Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов

А. Г. Ветошкин




ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ


Учебное пособие

3-е издание














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.5
ББК 20.1
      В39



Рецензенты:
кафедра биотехнологии и техносферной безопасности Пензенского государственного технологического университета (зав. кафедрой д. т. н., профессор, член-корреспондент Нью-Йоркской академии наук К. Р. Таранцева);
д. т. н., профессор Пензенского государственного университета архитектуры и строительства В. С. Демьянова


    Ветошкин, А. Г.
В39 Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов : учебное пособие / А. Г. Ветошкин. - 3-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -316 с. : ил., табл.

        ISBN 978-5-9729-1353-4


         Приведены практические основы, методы и формулы для расчета аппаратов и установок технологии защиты атмосферы от аэрозольных и газовых выбросов: пылеосадительных камер, циклонов, вихревых аппаратов, инерционных пылеуловителей, волокнистых и рукавных газовых фильтров, мокрых скрубберов, электрофильтров, абсорберов и адсорберов, теплообменников-конденсаторов, установок каталитического и термического обезвреживания газовых выбросов. Даны подробные решения типовых примеров и контрольные задачи.
         Для студентов, обучающихся на уровне бакалавриата по направлениям подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность», 05.03.06 «Экология и природопользование», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», а также преподавателей и специалистов проектных организаций. Может быть использовано при изучении дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности» других направлений подготовки, а также при подготовке магистров, аспирантов.


УДК 628.5
ББК 20.1







ISBN 978-5-9729-1353-4

© Ветошкин А. Г., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушной среды. Благодаря очистке выбросов перед их поступлением в атмосферу предотвращается загрязнение атмосферного воздуха. Очистка воздуха имеет важнейшее санитарногигиеническое, экологическое и экономическое значение.
     Место курса «Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов» в профессиональной подготовке бакалавра по инженерной защите окружающей среды связано с изучением и усвоением основных положений системы очистки и обезвреживания газовых выбросов, а также практической базы для освоения техники и технологии защиты одного из компонентов окружающей среды - атмосферы.
     Предметом изучения курса являются как теоретические основы процессов и технологические закономерности обезвреживания пылевых и газовых выбросов в атмосферу, так и расчет и проектирование реализующего их оборудования и технических средств.
     Знание данного курса необходимо для более глубокого усвоения других специальных дисциплин бакалавриата, выполнения необходимых курсовых проектов и выпускной квалификационной работы.
     Изучение данного курса базируется на следующих дисциплинах:
     история техники, высшая математика, информатика, физика, химия, экология, теория горения и взрыва, начертательная геометрия, инженерная графика, теоретические основы защиты окружающей среды, механика, гидрогазодинамика, теплофизика, электроника и электротехника, материаловедение и технология конструкционных материалов.
     Основные положения курса могут быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
     промышленная экология; инвентаризация и нормирование выбросов загрязняющих веществ, инженерные методы защиты атмосферы, экономика природопользования и природоохранной деятельности, экономические аспекты охраны окружающей среды, защита окружающей среды при чрезвычайных ситуациях, природопользование.
     Компетенции обучающегося в соответствии с ФГОС ВО 3+ по направлениям подготовки 05.03.06, 18.03.02, 20.03.01, формируемые в результате освоения курса «Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов»:
     - профессиональные компетенции (ПК) выражаются:
          • способностью ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техносферной безопасности, обоснованно выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и окружающей среды от опасностей;
          • способностью участвовать в совершенствовании технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения, минимизации воздействия на окружающую среду;
          • готовностью обосновывать конкретные технические решения при разработке технологических процессов; выбирать технические средства и технологии, направленные на минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду;
          • способностью проектировать отдельные узлы (аппараты) с использованием автоматизированных прикладных систем;
     - профессионально-прикладные компетенции (ППК) выражаются:
          • способностью ориентироваться в основных методах, системах и средствах обеспечения техносферной безопасности;
          • способностью обоснованно выбирать известные средства и системы защиты человека и окружающей среды от опасностей;
          • владением знаниями теоретических основ экологического мониторинга, экологической экспертизы, экологического менеджмента и аудита, нормирования

3

ПРЕДИСЛОВИЕ


            и снижения загрязнения окружающей среды, основ техногенных систем и экологического риска, проводить мероприятия и мониторинг по защите окружающей среды от вредных воздействий; осуществлять производственный экологический контроль;
          • владением навыками эксплуатация очистных установок, очистных сооружений и полигонов и других производственных комплексов в области охраны окружающей среды и снижения уровня негативного воздействия хозяйственной деятельности.
     Большую роль при изучении курса дисциплины играют практические занятия, на которых студенты овладевают навыками расчета аппаратов и установок, а также с помощью схем и чертежей изучают устройство и принцип их действия.
     Данное учебное пособие в виде сборника примеров и задач по защите воздушной среды от аэрозольных и вредных газовых загрязнений составлено в дополнение к учебному пособию «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» (автор Ветошкин А.Г. - М.: Высшая школа, 2008) и является 2-м исправленным и дополненным изданием практикума: «Процессы и аппараты защиты воздушной среды» (автор Ветошкин А.Г. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010).
     Каждая глава учебного пособия состоит из трех частей: в первой части приведены основные понятия и расчетные формулы, применяемые при решении задач, во второй - подробные решения типовых задач, в третьей - контрольные задачи. В приложении представлены основные физико-химические, теплофизические свойства используемых веществ и характеристики аппаратов, необходимые для выполнения технических расчетов.
     Содержание учебного пособия соответствует федеральным государственным образовательным стандартам высшего образования (ФГОС ВО 3+) и примерным основным образовательным программам высшего образования на уровне бакалавриата по направлениям подготовки «Экология и природопользование», «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», «Техносферная безопасность».
     Учебное пособие может быть использовано преподавателями вузов при проведении учебных занятий, студентами при изучении теоретического курса инженерной экологии, подготовке к практическим занятиям, выполнении курсовых проектов, выпускных квалификационных работ, а также при подготовке магистров и аспирантов для углубленного изучения теории и практики технологических процессов инженерной экологии, специалистами проектных организаций.
     Содержание учебного пособия составлено на основе опыта проведения лекционных и практических занятий по дисциплинам «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Техника защиты окружающей среды» на кафедре техносферной безопасности Пензенского государственного университета, на кафедре инженерной экологии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и кафедры биотехнологии и техносферной безопасности Пензенского государственного технологического университета.

4

            Глава 1. Сухие механические пылеуловители



     Под обезвреживанием воздушно-газовых выбросов понимают отделение от газа аэрозольных примесей или превращение в безвредное состояние загрязняющих примесей.
     Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. В основе сухих методов лежат гравитационные, инерционные, центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. При использовании мокрых методов очистка газовых выбросов осуществляется путем тесного взаимодействия между жидкостью и запыленным газом на поверхности газовых пузырей, капель или жидкой пленки. Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом и электризации взвешенных в газе частиц.
     Термин «механические осадители» обычно используют для обозначения устройств, в которых частицы осаждаются под действием либо сил тяжести или инерции, либо и тех и других. В гравитационных осадителях частицы осаждаются из потока газа под действием собственной массы. В инерционных осадителях поток частиц, взвешенных в газе, внезапно подвергается изменению направления движения. Возникающие инерционные силы стремятся выбросить частицы из потока. Циклоны-осадители, в которых используется инерция центробежной силы, являются важным частным случаем инерционных осадителей.

1.1. Пылеосадительные камеры


     Простейшим сепаратором твердых взвешенных частиц является пылеосадительная камера (рис. 1.1), в которой запыленный газовый поток перемещается с малой скоростью, делающей возможным гравитационное осаждение (седиментацию) транспортируемой взвеси.

Рис. 1.1. Схема осаждения частицы в пылеосадительной камере

     Сепараторы применяют чаще всего для грубой очистки воздуха, загрязненного крупнодисперсной пылью. Степень очистки воздуха в пылеосадительных камерах составляет 50...60 %. Камеры обладают невысоким сопротивлением, они просты в устройстве и эксплуатации.
     Для достижения приемлемой эффективности очистки газов данными устройствами необходимо, чтобы частицы находились в пылеосадительных аппаратах возможно более продолжительное время, а скорость движения пылевого потока была незначительной. Скорость движения воздуха в камере выбирают из условия обеспечения ламинарного режима течения и составляет 0,2...0,8 м/с.
     Цель расчета пылеосадительных камер - подбор их габаритных размеров и определение коэффициента очистки. В общем случае коэффициенты очистки могут быть найдены опытным путем, так как процесс седиментации сопровождается турбулентной диффузией.
     Расчет пылеосадительных камер производят в такой последовательности.
     Задаются минимальными размерами пылевых частиц, которые необходимо уловить в пылеосадочной камере, и находят их скорость осаждения (витания) по формуле Стокса, м/с:


5

Ветошкин А. Г. Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов

w

ос

1 dv (рч ~Рг ) g
18' Р

(1'1)

J

где dч - размер улавливаемых частиц пыли, мкм; рч, рг - соответственно плотность материала взвешенных частиц и сплошной газовой среды, кг/м³; g - ускорение силы тяжести, м/с²; рг - динамическая вязкость газа, Па с'
     Зная объем очищаемых газов, определяют требуемую площадь осаждения, м²:

S = L В = Qᵣ/(3600wОс),  (1'2)

где Q г - объемный расход газа, проходящего через камеру, м³/ч; L, В - соответственно длина и ширина камеры, м'
     Задаваясь шириной камеры, находят ее длину, м:


L = S/В' (1'3)


Принимая скорость движения газа в камере v г (м/с), определяют высоту камеры H, м:


Н = Q г/(3600В v г)' (1'4)


     Пример 1.1. На заводе железобетонных конструкций запыленный-воздух в объеме Qг = 50000 м³/ч при температуре t — 25 °C необходимо очистить от пыли с частицами крупнее 20 мкм (20'10⁻⁶ м)' Плотность пылевых частиц рч = 3000 кг/м³, динамическая вязкость воздуха щ = 1,83'10⁻⁵ Па'с (см' табл' ПД прилД Рассчитать размеры пылеосадительной камеры для заданных условий очистки воздуха'
     Решение. Определяем по формуле (1'1) скорость осаждения частиц пыли:

w ос

(2-Ю ⁵)²3000- 9,8
18-1,83-10 ⁵


- 0,04 м/с'

Находим необходимую поверхность осаждения по формуле (1'2):

S -

50000
3600 - 0,004

- 347 м²'

Принимая ширину камеры В = 15 м, определяем по формуле (1'3) ее длину:
L = 3470/15 =23 м.
     Принимая скорость движения воздуха в камере равной 0,3 м/с, по формуле (1'4) находим высоту камеры:
Н = 50000/(3600'15'0,3) = 3,1 м'
     Пример 1.2. Определить размер пылевых частиц, оседающих в пылеосадительной камере, если их плотность составляет рч = 2500 кг/м³' В камеру поступает Qг = 25000 м³/ч воздуха при нормальных условиях' Поверхность осаждения камеры S = 300 м²'
     Решение. Скорость осаждения частиц пыли находим при условии равенства времени осаждения и времени пребывания частиц в камере по формуле
Wос = Qг /(3600 S) = 25000/(3600'300) = 0,023 м/с'
Диаметр улавливаемых частиц пыли определим по формуле (1'1):

6

ГЛАВА 1. Сухие механические пылеуловители

                ,  /18 цwос  /18-1,72-10-⁵ • 0,023       ₆
d _ —г г ос ----------------------_ 17,^-io м = 17,5мкм,
                  V рп g     N    2500 • 9,8

где рг = 1,72'10'⁵ Пас - динамическая вязкость воздуха при нормальных условиях (см. табл. П.1 прил.).
     Пример 1.3. Требуется определить размер пылеосадительной камеры для осаждения частиц пыли крупнее 40 мкм, количество очищаемых газов при рабочих условиях составляет Qᵣ = 64800 м³/ч, температура газов t _ 600 °C, плотность частиц пыли рч = 2500 кг/м³, давление газов p в камере близко к атмосферному. Газы по своему составу близки к атмосферному воздуху.
     Решение. Воспользуемся формулой (1.1)
wос = dч² g(рч - Рг)/(18 Цг),
     Плотностью газа при этой температуре по сравнению с плотностью частиц пыли можно пренебречь. Динамическая вязкость газов при этой температуре по табл. П.1 прил. рг = 39,2Т0⁻⁶Пас.
     Отсюда скорость осаждения частиц пыли

wос = (40Т0⁻⁶)² 9,8Г2500/(18.32,9'10⁻⁶) = 0,056 м/с.

     При скорости газов в камере vг = 1 м/с площадь поперечного сечения камеры по ходу движения газа составит:
S = BхH = Qг/(3600 vг) = 64800/(3600.1,0) = 18м².
Выберем высоту камеры Н = 4 м, при этом ее ширина составит
В = S/H = 18/4 = 4,5 м.
     Длину камеры можно определить из кинетики осаждения пыли при равенстве времени пребывания тпр частиц в камере и времени их осаждения тос:
Тпр = т,- =H/w ос = 4/0,056 = 71,4с.
Поскольку тпр = L/ vг, найдем длину пылевой камеры:

L = vг тПр = 1,0-71,4 = 71>4м.

     Уменьшить длину камеры можно двумя способами.
     1.       Увеличить ширину камеры (при неизменной ее высоте) или уменьшить скорость газов по горизонтальному направлению и, тем самым, не меняя высоты камеры, также увеличить ширину камеры. Это, однако, повлечет за собой увеличение общего объема камеры и ее удорожание.
     2.       Уменьшить путь осаждения частиц пыли путем установки в камере по ее высоте горизонтальных или наклонных полок. Так, например, при установке горизонтальных полок в количестве N = 20на расстоянии h = 200 мм одна от другой общая высота камеры составит

H = N h = 20Д2 = 4м.
     При скорости газов, равной 1 м/с, ширина камеры составит, как и ранее, 18/4 = 4,5 м. При этом время осаждения пыли уменьшится и будет равна

7

Ветошкин А. Г. Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов

Toe = h/wос = 0,2/0,056 = 3,57 с,

т. е. сократится в 71,4/3,57 = 20 раз.
      Соответственно в 20 раз сократится длина пылевой камеры:

L = 71,4/20 = 3,57 м.


     В многополочных пылевых камерах можно принимать скорость газов vг = 2...3 м/с. Таким образом, устройство полок является наиболее рациональным методом снижения длины пылевой камеры.
      Пример 1.4. Какую высоту надо дать слою газа между полками пылеосадительной камеры, чтобы осели частицы колчеданной пыли диаметром dч = 8 мкм при расходе печного газа Q^ = 0,6 м³/с при нормальных условиях? Длина камеры L = 4,1 м, ширина B = 2,8 м, общая высота H = 4,2 м. Средняя температура газа в камере t - 427 оС. Динамическая вязкость газа при этой температуре рг = 3,4Л0⁻⁵ Пас, плотность рг = 0,5 кг/м³, плотность частиц пыли рч = 4000 кг/м³.
     Решение. Определяем по уравнению Клапейрона расход газа при заданных (рабочих) условиях:
(273 +1)     (273 + 427)     ,
Qᵣ = Q₀  ------ = 0,6 • i----- -1,54 м³/с
273          273


Линейная скорость газа в камере (пренебрегая толщиной полок):

Время пребывания газа в камере:

Q
—
BH

1,54
2,8 • 4,2

- 0,13

м/с.

tᵢ:. L / vг = 4,1/0,13 = 31,3с.

     Теоретическая скорость осаждения шарообразных частиц (плотностью газовой среды рг пренебрегаем) по формуле Стокса (1.1) составляет:

ос

£ dч (р,-Рг)g ₋£ (8•Ю-⁶)²4000• 9,81 18. и 18.              0,034 •Ю⁻³

- 0,0041 м/с

Действительную скорость осаждения принимаем равной

и; = 0,5wₒc -0,5• 0,0041 ■ ■ 0,002 м/с.

Находим расстояние между полками:

h - wOстпP - 0,002 • 31,3 ® 0,06 м = 60 мм.


Проверяем правильность применения формулы Стокса (1.1):

Re - woedчрг
        Рг

0,0041-8•Ю⁻⁶ • 0,5
3,4 •Ю⁻⁵

- 0,00048.

     Так как число Re = 0,00048 < 2, то применение формулы Стокса допустимо.
     Эффективность пылеосадителя можно рассчитать с использованием соотношения фракционной эффективности, дающей зависимость эффективности улавливания от размера

vг

w

8

ГЛАВА 1. Сухие механические пылеуловители

частиц. В сочетании с данными о распределении поступающих в пылеосадитель частиц по размерам фракционная эффективность позволяет определить общую эффективность улавливания.
     Для пылеосадительных камер с L/H > 3 значение фракционных коэффициентов очистки Цф (в %) может быть найдено с достаточной степенью точности на основании расчетов средней концентрации частиц соответствующего размера в выходном сечении пылеосадительной камеры по формуле, %:
Цф = 100 fl - ¹ £#.f      (1.5)
У о 0    )


где о - число точек, для которых рассчитывается концентрация частиц; Nₒ - отношение концентрации частиц данного размера в расчетной точке выходного сечения камеры к их концентрации во входном сечении. Концентрация этих частиц во входном сечении принимается равномерно распределенной по сечению. Предполагается, что распределение частиц по размерам подчиняется нормальному закону распределения, значение величины N определяют по уравнению:
N = ф(xl) + ф(x2)⁻¹. (1.6)


     Значения функций Ф(x ₁) и Ф(x₂) определяют из таблицы нормальной функции распределения (см. табл. П.2 прил.).
    Величины x₁ и x₂ находят из выражений


xi

¹   + h/H ⁻ L/H (чу /уг)       (₁ ₇)

^7 -10⁻³ L/H


x₂ = ¹ ⁻ h/H ⁺ L/H⁽ч уг⁾, (1.₈)

V7 -10⁻³ L/H


где h - расстояние от потолка камеры.
     Соотношение скоростей при осаждении частиц, улавливаемых в камере с эффективностью, равной 50 %, связано с соотношением размеров камеры:


( Чос /уг )50 ~¹,⁵ H/L . (1.9)


    Дополнительные значения чос /уг, необходимые для определения нескольких точек зависимости Цф = f (d), принимаются больше и меньше значения (чос /уг )₅₀. Полную степень очистки определяют по уравнению:
^ = ЕНф-^0‘Аd , ⁽¹.¹⁰⁾


где Nвх - плотность распределения, %/мкм; Аd₀ - разность граничных размеров выбираемого диапазона частиц из гистограммы, мкм.
     Пример 1.5. Определить эффективность осаждения частиц в пылеосадительной камере, если она имеет длину L = 10 м, высоту Н = 1м, ширину В = 2м. Расход воздуха через камеру Q = 3600 м³/ч, плотность частиц рч = 500 кг/м³, динамическая вязкость газа при температуре 20 оС ц, = 18,Г10⁻⁶ Пац (см. табл. П.1 приложения).
    Скорость потока газа в сечении камеры составит


9

Ветошкин А. Г. Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов

vг

Qₜ 3600HB

3600
3600-1,0 • 2

= 0,5 м/с.

     По уравнению (1.6) находим относительную скорость осаждения частиц, улавливаемых в камере с эффективностью, равной 50%:


w8 1 = 1,5 •H = 1,5 • — = 0,15.
. vг I L ¹⁰


Отсюда скорость осаждения частиц, улавливаемых с эффективностью 50 % составит

(wₒc )₅₀ = 0,075 м/с.

     По найденной скорости осаждения-витания, заданной плотности и вязкости газа находим размер частиц, улавливаемых в камере с эффективностью 50 %:

dч(50)

¹⁸ Мг wос g (рч ⁻Рг )

18 • 18,1 -10 ⁶ • 0,075
9,8 (500 -1,205)

= 710⁻⁵м = 70мкм,

где рг = 1,205 кг/м³ - плотность воздуха при 20 оС (см. табл. П.1 приложения).
     Для определения зависимости ^ = f (dч) выбираем несколько дополнительных относительных скоростей осаждения:


    Г w¹ ^

I w*- I = 0,1 и v
X г /50


    Г —² ^

I ² I = 0,2. v
X г /50

     Этим значениям относительных скоростей осаждения соответствуют диаметры частиц d. =60 мкм их/ ₂ =20 мкм. ч.             ч.
     Средняя концентрация частиц на выходе из камеры определяется как средняя величина в четырех-пяти точках сечения. С этой целью зададимся пятью значениями отношения h / H : 0; 0,25;0,5;0,75; 1,0.
     Результаты расчетов представим в следующем виде:


-для (wос/vг) =0,1

  h/H    0   0,25 0,5  0,75  1,0 
  x1     0   0,95 1,89 2,83  3,78
  x2    7,56 6,63 5,65 4,73  3,78
ф( x1)  0,5  0,83 0,97 0,995  1  
Ф( x2 )  1    1    1     1    1  
   N    0,5  0,83 0,97 0,995  1  

      Среднее значение N;₍₁ составляет 0,86 (см. табл. П.2 приложения), а фракционный коэффициент очистки газа для частиц с размером dч = 60 мкм цф = 100(1 - 0,86) = 14%;
     -для (wос/vг) =0,2

10