Промислова екологія - Апостолюк C.O. - Механічні принципи вилучення пилу з повітряного (газового) потоку

Ці принципи є найбільш гнучкими і поширеними та існують в чотирьох варіантах. Розглянемо суть кожного з них.

Перший варіант ґрунтується на застосуванні сил маси. Встановлено, що частинки горизонтального повітряного потоку, змішаного з пилом, знаходяться під дією двох сил: інерції газового потоку та сил маси (важкості). Внаслідок турбулізації повітряного потоку та теплового руху молекул повітря (броунівського руху) малі частини дифундують. Ці два явища необхідно враховувати, оскільки вони суттєво впливають на переміщення малих частинок, гальмуючи їхнє гравітаційне вилучення з повітряного (газового) потоку.

Другий варіант механічного принципу базується, як відомо, на застосуванні сил інерції твердих частинок, тобто на законі Ньютона. Відомо, що за законом Ньютона кожне тіло намагається зберігати свій початковий динамічний стан за умови, якщо на нього не діють будь-які зовнішні сили. При дії зовнішньої сили змінюється рух тіла в напрямку дії рушійної сили. Цей принцип використаний при усуненні з повітряного потоку домішок твердих або рідких речовин.

У різних сухих механічних пиловловлювачах (наприклад, у пилозбірниках, решітчастих сепараторах і циклонах) для відокремлення частинок використовують траєкторії різної кривизни. У вихорових сепараторах також змінюється кривизна траєкторії завдяки пересувним стінкам [3]. Цей принцип використаний у конструкції гравітаційних пиловловлювачів.

Використовуючи сили інерції для вилучення твердих частинок пилу, переважно не враховують дифузію в повітряному (газовому) потоці, що визначає межі дії сили маси та сил інерції. Оскільки сила інерції значно перевищує силу маси, дифузійне переміщення стає значним лише для дуже дрібних частинок. Отже, можна застосовувати силу інерції для відокремлення значно менших частинок, ніж під дією сили маси [3].

На рис 3.1 зображені реальні умови сепарації пилинок біля стінки пиловловлювача. До змінних входять флуктації швидкості твердих частинок, реальний профіль швидкості повітря (газу), а також товщина пограничного шару біля стінки пиловловлювача.

Третій варіант механічного принципу ґрунтується на безпосередньому захопленні твердих частинок за допомогою спеціальних матеріалів (наприклад, волокнами фільтрувальної тканини). Цей принцип застосовується переважно тоді, коли розмір пилинок і характеристичний розмір матеріалу (наприклад, розмір комірок фільтрувальної тканини) порівнювані. За таким принципом працюють тканинні пиловловлювачі.

Рис. 3.1. Схема руху твердих частинок пилу в повітряному потоці біля стінки пиловловлювача: Umах — максимальна швидкість пилинок; у — лімітуюча товщина шару; d — еквівалентний діаметр пилинки

Четвертий варіант механічного принципу ґрунтується на явищі молекулярної дифузії твердих частинок у повітряному потоці. Під молекулярною дифузією розуміють рух молекул, спричинений тепловим рухом або різницею парціальних тисків. Цей принцип закладений у конструкцію рукавних фільтрів.

Електричні принципи видалення пилу з повітряного потоку

Електричне очищення — один з найбільш досконалих видів очищення повітря від зважених частинок пилу й туману. В основі цього принципу лежать ударна іонізація повітря (газу) в зоні коронуючого розряду, передача заряду іонів частинкам домішок і їх осаджування на осаджувальних і коронуючих електродах.

Забруднене повітря, що надходить в електрофільтр, завжди є частково іонізованим завдяки дії різних зовнішніх факторів (рентгенівських, радіоактивних, електромагнітних випромінювань та ін.), тому здатне проводити електричний струм, потрапивши в простір між двома електродами. Сила струму залежить від числа іонів і напруги між електродами. При збільшенні напруги рух між електродами охоплює все більше іонів і сила струму зростає доти, доки в русі не візьмуть участь усі іони, які знаходяться в повітрі. При цьому величина сили струму стає постійною, незважаючи на подальший ріст напруги.

Критичну напругу и на електродах, при якому виникав коронуючий розряд, можна визначити за формулою [6]

де Яр Яг — відповідно радіуси коронуючого та осаджувального електродів, м; Е — критична напруга електричного поля, при якій виникає корона, в/м.

Величину Екр визначають за емпіричними формулами Піка. Для коронуючого електрода позитивної полярності можна використати формулу

Від'ємну полярність для коронуючого електрода можна визначити за формулою

У формулах (3.2) і (3.3) фігурує параметр р — поправка на густину повітря в робочих умовах, що визначають за формулою

де Рне — тиск навколишнього середовища, Па; Рп — розрідження або надлишковий тиск у повітропроході, Па; і — температура повітря, °С.

Формули Піка отримані для повітря та електрода круглого поперечного перерізу. Коронуючий розряд виникає переважно при високих напругах — 50 кВ і більше.

Рух заряджених частинок пилу до осаджувального електрода здійснюється під дією аеродинамічних сил, а також сили взаємодії електричного поля та заряду частинки, сили тяжіння та сили електричного вітру. Під дією аеродинамічних сил частина рухається в напрямку основного потоку повітря зі швидкістю ш , близькою до швидкості повітря, яка становить 0,5—3 м/с. Основною силою, що спричиняє рух частинок пилу до осаджувального електрода, є сила взаємодії між електричним полем і зарядом частинки. Основним чинником електричного вітру у місцях генерації іонів є механічна дія рухомих іонів на молекули та частинки пилу.

Частинки пилу в іонізованому повітрі (газі) заряджаються двома способами. Малі частинки (розміром менше 1 мкм) "зв'язують" на своїй поверхні електрони або іони внаслідок дифузійного зближення. Переміщення електронів та іонів у повітрі аналогічне руху малих частинок пилу в ламінарному потоці повітря (газу). При цьому вторинні переміщення призводять до відхилення траєкторій електронів та іонів у напрямках, перпендикулярних до силового поля, і внаслідок цього до їхньої дифузії у повітряний потік. Крупні частинки заряджаються електричним полем тоді, коли їх поляризація за допомогою електронів або іонів супроводжується дифузією, а також виникненням сили притягання зарядів.

Електрично заряджені частинки, незважаючи на опір середовища, переміщаються в силовому полі вздовж силових ліній до протилежного за знаком полюса з відносно малою (приблизно декількох см х с"1) швидкістю, що називають швидкістю сепарації.

Акустичний принцип вилучення пилу з повітряного потоку

Цей принцип ґрунтується на процесі коагуляції — злипанні дрібних частинок у крупні під дією ультразвукових хвиль і вилученні цих частинок інерційним пиловловлювачем.

У наш час, крім вищеописаних принципів усунення пилу з повітряного потоку, в інженерній практиці відомі також інші принципи: ефект коагуляції під впливом теплових, гравітаційних, турбулентних та електростатичних сил. У рукавних і деяких інших фільтрах (з волокнистими, гранувальованими, пористими фільтрувальними елементами) для очищення повітря застосовують ефект сита. Він ґрунтується на збиранні часток пилу на фільтрувальній решітці з отворами, меншими за розміри частинок.

Усі описані принципи вилучення пилу є основою конструкцій різноманітних пиловловлювачів.