Курсовая работа (т): Системы защиты среды обитания

Системы защиты среды обитания

Введение

Во многих процессах производства получают или перерабатывают различные промышленные газы, а в некоторых технологических процессах газы образуются как отходы производства и выбрасываются в атмосферу.

В большинстве случаев промышленные газы (к которым относят также воздух в производственных помещениях) содержат мелкие твердые частицы (пыль) или жидкие частицы (туман) различных веществ, от которых по тем или иным причинам газы должны быть очищены.

Так, например, обжиговые газы сернокислотных заводов, используемые для производства башенной серной кислоты, необходимо очищать от огарковой пыли во избежание засорения башен и загрязнения продукционной кислоты. Эти же газы, поступающие на производство контактной серной кислоты, приходится, кроме того, очищать от тумана серной кислоты, мышьяка и селена, являющихся ядами для катализаторов контактных аппаратов.

Газы в производстве сажи, в процессе крекинга нефтепродуктов с пылевидными катализаторами, газы на заводах цветной металлургии и др. необходимо очищать для извлечения ценных продуктов, содержащихся в них в виде пыли.

Дымовые газы электростанций, работающих на твердом топливе, приходится очищать перед выбросом их через дымовые трубы с тем, чтобы предотвратить загрязнение золой атмосферного воздуха и окружающей территории.

Атмосферный воздух, поступающий в установки кондиционирования и в кислородные станции, в вентиляционные устройства электрогенераторов и крупных электродвигателей, в цехи производства фотокинопленки и др., необходимо очищать от микроскопических частиц атмосферной пыли, спор плесени, грибков и т. д.

Таким образом, почти в любой отрасли современной промышленности приходится очищать различные газы от пыли или туманов, Во многих случаях очистке подвергаются миллионы кубометров промышленных газов в час, а извлекается из них десятки тонн пыли или жидкости в час.

Так, например, из одной вращающейся печи для обжига клинкера производительностью 50 т/час выбрасывается в атмосферу около 500 тыс. м³ газов в час с содержанием 11 т пыли. Ежегодно с газами одного сажевого завода средней мощности выносится из печей 15-20 тыс. т сажи.

Выброс в атмосферу таких больших количеств газов без очистки недопустим прежде всего по санитарно-гигиеническим соображениям, не говоря уж о необходимости исключить потери в ряде случаев ценной продукции.

Одним из наиболее совершенных способов очистки промышленных газов от пыли и туманов является электрическая очистка в электрофильтрах, которая получила промышленное значение примерно в двадцатых годах этого столетия.

В СССР первый электрофильтр был сооружен в 1925 г. на заводе "Красный выборжец" в Ленинграде для улавливания из отходящих газов окиси цинка. Затем в 1926 г. была спроектирована и сооружена установка с электрофильтром на заводе "Победа рабочих" в Ярославле также для улавливания окиси цинка.

1. Характеристика процесса электроочистки газов

Электрическая очистка газов имеет следующие основные особенности:

) в зависимости от конкретных условий и требований можно сконструировать электрофильтры на любую степень очистки газов (до 99% и даже 99,9%) и на широкий диапазон производительности - от нескольких м³/час до нескольких миллионов м³/час;

) электрофильтры обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением из всего известного оборудования для очистки газов. В электрофильтрах конструкции института Гипрогазоочистка перепад между давлением во входном и выходном газоходах равен 5-15 мм вод.ст;

) электрофильтры конструируются для работы как при атмосферном .давлении, так и при давлениях выше и ниже атмосферного;

) концентрация взвешенных частиц в очищаемых газах может колебаться от долей г/м³ газа до 50 г/м³ и более, а их температура может достигать 500°С и выше. Очистка газов может быть как сухой, так и мокрой;

) электрофильтры улавливают частицы размером от 100 до 0,01 мк.;

) электрофильтры могут выполняться из материалов, стойких к кислотам, щелочам и другим агрессивным веществам;

) процесс очистки газов в электрофильтрах может быть полностью автоматизирован;

) расход электроэнергии на очистку газов обычно меньше, чем при применении газоочистных аппаратов других типов;

Однако нельзя считать, что электрофильтры пригодны для любых условий, так как им присущи и недостатки:

В электрофильтре могут осаждаться только вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, т. е. в виде пыли или тумана, но с помощью электрофильтра нельзя отделить один газ от другого или от пара без предварительной конденсации этого пара в возгон или туман или без применения предварительной химической реакции.

Некоторые продукты обладают такими физико-химическими свойствами, которые исключают возможность эффективного улавливания взвешенных частиц этих продуктов в электрофильтрах.

Примером этому является активная сажа, легкая по весу, обладающая очень малым удельным электрическим сопротивлением и состоящая из чрезвычайно мелких частиц. Частицы сажи легко заряжаются и осаждаются, но так как они электропроводны, то после соприкосновения с осадительным электродом теряют электрический заряд и в результате не пристают к осадительной поверхности, а перезаряжаются, отталкиваются от нее и увлекаются газовым потоком, выходящим из электрофильтра. Другим примером плохо улавливаемой пыли может служить возгон окиси цинка, также очень дисперсный, но обладающий, наоборот, высоким удельным электрическим сопротивлением, "благодаря чему "гасится" коронный разряд.

Эффективность работы электрофильтра зависит от режима его эксплуатации.

Например, электрофильтр, улавливающий золу из дымовых газов электростанции, использующей подмосковный уголь, работает неустойчиво с эффективностью 80-85 % при температуре газов 170-180 °С. При температуре газов 130-150 °С тот же электрофильтр работает вполне устойчиво и улавливает 95-97 % золы. Объясняется это следующим. При температуре газов выше 160 °С улавливаемая зола имеет удельное электрическое сопротивление 2·10¹⁰ ом·см и более, что вызывает в электрофильтре явление "обратной короны", которое препятствует осаждению. При температуре ниже 160 °С на частицах золы происходит конденсация SO₃, содержащегося в дымовых газах, и сопротивление слоя улавливаемой золы на осадительных электродах падает ниже 2 • 10¹⁰ ом•см явление "обратной короны" прекращается и эффективность электрофильтра резко повышается.

На одном из металлургических заводов в скруббере-электрофильтре очищалось в час 30000-39000 м³ доменного газа от колошниковой пыли до остаточного содержания пыли 15- 20 мг/нм³. Небольшое увеличение подачи газа на очистку приводило к значительному повышению содержания пыли в очищенном газе. Для усиления очистки был установлен перед скруббер-электрофильтром турбулентный промыватель газа (труба Вентури), после чего через скруббер-электрофильтр стали пропускать 50000-70000 м³ газа в час, а содержание пыли в очищенном газе снизилось до 8-10 мг/нм³. Это показывает, что подготовка газа перед электрофильтром в турбулентном коагуляторе, заключающаяся в укрупнении взвешенных частиц, дала возможность в 1,5-2,0 раза увеличить производительность электрофильтра и в то же время примерно в два раза снизить содержание пыли в чистом газе.

Стоимость электрофильтра выше стоимости других аппаратов, которыми его в ряде случаев можно заменить. Поэтому если газы имеют невысокую температуру, а улавливаемый материал сухой и не вызывает коррозию, то целесообразнее использовать для очистки рукавный фильтр, который дешевле электрофильтра; если же материал грубый, то его можно очищать с меньшими затратами в циклонном пылеуловителе (однако оба эти аппарата обладают большим гидравлическим сопротивлением, чем электрофильтр).

Вместе с тем следует подчеркнуть, что при правильном выборе электрофильтра, эксплуатации его в оптимальном технологическом режиме и соответствующем для данных условий электрическом режиме питания электрофильтр по всем показателям в большинстве случаев превосходит газоочистные и пылеулавливающие аппараты всех известных типов.

Особенно высокого эффекта по очистке газов можно добиться, применяя электрофильтры в комбинации с другими аппаратами газоочистки или подготовки очищаемых газов.

Процесс электрического улавливания частиц состоит из следующих стадий: зарядка взвешенных частиц; движение заряженных частиц к электродам; осаждение и удаление частиц. На первой стадии частицы пропускают через корону постоянного тока, специально создаваемую на одном из электродов установки электростатического осаждения пыли (рисунок 1).

В принципе возможно использование как положительной, так и отрицательной короны, однако для промышленной газоочистки (кроме кондиционирования воздуха) предпочтительнее отрицательная корона, так как она более стабильна и позволяет получать высокие напряжение и ток.

Характеристики короны зависят от многих факторов: конфигурации электродов и расстояния между ними, состава газов, давления, температуры, концентрации пыли и размера частиц, наличия осадка на электродах, электропроводности осаждаемой пыли. Кроме того, имеет значение и характер электропитания. Обычно максимальное напряжение короны при расстоянии между электродами 100 - 150 мм составляет 40 - 80 кВ, плотность короны в зависимости от природы пыли и состава газа 0,1 -1 мкА/м². Общий характер вольтамперных характеристик положительной (1) и отрицательной (2) корон показан на рисунке 2.

- трубчатый осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 - свечение короны, содержащей положительные ионы и свободные электроны;

- область отрицательного ионообменного заряда.

Рисунок 1 - Схема коронного заряда

- отрицательная корона в воздухе; 2 - положительная корона в воздухе.

Рисунок 2 - Вольтамперные характеристики положительной и отрицательной корон в воздухе

Перенос заряда начинается при некотором критическом напряжении U₀ называемом напряжением зажигания короны.

При описании процесса зарядки частиц в поле короны большинство исследователей исходят из существования двух механизмов: ионного и диффузионного. Первый состоит в зарядке ионами, движущимися под действием внешнего электрического поля, а второй обусловлен диффузией ионов, скорость которой зависит от энергии теплового движения. Считается, что действие электрического поля распространяется на частицы с размерами менее 0,5 мкм, а процессов диффузии - на частицы с размерами менее 0,5 мкм.

1.1 Общие сведения об устройстве и работе электрофильтров

Электрофильтры на предприятиях цветной металлургии применяются для улавливания частиц пыли, а иногда и капель жидкости, взвешенных в газовом потоке. Процесс улавливания включает зарядку частиц, поступающих на электрофильтр, последующее их выделение из потока на предусмотренные для этого поверхности осаждения и удаления постепенно накапливающегося на этих поверхностях пылевого слоя.

Как зарядка, так и осаждение частиц в электрофильтрах производятся с помощью электродной системы, соединенной с источником высокого напряжения. На рисунке 3 схематически показаны два типа электродных систем. Первая (рисунок 3 а) состоит из заземленной трубы 1, по оси которой натянута проволока 2, а вторая (рисунок 3 б) - из плоских металлических заземленных листов 3, между которыми также размещается проволока 2. В обоих случаях проволока присоединена к регулируемому источнику высокого напряжения 4, в результате чего между ней и зеземленными деталями 1 и 3 возникает электрическое поле, обеспечивающее создание коронного разряда, необходимого для зарядки частиц, поступающих с очищаемым газом, и осаждение этих частиц (после их зарядки) на заземленные детали 1 и 3.

а - трубчатый электрофильтр; б - пластинчатый электрофильтр; 1 - заземленная труба; 2 - проволока; 3 - плоские металлические заземленные листы; 4 - регулируемые источники высокого напряжения.

Рисунок 3 - Два типа электродной системы

Одним из условий создания в электрофильтре коронного разряда является местное резкое увеличение напряженности электрического поля или, как говорят в таких случаях, создание электрического поля большой неоднородности. Проволока, находящаяся под высоким напряжением, создает такую неоднородность - напряженность поля вблизи ее поверхности резко возрастает. Поэтому проволока 2, позволяющая выполнить одно из условий развития коронного разряда, получала название коронирующего электрода. В качестве коронирующих могут быть использованы детали и иной конфигурации.

Коронный разряд в газе связан с упорядоченным переносом электрических зарядов ионами. Если к коронирующим электродам 2 подведено напряжение отрицательного знака, то движущуюся в электродной системе газовую среду будут пересекать в основном потоки отрицательных ионов. Соответственно взвешенные в газе частицы пыли получат отрицательный заряд. В этом случае говорят, что в электрофильтре действует отрицательная корона. Если же к коронирующим электродам подведено напряжение положительного знака, то газовую среду будут пересекать в основном потоки положительных ионов и соответственно частицы получают положительный заряд. В этом случае говорят о положительной короне в электрофильтре.

Вследствие того, что в электрофильтре заряд частиц и потенциал коронирующих электродов имеют одинаковый знак, частицы под действием электрического поля движутся к заземленным деталям 1 и 3, осаждаясь на их поверхности. В связи с этим детали 1 и 3 электродной системы получили название осадительных электродов. При использовании осадительных электродов 1 электрофильтр называют трубчатым, а при использовании осадительных электродов 3 - пластинчатым. В конструкциях осадительных электродов наблюдается большое разнообразие. Так, электроды 1 могут выполняться не цилиндрическими, а многогранными, пластины электродов 3 часто делаются в виде набора профилированных вертикально подвешенных полос, в виде решеток из прутков, в виде металлических сеток и т.д.

Для того чтобы заряженные частицы интенсивно двигались к осадительному электроду, необходимо большое среднее значение напряженности поля на участке между коронирующими и осадительными электродами. Поскольку среднее значение напряженности обратно пропорционально расстоянию между коронирующим и осадительным электродами, то это расстояние, часто называемое разрядным промежутком, стремятся сделать относительно малым, обычно порядка 0,1 - 0,2 м при напряжении источника питания 25 - 50 кВ. Однако при ограничении разрядного промежутка пропускная способность каналов, образованных осадительными электродами, оказывается небольшой, и поэтому промышленный электрофильтр, рассчитанный на очистку большого количества газов, должен состоять из множества таких каналов, расположенных параллельно и объединенных одним общим корпусом.

Оптимальный электрический режим работы электродной системы зависит от концентрации и дисперсного состава пыли, взвешенной в газе. Поскольку газ, проходя через электродную систему, постепенно очищается и соответственно постепенно меняется концентрация и дисперсный состав этой пыли, часто оказывается выгодным разбивать электродную систему на несколько последовательно расположенных по ходу газа участков, каждый из которых имеет свой высоковольтный источник питания. Такой участок электрически независимый от других, называется полем электрофильтра. На рисунке 4 показан продольный разрез пластинчатого фильтра с тремя полями, объединенными одним корпусом.

Заряженная частица в канале электрофильтра участвует в двух движениях: она перемещается вместе с газом к выходу из аппарата со средней скоростью, равной скорости газа, и одновременно со скоростью, называемой скоростью дрейфа, движется в направлении к осадительному электроду. Чем больше скорость дрейфа и чем больше время пребывания частиц в электрофильтре, тем выше эффективность электрического пылеулавливания.