В скрубберах, орошаемых нейтрализирующем раствором, в зоне ниже
форсунок, коррозия протекает медленно, а иногда и не фиксируется вовсе.
3. При температурном режиме, исключающем конденсацию,
коррозия отсутствует.
4. При неправильно спроектированной или небрежно выполненной
теплоизоляции на внутренней поверхности аппаратов и пылегазопрово-
дов оседает конденсат.
5. Наиболее сильное коррозионное воздействие испытывают
аппараты, в которых происходит улавливание пыли водой, при условии, что в
348

газах содержатся вещества, дающие коррозионно-активные соединения с
водой.
Коррозионная стойкость черных и цветных металлов, сплавов
оценивается по десятибалльной шкале в зависимости от скорости коррозии
(мм/год). Совершенно стойкие оцениваются баллом 1 и имеют скорость
коррозии 0,001 мм/год, а нестойкие — 10 баллов и 10 мм/год
соответственно. Рекомендуется использовать материалы, скорость коррозии которых в
рабочей среде не превышает 0,1 мм/год (баллы стойкости 1-5). Затраты на
защиту от коррозии могут составлять примерно 20% затрат на
производство стальных конструкций.
В табл. 9.1. приведена сравнительная характеристика стоимости
трубопроводов, применяемых при транспортировке агрессивных газов. Для
защиты металлов от коррозии применяются в основном пассивные методы
(рис. 9.17). В каждом конкретном случае выбор средств защиты должен быть
выполнен на стадии проектирования с учетом условий эксплуатации и
статистических данных по эксплуатации.
Наиболее распространенным методом защиты от коррозии
оборудования, изготовленного из черного металла, является покрытие
лакокрасочными материалами. Среди лакокрасочных материалов различают грунтов-
Спецнальная
обработка
поверхности металла
Механическая
обработка (наклеп,
обработка роликами
и т.п.)
Химическое и
электрохимическое
полирование
Термическая
обработка
Нанесение
защитных
покрытий
I
Постоянного
действия
Временного
действия
Периодического
действия (воски,
консервационные
масла)
Легирование
металлов
Введение элемента,
предотвращающего
структурную
коррозию
Введение элемента,
понижающего
катодную активность
I
Введение элемента,
понижающего
анодную активность
Т
Создание
экранирующего поверхностного
слоя
Рис. 9.17. Пассивные методы и средства защиты от коррозии
349

Таблица 9.1
Сравнительная характеристика трубопроводов
Материал трубопровода
Стекло
| Фаолит
Винипласт
Полиэтилен
Сталь коррозионно-стойкая
Свинец
Относительная
стоимость 1м
смонтированного
трубопровода
1,0
1,2
0,7
1,0
1,7
2,3
Срок службы
трубопровода
по сравнению со
стеклянным
1,0
0,2
0,2
0,2
0,4
0,4
Стоимость 1 м
трубопровода
с учетом срока
эксплуатации
1,0
5,8
3,5
5,1
4,3
5,6
Таблица 9.2
Классификация лакокрасочных покрытий, стойких в особых средах
Покрытие
Химически стойкое
| Термостойкое
Среда или воздействующий фактор
Различные химические реагенты
Агрессивные газы, пары и жидкости
Растворы кислот
Растворы щелочей
Повышенная температура (60...500 °С)
Обозначения условий
эксплуатации
7
7/1
7/2
7/3
8
ки, эмали, лаки, краски, порошковые краски, шпаклевки. Классификация
покрытий, стойких в особых средах, приведена в табл. 9.2.
Скорость эрозионного износа пропорциональна концентрации пыли в
газе и скорости потока в кубе. Поэтому основной прием по снижению
износа — снижение скорости потока к минимально допустимой по
технологическим соображениям. Например, для циклонов — это использование
циклонов высокоэффективной группы.
Участки, наиболее подверженные износу, защищают
износостойкими покрытиями: керамикой, каменным литьем, монолитным покрытием
из армированного бетона.

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
Технологический процесс очистки промышленных выбросов включает
следующие стадии:
1. Отбор газов или воздуха от источника выделения вредных веществ. Эта
стадия определяет количество выбросов, содержание в них вредных
веществ и в определенной мере приведенные затраты на очистку выбросов.
Действительно, если на этой стадии удается эффективно отобрать
образующиеся вредные вещества пыли от источника выделения, т. е.
локализовать выбросы, с одновременным обеспечением установленных значений
ПДК в рабочей зоне, то приведенные затраты на очистку будут, как
правило, меньшими. И наоборот, если отбор производится неэффективно и
выбросы, разбавленные воздухом, поступают на очистку в большом
количестве, то для их очистки потребуется применение аппаратов больших
размеров и, как следствие, приведенные затраты будут выше.
Эффективность отбора (отсоса) газов и воздуха зависит от степени конструктивного
совершенства применяемых для этой цели укрытий открытого,
полузакрытого и закрытого типов (см. § 3.1) и скоростей отбора.
2. Подготовка промышленных выбросов к очистке. Обычно
газообразные выбросы имеют различные физико-химический состав и
технологические параметры в зависимости от реализуемого процесса. Газоочистные
же аппараты рассчитаны на работу в строго определенных технологических
режимах (температура и влажность газов, концентрация, дисперсность,
физико-химические свойства вредных веществ и др.), которые колеблются в
довольно узком диапазоне. Поэтому для обеспечения эффективной
очистки газов желательно в каждом конкретном случае осуществить подготовку
газов путем их предварительной обработки с таким расчетом, чтобы
технологические параметры газов соответствовали оптимальным
характеристикам газоочистных аппаратов, в которых они будут подвергаться очистке.
Только в том случае, когда каждый аппарат, входящий в состав системы
очистки газов, будет работать в оптимальном режиме, на который он
рассчитан, можно добиться высокой эффективности, надежности и
рентабельности газоочистки.
Подготовка газов к очистке от взвешенных частиц обычно
производится в следующих направлениях: объединение выбросов от группы оборудо-
351

вания, с подключением отдельных ответвлений к сборнику-коллектору;
подвод очищаемых газов или воздуха к газоочистному аппарату с
обеспечением равномерного их распределения по сечению; охлаждение газов;
укрупнение частиц пыли с помощью различных механизмов коагуляции;
снижение концентрации взвешенных частиц посредством
предварительной очистки газов в простых неэнергоемких аппаратах; увлажнение газов
(см. § 5.6).
3. Газоочистка. При выборе газоочистного оборудования учитывается
большое количество показателей, наиболее важным из которых является
требуемая эффективность очистки газа. От нее во многом будет зависеть
стоимость очистки газа, ведь каждый последующий процент повышения
степени очистки газа достигается все более дорогой ценой.
В общем виде возрастание стоимости очистки газов от пыли в
зависимости от степени очистки газа характеризуется следующим уравнением:
1-т\ = ер, (10.1)
где Р— стоимость пылеулавливающей установки.
Отсюда следует, что для улавливания, например, 90 г пыли из
содержащихся в исходном газе 100 г (т| = 0,9), нужна установка стоимостью Р
рублей, для доулавливания следующих 9 г пыли (т| = 0,99) нужна
установка стоимостью 4Р, следующих 0,09 г (т| = 0,999) — установка стоимостью
40Р и т. д.
Таким образом, для улавливания 1 г пыли на конечной стадии пыле-
4Р-90
улавливания требуется затрат в = 400 раз больше, чем для улавли-
0,9Р
вания 1 г пыли в начальной стадии.
Требуемая степень очистки выбросов г| должна определяться по
формуле
М-ПДВ
%= Jr -100, (10.2)
м
где М— массовый поток выброса, г/с.
Если для источника выбросов ПДВ не установлено, то требуемая
степень очистки может быть установлена:
для источников, загрязняющих воздух в жилой застройке:
^стах-(пдкмрз-сф)
Лф 2= =— -, (10.3)
max
для источников, загрязняющих воздух на территории промышленной
площадки:
п ,стах-(о,зпдкр,-сф)
Нгр - г »
с ■ (Ю.4)
max
352

где Cmax — максимальная приземная концентрация, рассчитываемая в
соответствии с ОНД-86 (уравнения (2.4), (2.5) для высоких источников).
Если для расчета т\ по вышеуказанным формулам нет необходимых
данных, то ее величина может быть определена лишь ориентировочно и
только для источников, загрязняющих в основном воздух на территории
промышленной площадки. При этом определяется допустимое
содержание вредных веществ Сдоп в выбросах, мг/м3:
Сдоп=100Л, (10.5)
где к — коэффициент, принимаемый в зависимости от ПДК з:
ПДК < 2 2-4 4-6 > 6
' ' р.З
к 0,3 0,6 0,8 1
Если объем выбросов менее 15 000 м3/ч, то концентрацию допускается
принимать несколько большей:
Сдоп = (160 -4V)k, мг/м3, (10.6)
где V— объем выброса, тыс. м3/ч.
После нахождения Сдоп можно ориентировочно определить т\ :
П^-^^ЮО, (10.7)
где С — концентрация загрязняющего вещества в выбросах.
Эффективность очистки воздуха, возвращаемого для рециркуляции,
должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы концентрация вредных
веществ в воздухе, поступающем в помещение, не превышала 30% ПДК тех
же вредных веществ в воздухе рабочей зоны.
Схемы с рециркуляцией, на первый взгляд, требуют больших
приведенных затрат, чем схемы с направлением очищенных выбросов в
атмосферу. Однако следует учитывать возможную, при внедрении схем с
рециркуляцией, экономию энергии, расходуемую на подогрев наружного
приточного воздуха в холодные периоды года, что может быть весьма
важным для крупных по объему производственных помещений. В настоящее
время схемы газоочистки с рециркуляцией очищенного воздуха получили
некоторое распространение в системах местной вентиляции только в виде
индивидуальных пылеулавливающих установок (агрегатов) малой
производительности в таких процессах и операциях, как обработка металлов и
неметаллических материалов режущим и абразивным инструментом,
автоматическая электросварка.
При решении следующего после определения требуемой степени
очистки важнейшего вопроса технологии газоочистки — выбора числа
ступеней очистки и типов газоочистных аппаратов — следует ориентироваться,
главных образом, на выбор унифицированных аппаратов, на которые
имеются отработанные типовые чертежи. Особенно это важно при необходи-
23 - 4543
353

мости и возможности изготовления аппаратов непосредственно на
предприятиях.
Выбор газоочистного устройства обусловлен, кроме требуемой степени
очистки, размером улавливаемых частиц (для пылеулавливающих устройств),
физическими и химическими свойствами вредных веществ. Так, при
улавливании пылей из выбросов, содержащих взрывоопасные газообразные
смеси, приходится в ряде случаев отдавать предпочтение мокрым способам
очистки, а при улавливании пылей, склонных к электризации, требуется
устанавливать предохранительные мембраны на газоходах и воздуховодах,
ограничивать объем бункеров — сборников уловленной пыли.
Важнейшим критерием выбора является стоимость очистки. Аппаратур-
но-технологическая схема очистки газов должна компоноваться из таких
аппаратов, которые при работе в оптимальных условиях обеспечивают
необходимую степень очистки при минимальных затратах на очистку 1000 м3
газа (удельная стоимость очистки). Удельная стоимость складывается из
стоимости оборудования и стоимости помещения, занимаемого установкой, из
стоимости электроэнергии, воды и расходов на ее очистку (при мокрой
газоочистке), из зарплаты, расходов, связанных с удалением уловленного
материала, из стоимости затрачиваемых материалов и др.
Ниже приведены данные о расходах энергетических ресурсов
(электроэнергии и воды) на очистку 1000 м3 технологических выбросов от пыли.
Вид пылеулавливающего оборудования
Электрофильтры сухие
Электрофильтры мокрые
Скрубберы Вентури
Форсуночные скрубберы
Циклоны
Батарейные циклоны
Тканевые фильтры
Центробежные скрубберы ВТИ
Пенные аппараты:
с провальными решетками
с переливными решетками
Сравнительная характеристика пылеулавливающих аппаратов, в том
числе и ориентировочная стоимость очистки, дана в табл. 10.1.
Более подробные рекомендации по применению конкретных
газоочистных аппаратов и вспомогательных устройств в конкретных условиях были
даны в гл. 5, 6, 9.
4. Выгрузка пыли, удаление и транспортирование уловленного продукта.
От этой стадии зависит обеспечение нормальной работы газоочистного
оборудования. Например, если устройства для сухой выгрузки пыли (см.
гл. 9) негерметичны или ненадежны в работе, то степень очистки выбро-
354
Электроэнергия, кВт-ч
0,5-1,0
0,3-0,5
1-4
0,15-0,2
0,2-0,25
0,2-0,25
0,4 -0,6
0,3-0,4
0,2-0,25
0,2-0,25
Вода, м3
-
4-6
0,5-1,2
3 -6
-
-
-
0,1-0,14
0,8-0,9
0,2-0,3

Таблица 10.1
Сравнительные характеристики различных пылеуловителей
Показатели
Гидравлическое
сопротивление,
Па
Зависимость
эффективности
от концентрации
частиц
Влажность

Ориентировочный
минимальный размер
частиц,
улавливающихся с высокой
эффективностью,
мкм
Стойкость к
коррозии
Взрыво- и
огнеопасность

Ориентировочная
относительная стоимость
очистки(по
отношению к
низконапорным
циклонам

Гравитационные

пылеуловители
До 100
Не
влияет
Центробежные
пылеуловители
низко-
напорные
100-
300
средне-
напорные
750-
1250
Определяется
диаметром
аппарата и слипае-
мостыо пыли
Не влияет
От 50
до 40
От 40
до 30
От 25
до 8
Достаточно стойки
Незначительная
-
1,0-1,5
2-3
Мокрые
пылеуловители
низко-
напорные
750-
1500
высоко-
напорные
5000-
12 500
Определяется
системой
водоснабжения и
возможными затратами
энергии
Способствует
росту
эффективности
От 5
До2
От 1 до
0,1
При наличии
в газах кислот
требуется
антикоррозионная
защита
Минимальная
2,5-4,0
7-15
Тканевые
фильтры
750-
1500

Определяется
типом

фильтра

(обычно не
более
20г/м3)
Не
влияет
0,1

Электрофильтры
100-400
Z
(предельная^
_ VP d4
12е0£

Способствует росту

эффективности
От 1,0 до
0,25
Стойки при
температуре, повышающей
точку росы
Большая
3,0-7,5
5-15
23*

сов в правильно рассчитанной циклонной установке будет ниже расчетной,
а в некоторых случаях она может снизиться практически до нуля. На
степень очистки отрицательное влияние могут оказывать неправильный
выбор и эксплуатация устройств для удаления шламов и золы.
Другим важнейшим условием осуществления этой стадии является
исключение вторичного загрязнения воздуха и водных объектов
уловленными продуктами. Вторичное загрязнение воздуха может происходить как
при выгрузке, так и при транспортировке уловленного продукта.
Основные виды устройств, применяемых на этой стадии, приведены в
гл.9.
5. Утилизация уловленного продукта. От этой стадии зависит, будет ли
газоочистка комплексным технологическим процессом или в результате
улавливания вредных веществ возникнет новый источник загрязнения
окружающей среды. Причем для охраны окружающей среды, в конечном
счете, не имеет особого значения, где будет использован уловленный продукт —
на этом же предприятии или на предприятиях других отраслей
промышленности, в строительстве или в сельском хозяйстве.
На этой стадии часто возникают непреодолимые трудности. Они
обусловлены следующими факторами:
— эта задача часто выступает как межотраслевая, а в региональном
масштабе отсутствуют межотраслевые связи в отношении возможности
использования отходов;
— для ее решения требуются более высокие капиталовложения;
— сочетание широкой номенклатуры производственных отходов с
небольшим количеством каждого отдельного вида отходов;
— отсутствие площадей на действующих предприятиях;
— недостаточные экономические рычаги для побуждения к
утилизации отходов, фактически по доизвлечению компонентов;
— недостаточный учет отходов на предприятиях.
При разработке вопросов по использованию отходов газоочистных
систем специалисты должны хорошо знать технологические процессы,
реализуемые на родственных предприятиях и предприятиях других отраслей.
Если не удается вернуть уловленный продукт в свой технологический
процесс, необходимо подобрать другой процесс, где этот продукт будет
служить в качестве исходного сырья для получения нового продукта с иными
потребительскими свойствами.
Примером оптимального решения проблемы утилизации
уловленного продукта является система очистки выбросов электролизера,
применяемого в производстве алюминия. В качестве адсорбента при сорбционной
очистке от фтористого водорода используется глинозем, служащий
сырьем для алюминия. После насыщения улавливаемым компонентом
фторированный глинозем отправляется на производство алюминия.
356

Неутилизируемые твердые отходы являются источником загрязнения
почвы и вторичного загрязнения воздуха. Поэтому в соответствии с
санитарными требованиями такие отходы должны собираться на предприятии
и вывозиться в специально отведенные места для захоронения.
Основы разработки технологической схемы. Технологическая схема
отражает взаимосвязь и характер отдельных технологических процессов и
оборудования. Как проектный документ технологическая схема
представляет собой графическое изображение совокупности операций,
составляющих законченный технологический процесс, и сопровождается
описанием и необходимыми расчетами (расчетно-пояснительной запиской).
Технический уровень и качество технологической схемы
определяются детальной проработкой отдельных технологических узлов
предварительно намеченной принципиальной схемы. Технологическим узлом обычно
называют аппарат (сооружение, машину) или их группу, в которых
начинается и полностью заканчивается один из этапных процессов,
необходимых для достижения заданной степени переработки исходного материала,
в том числе для очистки выбросов. Технологическая схема, таким
образом, представляет собой различные взаимосвязанные узлы, включающие:
— транспортные средства (вентиляторы, газодувки, компрессоры,
многочисленные грузоподъемные и транспортирующие машины);
— оборудование для механического разделения, смешения,
усреднения, отстаивания, фильтрования, сортировки и др.;
— оборудование для осуществления физических или
физико-химических методов переработки (сорбции и десорбции, выпаривания,
кристаллизации, ректификации, сушки, экстракции и пр.);
— реакторы разных типов для химической переработки;
— узлы биохимической переработки;
— узлы теплообмена и утилизации тепла;
— узлы термической переработки (печи, аппараты, сооружения для
пиролиза, жидкофазного окисления и др.);
— узлы для создания требуемых параметров работы (узлы вакуумиро-
вания и др.);
— устройства для отбора (отсоса) газов или воздуха;
— средства для подготовки выбросов к очистке;
Непременной частью любого узла технологической схемы являются
обвязочные трубопроводы, арматура, оборудование для контроля и
автоматического регулирования.
Правильная работа каждого технологического узла обеспечивает
необходимую степень надежности всей схемы, что способствует снижению
потерь сырья, материалов, энергии.
Технологическая схема разрабатывается для непрерывного или
периодического процесса. При периодическом процессе осуществляется пуск и
357

установка системы и отдельных узлов, легче достигается переход от
производства одного вида продукции к другому. Для периодического
процесса требуется более простое аппаратурное оформление. При
непрерывном процессе обеспечивается получение более качественной продукции
и образуется сравнительно меньшее количество отходов, снижаются
также потери сырья и материалов. Оборудование для непрерывных
процессов обычно отличается большей производительностью. Кроме того,
непрерывные процессы относительно легко поддаются механизации и
автоматизации. Их применение наиболее рационально в производствах
большой мощности. В ряде случаев в периодическую схему включают
непрерывно работающие технологические узлы (ректификации,
экстракции, сушки и т. д.).
Применение рециклов в реакторных узлах позволяет обеспечить
оптимальные параметры работы аппаратов, наиболее полно обеспечивать
реагенты и энергию, высвобождающуюся в данном технологическом узле, а
также уменьшить прямые вредные выбросы в окружающую среду.
При оформлении схемы производства, наряду с основной
технологической линией, необходимо учитывать технологические потоки воды, пара
и конденсата, газа, сжатого воздуха и т. д.
В технологической схеме должно быть отражено, куда и какими
способами удаляются отходы производства, в том числе сточные воды. Не
следует допускать использование воды питьевого качества для других нужд.
Схема не должна содержать стрелок-указателей выбросов (типа
надписи «в атмосферу») без указания условного обозначения выброса,
квалифицирующего его объем, состав, другие показатели качества по
ГОСТ17.2.1.01-76 «Атмосфера, классификация выбросов по составу».
Аналогичными должны быть требования и к оформлению способа
отведения твердых отходов, которые могут быть отмечены кодом данного
отхода по соответствующему классификатору. Технологические решения и
оформление схемы всего производства должны соответствовать «Системе
стандартов в области охраны природы и улучшения использования
природных ресурсов».
При проектировании систем очистки выбросов следует соблюдать ряд
требований:
— необходимо тщательно продумывать удобства эксплуатации и
ремонта устройств газоочистки (гл. 12);
— пылеуловители могут устанавливаться как на всасывание, так и на
нагнетание, если улавливаемая пыль не обладает абразивными
свойствами и не является взрывоопасной;
— скорость в каналах, подводящих воздух к пылеуловителям, должна
подбираться с учетом справочных данных о скоростях,
рекомендуемых для предупреждения выпадания пыли в воздуховодах (гл. 9);
358

— рекомендуется избегать устройства поворотов и других местных
сопротивлений на участках воздуховодов, по которым воздух
подводится к инерционным пылеуловителям на расстоянии, равном не
менее 10 диаметров воздуховодов. Перед сухими и мокропленочны-
ми циклонами допускаются повороты воздуховодов в направлении
вращения воздуха в циклонах;
— при проектировании систем аспирации взрывоопасной пыли
объемы отсоса воздуха следует принимать достаточно большими, чтобы
избежать образования в пылеуловителях и воздуховодах
взрывоопасных концентраций;
— при проектировании систем аспирации диэлектрической пыли
необходимо особенно тщательно заземлять воздуховоды и
предупреждать возможность оседания и накопления частиц в воздуховодах;
— отвод воздуха от циклонов всех видов допускается производить без
раскручивающих элементов. Целесообразность установки на
выхлопах защитных колпаков следует рассматривать в каждом
отдельном случае;
— выброс очищенного воздуха следует предусматривать на высоте не
менее 1 м над высшей точки кровли здания, удаляя его от приемных
устройств для забора наружного воздуха систем приточной
вентиляции на расстоянии не менее 20 м по горизонтали или на 6 м выше
воздухоприемных устройств при горизонтальном расстоянии
меньше 20 м (за пределами циркуляционных зон);
— выбросы в атмосферу воздуха, содержащего вредные вещества I и II
класса опасности, горючие жидкие аэрозоли, а также дурно
пахнущие вредные вещества следует предусматривать выше уровня
циркуляционных зон, создаваемых зданиями, с помощью высоких труб или
высокоскоростными струями (факельный выброс);
— пыль, осажденная в сухих пылеуловителях, должна собираться в
проектируемых для этого бункерах. Сборные бункеры должны быть
соединены с бункерами пылеуловителей с помощью герметических
соединений и снабжены герметическими пылевыгрузочными
устройствами в виде барабанных лопастных затворов, мигалок и пр. В
случае необходимости должны приниматься меры по
предупреждению зависания пыли в бункерах. Емкость сборных бункеров
должна соответствовать количеству улавливаемой пыли и
установленному режиму их разгрузки. Необходимо предусматривать удобную и
беспыльную разгрузку пыли в транспортную тару и ее
механизированное удаление. Горючие и взрывоопасные пыли необходимо
удалять непрерывно;
— при применении в проектах мокрой очистки воздуха расход воды и
схема водоснабжения скруббера должны быть согласованы с соот-
359

ветствующими территориальными организациями. Использование
водопроводной питьевой воды в газоочистных устройствах
проточного типа (ЦВП, ВТИ-ПСП, СИОТ, КМП) допускается только в
порядке исключения, при наличии обоснования;
— требования к очистке вод сточных проточных скрубберов, в
которых распыление жидкости производится с помощью форсунок,
сопел, отражательных дисков и других элементов, подверженных
износу частицами, взвешенными в воде, определяются в соответствии
с технической документацией на пылеуловители;
— при использовании воздуха, очищенного в мокрых пылеуловителях
для рециркуляции, заполнение пылеуловителей и их системы
оборотного водоснабжения, а также долив для компенсации потерь воды
производятся водой питьевого качества. Эффективность очистки
оборотной воды, подаваемой в пылеуловители, должна быть
достаточно высокой для того, чтобы исключить возможность загнивания
органических примесей и появление в воздухе неприятного запаха.

11. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ
АТМОСФЕРЫ
Правовые отношения в области защиты атмосферного воздуха
регулируются достаточно большим количеством законодательных актов,
среди которых наиболее важными являются:
1. Закон об охране окружающей среды. Головной, базовый закон
природоохранного законодательства РФ. Принят 14 января 2002 г.,
соответствует конституционным основам охраны окружающей среды. В Законе
предусматриваются задачи и система природоохранного законодательства,
принципы охраны окружающей среды, объекты охраны окружающей
среды, управление в области охраны окружающей среды, экологическое
право, экономический механизм охраны окружающей среды, нормирование
в области охраны окружающей среды.
2. Закон об охране атмосферного воздуха. Принят 4 мая 1999 г. Его
задачами являются регулирование общественных отношений в этой области в
целях сохранения в чистоте и улучшения состояния атмосферного воздуха,
предотвращения и снижения вредных химических, физических, биологических
и иных воздействий на атмосферу, вызывающих неблагоприятные
последствия для населения, хозяйства страны, растительного и животного мира, а
также укрепления законности в области охраны атмосферного воздуха.
В Законе даются определения таких понятий, как атмосферный
воздух, вредное вещество, загрязнение атмосферного воздуха, охрана
атмосферного воздуха и др. В частности, под охраной атмосферного воздуха в
Законе понимается система мер, осуществляемых органами
государственной власти РФ, субъектов РФ, органами местного самоуправления,
юридическими и физическими лицами в целях улучшения качества
атмосферного воздуха и предотвращения его вредного воздействия на здоровье
человека и окружающую среду.
В Законе определены основные принципы охраны атмосферного
воздуха:
— установление предельно допустимых воздействий на атмосферный
воздух (гигиенические и экологические нормативы качества
воздуха, вредные физические воздействия, технические нормативы
выбросов и предельно допустимые выбросы);
— регулирование загрязнения стационарными источниками в процессе
осуществления хозяйственной и иной деятельности;
24 - 4543
361

— регулирование выбросов при производстве и эксплуатации
транспортных и иных передвижных средств;
— регулирование выбросов при хранении, захоронении,
обезвреживании и сжигании отходов производства и потребления;
— плата за загрязнение окружающей среды выбросами вредных веществ
в атмосферный воздух и другие виды вредного воздействия на него;
— участие граждан, юридических лиц и общественных объединений в
осуществлении мероприятий по охране атмосферного воздуха.
Основными правовыми средствами охраны атмосферного воздуха
являются нормирование качества атмосферного воздуха, предельно
допустимых воздействий со стороны отдельных источников, регулирование
размещения источников вредных воздействий на атмосферу, экологическая
экспертиза проектов предприятий и иных объектов, эксплуатация
которых сопровождается загрязнением атмосферы, разрешительный порядок
вредных воздействий на состояние атмосферного воздуха. Как видно, все
это имеет целью предупреждение деградации атмосферы под
воздействием человеческой деятельности.
К специфическим требованиям законодательства об охране
атмосферного воздуха относится регулирование воздействия на погоду и климат.
Действия, направленные на искусственные изменения состояния
атмосферы и атмосферных явлений в народнохозяйственных целях, могут
осуществляться только по разрешениям специально уполномоченных на то
государственных органов и лишь при условии, что это не приведет к
неблагоприятному воздействию на погоду и климат. Такие воздействия на
погоду проводятся в сельскохозяйственных и иных общественно
значимых целях — например, для предупреждения выпадения града или дождя
или, наоборот, для стимулирования осадков.
В воздухоохранительном законодательстве регламентируются все виды
деятельности, сопровождаемой вредным воздействием на атмосферу,
включая:
— размещение, проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию
новых и реконструированных предприятий, сооружений и других
объектов, совершенствование существующих и внедрение новых
технологических процессов и оборудования и их эксплуатацию;
— проектирование, производство и эксплуатацию автомобилей,
самолетов, судов, других передвижных средств и установок;
— размещение и развитие городов и других населенных пунктов;
— применение средств защиты растений, стимуляторов их роста,
минеральных удобрений и других препаратов, применение которых
разрешается в народном хозяйстве;
— добычу полезных ископаемых, взрывные работы, размещение и
эксплуатацию терриконов, отвалов и свалок.
362

В законодательстве предусматривается ряд запретительных мер,
связанных с охраной атмосферного воздуха. В частности, запрещается
внедрение новой техники, технологий, материалов, веществ и другой
продукции, а также применение технологического оборудования и других
технических средств, если они не отвечают установленным
законодательством требованиям охраны атмосферного воздуха (ст. 15 Закона об охране
атмосферного воздуха).
На практике такие запреты далеко не всегда соблюдаются. По
имеющимся данным, даже вновь вводимые в эксплуатацию предприятия, как
правило, не обеспечивают соблюдения установленных требований. Они
функционируют на основе временно согласованных выбросов
загрязняющих веществ, т. е. допускается заведомое нарушение нормативов
предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосфере.
В соответствии с законодательством ведется государственный учет
вредных воздействий на атмосферный воздух и их источников, а также
проводится инвентаризация выбросов вредных веществ в атмосферный
воздух, вредных физических воздействий и их источников (ст. 21, 22 Закона
об охране атмосферного воздуха).
В РФ ведется контроль за охраной атмосферного воздуха. Основные
функции контроля возложены на специально уполномоченные органы. На
эти же органы возложена обязанность проведения мониторинга
атмосферного воздуха (ст. 23, 24 Закона об охране атмосферного воздуха).
К специально уполномоченным органам относятся:
Министерство природных ресурсов — орган контроля;
Госкомсанэпиднадзор — орган надзора;
Госкомгидромет — орган наблюдения;
ГИБДД МВД и экологическая милиция — контроль автотранспорта.
Должностные лица специально уполномоченных государственных
органов по охране атмосферного воздуха и его территориальных органов
являются государственными инспекторами по охране природы,
осуществляющими контроль за охраной атмосферного воздуха (ст. 27 Закона об
охране атмосферного воздуха).
В работе инспектора по контролю за соблюдением воздухоохранного
законодательства можно выделить три основных направления:
— работа с документацией и делами предприятий;
— полная проверка воздухоохранной деятельности предприятия;
— оперативные или целевые проверки.
Периодичность полных инспекторских проверок воздухоохранной
деятельности определяется категорией предприятия и зависит от величины
валового выброса загрязняющих веществ в атмосферу, степени влияния
его на состояние загрязнения атмосферного воздуха, состояния
воздухоохранной работы и может осуществляться от 2 раз в год до 1 раза в 5 лет.
24*
363

Работа инспектора по полной проверке предприятия, исключая
подготовительный, делится на следующие основные этапы:
1. Ознакомление с организацией работ по охране атмосферного
воздуха; проверка наличия нормативных и законодательных документов,
приказов по предприятию, плановой и отчетной документации по охране
атмосферного воздуха, проектов на реконструкцию, техперевооружение и
новое строительство; ведение первичного учета и форм статотчетности;
разрешения на выброс загрязняющих веществ в атмосферу и др.
2. Обследование предприятия — проверка состояния воздухоохранной
деятельности непосредственно на производственных площадках —
включает в себя следующие этапы:
1) Ознакомление с технологическими регламентами, особенностями
производства, проверка соблюдения технологических регламентов.
2) Технический осмотр стационарных источников загрязнения
атмосферы:
— неорганизованных источников выбросов;
— организованных источников, не оснащенных установками очистки
газа;
— организованных источников, оснащенных установками очистки
газа;
— установок (аппаратов) очистки газа; — сбор и утилизация
уловленных отходов; — наличие запасных частей, фильтрующих
материалов, комплектующих аспирационных сетей.
3) Проверка работы лаборатории по контролю за выбросами в
атмосферу и результатов контрольных замеров.
4) Ознакомление с расположением и оборудованием мест отбора проб
выбросов.
5) Проверка состояния строительства (реконструкции, техперевоору-
жения) производственных объектов и установок очистки газа в порядке
предупредительного надзора.
6) Проверка автотранспортного подразделения предприятия:
технической оснащенности контрольно-регулировочного пункта; токсичности и
дымности отработанных газов автомобилей инструментальным методом.
7) Подведение итогов проверки:
— составление и оформление акта проверки;
— оформление протоколов на штраф, постановлений на остановку
работы, справок на депремирование и др.
— проведение технического совещания с руководителями и
должностными лицами предприятия по итогам проведенного обследования;
— подписание акта проверки в установленном порядке.
Рекомендуется черновик акта обсудить с администрацией
предприятия с целью исключения неточностей в формулировках и установления
364

реальных сроков выполнения предписаний. Если в ходе обсуждения
возникают разногласия, госинспектор подписывает акт с замечациями (особым
мнением) руководителя предприятия. Замечания рассматриваются
вышестоящим должностным лицом, которое принимает окончательное
решение и направляет для исполнения руководителю предприятия в виде
отдельного письма, являющегося неотъемлемой частью акта.
Акт проверки является юридическим документом, на основании
которого могут быть составлены материалы для передачи дел в прокуратуру,
может приостанавливать деятельность отдельных участков, цехов,
производств. Одновременно акт — это информационная база комитетов по
охране природы для оформления платежей, исков, планирования
приоритетных направлений воздухоохранной деятельности на подконтрольной
территории. Вот почему полнота и достоверность информации,
отраженной в акте, чрезвычайно важна.
В соответствии с законодательством организована система
производственного и общественного экологического контроля за охраной
атмосферного воздуха. Активное участие в мероприятиях по охране
атмосферного воздуха принимает общественность. На государственные органы
возложена обязанность взаимодействовать с общественными
природоохранными организациями при осуществлении контроля за охраной
атмосферного воздуха (ст. 27 Закона об охране атмосферного воздуха).
Юридические лица, имеющие стационарные источники выбросов,
обязаны проведение инвентаризации выбросов и разработку предельно
допустимых выбросов и нормативов вредных воздействий согласовывать с
территориальными органами специально уполномоченного
федерального органа места строительства объектов хозяйственной и иной
деятельности; внедрять малоотходные технологии; осуществлять мероприятия по
предупреждению и устранению аварийных выбросов, а также по
ликвидации последствий его загрязнения; обеспечивать своевременный вывоз
загрязняющих отходов, а также соблюдать иные требования по охране
атмосферного воздуха (ст. 30 «Закона об охране атмосферного воздуха»).
Законом устанавливается ответственность за нарушение
законодательства об охране атмосферного воздуха в соответствии с законодательством
РФ. Различают дисциплинарную, имущественную, административную,
уголовную и гражданско-правовую ответственность.
Субъектом экологического правонарушения могут быть физические,
юридические и должностные лица, в том числе и иностранные
юридические лица и граждане. Состав субъекта зависит от вида экологического
правонарушения (вида ответственности). Субъектами дисциплинарной
ответственности являются должностные лица и работники предприятий,
уголовной — должностные лица и граждане, административной —
юридические лица, должностные лица и граждане.
365

Субъективная сторона экологического правонарушения
характеризуется виной правонарушителя. Существуют две формы вины: умысел
(прямой или косвенный) и неосторожность (самонадеянность и небрежность).
Дисциплинарная ответственность.
Регламентируется Трудовым кодексом РФ (от 30 декабря 2001 г.).
Выражается в наложении администрацией предприятия, организации на
виновного работника дисциплинарного взыскания за невыполнение им его
обязанностей, связанных с ООС.
За совершение дисциплинарного проступка, то есть неисполнение или
ненадлежащее исполнение работником по его вине возложенных на него
трудовых обязанностей, работодатель имеет право применить следующие
дисциплинарные взыскания:
— замечание;
— выговор;
— увольнение.
Уставом и положениями о дисциплине для отдельных категорий
работников могут быть предусмотрены также и другие дисциплинарные
взыскания: перевод на нижеоплачиваемую работу на определенный срок или
понижение в должности. За каждое нарушение налагается только одно
дисциплинарное взыскание. Но наложение дисциплинарного взыскания не
исключает более строгих видов ответственности — административной,
имущественной, уголовной.
Дисциплинарная ответственность наступает за невыполнение
мероприятий по охране воздушного бассейна, за нарушение нормативов качества
воздуха и требований законодательства. В отличие от административной и
уголовной ответственности, законченного перечня дисциплинарных проступков
не существует — их характер и содержание определяются характером и
содержанием производства и должностных обязанностей работника.
Дисциплинарная ответственность в области охраны воздушного
бассейна нередко оказывается более эффективной, чем другие виды
ответственности. Это объясняется сравнительной простотой процедуры
выявления проступка и наложения взыскания.
Дисциплинарное взыскание может быть обжаловано работником в
государственные инспекции труда или органы по рассмотрению
индивидуальных трудовых споров.
Если в течение года со дня применения дисциплинарного взыскания
работник не будет подвергнут новому дисциплинарному взысканию, то
он считается не имеющим дисциплинарного взыскания.
Административная ответственность.
Административным правонарушением признается противоправное,
виновное действие (бездействие) физического или юридического лица, за
366

которое Кодексом Российской Федерации об административных
правонарушениях или законами субъектов Российской Федерации об
административных правонарушениях установлена административная ответственность.
Назначение административного наказания юридическому лицу не
освобождает от административной ответственности за данное
правонарушение виновное физическое лицо, равно как и привлечение к
административной или уголовной ответственности физического лица не освобождает
от административной ответственности заданное правонарушение
юридическое лицо.
Административной ответственности подлежит должностное лицо в
случае совершения им административного правонарушения в связи с
неисполнением либо ненадлежащим исполнением своих служебных обязанностей.
Административное наказание является установленной государством
мерой ответственности за совершение административного
правонарушения и применяется в целях предупреждения совершения новых
правонарушений как самим правонарушителем, так и другими лицами.
Административное наказание не может иметь своей целью унижение
человеческого достоинства физического лица, совершившего
административное правонарушение, или причинение ему физических страданий, а
также нанесение вреда деловой репутации юридического лица.
За совершение административных правонарушений могут
устанавливаться и применяться следующие административные наказания:
— предупреждение;
— административный штраф;
— возмездное изъятие орудия совершения или предмета
административного правонарушения;
— конфискация орудия совершения или предмета
административного правонарушения;
— лишение специального права, предоставленного физическому лицу;
— административный арест;
— административное выдворение за пределы Российской Федерации
иностранного гражданина или лица без гражданства;
— дисквалификация.
В области защиты атмосферного воздуха и охраны окружающей
среды применяется в основном штраф. Размер зависит от характера и вида
совершенного правонарушения, причиненного вреда, а также
компетенций, предоставляемых соответствующему органу. Решение о наложении
взыскания может быть обжаловано в суд. Привлечение к ответственности
в виде штрафа не освобождает виновного от обязанности возмещения
причиненного вреда.
По многим признакам административный проступок внешне схож с
преступлением. Поэтому одно из условий возложения административного
367

взыскания — отсутствие в совершенном нарушении признаков состава
преступления. Признаки различения экологического преступления и
экологического проступка приводятся в УК (повторность, наличие умысла,
величина ущерба).
В Кодексе Российской Федерации об административных
правонарушениях охране атмосферного воздуха посвящены ст.8.21—8.23.
Статья 8.21. Нарушение правил охраны атмосферного воздуха.
1. Выброс вредных веществ в атмосферный воздух или вредное физическое
воздействие на него без специального разрешения — влечет наложение
административного штрафа на граждан в размере от двадцати до двадцати пяти
минимальных размеров оплаты труда; на должностных лиц — от сорока до
пятидесяти минимальных размеров оплаты труда; на юридических лиц — от
четырехсот до пятисот минимальных размеров оплаты труда.
2. Нарушение условий специального разрешения на выброс вредных веществ
в атмосферный воздух или вредное физическое воздействие на него — влечет
наложение административного штрафа на граждан в размере от
пятнадцати до двадцати минимальных размеров оплаты труда; на должностных лиц —
от тридцати до сорока минимальных размеров оплаты труда; на юридических
лиц — от трехсот до четырехсот минимальных размеров оплаты труда.
3. Нарушение правил эксплуатации, неиспользование сооружений,
оборудования или аппаратуры для очистки газов и контроля выбросов вредных
веществ в атмосферный воздух, которые могут привести к его загрязнению,
либо использование неисправных указанных сооружений, оборудования или
аппаратуры — влечет наложение административного штрафа на должност-
ныхлиц в размере от десяти до двадцати минимальных размеров оплаты
труда; на юридических лиц — от ста до двухсот минимальных размеров оплаты
труда.
Статья 8.22. Выпуск в эксплуатацию механических транспортных
средств с превышением нормативов содержания загрязняющих веществ в
выбросах либо нормативов уровня шума.
Допуск к полету воздушного судна, выпуск в плавание морского судна, судна
внутреннего водного плавания или маломерного судна либо выпуск в рейс
автомобиля или другого механического транспортного средства, у которых
содержание загрязняющих веществ в выбросах либо уровень шума,
производимого ими при работе, превышает нормативы, установленные
государственными стандартами Российской Федерации, — влечет наложение
административного штрафа на должностных лиц в размере от пяти до десяти
минимальных размеров оплаты труда.
Статья 8.23. Эксплуатация механических транспортных средств с
превышением нормативов содержания загрязняющих веществ в выбросах либо
нормативов уровня шума. Эксплуатация гражданами воздушных или
морских судов, судов внутреннего водного плавания или маломерных судов либо
368

автомобилей, мотоциклов или других механических транспортных средств, у
которых содержание загрязняющих веществ в выбросах либо уровень шума,
производимого ими при работе, превышает нормативы, установленные
государственными стандартами Российской Федерации, — влечет наложение
административного штрафа в размере от одного до трех минимальных
размеров оплаты труда.
Административной ответственности подлежит лицо, достигшее к
моменту совершения административного правонарушения возраста
шестнадцати лет.
Уголовная ответственность.
Согласно закону об охране окружающей природной среды,
должностные лица и граждане, виновные в совершении экологических
преступлений, т. е. общественно опасных деяний, посягающих на установленный в
РФ экологический правопорядок, экологическую безопасность общества
и причиняющие вред окружающей природной среде и здоровью человека,
несут уголовную ответственность, предусмотренную УК РФ.
В УК РФ (от 1 января 1997 г.) имеется специальная глава (№26) —
«экологические преступления». Кроме этого, другие статьи также могут
относиться к экологическим преступлениям — халатность, злоупотребление
должностными полномочиями, незаконное обращение с
радиоактивными материалами и т. д. Уголовная ответственность за загрязнение
атмосферы предусматривается в статье 251.
Статья 251. Загрязнение атмосферы.
1. Нарушение правил выброса в атмосферу загрязняющих веществ
или нарушение эксплуатации установок, сооружений и иных объектов,
если эти деяния повлекли загрязнение или иное изменение природных
свойств воздуха, — наказывается штрафом в размере от ста до двухсот
минимальных размеров оплаты труда или в размере заработной платы,
или иного дохода осужденного за период от одного до двух месяцев,
либо лишением права занимать определенные должности или
заниматься определенной деятельностью на срок до пяти лет, либо
исправительными работами на срок до одного года, либо арестом на срок до трех
месяцев.
2. Те же деяния, повлекшие причинение вреда здоровью человека, —
наказываются штрафом в размере от двухсот до пятисот минимальных
размеров оплаты труда или в размере заработной платы или иного дохода
осужденного за период от двух до пяти месяцев, либо исправительными
работами на срок от одного года до двух лет, либо лишением свободы на срок
до трех лет.
3. Деяния, предусмотренные частями первой или второй настоящей
статьи, повлекшие по неосторожности смерть человека, — наказываются
лишением свободы на срок от двух до пяти лет.
369

Имущественная ответственность.
Этот вид ответственности предусматривается в ст.42 Конституции РФ:
каждый имеет право на возмещение ущерба, причиненного его здоровью
или имуществу экологическим правонарушением.
Юридические и физические лица, причинившие вред окружающей
атмосферной среде в результате ее загрязнения обязаны возместить его в
полном объеме в соответствии с законодательством.
Вред воздушной среде, причиненный субъектом хозяйственной и иной
деятельности, в том числе на проект которой имеется положительное
заключение государственной экологической экспертизы, подлежит
возмещению заказчиком и (или) субъектом хозяйственной и иной деятельности.
Возмещение вреда, причиненного субъектом хозяйственной и иной
деятельности производится добровольно либо по решению суда или
арбитражного суда, в соответствии с утвержденными таксами и методиками
исчисления размера ущерба, утвержденными органами исполнительной
власти, осуществляющими государственное управление в области охраны
окружающей среды. При отсутствии утвержденных такс и методик
возмещение вреда осуществляется по фактическим затратам на восстановление
нарушенного состояния воздушной среды с учетом понесенных убытков,
в том числе упущенной выгоды.
Причинителями вреда могут признаваться и изыскательские,
проектные, строительные организации, с которых также может производиться
взыскание.
Имущественная ответственность может возлагаться наряду с
применением мер дисциплинарного, административного и уголовного характера.
Гражданско-правовая ответственность.
Возложение на правонарушителя обязанности возместить
потерпевшей стороне имущественный или моральный вред, причиненный в
результате нарушения экологических требований. Может возлагаться наряду с
применением мер дисциплинарного, административного и уголовного
характера. Законодательством предусмотрен судебный и внесудебный
порядок возмещения вреда.
В правовую систему защиты атмосферы входят также указы
президента, постановления правительства, нормативные акты министерств и
ведомств.
Правом издания обязательных нормативных актов обладают
следующие органы природоохранительного профиля: Министерство природных
ресурсов; Госкомсанэпиднадзор РФ; Министерство РФ по делам ГО, ЧС
и ликвидации последствий стихийных бедствий и др.
При разработке и принятии ведомственных актов установлен строгий
порядок. Во-первых, предусмотрена обязательная регистрация этих актов
в Министерстве юстиции, во-вторых, ведомственные акты, касающиеся
370

прав и интересов граждан, организации подлежат обязательной
публикации в газете «Российские вести». Только с момента публикации в газете
акт считается действующим.
Немаловажную роль играют нормативные правила — санитарные,
строительные, технические, технико-экономические, технологические,
организационные и т. д., к которым относятся и нормативы качества
окружающей среды. Они выражают технические правила и не
рассматриваются как источники права. Однако Закон об охране окружающей
природной среды устанавливает юридическую обязанность их исполнения.
Особое место занимают Государственные стандарты — нормативно-
технические документы, устанавливающие комплекс обязательных для
исполнения норм, правил, требований в области охраны окружающей среды
и использовании природных ресурсов. В РФ создана и действует система
стандартов в области охраны природы — ССОП, одной из важнейших
задач которой является ограничение поступления в окружающую
природную среду промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и
бытовых выбросов для снижения содержания загрязняющих веществ в атмосфере
(ГОСТ 17.0.0.01-76).
Обозначение стандартов ССОП состоит из индекса (ГОСТ), номера
системы по классификатору стандартов и технических условий (17),
точки, номера группы (2 для стандартов в области защиты атмосферы),
точки, номера вида (например, 2 — нормы и методы измерений
загрязняющих выбросов и сбросов, интенсивности использования природных
ресурсов), точки, порядкового номера стандарта и отделенных последних
цифр года утверждения и пересмотра стандарта.
Например, ГОСТ 17.2.3.02-78. «Охрана природы. Атмосфера.
Правила установления допустимых выбросов вредных веществ
промышленными предприятиями». Некоторые из ГОСТ ССОП упоминались в
предыдущих разделах пособия.
Нормы экологического права, заложенные в специальных законах, не
всегда способны действовать напрямую в регулировании экологических
вопросов. Поэтому в настоящее время происходит экологизация
нормативно-правовых актов, т. е. внедрение эколого-правовых требований в
содержание, правовую ткань нормативно-правового акта. Например, Закон
о предприятиях и предпринимательской деятельности определяет
ответственность предприятия за ущерб, причиненный нерациональным
использованием природных ресурсов, за нарушение санитарно-гигиенических
норм по защите здоровья.

12. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ГАЗООЧИСТНЫХ УСТАНОВОК
Для того чтобы газоочистные устройства могли выполнять свои
функции, они должны находиться в определенных условиях использования,
обслуживания, ремонта и т. д. Именно это является условием надежной
работы пылеулавливающего оборудования. Следует отметить, что
оборудование для очистки воздуха, как правило, не резервируется.
Поэтому в случае выхода из строя установленного оборудования наступает ряд
неблагоприятных последствий: нарушение нормального режима
воздушной среды в производственных помещениях, увеличение потери ценного
продукта и резкое возрастание степени загрязнения атмосферного
воздуха и прилегающей территории.
Газоочистное оборудование может лишь тогда обеспечить
необходимую эффективность в течение длительного времени, если его
эксплуатируют в соответствии с техническими требованиями. Имеется немало
примеров того, как газоочистные устройства, отвечающие современным
требованиям, смонтированные с соблюдением правил монтажа, вследствие
неудовлетворительной эксплуатации не обеспечивали необходимую
эффективность очистки или даже выходили из строя.
Необходим постоянный уход за газоочистным оборудованием и
обслуживание. Лишь в этом случае можно обеспечивать эффективную очистку
воздуха. Как и для всякого механического оборудования, для
газоочистного оборудования требуется текущий и капитальный ремонт для
поддержания его в работоспособном состоянии.
Организация эксплуатации оборудования для очистки воздуха. Как
правило, эксплуатацией газоочистного оборудования на предприятии
занимаются службы вентиляции. Вентиляционное бюро, находящееся
в подчинении у главного механика, или группа по эксплуатации
вентиляции при отделе главного механика организуется в зависимости от
количества обслуживаемых условных вентиляционных установок,
количества и сложности газоочистного оборудования. На крупных
предприятиях со значительным числом газоочистных установок
целесообразно иметь специальную службу газоочистки. При меньшем
числе установок может быть организован специализированный участок.
Такая специализация позволит улучшить работу оборудования и
повысить эффективность очистки.
372

Разработана методика определения численности обслуживающего
персонала промышленных газоочистных установок (табл. 12.1). В таблице
приведено суммарное время, необходимое для обслуживания условной
единицы аппарата в одну 8-часовую смену. Численность обслуживающего
персонала определяют по суммарному времени, необходимому в течение
одной смены для обслуживания всего оборудования установки
газоочистки. Если численность данного вида оборудования более единицы, вводят
понижающие коэффициенты, так как времени для обслуживания
однотипного оборудования необходимо меньше, чем для обслуживания
отдельных аппаратов.
Таблица 12.1
Время обслуживания условной единицы газоочистного оборудования смену
Аппарат
Циклон одиночный
Циклон групповой (2,4,6,8 элементов)
Секция батарейного циклона
Полый скруббер
Скруббер с насадкой
Турбулентный промыватель, аппарат
с подвижной насадкой, пенный
промыватель
Мокрый электрофильтр (однополь-
ный)
Сухой электрофильтр (однопольный)
Преобразовательная подстанция
(агрегат питания электрофильтров)
Рукавный фильтр (одна секция)
Дымосос
Шнек
Печи дожигания неприятно пахнущих
газов:
каталитические
высокотемпературные
| Ректификационная колонна
Время, чел.-ч/смену
общее
0,62
0,70
0,70
2,0
1,0
1,6
1,1
1,7
0,75
1,1
0,7
0,7
2,6
2,6
2,70
дежурное
0,50
0,55
0,55
1,70
0,80
1,35
0,85
0,90
0,70
0,90
0,5
0,6
2,2
2,2
2,3
ремонтное
0,12
0,15
0,15
0,30
0,2
0,25
0,25
0,80
0,05
0,20
0,2
0,1
0,4
0,4
0,4

Специальность
Рабочий
Электрик
Рабочий
Электрик
Рабочий
Электрик
Рабочий
Разряд
3/4
3/4
3/4
4/3
4/3
4/3
4 3/4
4 3/4
4-5/3
3/4
3/4
3
5/3
4/5
3/4
Примечание. В числителе — разряд дежурного работника, в знаменателе — ремонтного
работника.
373

Персонал, занятый эксплуатацией газоочистных установок, обязан
знать их устройство и правила эксплуатации, знать и выполнять
соответствующие производственные инструкции, обеспечивать соблюдение
оптимальных режимов и установленных параметров работы газоочистных
установок, поддерживать газоочистные установки в исправном
состоянии, исключать случаи травмирования людей и аварийного выхода
оборудования из строя. Персонал, обслуживающий пылеулавливающие
установки, должен систематически контролировать работу их путем
определения основных показателей: количества газа на входе и выходе из
установки, количественного и качественного состава вредных веществ на
входе и выходе из установки, гидравлического сопротивления всей
газопылеулавливающей установки и отдельных ее аппаратов, температуры газа
на входе и выходе из установки, степени очистки газа установкой в целом
и каждым аппаратом в отдельности, других специфических показателей,
характерных для определенных типов газоочистного оборудования.
Результаты определения показателей заносятся в специальный журналы
(приложение 1).
Целесообразно также возложить на этот персонал или на службу
вентиляции систематический контроль за содержанием пыли в
производственных помещениях.
Предприятия обязаны проводить техническое обучение
производственного персонала, занятого эксплуатацией газоочистного оборудования, по
соответствующим программам и в предусмотренные сроки с учетом
особенностей установленного газоочистного оборудования и конкретных
условий его эксплуатации.
Организация обучения персонала, а также проверка его знаний
квалификационными комиссиями должна производиться в соответствии с
порядком, принятым на предприятии.
Каждому работнику, успешно сдавшему экзамен, выдается
удостоверение на право эксплуатации установок газоочистки. Допуск к
самостоятельной работе персонала после соответствующего обучения должен быть
оформлен приказом (распоряжением) по предприятию, цеху или участку.
Периодическая проверка знаний должна проводиться не реже одного раза
в три года. Внеочередная проверка знаний персонала проводится при
изменении условий работы либо в случаях нарушения производственных
инструкций. При перерыве в работе персонала свыше 6 месяцев или
переводе на другую работу он обязан пройти повторное производственное
обучение на рабочем месте.
Дежурный эксплуатационный персонал во время работы несет
ответственность за правильную эксплуатацию, безопасную и безаварийную
работу всего оборудования и сооружений на порученном ему
производственном участке.
374

Газоочистное оборудование должно быть включено в систему
планово-предупредительных ремонтов (ППР), которая предусматривает
межремонтное обслуживание (осмотр установок, устранение мелких
неисправностей, текущую регулировку), проведение профилактических
мероприятий по техническому уходу (периодические чистки, технические
испытания и плановые осмотры) и плановых периодических ремонтов
(малый, средний, капитальный и аварийный ремонт).
Эксплуатация каждого вида оборудования для очистки воздуха имеет свои
характерные особенности, однако можно выделить и общие требования.
Общие правила технической эксплуатации газоочистных установок.
Следует соблюдать установленный для газоочистных установок оптимальный
режим эксплуатации согласно производственным инструкциям и правилам,
которые должны отражать рекомендации научно-исследовательских,
проектных и пуско-наладочных организаций, а также заводов-изготовителей.
При этом имеющиеся газопылеулавливающие установки должны
эксплуатироваться с рабочими показателями, не уступающие проектным.
Основным фактором эффективной работы оборудования считается
предупреждение подсоса наружного воздуха и бесперебойное удаление уловленной пыли.
Обслуживающий персонал в ходе эксплуатации газоочистной
установки систематически должен вести оперативный журнал, в который
заносятся основные показатели, характеризующие работу установки, наблюдаемые
отклонения от установленного режима, обнаруженные неисправности, а
также случаи отключения отдельных агрегатов или вывод из работы всей
газоочистной установки с указанием причин и принятых мер.
Запрещается увеличение производительности технологических
агрегатов, сопровождающееся увеличением отходящих газов или
концентрации в них вредных веществ, без одновременного наращивания мощности
существующих газоочистных установок.
В ходе эксплуатации газоочистных установок, предназначенных для
очистки газов с высоким содержанием горючих (взрывоопасных)
компонентов, следует особо тщательно обеспечивать установленные параметры
давления газа и герметичность сооружений, а также правильную продувку
коммуникаций и аппаратов, во избежание опасности взрыва газа и
пожаров, одновременно предусматривать ограждение источников открытого
огня и соблюдение других специфических требований.
В ходе эксплуатации газоочистных установок, предназначенных для
очистки газов с высоким содержанием токсичных примесей, следует особо
тщательно обеспечивать герметичность сооружений, эффективную
вентиляцию рабочих помещений, лабораторный контроль за уровнем
загрязнения атмосферного воздуха на рабочих местах, применение в необходимых
случаях газозащитных средств, а также соблюдение других специфических
требований.
375

В ходе эксплуатации газоочистных установок, предназначенных для
очистки газов от химически агрессивных или абразивных компонентов,
следует особо тщательно следить за сохранностью примененных
компонентов, защитных покрытий и отсутствием разрушений металла и
оборудования, предупреждая преждевременный выход их из строя.
Газоочистные установки должны быть обеспечены запасными частями
и материалами в количестве, достаточном для их нормальной
эксплуатации и своевременного ремонта, согласно перечню, указанному в паспорте
установки.
Газоочистные установки должны подвергаться техническому осмотру
для оценки их состояния и работоспособности не реже одного раза в три
месяца комиссией, состав которой определяется руководством
предприятия. По результатам осмотра составляется акт и намечаются мероприятия
по устранению обнаруженных недостатков. Акт осмотра прилагается к
паспорту газоочистной установки.
Каждый случай технической неисправности или нарушения режимов
работы газоочистной установки, приведший к снижению эффективности
ее работы, остановке или аварии, должен быть расследован предприятием и
должны быть разработаны мероприятия по приведению газоочистной
установки в исправное состояние и по предупреждению в дальнейшем
подобных случаев.
Отключение газоочистных установок из экономических или других
соображений, не предусмотренных технологическим процессом,
категорически запрещается. Эксплуатация технологического оборудования при
отключенных газоочистных установках запрещается.
Правила технической эксплуатации сухих механической аппаратов
очистки газов. Наибольшее внимание при эксплуатации аппаратов данного
типа уделяют герметичности и своевременному удалению из бункеров
уловленной пыли и ее транспортировки в предназначенные места.
Сухие механические аппараты должны детально осматриваться
(снаружи и внутри) не реже 2 раз в год. При наличии внутри аппарата
конструктивных элементов (батарейные циклоны, жалюзийные пылеуловители)
особое внимание уделяют степени изношенности этих элементов, например,
направляющих лопаток в батарейном циклоне.
Нельзя допускать слеживания и цементации пыли в системах пылена-
копления и пылеуборки, прибегая для этого к предусмотренным методам, в
том числе поддерживая температуру всех узлов установки выше «точки росы»
газа за счет надежной теплоизоляции. Последнее является основным
мероприятиям по предотвращению коррозии.
Учитывая, что наибольшее применение в этой группе находят циклоны
различных типов, целесообразно рассмотреть условия нормальной и
стабильной эксплуатации циклонов. Для этого необходимо соблюдать
следующие условия:
376

— циклоны должны быть точно прикреплены к постаментам или
опорным кронштейнам и установлены в вертикальном положении;
— скорость газа во входных патрубках циклонов для обеспечения
эффективной работы аппаратов должна находиться в оптимальных
пределах;
— с целью предотвращения конденсации влажных газов и
образования отложений пыли внутри циклонов поступающие газы должны
иметь температуру на 20—25 °С выше точки росы, для чего
необходимо применять теплоизоляцию, обогрев или устанавливать аппараты
в обогреваемом помещении. Покрытие стенок аппарата
теплоизоляцией играет и другую роль: предохраняет обслуживающий персонал
от ожогов при случайных прикосновениях;
— величина подсосов воздуха в циклоне не должна превышать 5-8%.
Особое внимание уделяют предотвращению подсоса воздуха через
бункер аппарата. При подсосе воздуха, превышающем 15%,
пылеулавливание в циклоне практически прекращается;
— люки для осмотров циклонов следует устанавливать на выходных
участках при крышке коллектора отходящего газа, но ни в коем
случае не на конусе циклона (во избежание подсоса воздуха);
— для обеспечения наиболее эффективного пылеулавливания режим
должен оставаться стабильным: желательно, чтобы расход газа
изменялся в пределах не более чем на 10—12% от оптимального
значения. При уменьшении расхода снижается скорость газа в рабочей
зоне циклона, что приводит к снижению степени очистки газа в
аппарате;
— периодически и в сроки, устанавливаемые рабочей инструкцией,
удалять пыль из бункеров циклонов. При нерегулярной выгрузке пыли
из бункера происходит их переполнение, которого следует избегать,
так как при этом наблюдается вынос уловленной пыли из бункера.
Периодичность выгрузки устанавливается в зависимости от
конкретных условий производства. Желательно, чтобы циклонные
установки снабжались сигнализатора уровня пыли. При их отсутствии
проверка должна производиться путем легкого обстукивания, т. е.
по звуку;
— систематически следить за исправностью циклонов. Обнаруженные
посторонние предметы, а также неровности, вмятины и «свищи» в
корпусе должны немедленно устраняться;
— при высокоабразивной пыли стенки циклонов нужно защищать от
истирания, покрывая их базальтовыми плитами или другими
материалами. Возможны и другие методы, предотвращающие быстрый
износ стенок аппарата: снижение до минимальных величин
скорости газа через аппарат, предварительное отделение в пылевых каме-
-4543
377

pax наиболее крупных частиц пыли. Допускаемая запыленность газа
зависит от диаметра циклона и для слабослипающихся пылей
может иметь следующие значения:
Диаметр циклона, мм 800 600 500 400 300 200 100
Допускаемая запыленность, г/м3 2500 2000 1500 1200 1000 800 600
При выборе допускаемой запыленности газа нужно учитывать
адгезионные и аутогезионные свойства пыли, т. е. слипаемость ее частиц между
собой и степень прилипания пыли к стенкам пылеулавливающего
аппарата. При этом следует исходить из того, что чем мельче пыль, тем она
легче слипается и прилипает. Для обеспечения надежной работы циклонов
при очистке газа от среднеслипающихся пылей допускаемая запыленность
газа должна быть уменьшена по сравнению со слабослипающимися пы-
лями в 4 раза, а для сильнослипающихся пылей в 8-10 раз.
Требования к эксплуатации аппаратов фильтрации. В период
эксплуатации необходимо в первую очередь контролировать гидравлическое
сопротивление аппаратов фильтрации, которое должно меняться в
установленных пределах при заданной газовой и пылевой нагрузках. Это гарантирует
эффективную работу фильтрующих элементов. Возрастание
гидравлического сопротивления может быть вызвано следующими причинами:
— нарушение проницаемости ткани фильтра в результате конденсации
влаги на поверхности, образования корки;
— установка ткани таким образом, что ворс оказывается обращенным
не навстречу движению очищаемого воздуха;
— неправильная установка рукавов (образование складок при
излишней длине рукава);
— нарушение режима регенерации рукавов вследствие неисправности
или износа элементов встряхивающего механизма;
— увеличение расхода воздуха из-за значительных подсосов воздуха.
Снижение сопротивления происходит в результате разрушения
фильтрующих элементов. Эксплуатация аппаратов фильтрации в этих
условиях недопустима, требуется их отключение и ремонт.
Встряхивающие устройства рукавных фильтров следует осматривать и
проверять не реже одного раза в месяц. Натяжение рукавов должно быть
равномерным, умеренно свободным. Подъем при встряхивании следует
проводить без растяжения рукавов. Нужно постоянно следить за
состоянием встряхивающего механизма, в частности, встряхивающих кулачков.
Из-за их износа уменьшается подъем рукавов при встряхивании и
нарушается процесс регенерации.
Следует отметить, что значительный подсос воздуха во всасывающий
фильтр является одной из основных причин нарушения его работы.
Нормальным считается подсос воздуха в фильтр в пределах до 15% от
расчетного количества. Подсос воздуха извне во всасывающий рукавный фильтр
378

происходит по следующим причинам: негерметичность перекидных
клапанов; неплотность в корпусе фильтра, в частности, в пылесборнике, в
месте присоединения воздуховода; негерметичность в системе отведения
пыли.
Снижение эффективности очистки по сравнению с расчетной может
быть вызвано рядом причин, в том числе: плохое качество или износ
ткани рукавов, неплотное соединение рукавов со штуцерами в днищах
секций фильтра; неплотность в рукавах, в частности, в швах, неправильное
натяжение рукавов; разрегулировка встряхивающего механизма, износ его
отдельных элементов, обычно кулачков, что приводит к нарушению
режима регенерации; перегрузка фильтра вследствие несоответствия
расчетной производительности фильтра действительному количеству
очищаемого воздуха; работа неполным комплектом рукавов.
Требования к эксплуатации аппаратов электрической очистки газов.
Эксплуатация аппаратов электрической очистки газов должна
производиться в строгом соответствии с требованиями «Межотраслевые правила
по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электрических
установок. ПОТ РМ-016-2001».
В первую очередь необходимо контролировать и поддерживать
оптимальную воздушную (газовую) и пылевую нагрузку на аппарат. Это
проверяется возможностью аппарата нести оптимальную электрическую
нагрузку, а также установленное гидравлическое сопротивление аппаратов.
Следует обеспечить установленный электрический режим (величина
тока и напряжения). Должна поддерживаться в определенных пределах
температура очищаемого воздуха (газа). При работе в режиме с
повышенной температурой происходит снижение несущей способности
конструкций, коробление внутреннего оборудования аппарата. Уловленная в
аппарате пыль должна регулярно удаляться.
При эксплуатации мокрых электрофильтров нужно регулярно
промывать активную часть для удаления отложений. Не допускается работа
фильтра без подачи напряжения или при отклонении напряжения от
требуемого по инструкции.
Требования к эксплуатации аппаратов мокрой очистки газов. В период
эксплуатации необходимо поддерживать требуемый воздушный режим
работы аппарата. От этого в значительной мере зависит эффективность
очистки.
Должен обеспечиваться оптимальный водный режим работы аппаратов
мокрой газоочистки, особенно пенных аппаратов и ротоклонов.
Необходимо следить за достаточным орошением газа в турбулентных
газопромывателях, в насадочных скрубберах и других аппаратах, а также обеспечивать
постоянное удаление из них шламовой пульпы и транспортировку ее в
предназначенные места. При обслуживании пенных аппаратов обращают
25*
379

основное внимание на пенообразование и поддержание требуемого слоя
пены (обычно 80-100 мм).
Не допускается скопление шлама в сооружениях или отложений его в
трубопроводах и в оборудование оборотного водоснабжения, для чего
должны быть предусмотрены соответствующие методы и средства.
Необходимо постоянно следить за гидравлическим сопротивлением
аппаратов; повышение гидравлического сопротивления без увеличения
расхода воды говорит о забивании отверстий.
Должна обеспечиваться герметичность аппарата, не допускаются
утечки газа, орошающей жидкости.
Требования к эксплуатации абсорбционных и адсорбционных аппаратов
очистки газов. В период эксплуатации абсорбционных или
адсорбционных аппаратов необходимо следить за герметичностью аппаратов и
коммуникаций, не допуская утечек газа или орошаемой жидкости.
Должны соблюдаться установленный порядок регенерации и
контроля качества поглотителя, а также соблюдаться требования
технологических регламентов по эксплуатации оборудования в целях обеспечения
эффективной и надежной работы аппаратов очистки газов.
Температура газа в адсорбционных аппаратах должна быть в
установленных пределах.
Не допускаются скопления шлама или пыли на рабочих поверхностях
аппарата за счет обеспечения систематического удаления и
транспортировки уловленных продуктов в предусмотренные места.
Требования к эксплуатации аппаратов термической и
термокаталитической очистки газов. В период эксплуатации необходимо соблюдать
«Правила безопасности в газовом хозяйстве», разработанные для установок,
использующих в качестве топлива горючие газы, а также «Правила технической
эксплуатации и требования безопасности труда в газовом хозяйстве РФ».
Должен обеспечиваться установленный режим сжигания примесей,
содержащихся в очищенном газе. Регенерация или замена применяемых
катализаторов должна быть своевременной.
На каждую газоочистную установку предприятием составляется
технический паспорт, в котором указываются основные характеристики и
параметры работы примененного оборудования. Форма паспорта приведена
в приложении 3.
Для установок большой производительности, имеющих важное
значение для работы предприятия и для предотвращения загрязнения
воздушного бассейна, целесообразно составлять инструкцию и журнал по
эксплуатации и журнал плановых осмотров и ремонтов.
Инструкция по эксплуатации содержит указания по режиму работы
установки (пуск, выключение, действия на случай аварии, пожара и т. д.).
В журнал эксплуатации вносят все замечания о работе установки на
380

основании осмотра установки при сдаче—приеме смен и наблюдении за ее
работой в течение дежурства. В журнале указываются также принятые меры
по сделанным замечаниям и распоряжения начальника цеха.
В журнале осмотров и ремонтов отмечаются даты осмотров и ремонтов
установки в соответствии с графиком и произведенные фактически,
указываются продолжительность осмотров и ремонтов, выполненные
работы, наименование и количество замененных деталей.
Безопасность эксплуатации пылеулавливающих устройств. Многие виды
оборудования имеют движущиеся части, механические передачи. При
неправильной эксплуатации эти элементы могут стать источником травм.
Эксплуатация оборудования допускается лишь при наличии ограждений
или кожухов у приводных ремней, соединительных муфт и других
вращающихся частей. Запрещается ремонтировать и обслуживать оборудование,
в том числе проводить его чистку, до полной остановки вращающихся
частей. В местах установки оборудования, где требуется систематическое
обслуживание, нужно устраивать постоянное освещение.
Оборудование, предназначенное для очистки воздуха от пожаро- и
взрывоопасной пыли, должно находиться в производственных и других
помещениях на расстоянии согласно нормам, обеспечивающим безопасность
в случае пожара или взрыва.
Необходимо принимать меры для предупреждения накопления
электростатического электричества. Предусматривается заземление
оборудования и воздуховодов. При установке электрофильтров предусматривают
защитные устройства, а также автоблокировку.
При установке оборудования нужно выдерживать минимальные
расстояния, обеспечивающие нормальную эксплуатацию и безопасность при
обслуживании: между движущимися частями оборудования и стеной — не
менее 0,8 м; между неподвижными частями смежно-расположенного
оборудования — 0,8 м; между стеной и неподвижными частями
оборудования — 0,5 м.
Персонал, занятый ремонтом и обслуживанием пылеулавливающего
оборудования, должен проходить инструктаж по правилам техники
безопасности, без чего не допускается к работе. Инструктаж проводится не реже
одного раза в три месяца.
При ведении работ по ремонту и обслуживанию установок в
действующих цехах персонал должен пройти инструктаж по технике
безопасности и противопожарным правилам для данного цеха.

ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Типовая форма № ПОД-1
наименование источника выделения (группы источников), ед.
Начало источника выбросов Высота Диаметр Длина организ.
неорганиз.
Дата отбора проб (замеров)
Место и точка отбора проб (замеров)
Параметры газовоздушной
смеси на выходе из источника
Температура, С
Давление (разрежение), Па, кгс/м2
Скорость газа, м/сек
Влажность газа абсолютная, г/нм3 сухого газа
Объем газовоздушной смеси, нм3/ч
Наименование вредного вещества
Концентрация вредного вещества, г/нм3
Время работы источника (группы источников) час/сутки
Количество вредных веществ, отходящих от источников
(группы источников) т/сут.
В том числе
поступает на очистку
Из них
уловлено и обезврежено
выброшено в атмосферу
Метод определения
Подпись инженера, лаборанта
382

Типовая форма № ПОД-2
ЖУРНАЛ УЧЕТА
Выполнения мероприятий по охране воздушного бассейна
Начат « » 20 г. Окончен « » 20 г.
Настоящий журнал состоит из листов
Наименование промышленного пр-ва и технологического
оборудования
Наименование мероприятия
Срок выполнения /ввода/ мероприятия
Полный объем затрат/по сметной стонмости/на проведение
мероприятий, тыс.руб.
Источник финансирования
Объем фактически
выполненных работ (по сметной
стоимости)
освоено по сост. на
по кварталам
текущего года
I
II
III
IV
Дата и номер акта приемки в эксплуатацию
Уменьшение выбросов в
атмосферу после
проведения мероприятия,т
по кварталам
текущего года
I
II
III
IV
Всего капитальных вложений
383

Типовая форма № ПОД-3
Газоочистная, пылеулавливающая установки
Тип очистки
Наименование источника выделения, группы источников
Номер источника выбросов
Число, месяц
U
Количество отработанных
часов в сутки
газопылеулавливающей установкой
технологическим оборудованием, связанным с
данной газопылеулавливающей установкой
Время простоя, час/сутки
газопылеулавливающей установки при
работающем технологическом оборудовании
отдельных аппаратов (агрегатов), работающей
газопылеулавливающей установкой
Причины простоя
Подпись

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в
воздухе
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1 16
Наименование
вещества
Азотная кислота
Азот (II) оксид
Азот (IV) оксид
Аммиак
Бенз(а)пирен
Бензин (нефтяной) в пересчете на С
Бензол
Взвешенные вещества —
недифференцированная по составу
пыль (аэрозоль)
Ксилол
Мазутная зола теплоэлектростанций
(в пересчете на ванадий)
Марганец и его соединения (в
пересчете на марганец (IV) оксид)
Мышьяк, неорганические
соединения (в пересчете на мышьяк)
Озон
Пыль неорганическая, содержащая
диоксид кремния, %:
— более 70 (динас и др.)
— 70-20 (шамот, цемент, пыль
цементного производства — глина,
доменный шлак, песок, клинкер,
зола, кремнозем и др.)
— менее 20 (доломит, пыль
цементного производства — известняк,
мел, огарки, боксит и др.)
Пыль хлопковая
Растворитель мебельный (по толуолу)
Формула
HN03
NO
N02
HN4
^20"l2
СЛ
C8Hm
o3
Величина ПДК,
мг/м3

максимальная
разовая
0,4
0,4
0,085
0,2
-
5
0,3
0,5
0,2
-
0,01
-
0,16
0,15
0,3
0,5
0,2
| 0,09

среднесуточная
0,15
0,06 |
0,04 |
0,04
0,1мкг/|
100м3
1,5
0,1
0,15
-
0,002
0,001
0,003
0,03
0,05
0,1
0,15
0,05
| -

Лимитирующий
показатель
вредности*
рефл.-рез.
рефл.
рефл.-рез.
рефл.-рез.
рез.
рефл.-рез.
рез.
рез.
рефл.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рефл.
Класс опасности
2 1
3
2
4 1
1
4
2 |
3
з 1
4
2
2
1
3
3
3
3
3
385

Продолжение прилож. 2
№
п/п
17
18
19
?0
?1
22
23
24
25
26
27
28
29
30
1 31
Наименование
вещества
Ртуть
Свинец и его неорганические
соединения (в пересчете на свинец)
Сера диоксид
Серная кислота
Сероводород
Толуол
Углерод оксид
Углеводороды предельные С,2—С19
(в пересчете на С)
Углерод черный
Угольная зола теплоэлектростанций
(с содержанием оксида кальция
35—40%, дисперсностью до 3 мкм и
ниже, не менее 97%)
Фенол
Формальдегид
Хлор
1 Хром (VI)
Этилен
Формула
Hg
so2
H2S04
H2S
c7hs
CO
с
cflfi
CH20
ci2
1 с2н4
Величина ПДК,
мг/м3

максимальная
разовая
0,001
0,5
0,3
0,008
0,6
5,0
1,0
0,15
0,05
0,01
0,035
0,1
1
1 з,о

среднесуточная
0,0003
0,0003
0,05
0,1
-
-
3,0
-
0,05
0,02
0,003
0,003
0,03
0,0015
1 -

Лимитирующий
показатель
вредности*
рез.
рез.
рефл.-рез.
рефл.-рез.
рефл.
рефл.
рез.
рефл.
рез.
рез.
рефл.-рез.
рефл.-рез.
рефл.-рез.
рез.
рефл.
Класс опасности
1 1
1
з 1
2
2 1
3 |
3 |
4
4
i 2
2
2
2
| 1
1 3
* Рефл. — рефлекторная направленность биологического действия; рез. — резорбтивная
направленность биологического действия.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПАСПОРТ ГАЗООЧИСТНОЙ УСТАНОВКИ
1. Наименование предприятия и его адрес
2. Наименование и назначение газоочистной установки, автор проекта, год ввода в
эксплуатацию
3. Схема газоочистной установки (указывается схематически газоотводящий тракт от
технологического агрегата до места выброса в атмосферу)
4. Эксплуатационные показатели газоочистной установки
Наименование регламентируемых
параметров
1. Производительность по газу
на входе
на выходе
2. Гидравлическое сопротивление
3. Температура очищаемого газа
на входе
на выходе
4. Давление (разрежение) очищаемого газа
на входе
на выходе
5. Влагосодержание газа
6. Концентрация вредных веществ
в очищаемом газе
на входе
на выходе
7. Расход воды (раствора) на орошение
8. Давление воды (раствора)
9. Другие характерные показатели
Единица
измерения
тыс. нм3/ч
Н/м2
°С
Н/м2
г/нм3
г/нм3
м3/час
кг/см2
Показатели работы
Проектная
Фактически
(указать дату
проведения
замеров)
5. Аппараты газоочистной установки
Наименование и тип аппарата
Завод-изготовитель
Дата ввода в эксплуатацию
387

6. Перечень быстроизнашивающихся узлов (деталей)
Аппарат
Наименование
узлов(деталей)
Количество
на один аппарат,
шт.
Фактический срок службы
узлов (деталей)
Обязательный
комплект сменных
частей, узлов и т. д.
7. Сведения о проведенных ремонтах, замене или модернизации отдельных узлов
оборудования газоочистной установки
Дата
Наименование
аппарата,узла
Характер
повреждения
Причина выхода из
строя аппарата, узла
Выполненная работа
8. Перечень чертежей и схем, приложенных к паспорту
Наименование чертежей, схем
№ чертежа, схемы
1. Общий вид газоочистной установки (планы, разрезы)
2. Общий вид аппаратов:
а
б
в
г
3. Принципиальная схема КИП и автоматики
9. Сведения о регистрации газоочистной установки в органах Госинспекции газоочистки
Дата регистрации
Фамилия и подпись
представителя
Госинспекции,печать
Дата снятия с
регистрации
Причина
Фамилия и подпись
представителя
Госннспекцни,печать
Паспорт составлен « »
Главный инженер предприятия
200 г.
(фамилия и подпись)
Лицо, ответственное за работу установки
(фамилия и подпись)

ЛИТЕРАТУРА
1. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений /
Под ред. И.П. Мухленова, О.С. Ковалева. — М.: Химия, 1987. — 208 с.
2. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. —
М.: Металлургия, 1986. — 543 с.
3. Белевицкий A.M. Проектирование газоочистных сооружений. — Л.: Химия,
1990. - 228 с.
4. Бретшнайдер Б., Курфюст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений:
технология и контроль. — Л.: Химия, 1989. — 288 с.
5. Вальдберг А.Ю., Исянов Л.М., Тарат Э.Я. Технология пылеулавливания. —
Л.: Машиностроение, 1985. — 192 с.
6. Вальдберг А.Ю., Мошкын А.А., Каменщиков И.Г. Образование туманов и кап-
леулавливание в системах очистки газов. — М.: Издательский дом «Грааль», —
2003.
7. Вилесов Н.Т.у Костюковская А.А. Очистка выбросных газов. — К.: Техника,
1971.-196 с.
8. Красовицкий Ю.В., Малинов А.В, Дуров В.В. Обеспыливание промышленных
газов в фаянсовом производстве. — М.: Химия, 1994. — 272 с.
9. Кузнецов И.Е. и др. Оборудование для санитарной очистки газов:
Справочник. - К.: Техника, 1989. — 304 с.
10. Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М. Основы экологических знаний
инженера. — М.: Экология, 1996. — 176 с.
11. Мазус М.Г., Мальгин А.Д., Моргулис М.Л. Фильтры для улавливания
промышленных пылей. — М.: Машиностроение, 1985. — 239 с.
12. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987. —
94 с.
13. Мухленков Н.И. Охрана окружающей среды. — М.: Химия, 1990. — 74 с.
14. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2-х т. Т.1. — М.:
Мир, 1993. - 424 с.
15. Оборудование, сооружения, основы проектирования
химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов / Родионов А.И.,
Кузнецов Ю.П., Зенков В.В., Соловьев Г.С. — М.: Химия, 1985. — 352 с.
16. Очистка воздуха. Учебное пособие / Е.А. Штокман. — М.: Издательство
АСВ, 1998. - 320 с.
17. Очистка технологических газов / Под ред. Т.А. Семеновой, И.Я. Лейте-
са. - М.: Химия, 1977. — 488 с.
389

18. Очистка технологических газов в цветной металлургии. / Бородин И.Г.,
Вальдберг А.Ю., Мустафин Г.Ф., Рябчиков С.Я., Цой А.Д. — М.: Металлургия,
1992. - 342 с.
19. Пейсахов И.Л., Лютин Ф.Б. Атлас диаграмм и номограмм по газопылевой
технике. — М.: Металлургия, 1974.
20. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля
загрязнения атмосферы. — Л.: Химия, 1981. — 384 с.
21. Родионов A.M. u др. Техника защиты окружающей среды. — М.: Химия,
1989.-510 с.
22. Справочник по пыле- и золоулавливанию. / Под ред. А.А. Русанова. — М.:
Энергия, 1982.— 296 с.
23. Средства защиты в машиностроении / Под ред. СВ. Белова. — М.:
Машиностроение, 1989.
24. Старк СБ. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. — М.:
Металлургия, 1977. — 328 с.
25. Страус В. Промышленная очистка газов. — М.: Химия, 1981. — 616 с.
26. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. —
М.: Химия, 1975.
27. Ужов В.И. и др. Очистка промышленных газов от пыли. — М.: Химия, 1981.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
1. Причины и последствия загрязнения атмосферы 5
1.1. Атмосфера — основа жизни 5
1.2. Загрязнители атмосферы 18
1.3. Выбросы в атмосферу и их характеристика 38
1.4. Нормативы качества атмосферного воздуха 55
2. Распространение загрязняющих веществ в атмосфере 62
2.1. Перемещение загрязняющих веществ в атмосфере 62
2.2. Превращения загрязняющих веществ в атмосфере 78
3. Основы образования загрязнителей атмосферы 83
4. Физико-химические основы технологии очистки выбросов от загрязнений 93
4.1. Физические принципы, используемые для удаления
твердых и жидких загрязнений 93
4.2. Основные процессы извлечения газообразных примесей 115
5. Техника и технология удаления взвешенных веществ
из атмосферных выбросов 130
5.1. Основные характеристики пылеуловителей 132
5.2. Сухие механические пылеуловители 138
5.3. Фильтры 180
5.4. Мокрые пылеуловители 215
5.5. Электрофильтры 246
5.6. Подготовка выбросов перед очисткой
в пылеулавливающих устройствах 257
6. Техника и технология удаления газообразных
вредных веществ из примесей 266
6.1. Абсорбционная очистка газов 266
6.2. Адсорбционная очистка газов 285
6.3. Каталитическая очистка газов 295
6.4. Термическое обезвреживание газов 305
7. Интенсификация процессов газоочистки 310
8. Технологии очистки радиоактивных газов и аэрозолей 317
9. Вспомогательное оборудование систем очистки выбросов 327
10. Проектирование технологических процессов очистки
промышленных выбросов 351
11. Правовые основы защиты атмосферы 361
12. Техническая эксплуатация газоочистных установок 372
Приложения 382
Литература 389

Учебное издание
Василий Валерьевич Юшин, Валерий Львович Лапин,
Виктор Михайлович Попов, Павел Павлович Кукин, Николай Иванович Сердюк,
Дмитрий Александрович Кривошеий, Николай Лукич Пономарев,
Юрий Петрович Ковалев
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ
Редактор Л.А. Савина
Художник В. В. Жук
Художественный редактор А.Ю. Войткевич
Компьютерная верстка СМ. Хос
Корректор Т. И. Виталева
Лицензия ИД № 06236 от 09.11.01.
Изд. № РЕНТ-209. Подп. в печать 18.10.04.
Формат 60x90У16. Бум. офсетная. Гарнитура «Ньютон». Печать офсетная.
Объем 24,50 усл. печ. л., 26,00 усл. кр.-отт.
Тираж 3000 экз. Зак. № 4543.
ФГУП «Издательство «Высшая школа»,
127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14.
Тел.: (095) 200-04-56
http://www.v-shkola.ru E-mail: info@v-shkola.ru
Отдел реализации: (095) 200-07-69, 200-59-39, факс: (095) 200-03-01.
E-mail: sales@v-shkola.ru
Отпечатано на ФГУП ордена «Знак Почета»
Смоленская областная типография им. В.И. Смирнова.
214000, г. Смоленск, пр-т им. Ю. Гагарина, 2.

УДК 574
ББК 26.23
Т38
Авторы:
В.В. Юшин, В.Л. Лапин, В.М. Попов, П.П. Кукин,
Н.И. Сердюк, Д.А. Кривошеий, Н.Л. Пономарев, Ю.П. Ковалев
Рецензенты:
Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» Московского института стали и
сплавов (технического университета) (зав. кафедрой заслуженный деятель науки РФ,
д-р техн. наук, проф. Б.С. Мастрюков); канд. техн. наук, доцент М.И. Дайнов,
зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» Московского авиационного
института (Государственного технического университета)
Техника и технология защиты воздушной среды: Учеб. пособие для ву-
Т38 зов/ В.В. Юшин, В.М. Попов, П.П. Кукин и др. — М.: Высш. шк.,
2005. - 391 с: ил.
ISBN 5-06-004446-7
Подробно изложены вопросы техники и технологии защиты воздушной среды.
Большое внимание уделено очистке выбросов промышленных предприятий от
аэрозолей, а также от загрязняющих газов и паров. Рассмотрены конструкции
аппаратов и устройств для пылегазовой очистки, представлены методы расчета, даны
рекомендации по использованию аппаратов и устройств на практике.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных
специалистов 656 600 «Защита окружающей среды», слушателей системы повышения
квалификации, работников промышленных предприятий, занимающихся вопросами
охраны окружающей среды, сотрудников природоохранных служб.
УДК 574
ББК 26.23
ISBN 5-06-004446-7 © ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2005
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая
школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия
издательства запрещается.