Защита природы. новые решения

ЗАЩИТА ПРИРОДЫ. НОВЫЕ РЕШЕНИЯ
Евгений Степанов

Развитие индустриальной цивилизации, с одной стороны, породило общество безответственных потребителей, а с другой стороны, - экстенсивный рост промышленных и бытовых отходов. Пройдя беззаботно-хищнический начальный период бесконтрольного сброса отходов в окружающую среду, дальнейшую разработку и переработку полезных ископаемых, развитие транспорта, электростанций и новых технологий, человечество, чтобы не деградировать, вынуждено вести все технологические процессы в комплексе с очисткой промышленных выбросов.  Это касается и твёрдых, и жидких, и газообразных отходов производства.
Здесь анализируется лишь узкая часть всего этого спектра – очистка газов от пыли и жидкости. Данная задача достаточно серьёзно решается в таких странах как Канада, США, Великобритания, Германия, Япония, Австралия. И дело не в том, что промышленники вдруг осознали необходимость очистки промышленных выбросов своих предприятий, а в том, что государства вынуждены ввести нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) этих выбросов, в частности, в атмосферу. Их превышение ныне влечёт громадные штрафы. Вот почему десятки крупных корпораций заняты разработкой, изготовлением и монтажом пылеулавливающих устройств (ПУУ), востребованных различными производствами. И надо сказать их приобретение, монтаж и обслуживание – весьма дорогое удовольствие, значительно повышающее себестоимость продукции. Особенно сложными и дорогостоящими являются современные фильтры тонкой очистки – рукавные или электрофильтры.
Стоимость отдельных ПУУ достигает миллионы долларов США и выше, не считая существенных затрат на их обслуживание при недостаточно высокой надёжности.
Однако, с другой стороны, уловленная из отходящих газов пыль сама по себе представляет ценный продукт. Так что очистка газов, в частности от пыли, не только защищает всё живое от деградации, но и приносит определённую прибыль.
Надо отметить, производители ПУУ не стремятся разрабатывать и изготавливать дешёвые и эффективные в части надежности установки. Им выгоднее  выпускать металлоёмкие и дорогостоящие. Поэтому тем, кто решится выпускать эффективные, простые в обслуживании, но более надёжные и дешевые ПУУ, потребуются определённые усилия в деле завоевания рынков сбыта. Впрочем, это обычная норма конкурентной борьбы.
Ниже кратко представлена классификация основных ПУУ по принципу их действия и области применения. Эффективность их работы зависит от конструктивного решения с учётом температуры очищаемого газа, дисперсного состава пыли, её электропроводности и адгезионных свойств.
В табл. 1 проиллюстрирована сравнительная эффективность  очистки газов в различных ПУУ в зависимости от скорости потока и дисперсного состава улавливаемой пыли.
Таблица 1
Тип ПУУ Скорость потока газа, м\сек Дисперсный состав пыли, мкм Эффективность очистки, % Стоимость с монтажом в долларах США
Инерционные осадители 5…35 Более 50 До 40 До 20000
Циклоны До 30 Более 50 До 80 До 30000
Электрофильтры До 0,1 До 99 ~ 1000000
Электроциклоны До 0,1 До 99 До 100000
Тканевые фильтры До 0,1 До 99 До 500000

Что касается зависимости эффективности очистки от химического состава пыли, то для электроциклона типа ЭНВГК, работающего с коронным разрядом при напряжении порядка 30 кВ, получены следующие данные:
Таблица 2
Материал пыли Скорость на входе, м\сек Напряжение, кВ Сила тока, мкА Эффективность очистки, %
Ферромагнитная пыль 20 29,0 700 99,2
Тетраоксихромат цинка 20 33,5 1300 98,5
Кварц 20 33,5 1000 99,3

Эти частные данные приведены для обоснования общего анализа векторальных сил, действующих на частицы m в газовом потоке.
Исключая силы взаимодействия между частицами внутри потока, остаются три:
- линейная (инерциальная) сила несущего потока fл = mv/;;
- центробежная сила в закрученных потоках fц = mv;/R =m;;R;
- сила внешнего электрического поля fэ = nqeE.
С учётом этих сил в табл. 3 даны схемы их сочетаний, реализуемые в существующих и предлагаемых ПУУ.
Таблица 3
Схемы действия сил
 

Наиболее простыми, обычно встроенными в технологические агрегаты, являются инерционные камеры (зольники, шлаковики и тому подобные). В них поток отходящих газов, несущий те или иные частицы, резко меняет направление своего движения. В результате под воздействием сил инерции, согласно первому закону Ньютона, наиболее крупные частицы m, в стремлении сохранить направление своего движения, выпадают из потока в месте его поворота (см. табл. 3.7).
Эффективность очистки газа резко возрастает, если его поток закручивается (см. табл. 3.2). В этом случае возникающая центробежная сила fц прижимает частицы к внешней поверхности аппарата, вдоль которой действуют силы инерции. Поэтому в таких аппаратах возле поверхности осаждения концентрация частиц возрастает, и они по спирали стекают вниз в бункер. На этом принципе работают циклоны различного класса. Их эффективность возрастает с «крутизной» траектории потока, с уменьшением его радиуса, имея оптимум по скорости потока и дисперсному составу частиц. Циклоны отлично, с кпд до 90%, очищают газы от крупных частиц, но не обеспечивают их очистку от тонких пылей.
Для повышения их эффективности здесь рассматриваются схемы с наложением электрического поля, направленного нормально к потоку, несущему пыль (см. табл. 3.4). Этот принцип реализуется в электроциклонах.
Предваряя, необходимо кратко остановиться на электрическом состоянии частиц в потоке газа. Из-за многообразия по дисперсному и химическому составу говорить об униполярности невозможно. В подобных системах присутствуют и нейтральные, и положительно и отрицательно заряженные естественным путём частицы. При этом они могут нести свободный заряд или же быть поляризованными, обладающими двойным электрическим слоем. Вот почему в электрических системах пылеулавливания очень важно иметь предварительную зарядку частиц. В электроциклонах (ЭЦ) с коронным разрядом в межэлектродной полости этот процесс  совмещён с воздействием электрического поля на заряженные униполярно частицы в направлении к осадительному, заземлённому электроду.
Эффективность подобных ЭЦ с коронным разрядом, как это видно из табл. 2, весьма высока. Вместе с тем, как и в существующих электрофильтрах, основанных на зарядке частиц в коронном разряде (табл. 3.1), их надёжность невелика: из-за невозможности соблюдения идентичности межэлектродных расстояний по всему объёму фильтра, а также по причине налипания пыли на коронирующие электроды, разряды распределены неравномерно; 10…20% электродов с течением времени выходят из строя, в том числе из-за обрывов. В современных электрофильтрах, обслуживающих некоторые технологические агрегаты, на проволочных коронирующих электродах очень быстро формируются «колбасы» - пылевые осаждения диаметром до 8 см. В результате средняя эффективность падает до 80%, что требует остановки электрофильтра и его ремонта.
Вот почему автор провёл теоретические и экспериментальные исследования с целью создания ЭЦ с зарядкой частиц в процессе их контакта с развитой поверхностью изолированного от земли электрода, на который может быть наложен высоковольтный потенциал без перехода в режим коронного разряда. Эксплуатация такого ЭЦ достаточно эффективна и без наложения  высокого напряжения. В таком варианте на изолированном электроде индуцируется униполярный заряд в процессе трения частиц о его поверхность. Иными словами на изолированном электроде идут процессы перезарядки и зарядки частиц с их «унификацией» по знаку заряда.
Эффективность очистки в подобных условиях доходит до 90%. При наложении внешнего потенциала она повышается до 99,5%. Её зависимость от напряжения на электроде представлена на рис. 1.

 
Рис. 1. Зависимость эффективности очистки газа от напряжения,                приложенного в электроциклоне

Если при v = 0 эффективность ЭЦ составляет 60…70%, то при v = 30 кВ она приближалась к 100%. И что важно, эффект очистки растёт с увеличением скорости потока, когда реализуется сочетание fц + fэ в непосредственной близости от поверхности осаждения.
В процессе стендовых испытаний была отработана геометрия зарядного электрода, формирующего угол ; «винтового» хода потока в межэлектродном пространстве, а также высота h этого пространства. В частности, эти данные, представленные на рис. 2 и в табл. 4, по эффективности говорят в пользу ; = 30° и h = 150 мм для исследованной модели ЭЦ.

 

Рис. 2.  Результаты стендовых испытаний в зависимости от геометрии    зарядного  электрода  (угол   (а)   и  высоты  пространства (h)





Таблица 4
Эффективность очистки (%%) в зависимости от hэ, v и ;к
hэ 50 100 150
V, кВ 0 10 25 0 10 25 0 10 25
;к= 15° 87 96 98 92 97 98,5 94 97,5 99
;к = 30° 86 95 98 90 96 99 92 97,5 99
;к = 50° 85 92,5 93 87,5 95 95,5 89 95,5 97,5


На основании этого  был спроектирован ряд типоразмеров ЭЦ производительностью от 10000 до 150000 м;\час. Они могут работать в агрессивных и высокотемпературных (до 600°С) средах при соответствующем выборе конструкционного металла.
Два из них ЭЦ-№) были изготовлены, смонтированы и испытаны в системах очистки элктропечных газов и промвентиляции с характерными для них тонкодисперсными пылями литейного цеха Нововоронежского ПО «Атомэнергозапчасть». Основные характеристики: запылённость на входе в ЭЦ – 12 г\м;; на выходе: а) при отсутствии внешнего напряжения на изолированном электроде – 84%; б) с наложением 36 кВ – 96%. В случае отсутствия напряжения достаточно высокую эффективность (84%) можно объяснить трибоэлектризацией поверхности изолированного электрода. Судя по показаниям киловольтметра, на нём самоиндуцировался потенциал на уровне 3…5 кВ. При заземлении электрода эффективность снижалась до 50%.
Полученные данные позволяют прогнозировать широкие возможности ЭЦ предлагаемой конструкции из-за их высокой и стабильной эффективности, надежности в работе, сочетаемой с простотой и дешевизной эксплуатации, низкими энергозатратами и на порядок ниже стоимости громоздких и ненадёжных в эксплуатации электрофильтров, работающих к тому же в системе с циклонами. В целом это предопределяет снижение расходов в 15…20 раз при эксплуатации ЭЦ при высокой стабильности работы с обеспечением требуемых норм ПДК.
В дополнение к ЭЦ по заказу Кировоградского медного комбината (Урал) были проведены разработки и экспериментальные испытания конструкций ПУУ, повышающих надёжность и долговечность и дымососов, и рукавных фильтров. Дело в том, что при транспортировке газов по газоходу от технологических агрегатов к ПУУ, несущих раскалённые частицы, во-первых,  происходит разбалансировка рабочих колёс дымососов из-за налипания и пылевой эрозии их лопаток. Во-вторых, достаточно часто происходит прожигание фильтрующей ткани. В результате снижается эффективность очистки газов с их выбросом в атмосферу.
В связи с этим возникло предложение по очистке газов непосредственно на входе в дымосос, преобразовав его в динамический роторный фильтр (РФ). Конструктивно этот симбиоз представляет собой ребристый барабан, обтянутый металлической сеткой с ячейками порядка 20 мкм, вращающийся на одной оси с колесом дымососа. Оптимальный вариант фильтрации, когда газ подаётся снаружи  внутрь барабана и далее – в крыльчатку колеса. В результате пыль осаждается на внешней поверхности РФ. Для её очистки от осаждённой пыли предусмотрена система продувки сжатым воздухом изнутри барабана наружу, подаваемым через неподвижную полую ось барабана. Сектор регенерации составляет не более 3% от поверхности барабана. Пыль сдувается в бункерную щель. Поэтому при вращении барабана на каждом обороте фильтрующая поверхность проходит через сектор регенерации, возобновляя свои характеристики. Подача  сжатого воздуха осуществляется автоматически непрерывно или импульсами по заданному параметру перепада давления (см. рис. 3).
 
Рис. 3. Предлагаемая пылеулавливающая установка с роторным фильтром:
1 – электродвигатель; 2 – колесо вентилятора; 3 – корпус вентилятора; 4 – корпус фильтра; 5 – шпильки; 6 – фильтр; 7 – манометр с непрозрачной жидкостью; 8 – струйный регенератор; 9 – сжатый воздух; 10 – электромагнитный клапан; 11 – фотореле; 12 – фотодатчик; 13 – лампочка; 14 – столб темной жидкости в манометре

Зная разрыхляющее воздействие электрических полей на осадок пыли, конструктивно возможно изолировать электрически барабан от корпуса РФ и дымососа с подачей на фильтрующую поверхность, например,  переменного напряжения. Подобное дополнение позволит увеличить продолжительность цикла фильтрации между регенерационными продувками.
Однако основной вопрос состоит в том, сможет ли относительно небольшая поверхность РФ обеспечить надёжную и достаточно длительную его эксплуатацию, альтернативную его рукавному фильтру. В подобных конструкциях, реализуемых варианты табл. 3.3, 3.5 и 3.6, скорость фильтрации на оптимальном уровне сохраняется не только развитием фильтрующей поверхности (длиной и диаметром барабана), что ограничено, но и скоростью вращения. В существующих рукавных фильтрах при оптимальной скорости фильтрации 0,5 м\сек, например, для очистки 120000 м;\час (~ 30 м;\сек) требуется статическая поверхность фильтрации порядка 30\0,5 = 60 м;.  В динамическом роторном фильтре с боковой поверхностью фильтрации 3 м; с непрерывной или импульсной регенерацией для поддержания оптимальных условий фильтрации РФ необходимо обеспечить вращение со скоростью порядка 60\3 = 20 об\сек, что соответствует скорости вращения электродвигателя 1200 об\мин.
Ниже представлены некоторые экспериментальные данные, подтверждающие эффективность фильтрации и регенерации в роторном фильтре. Цель этих исследований – определение оптимального соотношения продолжительности цикла фильтрации и регенерации для разных величин давления сжатого воздуха с выбором оптимальных конструктивных решений отдельных узлов установки
Поскольку между внутренней поверхностью вращающегося барабана и продувочным соплом должно быть некоторое расстояние, постольку была проведена проверка «дальнебойности» струи сжатого воздуха в зависимости от давления. В условиях эксперимента на расстоянии 5 мм от сопла падение давления в струе составляло не более 0,05 ати, а при закрылках на сопле и того меньше. Устанавливая режим продувки на различные потери давления (40, 80 и 120 мм вод. Ст.), проверялось соотношение цикличности фильтрации (см. рис. 4а). Судя по времени между пиками, циклы фильтрации одинаковы, что говорит об эффективности продувки в импульсном режиме. На рис. 4б представлен режим непрерывной продувки с её прекращением на 30-той минуте, когда мгновенно из-за осаждения пыли возросло сопротивление системы. И наконец на рис. 4в отображены данные по продувке фильтрующей поверхности струёй воздуха различного давления. На всех графиках кривые 1 отражают процесс осаждения пыли на фильтрующей поверхности без продувки.



 

Рис. 4. Режимы продувки на роторных ПУУ: а – соотношение  цикличности фильтрации при различных потерях давления; б – режим непрерывной продувки; в – продувка струёй различного давления


Что же касается эффективности очистки газа, то она оценивалась по балансу пыли в отношении её количества, подаваемого в фильтр и выгруженного из бункера. В зависимости от конструктивных особенностей кпд установки изменялся от 82 до 95%.
Подобные результаты достаточно убедительно говорят в пользу роторного фильтра, совмещенного с дымососом или иным вентилятором.
И последнее. Возвращаясь к табл. 3.6, как говорится за те же деньги, разработан и проверен сепаратор, представленный на рис. 5.

 


Рис. 5. Модель сепаратора

В нём запылённые газы проходят по вращающемуся каналу, переходя из зоны сложения линейных и инерционных сил в зону их вычитания. В результате в потоке идут процессы коагуляции и инерциального выброса частиц. Эффективность подобного ПУУ зависит от числа колен перехода газа из зоны в зону и числа оборотов данного устройства, а также от длины этих колен. Эффективность очистки в подобных сепараторах может достигать до 90%. Экспериментальная модель показана на рис. 6.

 

Рис. 6/ Внешний вид экспериментальной модели сепаратора


В заключение, пожалуй, следует упомянуть об исследовании процесса регенерации рукавного фильтра ударной волной, генерированной искровым разрядом различной мощности. Предварительно было проверено изменение давления в замкнутом объёме (2 л) с вводом в него двух электродов с расстоянием между ними 13 мм. В зависимости от подаваемого напряжения при искровом разряде давление повышалось от 40 при 13 кВ до 720 мм вод. Ст. при 20 кВ. В условиях экспериментального фильтра (ткань на проволочном каркасе) при напряжениях вплоть до 30 кВ под воздействием ударных волн разрядов пыль с рукава полностью стряхивалась. Динамика циклов фильтрации и регенерации показана на рис. 7 для трех режимов по мощности разряда и времени регенерации.

 

Рис. 7.  Примеры записи циклов фильтрации ;ф и регенерации ;р при Рmax = 250 мм вод. ст.

Эти краткие данные о новых методах газоочистки более основательно представлены в монографии «Защита природы. Новые решения».