Методы и оборудование для очистки и обезвреживания выбросов в атмосферу

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методы очистки газов от  загрязнителей    

Гравитационное разделение основано на осаждении твердых или жидких частиц под действием силы тяжести из потока загрязненного воздух вниз по направлению ко дну аппарата. При этом кроме силы тяжести на частицы действует сопротивление газовой среды. Для осаждения необходимо создать соответствующий режим движения загрязненного воздуха в аппарате с учетом размера частиц, их плотности и т.д. С уменьшением размера частиц скорость осаждения резко снижается и возрастает броуновское смещение. Высокодисперсные аэрозольные частицы (размерами менее 0,5 мкм) практически не осаждаются, а благодаря броуновскому движению перемещаются в любом направлении.

Инерционное разделение основано на том, что при криволинейном движении газового потока на твердые или жидкие частицы загрязнителя и на молекулы газа действует сила инерции. Ее нормальная, или центробежная, составляющая заставляет частицы двигаться вдоль главной нормали траектории от центра кривизны. Чем большей массой обладает частица, тем большее она будет испытывать воздействие, заставляющее ее стремиться сохранить первоначальное направление движения и осесть на стенках, перегородках, сетках и других элементах аппарата.

Центробежное разделение является частным случаем инерционного разделения, реализуемого при круговом движении газового потока. Под действием возникающих центробежных сил частицы загрязнителя отбрасываются на периферию аппарата и там осаждаются.

Механическое разделение (фильтрация). При прохождении загрязненного газа сквозь пористую среду взвешенные твердые или жидкие частицы задерживаются в узких извилистых каналах и порах фильтровального материала, пропускающего газ. Выбор пористой перегородки обусловлен рядом факторов, из которых основными являются: химические свойства фильтруемого газа, его температура, гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки и размеры взвешенных в газе частиц.

Электрическое разделение (осаждение в электрическом поле) взвешенных частиц и газов заключается в ионизации газа под действием коронного разряда в поле высокого напряжения (до 80 кВ), заряжении образующимися ионами частиц загрязнителя, движении заряженных частиц в электрическом поле к осадительному электроду и осаждении их на нем.

Адгезионное разделение основано на прилипании жидких или твердых частиц загрязнителя к жидкой или твердой поверхности при их контакте за счет сил межмолекулярного притяжения. Следствием адгезии жидкости к определенной поверхности является смачивание. Адгезия наиболее применима при очистке газовых выбросов от пыли (адгезия между твердыми частицами и жидкостью, главным образом, водой) и от спреев (адгезия между частицами жидкости и твердой поверхностью элементов аппарата).Контакт частиц с поверхностью осуществляется как посредством их инерционного осаждения (для частиц более 0,2мкм), так и под действием броуновского движения (для частиц менее 0,1 мкм).

Адсорбционное разделение применяется при очистки гомогенных газовых смесей и происходит за счет преимущественного концентрирования молекул газа на поверхности твердого (или жидкого) тела (адсорбента). Явление адсорбции связано с тем, что силы межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз не скомпенсированы и, следовательно, пограничный слой обладает избытком энергии – свободной поверхностной энергией, которая уменьшается в результате притяжения поверхностью раздела фаз находящихся вблизи нее молекул адсорбата, т.е. процессы адсорбции энергетически выгодны. В чистом виде адсорбция применяется для разделения газовых смесей на твердом адсорбенте. На жидкой поверхности адсорбция газов является составной частью процесса абсорбционного разделения газовых смесей.

Абсорбционное разделение   применяется для очистки гомогенных газовых смесей и происходит за счет поглощения вещества из газовой смеси жидкостями или (реже) твердыми телами (абсорбентами). При абсорбции поглощение происходит во всем объеме абсорбента (при адсорбции – поглощение поверхностью). Абсорбция определяется процессами адсорбции, растворимостью абсорбируемого вещества в абсорбенте и диффузией в нем. Скорость абсорбции тем больше, чем выше парциальное давление поглощаемого вещества в газовой смеси и чем ниже температура абсорбента. Если при абсорбции происходит химическое взаимодействие поглощаемого вещества с абсорбентом, то процесс относят к хемосорбции.

Термические методы обезвреживания  газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший метод – прямое (факельное) сжигание – возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса – 750 - 900ºС. Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, то необходимое количество теплоты подводят извне добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу.

Конденсационное разделение применяется для очистки гомогенных газовых смесей и происходит за счет перехода загрязнителя из газообразного состояния в жидкое или твердое вследствие его охлаждения (реже – сжатия). Конденсация пара возможна только при температурах ниже критической для данного вещества и обычно осуществляется на охлаждаемых поверхностях. В присутствии неконденсирующихся газов конденсация начинается при достижении паром у поверхности охлаждения парциального давления и температуры, соответствующих состоянию насыщения (точке росы). Известны два режима поверхностной конденсации: пленочный  (реализуется на смачиваемой поверхности) и капельный (наблюдается на несмачиваемой поверхности). Конденсация может происходить также внутри объема парогазовой смеси. Для начала объемной конденсации пар должен быть заметно перенасыщен. Конденсация зависит от содержания в газе мельчайших пылинок (аэрозолей), которые являются готовыми центрами конденсации. Центрами конденсации могут служить также электрически заряженные частицы, в частности ионизированные атомы.

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т.е. примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения (присутствие которых допустимо в выхлопном газе) либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Для многих химических реакций активированный уголь и цеолиты – активные катализаторы. В этом случае очистку газов на адсорбентах – катализаторах называют адсорбционно – каталитической.(2)

Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы. Гравитационное, инерционное и механическое разделение гетерогенных газовых смесей  дополняют вспомогательными процессами, приводящими к укрупнению, коагуляции частиц в результате большой турбулизации газового потока, конденсации на пылинках какой – либо жидкости или под действием высокоинтенсивных звуковых колебаний. Для повышения эффективности инерционного и механического разделения гетерогенных газовых смесей дополнительно используют адгезионные процессы (так называемые «мокрые» циклоны, «мокрые» фильтры ит.п.), способствующие выведению из зоны разделения частиц загрязнителя, уже выделенных из газового потока. Эффективность адгезионного, абсорбционного и адсорбционного разделения возрастает с применением различных вспомогательных мероприятий, способствующих возникновению контакта между фазами и приводящих к повышению его площади (введение насадок, пенообразование, барботаж, диспергирование жидкости скоростным газовым потоком и т.п.).

 На  основании изложенного предлагается  классификация методов и наиболее  распространенных названий аппаратов  для очистки газовых смесей, представленная  на рисунке 1. За редким исключением  названия аппаратов для очистки  выбросов не позволяют не только  определить заложенный в основу  их действия главенствующий метод  разделения газовых смесей, но  и понять конструктивные особенности  аппаратов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Оборудование для очистки газов

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

Инерционные пылеуловители. При резком изменении направления движения газового потока частицы пыли под воздействием инерционной силы будут стремиться двигаться в прежнем направлении и после поворота потока газов впадают в бункер. На этом принципе работает ряд инерционных пылеуловителей. Эффективность этих аппаратов небольшая. Пример инерционных пылеуловителей на рис.1.

 

Рис.1 Инерционные пылеуловители:

 а  – с перегородкой; б – с  плавным поворотом газового потока; в – с расширяющимся конусом; г – с боковым подводом газа.

 

Жалюзийные аппараты. Эти аппараты имеют жалюзийную решетку, состоящую из рядов пластин или колец. Очищаемый газ, проходя через решетку, делает резкие повороты. Пылевые частицы вследствие инерции стремятся сохранить первоначальное направление, что приводит к отделению крупных частиц из газового потока, тому же способствуют их удары о наклонные плоскости решетки, от которых они отражаются и отскакивают в сторону от щелей между лопастями жалюзи.(рис.2) В результате газы делятся на два потока.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Жалюзийный пылеуловитель (1 – корпус; 2 – решетка)

Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности.  Основные конструкции циклонов показаны на рис.3  

Рис.3 Основные виды циклонов (по подводу газов):

а – спиральный; б – тангенциальный; в – винтообразный; г,д – осевые.

 

По способу подвода газов в аппарат их подразделяют на циклоны со спиральным, тангенциальным и винтообразным, а также осевым подводом. Газ вращается внутри циклона, двигаясь сверху вниз, а затем движется вверх. Частицы пыли отбрасываются центробежной силой к стенке. Обычно в циклонах центробежное ускорение в несколько сот, а то и тысячу раз больше ускорения силы тяжести, поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за газом. А под влиянием центробежной силы движутся к стенке.

При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки. К достоинствам циклонов можно отнести следующее: 1) надежность работы при температурах газов вплоть до 500ºС (для работы при более высоких температурах циклоны изготавливают из специальных материалов); 2) возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;3) улавливание пыли в сухом виде и т.д.

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую перегородку, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы: гибкие пористые перегородки – тканевые материалы из  природных, синтетических или минеральных волокон; нетканые волокнистые материалы, ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры); полужесткие пористые перегородки – слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними; жесткие пористые перегородки – зернистые материалы (пористая керамика или пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.); волокнистые материалы (сформированные слои из стеклянных и металлических волокон); металлические сетки и перфорированные листы.

В электрофильтрах очистка газов от пыли происходит под действием электрических сил. В процессе ионизации молекул газов электрическим разрядом происходит заряд содержащихся в них частиц (коронирующий электрод). Ионы абсорбируются на поверхности пылинок, а затем под действием электрического поля они перемещаются  и осаждаются к осадительным электродам. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: воздействием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффузией ионов. Первый механизм преобладает при размерах частиц более 0,5 мкм, второй – менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром  0,2 – 0,5 мкм эффективны оба механизма.

Мокрые пылеуловители  имеют ряд достоинств и недостатков в сравнении с аппаратами других типов. Достоинства:

▪ более высокая эффективность улавливания взвешенных частиц;

▪ возможность использования для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;

▪ возможность очистки газа при высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгораний и взрывов очищенных газов и уловленной пыли;

▪ возможность наряду с пылями одновременно улавливать парообразные и газообразные компоненты.

Недостатки: ▪  выделение уловленной пыли в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод;

▪ возможность уноса капель жидкости и осаждения их с пылью в газоходах и дымососах;

▪ В случае очистки агрессивных газов необходимость защищать аппаратуру и коммуникации антикоррозионными материалами.