10040

и водяного пара, Дж/(кг∙K).

Минимально допустимая температура газов устанавливается с учетом гигроскопических свойств улавливаемой пыли. Для угольной, сланцевой пыли,

золы и других негигроскопических пылей [7]:

1.2.Свойства дисперсных материалов

1.2.1.Источники пылеобразования

При переработке сырья, получении полуфабрикатов и готового продукта в промышленности образуются пыли – взвешенные в газах мелкодисперсные твердые частицы. Отходящие промышленные газы, содержащие пыли, подвер-

гают пылеулавливанию. При переработке сырья, например каменного угля, кол-

чедана, руды, пыль образуется при его измельчении. Пылевидные полуфабрика-

ты используют в лакокрасочной промышленности – пигменты красок, в резино-

технической промышленности сажу и т.д.

Пыль образуется также при получении и транспортировке готового про-

дукта: цементная пыль в производстве цемента, пыль железных окатышей в горно-металлургической промышленности, тонкодисперсные пыли в производ-

стве минеральных удобрений и сыпучих продуктов химической, химико-

фармацевтической и других отраслей промышленности.

На размер и концентрацию частиц пыли в газах существенное влияние оказывает технология получения продукта. Пылеобразование может происхо-

дить при механическом измельчении твердых материалов (дробление, истира-

ние), а также при пересыпке и транспортировке сыпучих материалов. Размеры частицы пыли при этом составляет 5÷100 мкм и более. Пыль также образуется в

химико-термических процессах (конвертерная выплавка стали, меди и других

9

металлов, процессы в доменных и шахтных печах, в печах для обжига колчеда-

на, в сажевых генераторах). Пыль может выделяться в результате физических процессов, например конденсации паров с получением жидких или твердых дисперсных продуктов. Примерами взвесей пыли при конденсации являются туман смол, образующийся в генераторных и коксовых газах, пыль цветных металлов (олова, цинка, сурьмы, свинца и др.) в цветной металлургии. При этом размеры частиц составляют менее 5 мкм. Характеристики промышленных пы-

лей приведены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика промышленных пылей

1.2.2. Физико-химические свойства пылей

На эффективность пылеуловителей значительно влияют физико-хими-

ческие свойства улавливаемой пыли. Степень очистки газа зависит также от дисперсного состава и плотности частиц пыли. Для правильного выбора пыле-

улавливающего оборудования необходимо учитывать и другие свойства пыли.

Так, например, слипаемость пыли, склонность ее к истиранию или способность

10

образовать статические заряды существенно влияют на выбор типа пылеулови-

теля. Поэтому в общем случае необходим предварительный комплексный ана-

лиз пыли как объекта улавливания. При таком анализе, кроме дисперсного со-

става пыли и плотности ее частиц, определяют упругость, твердость, абразив-

ность, гигроскопичность, химический состав, термическую стойкость, токсич-

ность, электрические и магнитные свойства, шероховатость поверхности, фор-

му, угол естественного откоса слоя пыли и т.д.

Дисперсность является одним из важнейших свойств, характеризующих пылевидные материалы. Знать степень дисперсности промышленных пылей необходимо для выполнения расчетов пылеуловителей и оценки их эффектив-

ности пылеулавливания. Дисперсность характеризуется диаметром (для сфе-

рических частиц); эквивалентным диаметром δэ (для частиц произвольной фор-

мы), и удельной поверхностью частиц (s).

Для учёта отклонения формы реальных частиц от сферической вводят ко-

эффициент несферичности ƒч, т.е. отношение поверхности частицы Sч к по-

верхности сферы, эквивалентной ей по объему. Иногда используют обратную величину коэффициент сферичности. Для различных дисперсных материалов значения этих коэффициентов приведены в литературе [1, 9, 10].

Удельная поверхность частиц (отнесенная к единице объема) правильной сферичной формы равна:

Для полидисперсной (состоящей из частиц различных размеров) пыли ха-

рактеристикой дисперсности является не только размер частиц, но и число или масса одинаковых частиц каждого размера (фракций). Дисперсный состав пыли записывают в виде таблиц экспериментальных данных, представляющих собой содержание отдельных фракций с указанием размеров частиц на границах. Для ситового анализа граничными размерами являются размеры двух смежных сит.

11

Проходом D, %, называется выраженная в процентах доя массы пыли,

прошедшей через сито заданного размера. Остатком R называется доля массы пыли, оставшаяся на сите. Пример дисперсного состава пыли в виде фракций

Ф, %, от общей массы пыли, проход D и остатка R, %, приведен в таблице 4.

Гистограммы зависимости Ф от размера частиц представлены на рисунке

2а (кривая l). Дифференциальная кривая распределения частиц по их размерам,

полученная делением процентного содержания каждой фракции на разность граничных размеров частиц фракции, представлены на рисунке 2а (кривая 2).

Интегральные кривые R и D, построенные по данным таблице 2, изобра-

жены на рисунке 2б. Эти кривые в вероятностно-логарифмической системе ко-

ординат имеют вид прямых линий (рис. 2в). Если ввести параметры х:

где δ50 – медианный размер частиц, мкм, соответствующий содержанию 50 %

остатка; lgσ – среднеквадратическое отклонение lgδ от среднего значения.

Тогда зависимость D(δ) можно представить как функцию нормального

распределения [1, 2]:

Значения параметра х функции D, определяемого этим уравнением, при-

ведены в таблице 5. Дисперсный состав большинства промышленных пылей в вероятностно-логарифмической системе координат приобретает вид прямой ли-

нии, т.е. для его изображения достаточно знать параметры двух точек, либо од-

ной точки и тангенс угла наклона линии.

12

Рис. 2. Кривые фракционного распределения частиц дисперсного материала по размерам: а – распределение по фракциям (кривая 1) дифференциальная кривая распределения (кривая 2); б – интегральное распределение в линейной системе координат; в – интегральное распределение в вероятностно-логарифмической системе координат.

Плотность – это важный физический параметр частиц пыли, от которого зависит эффективность работы пылеуловителей. Чем больше плотность пыли,

тем более эффективно проходит сепарация ее частиц под действием силы тяже-

сти, а также инерционных и центробежных сил. Так как помимо воздушных пу-

стот между частицами они сами могут иметь пористую структуру, различают истинную, насыпную, кажущуюся и объемную плотности частиц. Поры могут быть открытыми и закрытыми [1].

Истинная плотность – это плотность материала, из которого состоят ча-

стицы. Насыпная плотность – это масса единицы насыпного объема дисперсно-

го материала. В насыпном объеме, кроме объема самого твердого материала,

входит объем пространства между частицами и пор. Иногда различают еще насыпную плотность при встряхивании, т.е. при наиболее плотной упаковке ча-

стиц. Кажущаяся плотность – это масса единицы объема с учетом объема за-

крытых в них пор. Объемная плотность – масса единицы объема материала с учетом закрытых и открытых пор. Кажущаяся плотность гладких частиц совпа-

дает с истинной, так как в них отсутствуют поры.

Адгезионные и аутогезионные свойства пылей и их абразивность. Все эти свойства зависят от формы, размера и плотности частиц, а также связаны со свойствами материала, из которого изготовлен пылеуловитель.

Плотность сцепления частиц пыли с различными макроскопическими по-

верхностями и друг с другом определяется соответственно адгезионными и аутогезионными свойствами.

Адгезионные свойства могут проявляться только в монослое частиц,

осевших на стенках или фильтрующих поверхностях газоочистных аппаратов,

и из-за очень маленькой толщины такого слоя, как правило, не оказывают вли-

яние на работу систем пыле и золоулавливания. Эксплуатационная надежность систем пыле- и золоулавливания зависит главным образом от аутогезионных свойств (сцепления частиц друг с другом), причем в технике газоочистки за этими свойствами прочно закрепился термин «слипаемость».

14

Слипаемость пыли, особенно тонкодисперсной, повышается с увеличе-

нием влажности, что обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия соприкасающихся пылинок. Молекулы на границе пылинки с воздухом имеют свободную энергию, что обуславливает силы поверхностного натяжения [2],

которые практически изучены мало. Все пыли подразделяют на группы [1]:

1)неслипающаяся (кварцевая пыль, сухая глина, сухая шлаковая пыль);

2)слабослипающаяся (коксовая и доменная пыль, слипающаяся зола);

3)среднеслипающаяся (торфяная зола, торфяная пыль, металлическая пыль, колчеданы, сухой цемент, сажа, сухое молоко, мучная пыль, древесные опилки и др.);

4)сильнослипающаяся (практически все пыли с частицами менее 10 мкм,

втом числе цементная во влажном газе, гипсовая, нитрофоска, суперфосфат,

волокнистые - хлопок, шерсть, асбест и др.)

Повышенная слипаемость приводит к забиванию бункеров и самих пыле-

уловителей пылью. Слипаемость пылей связана с сыпучестью. Более слипае-

мые пыли – малосыпучие, и наоборот. Сыпучесть характеризуется углом есте-

ственного откоса, который определяется следующим образом: сыпучий мате-

риал насыпают в кювету, где одна из стенок выполнена в виде заслонки. За-

слонку медленно поднимают вверх и материал, высыпаясь, образует угол а с

вертикальной плоскостью (угол естественного откоса).

При движении в газоходах и аппаратах из-за трения о стенки пыли из-

мельчаются. Склонные к измельчению пыли называют истирающимися.

Абразивность пылей характеризуется износом металла корпуса аппара-

та от трения частиц пыли. Коэффициент абразивности определяют уточнением стенки поперечно обтекаемого трубки из стали Ст. 20 в местах ее максималь-

ного износа при концентрации пыли 1 г/м3, скорости потока 1 м/с, равномерном поле скоростей и концентрации в течение 1 часа [2].

Влажность пыли влияет на ее адгезионные свойства. Повышение влаж-

ности пыли часто объясняется ее гигроскопичностью, т.е. способностью по-

глощать влагу из воздуха. Если для сухого способа очистки гигроскопичность

15

пыли является отрицательным фактором (происходит налипание пыли в аппа-

рате), то при мокром способе очистки, наоборот. В последнем случае необхо-

димо учитывать свойства смачиваемости частиц. По характеру смачиваемости водой выделяют три группы пылей:

1)гидрофильные – хорошо смачиваемые (кварцевый песок, силикаты);

2)гидрофобные – плохо смачиваемые (графит, уголь, сера и др.);

3)абсолютно гидрофобные – несмачиваемые (парафин, тефлон, жиры).

Электрические свойства пылей [10]. Удельное электрическое сопро-

тивление (УЭС) определяют при прохождении через слой пыли электротока.

УЭС существенно влияет на работу электрофильтров и сильно зависит от тем-

пературы и влажности пыли. По этому параметру пыли разделяют на три группы: низкоомные (УЭС < 104 Ом ∙см), высокоомные (УЭС > 1010 Ом ∙см) и

среднеомные (УЭС от 104 до 1010 Ом ∙см). Последние хорошо улавливаются электрофильтрами. Низкоомные пыли при осаждении на электродах мгновенно разряжаются; возможен их вторичный унос. Высокоомные пыли вызывают электрический пробой слоя пыли, что приводит к резкому снижению степени улавливания электрофильтра.

Электрическая заряженность частиц пыли зависит от ее химического со-

става, способа ее получения. Заряженность влияет на степень улавливания в электрофильтрах при мокрой очистке, а также на сыпучесть пыли. Так, в бун-

керах электрофильтров пыль сначала имеет угол естественного откоса а, близ-

кий к нулю, а через несколько часов с потерей заряда а = 50 ÷ 90° [11].

Положительным фактором для пылеулавливания является коагуляция

(агрегирование, агломерация) очень мелких частиц в более крупные образова-

ния, которые значительно быстрее отделяются в потоке газа. Коагуляция зави-

сит т многих факторов: свойств материала пыли, концентрации и дисперсного состава частиц, в значительной степени от электрического заряда частиц.

В большинстве случаев частицы получают электрический заряд в резуль-

тате дробления или распыления материала при движении в потоке газа из-за трения частиц между собой и о стенки аппарата, а также при обработке матери-

16

алов в раскаленном состоянии вследствие термоионной и фотоэлектрической эмиссии электронов. Частицы также могут разряжаться в результате химиче-

ских реакций, под действием ультразвука, электромагнитной инструкции, рент-

геновского и радиоактивного излучения. Число положительных и отрицатель-

ных частиц может быть одинаково, а могут преобладать частицы, несущие за-

ряд одного знака. Электрические свойства пылей оказывают влияние и на эф-

фективность очистки центробежных пылеуловителей.

Электрические свойства пылей используют для их коагуляции при оса-

ждении в поле силы тяжести и центробежных сил, в электрофильтрах, а также при магнитных методах очистки.

1.2.3. Взрывопожароопасность пылей

Многие виды пыли из-за сильно развитой поверхности частиц способны гореть, самовоспламеняться, образовывать с воздухом взрывоопасные смеси даже в тех случаях, когда исходный материал, из которого получена пыль, яв-

ляется негорючим. Наиболее опасным является свойство многих пылей образо-

вывать с воздухом взрывоопасные смеси. Первичный взрыв возникает при не-

больших скоплениях пыли вблизи источника воспламенения. Взрывная волна и вибрация от первичного взрыва могут поднять в воздух крупные скопления пы-

ли, осевшей в относительном отдалении от места первичного взрыва, и тем са-

мым вызвать вторичный взрыв значительно большей смеси. По зарубежным данным каждые 60 первичных взрывов сопровождаются 10 вторичными.

Показатели пожаро- и взрывоопасности пылей определяются экспери-

ментально. Поскольку существующие для этого методы не позволяют адекват-

но воспроизводить различные сочетания реальных условий, при которых воз-

можно загорание или взрыв пыли, результаты соответствующих определений в известной мере условны и относительны.

Среди многочисленных характеристик пожаро и взрывоопасных свойств пылей основное значение имеют такие показатели, как температур воспламене-

ния и самовоспламенения, концентрационные пределы взрыва, скорость рас-

17

пространения фронта пламени, минимальная энергия зажигания, максимальное давления взрыва и скорость нарастания давления.

Температура воспламенения – наименьшая температура горячего веще-

ства, при котором вещество выделяет горячие пары или газы с такой скоро-

стью, что после воспламенения их от внешнего источника зажигания вещество устойчиво горит.

Температура самовоспламенения – наименьшая температура вещества

(или его смеси с воздухом), при котором происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного горения.

За величину температуры самовоспламенения принимают минимальную температуру стенки реакционного сосуда, при котором наблюдается самовос-

пламенение смеси. Эта температура не является константой данного вещества и зависит от условий эксперимента.

В зависимости от скорости распространения фронта пламени различают

воспламенение, сопровождающееся спокойным сгоранием пыли; вспышки,

имеющие скорость горения от 4 до 10 м/с; взрывы, имеющие скорость горения более 100 м/с; детонацию, протекающую со скоростью распространения фрон-

та пламени более 100 м/с.

Пыль, взвешенная в воздухе, может воспламеняться только при опреде-

ленных концентрациях. Различают нижний и верхний пределы распростране-

ния пламени. Область концентрации между этими пределами называется диа-

пазоном воспламенения.

За нижний концентрационный предел распространения пламени

(НКПРП) аэровзвеси твердых веществ принимается наименьшая концентрация вещества в воздухе, при которой смесь способна воспламеняться.

Наибольшая концентрация пыли в воздухе, при котором возможет взрыв,

называется верхним концентрационным пределом распространением пла-

мени (ВКПРП). Верхние пределы при рассмотрении вопросов пылеулавлива-

ния не имеют практического значения. Надежный метод расчета пределов вос-

пламенения не существует.

18