CC BY
36
ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 628. 511
Гейзер А. А., Шоботов В. М
АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛЕВЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИХ УЛАВЛИВАНИЯ В ОЧИСТНЫХ УСТАНОВКАХ
Техника сокращения вредных выбросов и их улавливание в газоочистных сооружениях значительно отстает от современного уровня и масштабов промышленного производства Это отставаниие, прежде всего, определяется не повсеместным оборудованием газоочистками вредных производств и отсутствием универсальных установок по очистке промышленных газов от вредных технологических выбросов с различными физическими и химическими свойствами.
Проблема защиты атмосферы от загрязнения технологическими выбросами требует вложения значительных средств, усовершенствования технологических процессов, а также проведения комплекса научно-конструкторских работ.
Эффективность ОЧИСТКИ промышленных газов ОТ вредных примесей в прямой зависимости находится от знания и учета физических и физико-химических свойств взвешенных в промышленных газах частиц - аэрозолей. Аэрозоль - это дисперсная система, в которой дисперсная среда - газ (воздух), а дисперсная фаза - взвешенные в ней твердые вещества или жидкость [1].
В основу классификации аэрозолей положены природа и способ образования дисперсной фазы. По этим признакам аэрозоли можно разделить на пыли, дымы и туманы [1). Пыли состоят из твердых частиц диспиргированных в газообразной среде в результате механического измельчения твердых тел, или под действием аэродинамических сил на порошкообразные материалы. В большинстве случаев пыли - весьма полидисперсные малоустойчивые системы.
К дымам причисляют весьма разнообразную группу аэродисперсных систем, состоящих из частиц с малой упругостью пара и с малой скоростью седиментации (скоростью витания) под действием силы тяжести. В настоящее время к дымам относят не только аэрозоли, образующиеся при горении и деструктивной перегонке, но и в результате химических и фотохимических реакций.
Туманы состоят из капель жидкости, образующихся при кондесации пара или распыления жидкости. При этом в капельках могут содержаться растворенные вещества или суспендированные твердые частицы. Туманы, в особенности природные, состоят из сравнительно крупных капелек диаметром до 10 мкм, и выше [1].
Газы, содержащие ионы и ядра, обладающие нередко размерами молекулярных агрегатов, также нужно отнести к аэродисперсным системам. Их можно назвать ионными и ядерными аэрозолями. Они содержат центры конденсации, на которых происходит образование видимых аэрозолей [1].
Одной из задач исследования пылей, дымов и туманов является выяснение свойств отдельных частиц, другой задачей - изучение свойств аэрозолей как систем [1].
Исследование свойств индивидуальных частиц дало много ценных данных, особенно для понимания процессов образования аэрозолей, их движения, диффузии, оптических и
электрических свойств. Однако, нередко аэрозоли приходится рассматривать как системы, аналогичные газам, особенно при изучении атмосферных аэрозолей и турбулентной диффузии аэрозолей [2].
Аэрозоли - неустойчивы. Происходящие в них изменения вызываются рядом причин. Частицы могут исчезать из аэрозоля благодаря витации или диффузии к стенкам сосуда, или благодаря испарению, пока не будет достигнуто равновесие между капельками и окружающей средой. Броуновское движение и столкновения между частицами, обусловленное различной скоростью витания, приводят к образованию агрегатов или более крупных капель, выпадающих из аэрозоля [2].
Заряды на аэрозольных частицах изменяют свойства и устойчивость аэрозолей [9]. В настоящее время на практике а основном используются три принципа зарядки частиц:
-зарядка путем осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего частицу;
-зарядка путем электростатической индукции, т.е. разделения зарядов в электрическом поле;
-зарядка путем механической, химической и тепловой электризации [4]. Улавливание аэрозолей, образующихся во многих промышленных процессах, необходимо как для извлечения из них ценных веществ, которые могут содержаться и в дисперсной фазе, и в газообразной среде, так и для устранения загрязнения окружающей местности и вреда, наносимого аэрозолями здоровью людей [3].
Помимо микробиологических аэрозолей опасность для здоровья могут представлять и другие аэродисперсные системы, которые по характеру их воздействия на организм могут быть разделены на две большие группы. К первой относятся аэрозоли из ядовитых веществ, опасных для организма в целом, а ко второй - аэрозоли, вредно действующие на органы дыхания. Вредность аэрозолей, например, свинцовой пыли, определяется их высокой токсичностью. При вдыхании пылей, относящихся ко второй группе, может развиваться ряд заболеваний, известных под названием пневмокониозов [5].
Потенциально опасные для органов дыхания пыли выделяются в самых различных производствах. Например, миниральные пыли, образующиеся при шлифовке в литейных цехах, в керамическом производстве, изготовлении силикатного и огнеупорного кирпича, обработке асбеста, в каменоломнях и, особенно, при добыче угля и золота. Они приводят к заболеваниям известным под назвавшем "силикоз", "асбестоз" и другие [5].
С начала добычи, производства и использования радиоактивных веществ появилась опасность их воздействия на организм человека Степень воздействия их зависит от вида излучения, размера, формы, плотности частиц, их количества в атмосфере или на поверхности земли.
В условиях дальнейшего развития научно-гехнического прогресса постоянно возрастает объем сырьевых ресурсов и полезных ископаемых, используемых в промышленном производстве, следовательно, возрастает количество промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду. За год в биосферу выбрасывается 142,8 -1015 кДж тепловой энергии, 1
млрд.т. продуктов неполного сгорания, что привело к так называемому "тепловому загрязнению планеты" [10]. И в этом отношении наиболее типичным является Донецкий регион. Донецкая область - регион с высокой концентрацией промышленного производства и угледобывающей промышленности. Область добывает 40% угля Украины, производит до 50% металла, 25% цемента, значительная доля области - в производстве изделий химической индустрии. Такая индустриальная концетрация породила серьезные экологические проблемы. Например, на каждый квадратный километр в год выпадает 115 тонн вредных веществ, на
каждого жителя области приходится в год 2,3 тонны этих веществ [8]. Возглавляет список наиболее загрязненных городов - Мариуполь. Так, по результатам анализа проб грунта, проведенного "Азовгео" обнаружено повсеместное (особенно вблизи предприятий) по концентрации: свинца (до 30 раз превышения ПДК), цинка (до 60 раз), марганца (33 раз), никеля и меди (до 20 раз).
В целях повышения качества очистки промышленных газов с учетом их опасности для окружающей среды, поиска наиболее эффективных способов очистки или оптимального их сочетания, рассмотрим удельную запыленность отходящих газов, химический состав пыля и степень ее диспергирования в различных отраслях промышленности.
По данным Главной геофизической обсерватории нм. Воейкова [3] доля предприятий черной металлургии в общем количестве выбросов промышленности и транспорта составляет по пыли - 20%. Ниже дано распределение основных выбросов по цехам металлургического завода, в %:
) Агломерационная фабрика - 34,3 -Коксохимический цех - 1,1 Доменный цех 1,7 Конверторный цех 8,3 Мартеновский цех -4,0 Энергетические установки -36,9 Цехи огнеупоров 2,7 Прочие 11 ,
В таблице 1 приведены характеристики пылевых выделений в технологических газах металлургического производства [3].
Таблица 1 - Характеристика пылевых выделений металлургического производства
Вид производства Запыленность отходящих газов, г/м3 Химический состав пыли, % (по массе) Размер частиц . (мкм), % содержание
Агломерационная фабрика 10-18 40 - 50 Ре и его окислы, 9-15 БЮг, 7-12 СаО, 6-8 С, 1-1,5 МвО, 2-8 глинозема 0-5 (11%), 5-10 (7,3%), 10-20(8,4%), 20-30(9%), 30-40(64%)
Коксохимический цех 20-30 3-10 Смолы Угодная пыль
Доменный цех * — 50 - 100 20-30 Бе и его окнслы, 14-158Ю2, 4-5А1203,4-5 МёО, 11-12 СаО, 1-2 8, 3-4 МпО От <0,06 (76%) До >0,5 (0,1%)
Конверторный цех 130-150 60-70 Ре и его окислы, 5-17 известь, 1-30 0-3(60%), 3-60(15%), 60-250(15%), > 250(10%)
Мартеновский цех 15-25 86,4 РегОз, 9,3 А120з, 1,65 СаО, 0,9 МйО От< 1(43%) , До> 9-10 (1%)
Котельные агрегаты ТЭЦ металлургического завода 20- 1400 (в зависимости от сорта угля и мощности) Алюмосиликат, окислы железа, окислы кальция, окйслы магния 0-10(32%) 10-50 (50%) 50-100 (18%Г~
Из этой таблицы следует, что наибольшее количество выбросов приходится на долю агломерационной фабрики и ТЭЦ. Значительное количество пь шевь щелений конверторного и мартеновского цехов составляет трудноулавливаемая мелкодисперсная пыль [3].
В таблице 2 приведена характеристика пылевых вь щелений в технологических газах цветной металлургии Из этой таблицы следует, что химический состав пылевых вь щелений содержит общеядовитые вещества, образующиеся в технологическом процессе путем прямой конденсации, поэтому они высоко дисперсны (частицы размером в десятые и сотые доли микрона). Некоторые из них обладают низким удельным электрическим сопротивлением (до 102 Омм), другие - высоким электрическим удельным сопротивлением (более 10* Омм) Г Те и другие относятся к трудноулавляваемь 1м аэрозолям и требуют разработки новых способов очистки [5]
Таблица 2- Характеристика пылевых вь щелений в технологических тазах цветной металлургии [51
Вид производства Запыленность отходящих газов, г/м3 Химический состав пыли, % (по массе) Размер частиц (мкм), % содержание
Производство свинца 70-100 45-50 РЬ, 6-8 S, 2,8-3,2 Zn, 0,7-0,8 Си, 0,1-0,15 As 0,5-1(100%)
Производство донка 100-110 60-70 Zn, 5-15 Pb, 0,5-1,0 Gd, 0,2-0,4 Си 0,5-1 (100%)
Производство меди 40-800 12-15 Си, 6-ЮРЪ, 8-20 Zn, 12 S, 2-15 As 0,6-10(100%)
Производство никеля 50-60 70-80 Ni 1-5(100%)
Производство олова 7-8 14,8-24,8 Sn, 18-33SnCl2, 4,6-6,5 As 0,7-1,8 (100%)
Производство сурьмы 10-20 65-70 Sb, 0,1-0,2 Zn, 0,1-0,12 Sn, 0,9-9,4 As, 1,55-2,0 S, 0,02-0,07Gd 0,75-1 (100%)
Производство ртути 50-70 8-10 Hg, 50 Si 02, 20-30 А120з 0-5 (14,6%), 5-10 (18,3), 10-20 (25,2) 20-50 (34)
Производство алюминия 0,2-1,2 10-25 A1203, 15 A1F3, 10-15 NaF, 3 FeA 0-2 (20), 2-5 (25), 5-10(20), 10-20 (35)
Производство силуминов 0,5-2,5 10-30 A1203, 10-15 Si02 0-2 (58%), 2-5 (20), 5-10(22)
Производство редких и рассеянных металлов СП, Та, Не, Бе) 10-100 TiCl2, TiCU, R2O7, Se02, Se 0-1 (100%)
В таблице 3 приводится характеристика пылевых выделений в технологических газах химической промышленности и промышленности строительных материалов. Из этой таблицы следует, что химический состав пылевых выделений содержит канцерогенные, общеядовитые и аэрозоли, вредно действующие на органы дыхания, с большим диапазоном диспергирования (от 0,01 до 40 мкм), с малым и высоким удельными электрическими сопротивлениями [6].
Анализируя и обобщая характер пылевыделений, приведенный в таблицах 1 - 3, и учитывая результаты и последствия воздействия промышленного загрязнения на окружающую среду можно утверждать, что проблема повышения эффективности пылеулавливания является назревшей.
Повышение эффективности пылеулавливания достигается различными способами [6]. Во-первых, интенсивность разделения достигается применением комбинированных (многоступенчатых) схем газоочистки; во-вторых, использованием высокоскоростных аппаратов, работающих в различных гидродинамических режимах; в-третьих, использованием физико-химических методов обработки пылегазовых потоков (таких как агрегирование, применение поверхностно-активных веществ, изменение смачиваемости стенок аппарата и т.п.).
Кроме того, важнейшим путем интенсификации процессов разделения неоднородных систем является разработка и углубление отдельных аспектов теории
Таблица 3 - Характеристика пылевых выделений в технологических газах в химической промышленности и производстве строительных материалов [6]
Вид производства Запыленность Химический состав Размер частиц
отходящих газов, г/м3 пыли, % (по массе) (мкм), % содержание
Производство сажи 120-140 Сажа ( С ) 0,01-55(100%)
Производство 50-250 АвгОз (60-80 мг/м3), 0-4(13)
серной кислоты БеОг (10-15 мг/м3), 4-8(3)
Н28о4 (35-80 мг/м3) 8-16(16)
БегОз - 10, Рев - 30-40 16-32 (68)
Производство 20-50 БЮг- 40-60, БЮ- 4, С-3, 0-5 (100%)
ферросплавов РеО- 2-10, МеО- 6-7
Производство 200-250 В зависимости от 0-5(15,5), 5-10(11,5),
минеральных химического состава 10-20(15),
удобрений- удобрения 20-30(11-15)
Производство 35-65 Известняк 0-20(44), >20(54)
цемента 10-60 Шлак 0-20(34), >20(66)
10-45 Трепел 0-20(45), >20(55)
20-40 Опоки 0-20(45), >20(55)
20-60 Уголь 0-20(73), >20(27)
Производство 30-50 СаО, МёО, 0-10 (30), 10-20 (35),
алебастра'и гипса к >20(35)
осаждения. Так, недостаточно изучены взаимодействие электрических зарядов в пылегазовых системах различной концентрации при различном распределении частиц по размерам, а также аэродинамика неоднородных систем в пространстве между электродами в неоднородном
электрическом поле (в частности обуславливающие вторичный унос пыли, "электрический ветер").
Проблемы интенсификации газоочистки можно разделить на две большие группы: первая - по типовым способам; вторая - по их аппаратному оформлению. В первой группе вопросов следует выделить наиболее общие: 1. Необходимость разработки единого критерия оценки загрязнения биосферы вениляционными выбросами и сточными водами; 2. Переход к безотходной технологии в наиболее крупнотоннажной химической технологии; 3. Переход к высокоэффективным схемам газоочистки с низкими энергоемкостью и металлоемкостью; 4. Методы регенерации в схемах с применением фильтровальных перегородок.
Во второй группе вопросов можно выделить: 1. Необходимость разработки рукавных фильтров на большие объемы газов; 2. Создание конструкций малогабаритных эффективных фильтров для разделения пылегазовых потоков с большими скоростями; 3, Борьбу с заростанием аппаратуры осаждающимися частицами [6].
Состав и размеры частиц пылевых выделений, преведенных в таблицах- 3 показывает, что, в основном, это высокодиспергированные вещества с малым и высоким удельными электрическими сопротивлениями, которые относятся к трудноулавливаемым аэрозолям, в том числе, и в электрофильтрах.
Предложенный в статье Гейзера А.А. и Шоботова В.М. [7] метод очистки газов позволяет, используя скрещенные электромагнитные поля в осадительной камере пылеуловителя, устранить недостатки в работе электрофильтров, с сохранением их достоинств по улавливанию твердых частиц с удельными электрическими сопротивлениями до 102 Ом.м и более 108 Ом.м. Кроме того может быть решен вопрос поддержания осадительных электродов в рабочем состоянии, при этом исключается необходимость во встряхивающих устройствах, что является одним из методов повышения эффективности пылеулавливания.
Перечень ссылок
1. ГринX, В. Лейн. Аэрозоль- пыли, дымы, туманы. - Л.: Химия. 1969,- 420 с.
2. Фукс Н. Н. Механика аэрозолей, - М.: Издательство АН СССР. 1955,- 352 с.
Ъ.СтаркС. Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии,-М: Металлургия, 1977.-328 с.
4. Ужов В. Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами - М: Химия, 1967. - 340 с.
5. Гордон Г. М., Пейс ахов И. Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии,- М.: Металлургия, 1977,- 454 с.
6. Лукин В. Д., Курочкина М. И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности.- Л: Химия. 1987,- 229 с.
7. Гейзер А. А., Шаботов В. М. Преимущества и недостатки очистки промышленных газов в электрофильтрах и ее совершенствование с использованием скрещенных электромагнитных полей. //Вестник Приазовского государственного технического университета: сборник научных трудов,- Вып. 2,- Мариуполь, 1996,- С. 196 - 200.
8. Очистка годного и воздушного бассейнов на предприятиях черной металлургии. Тематический отраслевой сборник №1. - М.: Металлургия. 1972. -187 с.
9. Основы элекгрогазодинамики дисперсных систем. / Верещагин И. П., Левитов В. И., Мирзобекян Г. 3., ПашинМ. И. - М.: Энергия, 1974,- 479 с.
10. Охрана природы. Справочник. Под редакцией Митрошкина К. П.- М: Агропромиздат, 1987,-270 с.
