Технологические расчеты по курсу: «Очистка газов и сточных вод металлургических производств» (стр. 3 )

- плотность пыли, кг/м

Z – Запылённость газа, кг/ м

t- время между регенерациями фильтра, с

- удельное гидравлическое сопротивление ткани в чистом виде, отнесённое к толщине, н/м

2.5.Очистка газов электрофильтрами.

Сущность действия электрофильтра заключается в зарядке пылевых частиц, содержащихся в потоке, с последующим выделением их из газа под воздействием электрического поля. Необходимый для зарядки пыли поток ионов создаётся коронированием в неоднородном электрическом поле. В электрофильтрах применяют две системы электродов, образующих неоднородное электрическое поле: трубчатый – провод в цилиндрической трубе и пластинчатый – ряд проводов между пластинами (см. рис.7)

Рис.7 Схемы расположения электродов трубчатого (а) и пластинчатого(б) электрофильтров.

1-коронирующий электрод ; 2- осадительный электрод

Электроды вокруг которых образуется коронный разряд, называют коронирующими, а на которых осаждается пыль осадительными. Коронный разряд возникает только при определенной напряжённости электрического поля, зависящей от формы электродов и их расположения, состава газов, их давления и температуры. Напряжённость зажигания короны рассчитывают по формуле:

в/м 2.27

где - отношение плотности газов в рабочих условиях к их плотности в стандартных условиях;

r- радиус коронирующего электрода, м.

При отрицательном коронном разряде образующиеся положительные ионы нейтрализуют свой разряд на коронирующем электроде. Отрицательные ионы и электроны под действием электрического поля перемещаются во внешнюю область и движутся к осадительному электроду. Следует отметить, что небольшая часть пыли находится в зоне короны Если частицы получают положительный заряд, то эти частицы будут притянуты к коронирующим электродам и осядут на них. Установлено, что в межэлектродном пространстве заряженные частицы движутся под действием электрического поля в том же направлении, в котором двигались ионы, т. е. от коронирующих электродов к осадительным. Сила взаимодействия поля и заряда частицы равна произведению напряжённости поля на заряд частицы. Однако кроме этой силы, на частицу действуют силы тяжести, электрического ветра и газового потока. Скорость электрического ветра может достигать 0,5-1,0 м/с и способствует переносу пылевых частиц к осадительным электродам. Сила действия поля на частицу, обладающая предельным зарядом, определяется по формуле:

Для частиц размером более 1 мкм:

н 2,28

Для частиц менее 1 мкм:

н 2,29

Где - напряженность электрического поля, В/м.

r- радиус частицы, м.

е - величина элементарного заряда (1,6*10Кл);

- напряженность поля осаждения, В/м.

Движение заряженной частицы к осадительному электроду препятствует сопротивление газовой среды. Приравнивая силу действия поля на заряженную частицу к сопротивлению среды, получим:

2,30

Тогда, скорость движения частиц к осадительному электроду в перпендикулярном к нему направлению, будет

м/с 2,31

где n- число элементарных зарядов.

Значения в реальных электрофильтрах составляет до нескольких десятков сантиметров в секунду. Опыт эксплуатации электрофильтров показывает, что пыль с высоким электрическим сопротивлением ухудшает работу этих установок. Более устойчиво работают мокрые электрофильтры, в которых газ перед поступлением в электрическое поле охлаждают до насыщения, и эффективность значительно возрастает. Эти устройства широко применяются для очистки газов от тумана серной кислоты, селена и мышьяка. Расчёт электрофильтров для достижения заданной степени улавливания пыли достаточно сложен. Поэтому электрофильтры рассчитывают на основе практических данных о допустимой скорости очищаемых газов в их электрическом поле (см. приложения).

2.6. Химическая очистка газов.

Многие промышленные газы содержат компоненты, которые по тем или иным причинам необходимо улавливать. При очистке таких газов значительную роль играют процессы их растворения в жидкостях. Количество газов, которое может раствориться в жидкости зависит от свойств самих газов и условий растворения. К последним можно отнести температуру жидкости и парциональное давление газа над жидкостью. Чем больше парциональное давление, тем больше газа может растворяться в жидкости. Эту зависимость называют законом Генри и выражают формулой:

С=Н* Р.; 2,32

где С-концентрация газового компонента, а жидкости,

Н-постояный коэффициент, зависящий от свойств газов, жидкости и температуры.

Р. – парциональное давление компонента в газовой смеси.

Закон Генри нарушается в случае концентрированных растворов и когда между компонентом и жидкостью проходят какие-либо химические или физико-химические взаимодействия (диссоциация, ассоциация и т. д.).

Газы от химических примесей можно очищать тремя методами:

1. Поглощением при промывке газов жидкостями – адсорбцией.

2. Поглощением твёрдыми телами – адсорбцией.

3. Превращением газообразных химических примесей при помощи добавок в твёрдое или жидкое состояние с последующим выделением полученных продуктов.

Последний метод выделения достаточно сложен и применятся редко, но в некоторых производствах такой процесс может проходить самопроизвольно. Так, в производстве серной кислоты при поглощении его водяных паров из газового потока в газовую фазу может перейти небольшое количество , который образует с водяными парами туман серной кислоты. Наибольшее распространение получит метод абсорбции. Для

Осуществления этого метода необходимо создать хороший контакт между газом и жидкостью и подобрать такую жидкость, которая хорошо поглащала бы нужный компонент, но не реагировала с другими содержащимися в газе. Газы, растворимость которых при С и парциальном давлении 760 мм. рт. ст. составляет сотни граммов на 1л воды, называют хорошими растворителями (НСl, НF, N и др.). Газы, растворимость которых в указанных условиях составляет десятые или сотые доли грамма на 1л воды, называют плохо растворимыми (N,,СО и др.). У таких газов как хлор и сернистый ангидрид растворимость средняя.

В некоторых случаях для поглощения газообразных компонентов применяют минеральные масла, серную кислоту, но чаще всего используют водные растворы тех или иных веществ реагирующих с поглощаемым компонентом.

При рассмотрении процесса абсорбции необходимо располагать материальным балансом, на основе которого можно определить расход поглотителя и рассчитать параметры аппаратуры. Расход поглотительной жидкости можно определить по формуле:

2,33

где Q-количество очищаемого газа,

,- соответственно начальная и конечная концентрация поглощаемого компонента в очищаемом газе, .

,- соответственно начальная и конечная концентрации поглощаемоо компонента в поглотительной жидкости,

При расчётах расхода жидкости следует помнить, что конечная концентрация поглощаемого компонента в газе связана с концентрацией его в жидкости согласно Генри. Поэтому, перед тем как рассчитывать величину L, нужно правильно рассчитать значения и .

Установлено, что скорость растворения газа в жидкости зависит от свойств жидкости и газа, способа их соприкосновения, величины поверхности соприкосновения и степени насыщения жидкости поглощаемым газом. Количество поглощаемого вещества определяют по формуле:

G=K*F*t* ; 2.34

где. К - коэффициент абсорбции, который характеризует скорость растворения газового компонента в данной системе,

F – Поверхность соприкосновения газа с жидкостью,

t – Время соприкосновения (обычно понимают 1 час),

- движущая сила абсорбции, т. е. разность концентраций в газе и жидкости, мм. рт. ст.

Обычно по приведенной формуле рассчитывают поверхность соприкосновения газа и жидкости, которую нужно создавать в аппарате для достаточно полного поглощения примеси, и по этой величине определяют размеры аппарата. Тогда поверхность соприкосновения определяется из формулы:

2.35

Количество поглощаемого вещества рассчитывают по материальному балансу. Размеры аппарата возрастают с увеличением поверхности F , которая тем больше, чем меньше значения R и (расчёт абсорбера см. в приложении).

Известно, что для металлургического производства характерно образование различных газообразных химических примесей. Одним из таких примесей является сернистый ангидрид. В тех случаях, когда концентрация в газах выше 3,5%, их целесообразно использовать для получения сернистой кислоты. Из газов более низкой концентрации обычными способами получить серную кислоту затруднительно. Для очистки таких газов разработаны несколько методов:

а) известковый способ. Газы, содержащие , промывают в скруббере известковым молоком, которое реагирует с сернистым ангидридом по уравнению:

При этом достигается высокая степень очистки, но затрачивается большое количество извести.

б)аммиачный способ(циклический).Газы, содержащие после тщательной очистки от пыли, мышьяка, селена и охлаждения до 35-промывают раствором

При нагревании полученного раствора до кипения реакции идёт в обратном направлении с выделением и получением раствора сульфита аммония. В данном процессе получают высокой концентрации, который используют для получения элементарной серы, и других ценных компонентов. Полученный после отгонки раствор сульфата аммония охлаждают и вновь используют для улавливания сернистого ангидрида.

в) Аммиачный способ (нециклический). Здесь газы очищают от промывкой раствора сульфита. Половину полученного бисульфита аммония обрабатывают

и . При этом в концентрированном виде получают и аммонийную соль, которую можно использовать как удобрение:

Вторую половину бисульфита нейтрализуют аммиаком по реакции:

Полученный сульфит вновь применяют для улавливания из газа.

г) Цинковый способ. Газы, очищенные от пыли, промывают пульпой, содержащий

Образующийся осадок отделяется от жидкости. Отфильтрованные кристаллы при нагревании до 350разлагаются на и ZnO. Сернистый ангидрид выделяется в высококонцентрированном виде, а ZnO возвращается для приготовления пульпы. Данный способ позволяет более полно, чем аммиачный, очистить газы от , не требуется предварительное охлаждение газов, а также очистка их от мышьяка и селена.

На некоторых предприятиях в отходящих газах содержится HCl улавливается с получением соляной кислоты. Однако, для получения стандартной 27% соляной кислоты концентрация HCl в газах должна быть более 1,87% и жидкость в процессе поглощения нагреваться не выше 40. Для получения концентрированной кислоты газы, содержащие HCl , пропускают последовательно через несколько аппатов-поглотителей, в которых жидкость и газ движутся противотоком. В тех случаях, когда при очистке газов получают не товарную кислоту, раствор HCl нейтрализуют известковым молоком или щёлочью и сбрасывают в канализацию. На магниевых заводах успешно применяют гидрат окиси магния:

Наиболее изученный и часто применяемый способ очистки газов от хлора заключается в промывке хлорсодержащего газа известковым молоком или молоком окиси магния:

По этим уравнениям реакции протекают в том случае, если в поглотительном жидкости имеется избыток гидрата окиси. В противном случае реакции протекает по схеме:

Поэтому для полного поглощения Cl требуется содержание свободной извести в орошаемой жидкости не менее 10-20 г/л, в пересчёте на CaO.Растворы или перед сбросом следует подвергнуть дополнительной обработке соляной кислотой или нагревом с катализатором из солей меди и никеля.

В ряде металлургических прочесов, а также при сжигании минерального топлива образуются оксиды азота. В большинстве случаев объемы этих газов не велики, но концентрации оксидов азота в общем газовом потоке превышает 1%. Газы, содержащие более 50% (от общего содержания оксидов азота), можно очистить, промывая их водным раствором щелочей, оснований и даже водой, но при этом часть азота выделится обратно в газовую фазу по реакции:

Закись азота NO окисляется кислородом воздуха, но скорость окисления уменьшается по мере понижения концентраций NO и , и повышения температуры. Поэтому указанным методом, особенно в виду обратного выделения трети NO, практически невозможно добиться достаточно полной очистки. Этот метод целесообразно применять только при концентрациях оксидов более 1% для получения азотной кислоты или нитросолей. Хорошие результаты даёт промывка газов растворами но эти реагенты получаются при применении в качестве восстановителя твёрдых веществ, например кокса. В этом случае при температуре

800разложение NO проходит на 95-96%, а при 1000приближается к 100%. Существуют и другие методы очистки, но все они громоздки и дороги.

В некоторых случаях в исходящих газах содержится сероводород. Обычно количество этого газа невелико и концентрации низкие. Поэтому целью очитки является не утилизация , а санитарная очистка. Такие газы целесообразно промывать содовым раствором по реакции:

Раствор соды поддерживают в концентрации 25-30 г/л. Полученный раствор можно регенерировать продуванием через него при кипячении .

Металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу и значительное количество оксида углерода. Наиболее простой метод очистки заключается в дожигании его до при температуре около 1000. Процесс проводят в присутствии катализаторов при температуре около 500 со можно подвергнуть конверсии по следующей реакции:

В качестве катализатор используют смесь оксидов железа и хрома ( и а качестве промоторов MgO и .

2.7. Канализация газов

Составной частью пылеулавливающих установок являются газоходы. Их конфигурацию выбирают с расчётом получить минимальное гидравлическое сопротивление и равномерное распределение газов между отдельными пылеуловителями. Весьма важным моментом является выбор скорости движения газов в газоходе, что определяет размеры его поперечного сечения, гидравлическое сопротивление и интенсивность осаждения пыли из газового потока. Для газов, содержащих механическую пыль и возгоны, скорость выбирают в пределах 10-20м/с, так как при скоростях 5-10м/с возгоны практически не осаждаются, а механическая пыль может осесть в газоходе. Однако, в результате коагуляции и термофореза, часть возгонов всё же оседает на стенках газоходов. Поэтому рекомендуется наружные стенки газоходов и аппаратов покрывать теплоизолирующими материалами.

Гидравлическое сопротивление движения газов в газоходе обуславливается трением газа и так называемыми местными сопротивлениями. Последние возникают при поворотах, всевозможных сужениях, расширениях потока и т. д. Сопротивление, возникающее в результате трения газа о стенки газохода, невелико и им обычно пренебрегают. Что касается местных сопротивлений, то они пропорциональны скоростному напору:

2,36

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

- скорость газа в газоходе

- плотность газа при рабочих условиях,

Значения коэффициентов местных сопротивлений приведены, а специальных справочных таблицах [ ]. Пример расчёта сопротивления, которое газов по газоходам возникает и гидравлическое сопротивление, которое преодолевается вентилятором эксгаустеров или дымовой трубой. Чаще всего для создания тяги применяют центробежные вентиляторы. Расход энергии на транспортирование газа равен:

2,37

где - часовой обьем газов пи рабочих условиях,

Н - общий напор газов, преодолеваемый вентилятором, мм. вод. ст.

- к. п.д. тягового агрегата.

Для выброса газов в атмосферу применяют дымовые трубы. Скорости газов в канале трубы создаются обычно не менее 10 м/с и редко более 30 м/с. Дымовая труба должна обеспечивать рассеивание газов до такой величины, чтобы концентрация в приземном слое, в зоне дыхания человека, не превышала ПДК, т. е. ПДК.

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ определяется по формуле:

2.38

где А-коэффициент стратификации, зависящий от температурного градиента в атмосфере и описывающий вертикальное и горизонтальное рассеивание вредных веществ в воздухе (А=200 для региона РСО-А);

М-количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с.

F- безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения вредных веществ в атмосфере (для региона 3);

m,n- безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

Н - высота источника выброса над уровнем земли, м

-разность температур выбрасываемой смеси и атмосферного воздуха;

обьем выбрасываемой смеси,

2,39.

где D- диаметр устья источника выброса, м

- средняя скорость выхода смеси из устья источника выброса, м/с.

В свою очередь, высота дымовой трубы определяется по формуле:

2,40

Если выбрасываемые газы содержат несколько вредных веществ, то высота трубы должна быть больше максимальной из высот труб рассчитанных для каждого вещества. Максимальное значение тяги в трубе равно:

2,41

где - соответственно плотности атмосферного воздуха и выбрасываемого газа, .

1. Общие сведения о сточных водах

В настоящее время различают три основные категории сточных вод – бытовые, производственные и атмосферные (дождевые и талые). Загрязнения этих вод подразделяются на минеральные, органические, бактериальные и биологические, и присутствуют в сточных водах в нерастворенном, каллоидальном и растворенном состояниях.

Состав производственных сточных вод разнообразен и в каждом конкретном случае определяется лабораторными анализами. Для предварительных расчетов можно пользоваться данными аналогично действующих предприятий или приведенными в литературных источниках. Следует помнить, что концентрации загрязнений в производственных сточных водах не должны превышать допустимых значений, величины которых приведены в СНиП . Если концентрации загрязнений производственных сточных вод превышают нормативы, то следует предусматривать местную (локальную) предварительную очистку их перед сбросом в канализационные сети.