Борьба с такими выбросами сложнее, чем с улавливанием аэрозолей из отходящих потоков, заключенных в газоходы. Выбросы открытых источников прежде всего надо собрать и только потом направить на пылеулавливающие устройства. Иногда, если в цехе много источников аэрозолей, весь воздух через вытяжную вентиляцию направляют на тканевый фильтр, скруббер или электрофильтр. Но это требует больших затрат энергии, поскольку происходит сильное разбавление аэрозоля и основная часть энергии расходуется на перекачивание разбавляющего воздуха. Поэтому выгоднее сооружать вытяжные колпаки или защитные короба над отдельными источниками выбросов.

Например, на новых заводах по выплавке алюминия в кожух, из которого откачивают выбросы, заключают электролизную ванну. Именно так пришлось поступить с разрушенным блоком Чернобыльской АЭС. Его заключили в герметичный саркофаг, куда подают воздух для отвода тепла, выделяющегося при делении радиоактивных осколков в развалинах реактора, а потом воздух прокачивают через фильтрующую станцию, улавливающую весь радиоактивный аэрозоль, выделяющийся из захоронения.

Наиболее прогрессивным методом подавления источников открытых выбросов считается сочетание вытяжных колпаков с воздушными завесами. Завесы отсекают аэрозоль от остальной части помещения и увлекают его воздушным потоком на очистные сооружения. Эффективно при этом улавливать аэрозоль скруббером с электрической зарядкой капель, занимающим мало места и обеспечивающим высокую эффективность.

Этот метод позволяет улавливать самые горячие выбросы.

Чтобы уменьшить затраты на улавливание открытых выбросов, необходима высокая культура производства. Например, образование аэрозолей при переплавке металлолома можно резко уменьшить предварительной очисткой лома. Использование печных дверей правильной конструкции может защитить атмосферу металлургических цехов от большей части аэрозольных выбросов из печей.

Фильтрующие материалы ФП сыграли большую роль при развитии атомной промышленности, обеспечив надежную защиту людей и эффективное улавливание радиоактивных частиц из отходящих потоков. Существуют разновидности материалов ФП, обеспечивающих одновременное улавливание и аэрозолей, и высокотоксичных или радиоактивных паров ртути, иода, соединений полония. Благодаря применению респираторов из материалов ФП в нашей стране исчез целый ряд профессиональных заболеваний, например отравление парами ртути. В десятки раз снизился уровень интоксикаций аэрозолями в производстве свинца. Надежной защитой органов дыхания служили «Лепестки» в дни ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. «Лепестки» производятся ежегодно сотнями миллионов экземпляров. Они дешевы. После одноразового использования их выбрасывают.

ФП обладают целым набором удивительных свойств и могут иметь весьма широкое применение. Ими можно фильтровать жидкости, предназначенные для современных процессов технологии электронных приборов, когда необходима абсолютная чистота. Эти материалы – прекрасный теплоизолятор и применяются в криогенной технике. В аптеках продаются противошумные вкладыши «Беруши». Эти вкладыши представляют собой маленькие квадратики из материала ФП. Квадратик вставляется в ушной канал и благодаря эластичности и упругости материала заполняет все сечение канала сложной геометрии.

Материалы ФП можно использовать как электреты – вещества, способные подолгу сохранять электростатический заряд. Из них делают сепараторы для аккумуляторов, во много раз повышающие срок службы аккумуляторов, сроки их хранения в заряженном состоянии.

Искусственная паутина (волокнистые фильтры). Повысить эффективность фильтрации и одновременно снизить сопротивление фильтра, затраты энергии можно, уменьшая размер волокон тканей, из которых изготовляются фильтры. Они имеют диаметр в десятки микрометров. А если иметь волокна толщиной в микроны, в десятые и сотые доли микрометра? Мысль об использовании ультратонких волокон для фильтрации аэрозолей пришла одному из авторов этой книги около 50 лет назад. Но способов получения столь тонких волокон тогда не было. Подходящим материалом казались полимеры, поскольку их можно растворять, а возможность испарения растворителя – это путь для уменьшения размера. Можно же получать мельчайшие твердые частицы, испаряя сильно разбавленные растворы солей. Но как превратить раствор полимера не в капли, а в нити? Пришлось повозиться не один месяц, пока не было найдено новое физико-химическое явление, благодаря которому можно получать полимерные нити, во много раз более тонкие, чем паутина.

Материалы из ультратонких полимерных волокон получили название фильтров Петрянова (ФП). Сейчас выпускается большое количество различных сортов материалов ФП, предназначенных для работ при высоких и низких температурах, в агрессивных и высокорадиоактивных средах, для улавливания бактериальных аэрозолей и т. д.

Главное достоинство материалов ФП – это абсолютная эффективность улавливания частиц всех размеров при очень низком сопротивлении. А что значит низкое сопротивление фильтра? Возьмем, например, защиту органов дыхания человека от радиоактивных или бактериальных аэрозолей. Непоправимые последствия может вызвать одна радиоактивная частица или несколько болезнетворных бактерий, попавших в организм. А в определенных условиях количество таких частиц в одном вдохе может достигать сотен миллионов. Значит, нужна эффективность улавливания 99,99999%.

Если ставить много слоев тканевого фильтра, чтобы обеспечить необходимую эффективность, то у человека просто не хватит сил продохнуть такой фильтр. А фильтр Петрянова обеспечивает достаточную эффективность в тонком слое. Респиратор «Лепесток», надежно защищающий органы дыхания, изготовленный из материала ФП, имеет вид легкой марлевой повязки.

Когда аэрозольный поток содержит много субмикронных частиц (меньше микрона), а эффективность улавливания должна превысить 99,5%, применяют тканевые или рукавные фильтры, например фильтрующий мешок бытового пылесоса. Обтекая волокна фильтрующего материала, частицы осаждаются за счет инерции, диффузии, электрических сил между заряженными частицами и волокнами. Кроме того, некоторую роль играет ситовой эффект – застревание частиц в проходах меньшего размера.

Для прокачивания аэрозоля через фильтр необходим расход энергии на преодоление гидравлического сопротивления фильтра. По мере накопления застрявших в фильтре и осевших на его лобовой поверхности частиц сопротивление фильтра растет, но одновременно увеличивается и его эффективность, поскольку слой частиц на поверхности фильтра сам обладает фильтрующим действием. Чтобы предотвратить чрезмерный рост сопротивления фильтра, осадок частиц периодически удаляют. Для этого фильтры, имеющие форму рукавов или мешков, растянутых кольцевыми распорками, периодически стряхивают или продувают обратным потоком воздуха, который может подаваться в виде коротких импульсов.

Фильтры не годятся для улавливания жидких или липких частиц. Они боятся высоких температур. Даже фильтры из полимерных термостойких волокон не могут выдерживать температуру более 250°. Поэтому горячие технологические потоки приходится охлаждать. Все же высокая эффективность улавливания субмикронных частиц делает фильтры единственным пригодным средством разрушения аэрозолей во многих случаях. Скрубберы предпочитают фильтрам, когда не требуется высокой эффективности, а места мало – фильтры довольно громоздки. Электрофильтры имеют преимущества, когда эффективность улавливания не должна превышать 99,5%, субмикронных частиц в аэрозоле мало и состав аэрозоля не может меняться.

При обтекании потоком аэрозоля препятствий траектории линии тока газа искривляются. Но, поскольку масса аэрозольных частиц намного больше массы газовых молекул, аэрозольные частицы не успевают менять направления своего движения так же быстро, как поток газа. Поэтому траектории аэрозольных частиц при обтекании отличаются от линий тока газа, частицы движутся ближе к отбекаемому препятбтвию и могут зацепить его и прилипнуть к нему. Обтекаемым препятствием могут быть нити, частицы рыхлого осадка, капли жидкости, летящие через аэрозоль, пленки жидкости, через которую двигаются пузыри аэрозоля.

Устройства, где аэрозольные частицы вымываются из газового потока жидкостью, называются скрубберами. В распылительных скрубберах поток аэрозоля орошают водяным спреем. Капли захватывают аэрозольные частицы. Капли, которые имеют размер сотни микрометров, нетрудно отделить от газового потока пластиной-отбойником, жалюзийной решеткой или циклоном. Эффективность увеличивается, если распыляют перегретую воду. Часть ее испаряется, а затем пар конденсируется на каплях, увлекая мелкие частицы. Увлечение аэрозольных частиц потоком диффундирующего пара называется диффузиофорезом. Это явление лучше проявляется в отношении мелких частиц, которые хуже осаждаются под действием инерционных сил. Поэтому конденсацию пара применяют для повышения эффективности скрубберов по отношению к мелким частицам. В последнее время появились скрубберы повышенной эффективности: при распылении жидкости каплям сообщается электрический заряд, или улавливаемый аэрозоль заряжается, либо и капли и аэрозоль. Благодаря диффузионному захвату скрубберы улавливают и очень мелкие частицы, например металлургические дымы, частицы которых имеют размер порядка сотых долей микрометра.

Бывают также колонные скрубберы: поток аэрозоля пропускается через колонну с тарелками, в которых имеются отверстия, а навстречу потоку аэрозоля стекает вода. Аэрозоль с воздухом пропускают через слой воды на тарелках, причем частицы захватываются водой. Колонна вместо тарелок может быть заполнена насадкой – шарами, кольцами или другими геометрическими фигурами. Улавливание происходит при одновременном пропускании аэрозоля и орошении насадки жидкостью.

Трудность заключается в том, что электропроводность осадка нельзя предсказать теоретически. На осадительном электроде образуется очень рыхлый слой частиц, площадь контакта между частицами в осадке мала, и элетропроводность низка. И зависит она не только от природы частиц, но и от условий осаждения. Поэтому приходится строить модельный электрофильтр, набирать в нем слой осадка и измерять его электропроводность. А бывает так, что электростанцию снабдят фильтрами, рассчитанными на золу от угля определенного месторождения, а потом переведут на снабжение совсем другим углем, осадок золы которого имеет другие электрические свойства. Эффективность улавливания резко упадет, возрастет загрязненность воздуха в районах, прилегающих к электростанции. Если, например, для обеспечения концентрации частичек золы в воздухе на безопасном уровне необходима расчетная эффективность улавливания 99,5%, а вследствие перехода на другой уголь – 90%, концентрация загрязнений возрастет в 20 раз.

Частицы можно зарядить различными способами.

Многие процессы образования аэрозолей сами по себе сопровождаются зарядкой частиц: баллоэлектриче-С1Сой зарядкой – при распылении жидкостей, трибо-электрической – при распылении порошков, конденсацией пара на газовых ионах. Аэрозольные частицы имеют способность захватывать ионы, всегда содержащиеся в атмосферном воздухе. Но во всех этих случаях частицы приобретают заряды обоих знаков, происходит биполярная зарядка, а нужна униполярная.

Такая зарядка происходит в коронном разряде. Если на электрод, имеющий вид тонкой проволоки, подать высокое напряжение – 25-100 киловольт, то вокруг него вспыхнет голубоватый ореол коронного разряда. Это – создание газовых ионов. Ионы захватываются аэрозольными частицами, одна частица может приобрести до 104 элементарных зарядов. Под действием электрического поля частицы приобретают скорость до 0,1 м/с-1, что достаточно для их осаждения при пребывании в электрическом поле в течение нескольких секунд. Электрофильтры могут быть с предварительной зарядкой и с зарядкой непосредственно в оса-дительной секции. В первом случае частицы сначала поступают в камеру с коронирующим электродом, а потом поток пропускается между параллельными пластинами, на которых имеется разность потенциалов в несколько киловольт. Электрофильтрация – наименее энергоемкий процесс изо всех способов разрушения аэрозолей. При степени улавливания субмикронных частиц 99,5% электрофильтр может потреблять 7- 100 Дж/м-3. В прежние годы строились электрофильтры с эффективностью 90-95%, а сейчас многие установки имеют эффективность 99,8-99,9%. Электрофильтрами можно улавливать как твердые, так и жидкие частицы. В первом случае частицы стряхиваются с осадительного электрода, во втором – смываются.

Циклон работает тем лучше, чем меньше его диаметр и чем больше скорость потока. Понятно, что лучше улавливаются крупные частицы. Циклон диаметром 0,25 м полностью задерживает частицы диаметром 5 мкм, а полутораметровый циклон улавливает лишь частицы крупнее 12 мкм. Но производительность большого циклона будет при этом в 50 раз выше. Если надо очищать большие потоки от относительно мелких частиц – около 5 мкм диаметром, то ставят большой циклон и параллельно много маленьких – такая система называется мультициклоном.

Все же циклоны, как и осадительные камеры, можно рассматривать только как системы предварительной очистки. Энергии они потребляют сравнительно немного – 10-20 Дж/м_3. Для улавливания более мелких частиц используют электрофильтры, скрубберы и рукавные фильтры

Газовая среда оказывает сопротивление движению частиц. Для не слишком маленьких (крупнее 1 мкм) и не слишком больших частиц сила сопротивления определяется формулой Стокса F=6 лс ц V (а – радиус частицы, т] – вязкость воздуха, V – скорость движения частицы). При V=10 см/с-1, а именно таков порядок скорости движения частиц в пылеосадительных аппаратах, сила сопротивления движению частицы радиусом 1 мкм в 1000 раз больше силы тяжести, действующей на частицу. Поэтому расход энергии (для улавливания частиц) намного больше энергии, необходимой для поднятия тела, масса которого равна массе аэрозольных частиц в 1 м3, на высоту 1 м.

Аэрозольные частицы способны смещаться относительно газовой среды сами по себе, поскольку они обладают энергией теплового (броуновского) движения. Но скорость этого движения (броуновской диффузии частиц) достаточно велика, чтобы обусловить их осаждение за короткое время (не более секунд), только для очень маленьких частиц, размером менее 0,1 мкм. Основную же массу аэрозольных загрязнений составляют частицы крупнее 1 мкм, скорость теплового смещения которых ничтожна.

Сила тяжести может заставить осаждаться частицы радиусом 1 мкм со скоростью всего 0,01 см/с. Сила тяжести растет пропорционально кубу размера частиц, а сила сопротивления – пропорционально размеру. Поэтому уже для частиц размером 50 мкм скорость гравитационного осаждения оказывается достаточно большой. Сила гравитации «работает» в пылеосадительных камерах, предназначенных для предварительной очистки потоков, удаления наиболее крупных частиц и облегчения нагрузки на пылеулавливающие установки, которые обеспечивают высокую степень очистки от более мелких частиц с использованием других физических воздействий. Осадительные камеры – это емкости, разделенные горизонтальными полками для уменьшения пути осаясдения частиц.

Сточки зрения гидродинамики основное свойство аэрозолей – это способность перемещаться как единое целое. Но частицы могут смещаться и относительно газовой среды, в которой они взвешены. В результате этого они в конце концов достигают поверхности твердого тела или жидкости, прилипают к твердой поверхности или тонут в жидкости. Разрушение аэрозолей и основано на том, что частицы смещаются относительно искривленных линий тока среды и захватываются твердыми и жидкими поверхностями.

Содержание аэрозолей в технологических потоках, отходящих газах, загрязненной атмосфере редко превышает 10 г/м_3. Чтобы достигнуть твердой поверхности, этим частицам необходимо пройти путь не более метра, иногда доли миллиметра. Чтобы поднять массу 10 г на 1 м, необходимо совершить работу 0,1 Дж. При промышленных же методах разрушения аэрозолей для очистки 1 м3 газа от аэрозольных частиц приходится затрачивать от 7 до 3000 Дж/м_3 в зависимости от степени улавливания и принципа работы устройства.