Эффективный контроль пылевых выбросов в сталелитье: защита качества воздуха

Контроль загрязнения воздуха — контроль пылевых выбросов

На сталелитейных заводах множество металлургических процессов протекают при высоких температурах. Многие из них оперируют сырьём в виде мелких фракций. Все эти процессы склонны выбрасывать в атмосферу загрязняющие газы и пыль, ухудшая качество воздуха вокруг завода. Для улучшения и защиты качества воздуха применяются различные газоочистные устройства.

Раньше, на протяжении многих лет, газоочистное оборудование устанавливали только на процессах с очень высокими или токсичными выбросами, а также там, где была ценность улавливаемых веществ. Сегодня, с ужесточением экологического законодательства и растущей общественной озабоченностью, сталелитейная отрасль вынуждена контролировать выбросы во всех зонах и устанавливать оборудование для снижения выбросов до минимально возможных уровней. Газоочистное оборудование делится на два типа: (1) для пылевых выбросов и (2) для газовых выбросов. Статья посвящена системам контроля пылевых выбросов.

Эволюция нормативов по пылевым выбросам

За последние тридцать годы нормативы по пылевым выбросам постепенно сместились от регулирования крупных частиц (общий взвешенный вещество — TSP) к регулированию очень мелких частиц в диапазонах PM10 и PM2.5. Смещение произошло потому, что исследования влияния на здоровье показали, что именно мелкие частицы наиболее тесно связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья.

История регулирования

Регулирование пылевых выбросов восходит к ранним стадиям промышленной революции. Уже в 1600-х годах люди видели связь выбросов пыли с осадением твердых частиц, загрязнением тканей, коррозией материалов и потемнением зданий. С развитием технологий и общественного осознания стало ясно, что пыль также способствует заболеваниям лёгких.

В конце 1940-х несколько типов систем контроля пыли эволюционировали от примитивных конструкций к современным высокоэффективным системам. Например, электрофильтры (ЭФ) развились от однозонных трубчатых блоков для улавливания кислотной туманности до однозонных и двухзонных пластинчатых précipитаторов. Вентюри-скрубберы также начали применяться для контроля пыли. Эти системы устанавливались в основном для минимизации неудобств от пыли.

Классификация пылевого вещества

• Первичное пылевое вещество — выбрасывается напрямую в атмосферу. Было фокусом всех мер до 1997 г. Частицы от <0,1 мкм до >100 мкм, но большинство — крупнодисперсные.
• Вторичное пылевое вещество — образуется в атмосфере вследствие реакций газообразных предшественников. С введением стандарта PM2.5 (мелкие и ультрамелкие частицы) внимание к вторичному ПВ выросло. Образование может создавать новые частицы или наращивать существующие. Газы-предшественники: SO₂, NOₓ, аммиак, ЛОС. Большинство — антропогенные, но биогенные источники тоже вносят вклад.

Вторичное ПВ подразделяется на: (1) конденсацию выделяющихся паров из антропогенных и биогенных источников; (2) атмосферные реакции газообразных предшественников. ЛОС и серная кислота — примеры веществ, конденсирующихся в вторичное ПВ. Они проходят через газоочистные системы в паровом виде, но могут конденсировать в окружающем воздухе, образуя частицы, фиксируемые выборкой. Относительная важность конденсационного ПВ только начинает оцениваться.

Механизмы образования частиц

Диапазон размеров частиц зависит от механизмов их образования. Основные механизмы в источниках загрязнения воздуха:

1. Физическое изнашивание / механическое рассеивание
2. Сгорание топлива (combustion particle burnout)
3. Однородная конденсация
4. Гетерогенная нуклеация
5. Испарение капель

Физическое изнашивание — при трении двух поверхностей. При впрыске топливных частиц в горячую зону горения большинство органических соединений испаряется и окисляется в газовом потоке. Частицы уменьшаются при уходе летучих веществ, быстро редуцируют до негорючих веществ (золы) и медленно горящего кокса. В итоге окисление оставляет в основном негорючий материал. Частицы, начинавшиеся как 100–1000 мкм, редуцируют до зольных и коксовых частиц 1–10 мкм. Этот механизм — сгорание топлива.

Однородная и гетерогенная нуклеация — превращение паров в пыль. Однородная — образование новых частиц почти полностью из парового вещества. Гетерогенная — накопление материала на поверхностях частиц, образованных другими механизмами. В обоих случаях газовые потоки с парами должны остыть до температуры нуклеации.

Некоторые газоочистные системы используют воду, рециркулируемую из мокрых скрубберов, для охлаждения газов. Это случайно создаёт ещё один механизм образования частиц, похожий на сгорание топлива. Потоки воды аटомизируются при впрыске в горячий газ. При испарении капель до сухости взвешенные и растворённые твердые вещества выделяются как мелкие частицы. Размер частиц этим механизмом слабо изучен, вероятно, 0,1–2,0 мкм.

Силовые механизмы улавливания частиц

Газоочистные системы прилагают силы к частицам для их удаления из газового потока. Силы — «инструменты» сбора. Все силы сильно зависят от размера частицы:

1. Гравитационное осаждение
2. Инерциальное импактирование и перехват
3. Броуновское движение частиц
4. Электростатическое притяжение
5. Термофорез
6. Диффузиофорез

Применение одной или нескольких сил (электростатической, инерциальной) ускоряет частицу в направлении, где её можно уловить. Степень ускорения задаётся уравнением F = Mp × Ap, где F — сила на частице (г·см/с²), Mp — масса частицы (г), Ap — ускорение (см/с²). Устройства проектируются для максимальной силы на частицах. Чем больше ускорение частицы (или агломерата), тем эффективнее и экономичнее устройство.

Три основных этапа сбора в высокоэффективных системах

Для тканевых фильтров и электрофильтров:

1. Первичный захват частиц на вертикальных поверхностях
2. Гравитационное осаждение твердых частиц в бункер
3. Удаление твердых частиц из бункера

Механизмы сбора контролируют эффективность первых двух этапов. Распределение частиц по размерам важно на каждом этапе.

Всё оборудование для контроля пылевых выбросов собирает пыль механизмами с приложенной силой. Основные типы: осадочные камеры, циклоны, тканевые фильтры, электрофильтры. Механизмы удаления пыли и приложенные силы показаны на рис. 1.

Осадочные камеры

Один из первых устройств для контроля пылевых выбросов. Сегодня редко используется из-за очень низкой эффективности. Силой сбора является гравитация. Крупные частицы, движущиеся достаточно медленно, преодолеваются гравитацией и оседают в камере.

Конструкция: длинный горизонтальный ящик с входом, камерой, выходом и бункерами сбора пыли. Скорость пыленосного газа снижается в камере. Все частицы подвергаются гравитации. При сниженной скорости крупные частицы (>40 мкм) оседают в бункеры. Основное применение — предочиститель для других устройств для удаления очень крупных частиц. Рис. 2 показывает простую конструкцию.

Циклоны

Простые механические устройства для удаления относительно крупных частиц из газовых потоков. Используются как предочистители для более сложного оборудования (ЭФ, тканевые фильтры). Эффективнее осадочных камер.

Механические устройства используют инерцию частиц для сбора. Пыленосной газ заставляют вращаться по циклону. Масса частиц заставляет их двигаться к внешней стенке вихря. Крупные частицы попадают в бункер под циклоническими трубами, газ поворачивается и выходит.

Два основных типа: (1) крупнодиаметровые циклоны (300 мм – 2 м), (2) малодиаметровые мультициклоны (80–300 мм).

Газ входит тангенциально, создавая слабый вихрь. Крупные частицы движутся к стенке, теряют кинетическую энергию, отделяются от газа и под действием гравитации падают в бункер. Вход циклона переводит прямой поток в круговой для формирования вихря.

В мультициклонах аксиальные циклоны работают параллельно. Газ входит сверху и направляется в вихрь лопатками на центральной трубе. Грязный газ равномерно распределяется по всем циклонам. Устройства показаны на рис. 3.

Тканевые фильтры (мешковые фильтры)

Используют фильтрующий материал (нейлон, шерсть и др.) для удаления частиц из пыленосных газов. Частицы задерживаются на ткани, чистый газ проходит сквозь неё. Собранная пыль удаляется механической тряской или воздушно-импульсной очисткой в сборный бункер. Таблица 1 показывает типичные ткани для мешков.

Таблица 1 Типичные ткани для мешковых фильтров
Волокно	Макс. температура		Кислотностойкость	Щёлочностойкость	Износостойкость при изгибе
	Непрерывная	Кратковременные пики
	°C	°C
Хлопок	82	107	Плохая	Очень хорошая	Очень хорошая
Полипропилен	88	93	Хорошая–отличная	Очень хорошая	Отличная
Нейлон	93–107	121	Плохая–удовл.	Хорошая–отличная	Отличная
Орлон	116	127	Хорошая–отличная	Удовл.–хорошая	Хорошая
Дакрон	135	163	Хорошая	Хорошая	Очень хорошая
Номех	204	218	Плохая–хорошая	Хорошая–отличная	Отличная
Тефлон	204–232	250	Отличная (кроме фтора)	Отличная (кроме трифторида, хлора, расплавл. щелочных металлов)	Удовл.–хорошая
Стекловолокно	260	288	Удовл.–хорошая	Удовл.–хорошая	Удовлетворительная

В мешковых фильтрах три силы отвечают за удаление частиц: импактирование, прямой перехват, диффузия.

• Импактирование — частица слишком велика, чтобы следовать за газовым потоком, ударяется в волокно и отделяется.
• Прямой перехват — частица следует за потоком вокруг волокон до столкновения, когда расстояние от центра частицы до волокна меньше радиуса частицы.
• Диффузия — очень мелкие частицы испытывают броуновское движение, случайно сталкиваются с молекулами газа, диффундируют к волокну и улавливаются.

Мешковые фильтры обычно содержат много цилиндрических мешков, висящих вертикально. При накоплении пыли до достаточной толщины мешки очищаются, пыль сыпется в бункер. Три основных метода очистки: тряска, обратная продува воздухом, импульсный струйный (плюс-джет).

• Механическая тряска — мешки мягко трясутся приводной системой.
• Обратная продувка — отсек фильтра промывается низконапорным потоком воздуха. Пыль удаляется простым обвалом мешков.
• Импульсная струйная очистка — самый популярный. Использует высоконапорный струйный воздух. Пылевой кек снимается взрывом сжатого воздуха, вводимого в верх мешка. Ударная волна заставляет мешок сгибаться/расширяться по мере прохождения. При сгибании кек трескается, частицы опадают. Волна проходит вниз и обратно за ~0,5 с. Импульс должен быть достаточно сильным, чтобы пройти длину мешка и расколоть кек.

Мешки имеют ресурс и требуют замены. Три неблагоприятных фактора: абразия, высокая температура, химическая атака.

Важная проектная переменная — отношение воздух/ткань. Слишком высокое отношение вызывает избыточные потери давления, снижение эффективности, забивание мешков пылью, быстрое изношение. Рис. 4 показывает импульсный мешковый фильтр.

Электрофильтр (ЭФ)

Собирает частицы диаметром 0,1–10 мкм. Использует неоднородные высоковольтные поля для наложения больших электрических зарядов на частицы. Заряженные частицы движутся к нагрузке с противоположным зарядом, где накапливаются. Эффективность высокая, часто >99%. Работает с большими объёмами выхлопных газов при 175–700 °C.

Три основных типа: (1) отрицательно заряженные сухие, (2) отрицательно заряженные влажностенные, (3) положительно заряженные двухстадийные. Сухие отрицательные — чаще всего на крупных объектах. Влажностенные — для туманов и умеренно липких материалов. Двухстадийные положительные — только для туманов. Рис. 5 показывает ЭФ и принцип работы.

Принцип работы

Механизм сбора — электростатическая сила. Пыль в дымовых газах заряжается при прохождении через ЭФ. На систему электродов (тонкий разрядный и собирающий) подаётся высокое пульсирующее постоянное напряжение. Разрядный электрод обычно отрицательный, собирающий — заземлённый. Напряжение повышают до коронного разряда (светло-синее свечение вокруг разрядного электрода). Корона ионизирует газа. Отрицательные ионы мигрируют к заземлённому собирающему электроду, бомбардируют частицы в газовом потоке, придают им отрицательный заряд. Заряженные частицы мигрируют к собирающему электроду и собираются.

Шесть основных элементов ЭФ

1. Разрядный электрод (тонкий металлический провод) — ионизирует газ, заряжает пыль, создаёт сильное поле.
2. Собирающий электрод (плоская пластина или труба с противоположным зарядом) — собирает заряженные частицы.
3. Электрическая система — высоковольтные компоненты для управления силой поля.
4. Вибратор (rapper) — вибрация/удар для сброса собранной пыли с электродов.
5. Бункер — внизу ЭФ для сбора и временного хранения пыли при вибрации.
6. Оболочка — ограждает электроды, поддерживает конструкцию.

Влияние удельного сопротивления пыли

Удельное сопротивление драматически влияет на эффективность. Описывает сопротивление собранного пылевого слоя прохождению тока. Частицы с высоким сопротивлением труднее собирать. Высокое сопротивление снижают регулировкой температуры и влажности дымовых газов на входе. Но температура должна быть выше точки росы, иначе — коррозия пластин.

Удельная собирающая площадь

Важный параметр проектирования — отношение площади собирающего электрода к расходу газа в ЭФ. Увеличение площади при заданном расходе обычно повышает эффективность.