Свойства пылей цветной металлургии

Пыли, образующиеся при пирометаллургических процессах

характеризуются разнообразным химическим и дисперсным составами. При

выборе или анализе работы пылеуловителей физико-химические свойства

пылей оказывают существенное влияние. Дисперсность и фракционный состав

пыли определяют выбор и применение тех или иных типов пылеулавливающих

аппаратов и фильтровальных материалов, режим их работы [13].

Возгоны – пыли, образующиеся в газах в результате конденсации паров

веществ и в процессе химических реакций газообразных компонентов [14].

Гигиеническое значение промышленных пылей обусловливается их

физическими и химическими свойствами, из которых наиболее важными

являются дисперсность (размер пылевых частиц), формы пыли, электрический

заряд, растворимость и химический состав [15].

Химический состав пыли всегда характерен для конкретного

производства или технологического процесса. Например, пыль, образующаяся

во время плавки металлов, состоит из окислов этих металлов, флюсов и

добавок; пыль, выделяющаяся в процессе холодной обработки металлов

абразивным инструментом, содержит мелкие частицы металлов и абразивного

инструмента; в производстве строительных материалов пыль состоит из их

минеральных составляющих и т.п.

Если пыли, образующиеся при механической обработке, по своему

химическому и вещественному составу почти не отличаются от исходного

материала, то этого нельзя сказать о возгонах. При высоких температурах

технологического процесса могут одновременно испаряться как металлы, так и

флюсы. В процессе конденсации этих паров образуются частицы, которые

могут содержать несколько веществ. Таким образом, возгоны отличаются от

исходного материала и механической пыли химическими свойствами [14, с. 59].

Абразивные свойства пыли определяются ее дисперсным и

минералогическим составом. Величина концентрации пыли и размеры ее

частиц влияют на величину износа деталей [16].

Важным параметром пыли является ее плотность. Различают истинную и

кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плотность слоя пыли.

Кажущаяся плотность частицы представляет собой отношение ее массы к

объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности

численно совпадет с истинной плотностью. Насыпная плотность слоя пыли

равна отношению массы слоя к его объему и зависит не только от пористости

частиц пыли, но и от процесса формирования пылевого слоя. Насыпная

плотность слоя необходима для определения объема, который занимает пыль в

бункерах [17].

Угол естественного откоса пыли представляет собой угол между

образующей и основанием свободно сформированного конуса сыпучего

материала. Величина угла естественного откоса учитывается при

конструировании и выборе бункеров аппаратов газоочистки [18].

Гигроскопичность существенно сказывается на слипаемости частиц и

зависит от химической природы пыли, размеров, формы частиц и степени

шероховатости поверхности. С укрупнением частиц поверхность уменьшается,

тем самым уменьшается контакт ее с газом и увеличивается смачиваемость.

Пылинки сферической формы увлажняются легче, чем пылинки неправильной

формы [19].

Пыли по смачиваемости разделяют на три группы: гидрофобная (плохо

смачиваемая, менее 30 %), умеренно смачиваемая (30-80 %), гидрофильная

(хорошо смачиваемая, 80-100 %). В зависимости от химического состава

некоторые пыли при смачивании водой схватываются (цементируются,

затвердевают). Такие пыли при оседании на стенки аппаратов и газоходов

образуют трудно удаляемые отложения, которые уменьшают сечение для

прохода газа и ухудшают условия газоочистки [14, с. 60].

Удельное электрическое сопротивление слоя пыли является одним из

важнейших факторов, от которых зависит эффективность работы

электрофильтра. Поэтому важно проследить влияние температуры и влажности

газа на удельное сопротивление пыли [20].

Пыли, содержащиеся в очищаемых газах, по удельному объемному

электрическому сопротивлению можно разделить на три группы:

- пыли с сопротивлением до 104 ОмЧсм;

- пыли с сопротивлением от 104 до 2Ч1010 ОмЧсм;

- пыли с сопротивлением от 2Ч1010 ОмЧсм;

В данном случае имеется в виду удельное электрическое сопротивление

слоя пыли, образующегося на осадительных электродах электрофильтра.

Вследствие адсорбции частицами пыли газов и паров, заполняющих пустоты,

имеющиеся в пылевом слое, удельное электрическое сопротивление слоя пыли

всегда больше, чем удельное электрическое сопротивление материала, из

которого образовалась пыль.

Пылинки первой группы при соприкосновении с осадительными

электродами почти мгновенно теряют свой отрицательный заряд и

приобретают заряд электродов. Получив одноименный заряд, пылинки

отскакивают от электродов и попадают снова в газовый поток. Для надежного

улавливания пылей первой группы в конструкциях осадительных электродов

необходимо предусматривать минимальную скорость газового потока у их

поверхности (возможно достижение при применении волнистых электродов в

горизонтальных электрофильтрах).

Пыли второй группы (их большинство) улавливаются в электрофильтрах

без затруднений.

При улавливании электрофильтрами пылей третьей группы возникают

трудности. Слои пыли на осадительных электродах действуют в качестве

изоляторов. Поступающие с оседающей пылью электрические заряды не

отводятся на осадительный электрод, а создают в слое пыли напряжение. При

повышении напряжения до величины, когда напряженность электрического

поля (градиент) становится чрезмерной, в порах слоя, заполненных газом,

происходит электрический «пробой». Это явление, получившее название

«обратной короны», сопровождается выделением положительных ионов,

которые движутся по направлению к коронирующим электродам и частично

нейтрализуют отрицательный заряд пылинок. Одновременно положительные

ионы, выделяемые осадительными электродами, преобразуют электрическое

поле между электродами электрофильтра в поле, аналогичное образующемуся

между двумя остриями, которое легко пробивается при невысоком напряжении

[21].

При оценке токсического действия пыли необходимо учитывать такие

факторы, как дисперсность, форма частиц, растворимость, химический состав.

Наибольшую опасность представляют пыли с частицами размером до 5 мкм,

частицы этого размера задерживаются в легких, проникая в альвеолы и

частично или полностью растворяются в лимфе. Частицы большего размера

задерживаются в верхних дыхательных путях и выводятся наружу при выдохе

или откашливании [22].

Отдельные частицы или их скопления, от ультрамикроскопических до

видимых невооруженным глазом, могут иметь любую форму и состав. В

большинстве случаев пыль образуется в результате диспергирования твердых

тел и включает частицы разных размеров, в пределах 10-7ч10-4 м. Пыль

неустойчива, ее частицы соединяются в процессе броуновского движения или

при оседании [23].

Сравнительные размеры различных частиц представлены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Сравнительные размеры различных частиц

Пыль в аэрозолях состоит из частиц самой разнообразной формы.

Возгоны большей частью имеют шарообразную или сферическую форму, или

форму тетраэдра. Частицы, образованные в результате механического

воздействия, представляют собой мелкие осколки самой разнообразной

неправильной формы. Пыль, образованная в процессе сжигания или плавления

материала, наряду с частицами неправильной формы содержит большое

количество частиц с оплавленными гранями. По структуре пыль может быть

аморфной, зернистой и волокнистой. К аморфной пыли относят частицы

округлой формы и возгоны, к волокнистой – частицы, образованные в процессе

текстильного производства [14, с. 61].

Существует несколько классификаций аэрозолей по размеру. В

частности, в связи с тем, что частицы атмосферных аэрозолей играют важную

роль в процессах конденсации водяного пара и тем самым в формировании

осадков, в метеорологии их называют ядрами конденсации, независимо от

физических и химических свойств, а классификацию проводят по характерным

размерам [24]:

• частицы Айткена – r < 0, 1 мкм;

• большие частицы – r = 0, 1 – 1, 0 мкм;

• гигантские частицы – r > 1 мкм.

Фракцию частиц с радиусом < 0, 1 мкм называют мелкодисперсной. Эта

фракция играет важную роль в электрических атмосферных явлениях, а также в

фотохимических процессах, происходящих в атмосфере, например, в слое

озона.

Среднедисперсная фракция аэрозолей включает частицы в диапазоне

размеров 0, 1ч1, 0 мкм. Эта фракция определяет оптические свойства

атмосферного аэрозоля в видимой и близкой к инфракрасной области спектров,

а именно обуславливает как рассеивание, так и поглощение атмосферой

солнечной радиации.

Грубодисперсной фракцией атмосферных аэрозолей называются частицы

с радиусом > 1, 0 мкм. Они играют важную роль в процессах

облакообразования, а также существенно влияют на оптические свойства

атмосферных аэрозолей в инфракрасной области спектра. Именно эти частицы,

являются главной составляющей компонента, которую измеряют при изучении

атмосферного аэрозольного загрязнения.

Наиболее часто встречаются смешанные аэрозоли (рисунок 1.4),

дисперсная фаза которых содержит частицы, образующиеся как в результате

измельчения, так и конденсации. К ним относятся выбросы металлургических

предприятий, тепловых электростанций, котельных, а также аэрозоли,

образующиеся при пирометаллургических процессах, сварочных работах [25].

А – аэрозоль; 1, 6 – перемещение аэрозольных частиц;

2, 5 – образование аэрозольных частиц диспергированием и конденсацией;

3, 4 – агрегирование (коагуляция) и дезагрегирование частиц дисперсной фазы;

7, 8 – отток и приток частиц.

Рисунок 1.4 – Стадии становления аэрозольной системы

Соединения металлов, независимо от их агрегатного состояния (пыль,

дым окиси, пары, туман), обладают токсичностью. Отравления могут

происходить при нагревании металла или его сплавов, плавке руд и при

производстве и применении красок и сплавов, в состав которых он входит. По

своей токсичности кадмий аналогичен ртути или мышьяку. Менее растворимые

соединения его действуют в первую очередь на дыхательные пути и

желудочно-кишечный тракт, а более растворимые – после всасывания в кровь –

поражают центральную нервную систему (сильное отравление), вызывают

дегенеративные изменения во внутренних органах (главным образом – в печени

и почках) и нарушают фосфорно-кальциевый обмен [26].

По степени токсичности пыли делятся на ядовитые и неядовитые.

Вредность воздействия зависит от количества вдыхаемой пыли, степени ее

дисперсности, от химического состава и растворимости. Глубоко в легкие

проникают пылинки размером от 1 до 10 мкм. Более мелкие выдыхаются

обратно, а более крупные задерживаются в носоглотке. Нетоксичные пыли,

кроме того могут адсорбировать ядовитые и нерадиоактивные вещества,

приобретать электрический заряд, что увеличивает их вредное действие [27].

Вследствие своей огромной удельной поверхности аэрозоли пылей

обладают большой реакционной способностью. Скорость реакции между

частицами и содержащимися в среде газообразными веществами обычно

определяется скоростью диффузии последних к частицам, т. е. выражается теми

же уравнениями, что и испарение частиц. Таким образом, количество вещества,

прореагировавшего в единицу времени в единице объема аэрозолей,

пропорционально частичной концентрации аэрозолей и первой степени радиуса

частиц, т.е. при данной весовой концентрации аэрозолей обратно

пропорционально квадрату радиуса частиц. В очень многих случаях

химическим реакциям в аэрозолях предшествует переход частиц в газообразное

состояние либо путем испарения (например, при сжигании жидкого топлива)

либо благодаря разложению вещества (горение органических пылей). Высокая

коагуляционная способность аэрозолей влечет за собой легкую их

воспламеняемость [28].

Окисление частиц пыли сопровождается повышением температуры,

поэтому в местах скопления пыли возможны ее самовоспламенение и взрыв.

Ввиду большой удельной поверхности возгонов и наличия в ряде случаев в их

составе неокисленных металлов, углерода и серы возгоны более склонны к

самовозгоранию. Взрывоопасность пыли увеличивается с уменьшением ее

зольности и влажности [14, с. 61-62].

Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их

взаимодействия и объединения в агрегаты. Наибольшая роль в коагуляции

пылей принадлежит молекулярным силам и силам электрического притяжения.

Коагуляция взвешенных в газах частиц существенно влияет на

эффективность действия пылеулавливающих устройств. С точки зрения

обеспыливания воздуха (газов) коагуляция весьма полезное явление, так как

благодаря укрупнению пылевых частиц повышается эффективность их

улавливания. Мелкодисперсная пыль, плохо или совсем не улавливаемая в

более простых аппаратах, может быть задержана ими после коагуляции.

Соединение и укрупнение частиц происходит при слипании их вследствие

столкновения под действием гравитационных сил, сил инерции, броуновского

движения, взаимного притяжения и т.д. Параллельно с процессом образования

агломератов происходит процесс разрушения образовавшихся укрупненных

частиц. Коагуляция будет происходить тем интенсивнее, чем больше

вероятность столкновения аэрозольных частиц. Эта вероятность увеличивается

под действием указанных выше факторов. Мелкие частицы в большей степени

подвержены коагуляции, чем крупные. Ускоряется также коагуляция при

повышении концентрации пылевых частиц в газовой среде [29].

Коагуляция частиц пыли размером более 0, 1 мкм происходит вследствие

их столкновения во время движения. Более мелкие частицы пыли коагулируют

в процессе броуновского движения под действием молекулярных сил. Частицы

пыли размером более 5-10 мкм почти не коагулируют в газовом потоке [14, с.

62].

Борьба с образованием производственной пыли и пылеулавливание

является наиболее важной технологической и экологической задачей.

Улавливание пыли необходимо также для извлечения из нее ценных продуктов

и особенно важно для защиты окружающей среды от загрязнений, прежде всего

– атмосферы в районах городов и промышленных центров.