Рассеивание вредных выбросов в атмосфере

Поступление вредных веществ в атмосферу за счет естественных про­цессов в природе примерно в 10 раз превышает выбросы от производ­ственной деятельности людей. Промышленные выбросы сосредоточе­ны обычно в густонаселенных промышленных районах. Поэтому рас­сеивание выбросов в атмосфере с помощью дымовых труб является составной частью проблемы защиты атмосферы.

В литературе, особенно в последнее время, часто высказывают мнения, согласно которым рассеивание вредных выбросов в атмосфе­ре малоэффективно, так как все равно вся выброшенная с дымовы­ми газами пыль рано или поздно осядет на землю; на землю же воз­вращаются и ядовитые газы, вымытые из атмосферы дождевыми осадками, а оставшиеся в атмосфере вредные вещества все равно будут причинять вред людям, животному и растительному миру. Та­кой взгляд на процесс рассеивания выбросов является ошибочным, он несовместим с реальным подходом к оздоровлению атмосферы. Эта ошибочная точка зрения могла возникнуть в результате недостаточной осведомленности в вопросах рассеивания вредных выбросов в атмосфере с помощью дымовых труб.

Комплексность рассмотрения проблемы защиты атмосферы пре­дусматривает применение одновременно трех мероприятий: снижение величины вредных выбросов путем усовершенствования технологи­ческих процессов, конструкций агрегатов и использования отходов; очистку технологических газов от вредных выбросов; рассеивание вредных выбросов в атмосфере при помощи дымовых труб [9].

Рассеивание вредных выбросов является очень сложным физическим процессом. В этом процессе имеют большое значение движение крупных воздушных масс (ветры), явления массообмена в атмосфере, а также ряд местных условий.

Основным источником энергии, вызывающим общую циркуляцию атмосферы, является тепло, излучаемое солнцем. Эта энергия, достиг­нув поверхности земли, превращается в тепло. Количество тепла, по­лучаемое земной поверхностью, зависит от широты и времени года.

Рассмотрим связь между распределением температуры по высоте атмосферы и рассеиванием загрязнителей. При вертикальном перемещении воздушных масс давление внутри них будет изменяться. При движении вверх оно будет уменьшаться, при движении вниз увеличиваться. Процесс этот является адиабатическим, поэтому движение воздуха вверх сопровождается охлаждением, а движение вниз нагреванием. Если при этом не происходит конденсации водяных паров, то при повышении на 100 м температура воздуха уменьшается на 1°С. Эта величина на­зывается сухоадиабатическим градиентом температуры [9].

Известно, что температура воздуха убывает с высотой. Градиент температур по высоте не постоянен и зависит от времени года, по­годы, характера местности и других причин. В приземном слое ат­мосферы иногда температура воздуха вверху больше, чем внизу. Такие случаи температурной инверсии встречаются довольно редко. Градиент температуры по высоте может быть равным сухоадиабатическому градиенту, быть большим или меньшим. В соответствии с этим можно наметить три характерных состояния атмосферы: без­различное, неустойчивое и устойчивое,

При безразличном состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры по величине равен сухоадиабатическому градиенту. При этом каждый элементарный объем воздуха при изменении своего по­ложения по высоте будет иметь ту же самую температуру и плот­ность, что и окружающая его атмосфера. Следовательно, если оп­ределенную массу воздуха вывести из состояния покоя, то условия равновесия не изменяются, и эта масса воздуха не будет стремиться перемещаться вверх или вниз. Графически безразличное состояние атмосферы показано на рис. 6.1, А.

При неустойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры превышает сухрадиабатический. В этом случае каждый опускающийся элемент объема воздуха будет всегда холоднее и тя­желее окружающей атмосферы и поэтому будет стремиться двигать­ся вниз. Вместе с тем каждый поднимающийся вверх элемент объе­ма воздуха будет всегда теплее и легче окружающей атмосферы, по­этому он будет стремиться продолжать свое движение вверх.

Таким образом, первоначальный импульс, сообщенный объему воздуха, будет в дальнейшем развиваться и движение будет тем ин­тенсивней, чем больше разность температур между этим объемом и окружающей его атмосферой. Графически неустойчивое состояние атмосферы представлено на рис. 6.1, Б. Неустойчивое состояние ат­мосферы способствует интенсивному рассеиванию вредных веществ.

При устойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент температуры меньше сухоадиабатического. При перемещении вниз элементарного объема воздуха его температура будет выше окружа­ющей атмосферы и он как более легкий будет стремиться подняться вверх и занять прежнее положение. При перемещении элементарного объема воздуха вверх его температура будет ниже, чем окружаю­щей атмосферы, его плотность будет большей и он будет стремиться опуститься вниз и занять прежнее положение.

Таким образом, при устойчивом состоянии атмосферы создаются неблагоприятные условия для перемешивания верхних и нижних слоев воздуха и рассеивания загрязнений. Устойчивое состояние ат­мосферы показано на рис. 6.1, В. Особо устойчивое состояние атмос­феры отмечается при так называемой температурной инверсии. При этом температура в приземном слое возрастает с высотой. Толщина инверсионного слоя может достигать нескольких сотен метров. При­чины возникновения температурных инверсий многообразны. Штили, сопровождающиеся плотными туманами, могут явиться причиной длительных приземных инверсий. В данном случае некоторая доля солнечного излучения задерживается туманом и не достигает поверх­ности земли. В результате слой воздуха у поверхности земли будет холоднее верхнего слоя, расположенного на высоте 100 - 150 м. Ин­версии такого рода могут продолжаться несколько дней.

Рисунок 6.1 - Рассеивание загрязнений в атмосфере:

А – при безразличном состоянии атмосферы; Б – при неустойчивом состоянии атмосферы; В – при устойчивом состоянии атмосферы; Г – при температурной инверсии; Д – при расположении устья трубы выше инверсионного слоя; а – температурный график; б – схема распространения загрязнений в атмосфере; 1 – изменение температуры; 2 – сухоадиабатический градиент.

Температурная инверсия может быть вызвана также испарением влаги после обильных осадков. Расход тепла на испарение может привести к понижению температуры почвы и похолоданию приземно­го слоя атмосферы. Температурная инверсия может произойти от перемещения больших масс воздуха. Когда опускающиеся массы воздуха приближаются к земле и растекаются на некотором от нее расстоянии, в горизонтальном направлении образуется обширная территория, занятая воздухом, нагретым от адиабатического сжатия. Если воздух в приземном слое холоднее, то наступает температур­ная инверсия атмосферы. Такие явления часто наблюдаются в цент­ральных районах континентов в период господства там антицикло­нов. В качестве примеров влияния метеорологических условий на рассеивание загрязнителей рассмотрим ряд типичных случаев.

Рассеивание загрязнителей при неустойчивом состоянии атмосфе­ры показано на рис. 6.1, Б. Происходит интенсивное перемешивание загрязнителя с окружающей атмосферой в результате перемещения воздуха в вертикальном направлении. Загрязнитель быстро перено­сится в верхние слои атмосферы и рассеивается.

Рассмотрим рассеивание загрязнителей при устойчивом состоя­нии атмосферы для трех вариантов.

1.Уменьшение температуры равномерно по высоте (см. рис. 6.1, В) способствуют загрязнению атмосферы. Шлейф дыма из заводских труб тянется без рассеивания на большую длину.

2.Если граница инверсинного слоя расположена выше дымо­вой трубы (рис. 6.1, Г), то это самый неблагоприятный случай. Под действием ветра факел загрязнителя перемещается горизонтально. Массообмен с атмосферой выше инверсионного слоя отсутствует. Загрязнитель перемешивается с воздухом, находящимся в инверсион­ном слое. При штиле, слабом ветре концентрация загрязнителя в приземном слоем атмосферы может достичь очень больших величин.

3.В том случае, когда граница инверсионного слоя расположе­на ниже дымовой трубы (рис. 6.1, Д), перемешивание загрязнителя с атмосферой (рассеивание) будет происходить над инверсионным слоем. В приземный слой загрязнитель в значительных количествах не проникает.

Распространение загрязнений в атмосфере связано с направлением и скоростью ветра, вертикальным градиентом температуры характером источников загрязнений и свойств загрязнителей, взаимодействием загрязнителей с поверхностью земли и выпадающими осадками.

Наблюдения и расчеты показывают, что вредные выбросы из ды­мовой трубы, распространяясь вдоль направления ветра, имеют раз­личную концентрацию в приземном слое атмосферы. На некотором расстоянии от дымовой трубы наблюдается максимальное значение концентрации загрязнителя.

Степень опасности загрязнения приземного слоя воздуха оцени­вается по наибольшей величине приземной концентрации загрязни­теля С_м, которая устанавливается на некотором расстоянии от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает «опасного» значения и имеет место интен­сивный вертикальный турбулентный массообмен. Максимальная при­земная концентрация загрязнителя С_м(мг/м³) от одиночного точеч­ного источника выброса при неблагоприятных атмосферных услови­ях определяется по формуле[9]

где - коэффициент, зависящий от распределения температуры по высоте атмосферы; - количество загрязнителя, выбрасываемого в атмосферу точечным источником, г/с; - высота источника выброса (дымовой трубы) над уровнем земли, м; - объем выбрасываемых дымовых газов, м³/с; - разность между температурой выбрасываемых дымовых газов Т_еи температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в, °С; - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере; - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода дымовых газов из устья дымовой трубы; – коэффициент, учитывающий рельеф местности.

ИНЕРЦИОННЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис.4, а) газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер.

Значение центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов u, м/с, можно определить по выражению

,

где r —плотность частицы, кг/м³.

Движению частицы к поверхности осаждения препятствует сила лобового сопротивления F_С, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется но закону Стокса:

,

где m - динамическая вязкость газа, Па×с.

Приравнивая выражения для F и F_C, определяется скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения:

,

где - время релаксации, с.

Временем релаксации называется время разгона частицы от нулевого до заданного значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа J) при постоянном значении ускорения а (в рассматриваемом случае а=u²/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды.

Рис.4. Циклонные золоуловители: а – принципиальная схема циклона; б – элемент батарейного циклона БЦУ типа “Энергоуголь”; в – батарейный циклон; 1 – входной патрубок запыленного газа; 2 – циклонный элемент; 3 – трубные доски; 4 – выходной патрубок очищенного газа; 5 – бункер для золы

Кинематический параметр для циклонных золоуловителей принимает вид

.

Параметр формы определяется исходя из рис.4, а:

,

где h – высота потока в циклоне, м, ;

D₀ - диаметр внутреннего цилиндра циклона,

u -число оборотов потока до выхода из циклона.

Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид

.

Вторая дробь в формуле определяется формой циклона - относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего к циклону патрубка.

Входящая в формулу времени релаксации динамическая вязкость m для условии золоулавливания меняется мало, составляя при температуре газов 150^О С в среднем 22×10^-6 Па×с.

В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклопов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500…700 Па.

В качестве элемента батарейных циклопов используется большое число модификаций:

· с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями;

· с тангенциальным подводом газа;

· прямоточные;

· др.

Широко применяются для энергетических установок элементы с тангенциальным улиточным подводом газа типа “Энергоуголь” с внутренним диаметром 231 мм (рис.4, б). Нормальный ряд таких циклонов для колов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в табл.4.

В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например, 4´14´m означает 4-ех секционный аппарат с 14-ю элементами в глубину с m элементами по ширине (их может быть от 7 до 24).

Расчет батарейного циклона

Расчет батарейного циклона рекомендуется проводить в следующей последовательности.

1. Определяется расход газов, м³/с, при котором обеспечиваются оптимальные условия работы циклонного элемента, по формуле

,

где w_ОПТ – оптимальная скорость потока в элементе, м/с (табл.4);

D – внутренний диаметр элемента, м.

Таблица 4

Технические характеристики батарейных циклонов
серийного изготовления

Тип циклона, завод изготовитель, ОСТ или ТУ	Число элементов в секции n, шт.	Оптимальная скорость газа в элементе w, м/с	Производительность по газу одной секции Q, м3/с	Коэффициент сопротивления x	Область промышленного применения
ЦБ-254Р, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77, ОСТ 26-14-2003-77	25, 30, 40, 50, 60, 80	4,5	5,6…16,2		Очистка газа при температуре до 400 ОС
ЦБ-23IV, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77	12, 16, 20, 25, 30, 42, 56, 63	4,5	2,2…11,7		То же
ЦБ-2, Кусинский машиностроительный завод, ОСТ 108-033 взамен ОСТ 24-03-001	20, 25, 30	4,5	4,84…13,6		Очистка газа при температуре до 150 ОС
ПЦБ, карагандинский машиностроительный завод №2, ТУ 12-44-21-038-75	24, 36, 48, 96	3,5	4,2…15,7		Очистка газа при температуре до 120 ОС. Аппараты выпускаются во взрывобезопасном исполнении

2. Число циклонных элементов, необходимое для оптимальной работы батарейного циклона, определяется как

,

где Q – общий расход газа, м³/с.

3. По табл.4 подбирают батарейный циклон с ближайшим к n_ОПТ количеством циклонных элементов n. Число элементов выбранного батарейного циклона n желательно выбрать таким, чтобы оно не более чем на 10% отличалось от n_ОПТ.

Далее определяют действительную скорость потока в элементе, w, м/с:

.

4. Потери давления (аэродинамическое сопротивление) в батарейном циклоне, Па:

,

где x - коэффициент гидравлического сопротивления, принимается по табл.4.

5. Необходимая площадь сечения батарейного циклона определяется по выражению:

,

где Z – число батарейных циклонов на котел;

V – количество очищаемого газа при нормальной нагрузке котла, м³/с.

6. Параметр улавливания определяется по приближенному выражению:

,

где d_i – средний диаметр фракции, мкм;

u_Д – скорость газов м/с.

6. По параметру П_i определяется степень уноса каждой фракции (по выражению e_i=exp(-П_i)), а затем общая степень уноса золоуловителя:

,

где k – число фракций.

Положительный опыт длительной эксплуатации батарейных циклонов на многих электростанциях позволяет рекомендовать их для ряда случаев, в частности для очистки:

· дымовых газов от золы при сжигании малозольных топлив, главным образом – бурых углей;

· рециркуляционых газов котлов от золы с целью защиты дымососов системы рециркуляции от износа;

· сушильного агента от невзрывоопасной угольной пыли, например марок АШ, в системах подготовки топлива.