В статье предложен новый высокоэффективный небарьерный принцип очистки загрязненного воздуха от мелкодисперсных частиц, представлена методика расчета течения пылегазовой смеси, рассмотрены примеры систем фильтрации, основанные на активном способе очистки.
Ключевые слова: шахтные комплексы, выбросы в атмосферу, фильтрующие системы, примеси, пылевые частицы.
Введение
Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем большинства стран мира. Влияние загрязненного воздуха на здоровье человека проявляется через сокращение средней продолжительности жизни, увеличение количества преждевременных смертей, рост заболеваемости и негативное влияние на работоспособность населения. Экологическая ситуация в Украине продолжает оставаться тяжелой, и только кардинальные изменения в системе ресурсопотребления, активное внедрение альтернативных источников энергии и природоохранных мероприятий наряду с рациональным природопользованием могут привести к изменению экологической ситуации, снижению концентрации вредных веществ в атмосфере. Именно это определяет актуальность выбранной темы.
Существует проблема, выражающаяся в повышении риска глобального загрязнения атмосферы, шахтные регионы вносят с этот неблагоприятный для всей Земли процесс свою львиную долю.
Эта тема достаточно широко обсуждается в различных литературных источниках [1–5] и отражена во многих государственных нормативных актах.
Важнейшей частью означенной проблемы является решение задачи по достижению максимально высокой степени очистки экологически опасных вентиляционные выбросов шахтных комплексов.
Решение такой задачи (цель исследования) лежит в создании более эффективных фильтрующих систем по сравнению с ныне применяемыми в горной промышленности.
Изложение основного материала
Очистка газовых смесей (в нашем случае — шахтных выбросов) от различного рода примесей (твердых частиц, капель, дыма и пр.) является актуальной задачей в различных областях техники, а также в вопросах защиты окружающей среды.
Наиболее часто применяемые в шахтной промышленности аппараты очистки вентиляционных и технологических выбросов в атмосферу в зависимости от применяемого метода очистки можно условно поделить на: пылеуловители (сухой инерционной очистки, мокрой очистки, фильтрации, электростатического осаждения); туманоуловители (низко- и высокоскоростные); аппараты для улавливания пара и газов (абсорбционные, хемосорбционные, адсорбционные, термические и термокаталитические нейтрализаторы, биохимические реакторы); аппараты многоступенчатой очистки (уловители пыли и газов, уловители туманов и твердых примесей, многоступенчатые пылеуловители). К основным требованиям, предъявляемым к аппаратам пыле- и газоочистки, относят их высокую эксплуатационную надежность и достаточную эффективность очистки. Чем выше степень очистки газов и чем мельче улавливаемые частицы, тем большими оказываются удельные капитальные затраты на сооружение таких установок и затраты на их содержание и эксплуатацию.
Ныне применяемые фильтры в основном ориентированы на очистку крупнодисперсных примесей и недостаточно обеспечивают очистку от мелкодисперсных пылевых частиц.
В настоящей работе рассматривается новый высокоэффективный небарьерный принцип очистки газа от мелкодисперсных частиц, базирующийся на активном способе очистки. Фильтры с активным способом очистки относятся к механическим («сухим») пылеулавливателям и являются типом устройств, использующим принцип работы, основанный на действии центробежных сил.
Шахтная пыль — аэрозоль двухфазной системы (твердое тело-газ), или по другим определениям (журнал Technology News, Nо 2006–125) — совокупность тонкодисперсных твердых частиц различного рода происхождения (органического или минерального), которые образуются в горных выработках при отделении угля и породы от массива, а также, в частности, при транспортировке горной массы, и значительно увеличивающие загрязненность шахтной атмосферы и окружающей среды.
Мелкие частички твёрдого вещества можно условно разделить на песок и пыль. Механическая очистка воздуха от песка не представляет собой трудностей в отличие от очистки от пыли, которая усложнена тем, что аэродинамические свойства пылинок качественно отличаются от аэродинамических свойств песчинок. Эти свойства определяются числом Рейнольдса — мерой отношения сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости.
Представим, что частичка твёрдого вещества имеет сферическую форму. Для сферы известна зависимость Сx = f(Re) [6], построенная на основе формул Стокса, Озеена и выведенная из экспериментальных исследований (рис. 1) [7–9]. Здесь аэродинамический коэффициент Сx характеризует аэродинамическую силу, которая действует на частичку в потоке жидкости или газа.
Рис. 1. Зависимость LgСx=f(LgRe): 1 — по Стоксу; 2 — по Озеену; 3 — из экспериментов
Число Рейнольдса определяется по формуле: 
, где с — характерная скорость, d — характерный размер, ν — коэффициент кинематической вязкости.
При неизменных характерных скорости, например, c=1 м/с, и коэффициенте кинематической вязкости для воздуха (n=1,46 × 105 м2/с), число Рейнольдса определяется только характерным размером частичек твердого вещества. Следовательно, зависимость Сx = f(Re) можно рассматривать как зависимость Сx=f(d).
При уменьшении размера частичек до определённой величины, при которой Re ≈ 1, Cx увеличивается медленно, и его величина не превышает нескольких единиц. Дальнейшее уменьшение размера частичек после величины, при которой Re ≈ 1, Cx увеличивается интенсивно, и его величина достигает нескольких сот или тысяч единиц. При этом сила тяжести постоянно уменьшается. Следовательно, надо ожидать, что существует такая величина размера частичек, при которой аэродинамическая сила превышает силу тяжести, что отражено на рис. 2 (здесь принята плотность материала частичек 2200 кг/м3). На рис. 3 показано, что для частичек размером меньше 10 мкм аэродинамические силы в несколько раз превышают, силу тяжести, для частичек размером 1 мкм аэродинамические силы превышают силу тяжести уже в 15 тысяч раз.
Рис. 2. Зависимость F = f(d)
Рис. 3. Зависимость Fаэр / Fтяж = f(d)
Исходя из этого, примем, что пылинка это частичка, для которой аэродинамическая сила по величине больше силы тяжести. Частички, для которых сила тяжести превышает аэродинамическую силу, будем называть песчинками. Они легко отделяются от потока воздуха, поэтому их взаимодействие с потоком рассматривать не будем.
Таким образом, эффективный очиститель воздуха должен создавать условия, при которых на пылинку действует управляемая сила заданной величины и направления, что обеспечивает отделение пылинки от потока воздуха до её выхода из очистителя. Кроме того, важно, чтобы эта сила действовала постоянно, даже после завершения процесса отделения пылинки от потока. Это необходимо для надёжного ее удержания в накопителе пыли. Такие условия могут быть созданы в устройствах типа центрифуги, где на частички пыли действует центробежная сила, величину которой можно обеспечить в десятки тысяч раз превышающую силу тяжести.
При расчете движения в воздушном потоке твердых частиц пыли необходимо сделать допущение, что они не влияют на характеристики течения. Такое допущение оправдано для рассматриваемых условий, когда концентрация пыли невелика. Для определения траекторий движения твердых частиц использовалась методика, основанная на интегрировании по времени уравнений движения Ньютона с учетом всех действующих сил (аэродинамическое сопротивление, сила тяжести, центробежная и кориолисова силы и т. д.).
Одним из простейших фильтров с динамическим способом очистки воздуха является кольцевой канал, созданный двумя соосными трубами разного диаметра. На входе в кольцевой канал установлены лопатки, которые жёстко скреплены с обеими трубами и вращаются вместе с ними вокруг оси труб. Это обеспечивает закрутку входящего в очиститель потока с пылью. В результате на пыль действует центробежная сила, направляющая пылинки к внешней стенке кольцевого канала и удерживающая их там после касания. Нами исследованы несколько расчётных схем динамических очистителей воздуха от пыли. Установлено, что на степень очистки влияет диаметр кольцевого канала, частота его вращения, осевая длина очистителя и размеры пылинок.
Выводы
Предложен новый высокоэффективный небарьерный принцип очистки газа от мелкодисперсных частиц.
Из результатов расчетов видно, что предложенные устройства имеют степень очистки, характерную для фильтров барьерного типа, причем не представляется сложным дальнейшее улучшение их характеристик.
Необходимо отметить, что наиболее полная очистка экологически опасных примесей выбросов вентиляционные систем шахтных комплексов возможна только при использовании комбинаций нескольких типов фильтров с расчетом полной системы очистки для каждого отдельного комплекса. В последующих публикациях будет предложена методика проектирования вышеупомянутой системы и алгоритм ее последовательного включения для лица, принимающего решение.
Литература:
1. Бондарева, Т. И. Экология химических производств. М.: Изд-во МИХМ, 1986, 92 с.
2. Газоочистные аппараты сухого и мокрого типов. Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1984, 92 с.
3. Степанов, Г. Ю., Зицер, И. М. Инерционные воздухоочистители. М.: Машиностроение, 1986, 184 с.
4. Страус, В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981, 616 с.
5. Ужов, В. Н., Вальдберг, А. Ю., Мягков, Б. И. Очистка промышленных газов от пыли. М.: Химия, 1981, 392 с.
6. Бэтчелор, Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973, 298 с.
7. Волков, Ю. П., Дыхановский, В. Н., Русанов, А. В., Суханов, М. И. Теоретические основы работы воздушных фильтров с активным способом очистки. Зб. наук. пр. Харків. ун-ту Повітряних Сил. Х.: ХУ ПС, 2005, Вып. 6(6), С. 77–80.
8. Суханов, М. И., Волков, Ю. П. Численное исследование газодинамических характеристик ротационных фильтров. Зб. наук. пр. Харків. ун-ту Повітряних Сил. Х.: ХУ ПС, 2006, Вып. 6 (12), С. 15–17.
9. Єршов, С. В., Русанов, А. В. Комплекс програм розрахунку тривимірних течій газу в багатовінцевих турбомашинах «FlowER». Свідоцтво про державну реєстрацію прав автора на твір, ПА № 77. Державне агентство України з авторських та суміжних прав, 19.02.1996.
