Аппараты очистки воздуха от твердых, жидких и газообразных примесей

Проблема снижения пылевых и газовых выбросов с целью обеспечения как возможности рециркуляции воздуха, так и охраны воздушного бассейна, может быть решена при обоснованном выборе эффективных и экономичных пылеулавливающих установок (ПУ).

В нашей стране накоплен огромный опыт изучения проблемы пылеулавливания. Поиски способов повышения улавливания промышленных пылей с различными физико-механическими свойствами привели к появлению многообразия пылеулавливающих аппаратов.

До сих пор в научно-технической литературе отсутствуют апробированные на практике примеры решения задач по оптимизации выбора ПУ. В работах, проводимых под руководством профессора М. И. Шиляева из Томского государственного архитектурно-строительного университета, предложен метод комплексного расчета ПУ на основе энергетического принципа сопоставления инерционных пылеуловителей, сущность которого заключается в математическом выражении связи между удельными энергозатратами на очистку газов в аппаратах, либо в их комплексах, при равных эффективностях пылеулавливания. Проблеме создания единой математической модели центробежного движения частиц на основе теоретической механики жидкостей посвящены исследования, проводимые в СП6ГПУ под руководством д.т.н. Н. И. Ватина.

Дальнейшее развитие методик расчетов ПУ требует анализа трехмерной физико-математической модели течений.

Наиболее применяемыми пылеочистными аппаратами являются циклоны. Принцип действия циклонов основан на выделении частиц пыли из воздушного потока посредством воздействия на них центробежных сил.

Циклоны можно классифицировать по следующим типам: возвратно-поточные, прямоточные, вихревые, батарейные.

Менее распространены мокрые пылеуловители — скрубберы, пенные аппараты, скоростные (турбулентные) пылеуловители. Их эксплуатация трудоемка, т.к. связана с удалением шлама.

При соприкосновении частиц с каплями или другой поверхностью жидкости под действием одного или нескольких физических воздействий (инерционный удар, броуновская и турбулентная диффузия и др.) частицы смачиваются, в большинстве случаев тонут, в результате чего улавливаются. Опыт показывает, что при мокром улавливании в основном газы очищают от крупных частиц (более 3−5 мкм). Мелкие частицы, особенно возгоны, улавливаются жидкостью плохо, даже в том случае, если по своей природе они хорошо смачиваются данной жидкостью. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, мелкие частицы (капельки) движутся вместе с газовым потоком и при встрече с жидкостью (с каплей или с другой мокрой поверхностью) не соприкасаются с ней, а огибают мокрую поверхность. Во-вторых, между частицей и мокрой поверхностью имеется газовый или воздушный слой, который мелкая частица не может преодолеть.

В последние годы разработаны скоростные или турбулентные мокрые пылеуловители, в которых движущийся с большой скоростью газ дробит жидкость на мелкие капли. Частицы легче сталкиваются с мелкими каплями и достаточно полно улавливаются (даже возгоны).

Преимуществами мокрых пылеуловителей по сравнению с сухими являются: возможность очистки газов от пыли с высокой температурой; относительно малые габариты некоторых видов очищающих установок; уменьшение опасности взрывов, пожаров, возникающих от загорания сухой пыли; возможность очистки от пыли влажных и содержащих липкие вещества газов; низкие капитальные затраты в большинстве случаев, несмотря на то, что эксплуатационные затраты могут быть и выше в связи с необходимостью удаления шлама и сброса сточных вод.

Электрофильтры широко применяются для улавливания частиц пыли и тумана любых размеров, в том числе и около 1 мкм. Эффективность улавливания в электрофильтрах даже такой мелкой пыли весьма высока (до 99%).

Принцип работы основан на том, что находящиеся в воздухе частицы вредных веществ (твердые и жидкие) размером 0,3−100 мкм проходят через ионизационную кассету, находящуюся под напряжением, а затем, вследствие разности потенциалов, притягиваются к пластинам осадительной кассеты.

Перед ионизационной кассетой для улавливания крупных частиц устанавливается предфильтр «грубой» очистки, способствующий также выравниванию воздушного потока, поступающего в ионизационную камеру. Удаление осевшей пыли с пластин осадительной кассеты производится путем промывки ее моющим раствором с последующей сушкой.

В электрофильтрах в настоящее время успешно очищают газы, нагретые до 450−500°С, содержащие агрессивные компоненты (например, 30% сернистого ангидрида и более). В последние годы большое распространение в промышленности получили мокрые электростатические ПУ изготовленные с применением полимерных материалов. Основные преимущества полимерных электрофильтров заключаются в высокой стойкости по отношению к химически агрессивным средам, технологичности изготовления, гидрофобности осадительных поверхностей и устойчивости к электрическим пробоям.

В тканевых фильтрах запыленный газ пропускают через фильтровальную ткань и частицы пыли под действием инерционных сил, диффузии и других механизмов осаждения задерживаются на ее волокнах. При малых скоростях фильтрации можно добиться высокой степени очистки газов (более 99%). В последние годы, в связи с выпуском более термои кислотостойких по сравнению с применявшимися натуральными волокнами (шерсть, хлопок) синтетических волокон, область применения тканевых фильтров заметно расширилась.

Для фильтрации запыленных газов применяют также специальный картон, вату, слои волокнистых или зернистых материалов (песок, гравий, кокс), используются также ячейковые фильтры с набором стальных или винипластовых сеток.

Развитие текстильных технологий производства различных фильтровальных материалов, в т. ч. и синтетических, позволило получить волокнистые слои машинной выработки в виде матов, обладающие необходимой однородностью и прочностыо. Волокнистые слои могут иметь различную структуру — от плотных (типа бумаги или картона) и до едва связанных (типа ваты или ватина).

В последнее время широкое распространение получили пылеулавливающие агрегаты для очистки воздуха от пыли, опилок и стружки, образующихся при работах на деревообрабатывающих станках, с возвратом его в помещение. Преимущество конструкции заключается в том, что, меняя тип фильтровального материала, ее можно использовать в других производствах для удаления сухой неслипающейся пыли. Конструкция проста в изготовлении и удобна в эксплуатации.

При применении рециркуляции, как правило, одной ступени ПУ в виде циклона недостаточно. В качестве второй ступени применяются фильтрующие ПУ.

Выбор третьей, как правило, последней ступени для обычных промышленных цехов определяется величиной концентрации пыли после 2-х ступеней очистки, увязывая ее эффективность с требованиями санитарных норм (не более 30% от ПДК пыли).

Методика подбора фильтров для систем вентиляции и кондиционирования в чистых помещениях подробно описана в монографиях проф. А. Г. Сотникова. Для помещений с повышенными требованиями к чистоте воздушной среды представляет интерес эффективность улавливания фильтрующими элементами частиц различной степени дисперсности в соответствии с классификацией EUROVENT:

Таблица.

Оптимальный подбор фильтров для систем кондиционирования для чистых помещений (по рекомендациям Швейцарской ассоциации инженеров по теплофикации и кондиционированию воздуха SWKI):

Говоря о рециркуляции, следует помнить, что, согласно пункту 7.4.4 СНиП 41−01−2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», рециркуляция не допускается из помещений, в которых максимальный расход наружного воздуха определяется массой выделяемых вредных веществ 1-го и 2-го класса опасности.

В настоящее время в России действует ГОСТ Р 51 251−99, гармонизованный с международными стандартами. Согласно этому ГОСТу, все воздушные фильтры разделены на 4 группы (грубой, тонкой, высокоэффективной и сверхвысокой эффективности очистки) и 17 классов.

Первые две группы — фильтры грубой очистки (G1-G4) и фильтры тонкой очистки (F5-F9), используются в обычных системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Для грубой очистки приточного воздуха, как правило, используются волокнистые фильтры, в основе которых лежит большая группа нетканых материалов (типа ФСВУ, ФВНР, ФРНК). Фильтры тонкой очистки, как правило, представлены карманными фильтрами с использованием синтепона, иглопробивных или других синтетических нетканых материалов. Фильтры высокой эффективности (Н10 — Н14) и сверхвысокой эффективности (U15 — U17) используются при специальных технологических требованиях к содержанию аэрозоля и микрофлоры.