ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССОВ КОАГУЛЯЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССОВ КОАГУЛЯЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

1 2 © Жолдыбаева З.И. , Зуслина Е.Х.

Алматинский университет энергетики и связи, Республика Казахстан, г. Алматы

В статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния электрических сил на эффективность коагуляции аэрозольных частиц.

Ключевые слова: эффективность, электрический заряд, аэрозольные частицы, коэффициент захвата, константа коагуляции.

Защита воздушного бассейна от загрязнений является одной из глобальных экологических задач. Интенсивное развитие энергетики, промышленного производства, создание новых отраслей промышленности приводит к сильному загрязнению окружающей среды. Несмотря на достигнутые успехи в технике пылеулавливания, содержание пыли в промышленных выбросах превышает предельно допустимые концентрации. Анализ дисперсного состава пылей показал, что для увеличения эффективности обеспыливания необходимо повысить степень улавливания аэрозолей тонких фракций. Коагуляция аэрозольных частиц является одним из перспективных способов повышения эффективности очистки газов от тонкодисперсных аэрозолей. Для интенсификации процессов коагуляции целесообразно использовать естественные и искусственные электрические заряды аэрозольных частиц [1-6].

Теоретическое исследование процессов коагуляции аэрозолей проводилось для случая парного взаимодействия аэрозольных частиц. Процесс коагуляции аэрозольных частиц протекает в два этапа: сближение частиц до их соприкосновения и слипание соприкоснувшихся частиц. Вероятность образования агрегатов зависит от соотношения сил аутогезии и сил, препятствующих коагуляции. При относительно высоких скоростях столкновения частиц и слабой аутогезийной связи наблюдается упругий отскок частиц после столкновения [7]. Аутогезия аэрозольных частиц определяется молекулярными, капиллярными и электрическими силами. Капиллярные силы заметно увеличивают аутогезию при насыщении воздуха водяными парами, а так же при коагуляции пары «твердая частица - капля». Большое влияние на величину силы аутогезии оказывает биполярная электризация аэрозоль-

1 Заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники», кандидат технических наук, доцент, профессор АУЭС.

2 Профессор кафедры «Теоретические основы электротехники», кандидат технических наук, доцент, профессор АУЭС.

ных частиц. Электрическое притяжение, возникающее между частицами, значительно увеличивает прочность индивидуальных контактов [7].

При теоретических расчетах предполагалось, что все столкновения частиц ведут к коагуляции. Аэрозольные частицы коагулируют в результате совместного действия различных микрофизических механизмов: броуновской диффузии, инерционного осаждения, эффекта «зацепления» и электростатического взаимодействия. Броуновская диффузия эффективна для частиц размером менее 0,2 мкм. Для более крупных частиц броуновской диффузией можно пренебречь [8].

Рассмотрим коагуляцию электрозаряженных частиц размером более 0,2мкм, оседающих в невозмущенной среде. На частицы действуют: 1. Сила тяжести:

рт = щё а=1,2),

(1)

где ш, = -^^Яр, - масса частицы, кг; Я1 - радиус частицы (1 = 1,2), м; р1 -плотность частицы, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

2. Электростатическая сила:

4л = ^ / (г,«, 2)4

\ле,

(2)

где /(г, а, х) - функция, обусловленная индукционными силами; г = — -безразмерное расстояние между центрами частиц; г - расстояние между

Я

центрами частиц, м; а =

<?2

х = —; чи 42

41

электрические заряды аэро-

зольных частиц, Кл.

Функция /(г, а, х) для случая взаимодействия двух диэлектрических электрозаряженных аэрозольных частиц с диэлектрическими проницаемо-стями еь е2 имеет вид:

/ (г, a, х) =1 -х

ех-1 2г2-1

а е2 -1

2г2 - а2

Ъ + 2 г (г2-1) X Ъ + 2 г (г2 - а2)

+г2 а

Ъ-1 Л + 2.

V

е2 -1 + 2

1

1

1

(г2 - а2 -1)2 (г2 - а2 )2 (г2 -1) 3. Сила гидродинамического взаимодействия частиц [9]:

Ъ=- 66 |Г ^^ 1;+(^^ I*

2 + Т г

(3)

г

*

где ц - динамическая вязкость воздуха, Н-с/м ; Ьь Т1 - функции, характеризующие гидродинамическое взаимодействие частиц (1 = 1, 2).

Эффективность коагуляции характеризуют константой коагуляции К [10]:

К = ж(Я1 + Д2)2(^ 1 - ^ 2)Г,

(5)

где ws1, ws2 - установившиеся скорости движения аэрозольных частиц, м/с; у -коэффициент захвата.

Коэффициент захвата определяет отклонение сечения захвата от геометрического, вызванное взаимным искривлением траекторий аэрозольных частиц:

(

У =

\

V К1 + К2 у

(6)

где do - прицельное расстояние для предельной траектории, м (рис. 1).

Рис. 1. К определению коэффициента захвата

Взаимодействие электрозаряженных аэрозольных частиц рассматривалось в декартовой системе координат (рисунок 2).

Рис. 2. Взаимодействие аэрозольных частиц

Система уравнений движения взаимодействующих аэрозольных частиц с учетом инерционных, гидродинамических, электрических и гравитацион-

ных сил для безразмерных величин в декартовой системе координат имеет вид [4, 9]:

* ^ = " ^^ — / С. а, *)4,

шб г г

. сИ, 1,2 - ТУ г, ч ^

=- -аа/(г,а, X)—

ш6 г г

а2 ^ = -ЬУ^ + аЯг, а, х)4, (7)

р * ^ = -^^ + ^ (г, а, Ж)4

Р г г

р2 . 2 Ь2 2 - Т2 У 2 2 Р2

—*—22 = —2-— + а /(г, а, х) — + а 2

Р г г Р

йу й2

— = -и., — = -,

сИ6 у2 y1, сИ6 2 2 21

где и^, и*2, и*1, и*2 - проекции скоростей на оси 0у, 0z, м/с;

* / * / * / * I /"

Иу1 = w*l/w,1, Иу2 = 2/^ и21 = ^1/^ и22 = и*21 - бе3ра3мерн^1е

скорости движения аэрозольных частиц; 1'б = И 1 / Я1 - безразмерное время;

а =-■ —---безразмерный параметр, характеризующий элек-

24^ еоМЯ2%м>л

тростатические силы;

* = - безразмерный параметр, характеризующий инерцион-

9М

ность частицы;

2р1К2 ц 0 .

И = - скорость седиментации частицы с радиусом R1, м/с;

9М

ц - динамическая вязкость воздуха, Н-с/м2

Прицельное расстояние do определялось путем численного решения системы уравнений (7), рассчитывались коэффициенты захвата у и константы коагуляции К.

Константы коагуляции естественно электрозаряженных аэрозольных частиц с диэлектрической проницаемостью е = 2,7 и биполярным электрическим зарядом приведены на рисунках 3, 4. Константы коагуляции частиц диаметрами dl = 2^10 мкм и d2 = 0,7^6 мкм при естественной биполярной электро-заряженности (электрический заряд частиц порядка 8-10-19 ^6-10"18 Кл) составляют (8,84-3,2)-10-15 м3/с.

К. м-'/с 8 6 4

2 О

ПО"'-

1 2___^

О

8

10 di.it

Рис. 3. Константа коагуляции К при естественной биполярной электрозаряженности частиц: 1. - d2 = 0,7 мкм; 2. - d2 = 2 мкм

П0-

2^^

10 <11

Рис. 4. Константа коагуляции К при естественной биполярной электрозаряженности частиц: 1. - d2 = 4 мкм; 2. - d2 = 6 мкм

К. м-7с

*1б

г у/

1

1С <31. мкм

Рис. 5. Константа коагуляции К при искусственной биполярной электрозаряженности частиц: 1. - d2 = 0,7 мкм; 2. - d2 = 2 мкм

Рассчитаны константы коагуляции искусственно электрозаряженных аэрозольных частиц с диэлектрической проницаемостью е = 2,7, диаметром й1 = 2^10 мкм и электрическими зарядами q1 = -9,6-10_17^-9,6-10~16 Кл с аэрозольными частицами диаметром й2 = 0,7^6 мкм и электрическими зарядами q2 = +8-10-18 ^ +4-10-16 Кл (рисунки 5, 6). Искусственная биполярная электрозарядка частиц позволяет повысить константу коагуляции до 2,5-10-12 м3/с ^ 2,29-10-10 м3/с.

ПО"11

1л

и и 1 .мкм

Рис. 6. Константа коагуляции К при искусственной биполярной электрозаряженности частиц: 1. - ^ = 4 мкм; 2. - ^ = 6 мкм

Расчет кинетики процесса электрокоагуляции проводился по известной формуле, полученной в работе [11] для случая, когда распределение аэрозольных частиц по размерам и зарядам описывается логарифмически нормальным законом:

■ = (1 + ЛК0 ^)В

(8)

где Ы0 - концентрация частиц в момент времени 1 = 0, м- ; Л = -

а\г ехр Ккор (Я0,Ч0)

1 + \Ккор К 0 qoj1(°R0 К0)2

В = 0,3 + 0,045 К

ак0 = 1 + (ак0/^о)2 - параметр, характеризующий степень полидисперсности частиц;

Ккор (К0,Ч0) - коэффициент корреляции; К0 - константа коагуляции, м3/с;

Ко, К - средние объемы частиц исходного аэрозоля и агрегатов, обра-

3

зованных в результате коагуляции, м .

г

го

Расчеты были выполнены для аэрозольных частиц биполярно электрозаряженных в поле короны при весовой начальной концентрации 19 г/м3, со средним диаметром ^ = 2 мкм, коэффициентами корреляции /Я0 = 1,3,

/ = 19. Полученные результаты показали, что за счет электрокоагуляции биполярно электрозаряженных частиц за время порядка 4с^6с образуются агрегаты, средний объем которых в 2^2,5 раза превосходит средний объем частиц исходного аэрозоля (рисунок 7).

3

2,5

г

1,5 1

0,5 0

1. - начальная концентрация аэрозольных частиц 2 г/м3;

2. - начальная концентрация аэрозольных частиц 5 г/м3;

3 - начальная концентрация аэрозольных частиц 10 г/м3

Рассмотрим влияние электрических сил на коагуляцию пылинок и капель диспергированной воды. Были получены зависимости коэффициента захвата от размера капель для случая биполярной электризации пылинок и капель (рисунок 8, рисунок 9). Удельный электрический заряд воды составлял 10-4 ^10"3 Кл/кг, электрический заряд на пылинках принимался равным естественному электрическому заряду и электрическому заряду, приобретаемому в поле коронного разряда.

Наиболее интенсивно коагуляция протекает при зарядке пыли в поле короны и удельном заряде воды 10-3 Кл/кг. Коэффициент захвата для пылинки радиусом 2 мкм достигает 6^22 (рисунок 9 кривая 1), коэффициент захвата естественно заряженной пыли значительно ниже (рисунок 9 кривая 2). Понижение удельного заряда воды так же значительно уменьшает величину коэффициента захвата (рисунок 8). Коэффициент захвата уменьшается с увеличением размера капель.

Рис. 7. Зависимость ^/^о от времени коагуляции

у

2,5 г 1,5 1

1

2

10 15 20 25 30 35 МКМ

Рис. 8. Коэффициент захвата для электрокоагуляции биполярно электрозаряженных капель с удельным зарядом 10-4 Кл/кг и пылинок радиусом 2 мкм и зарядом: 1 - 1,6-10-17 Кл; 2 - 1,6-10-16 Кл

1

2

10 15 20 25 30 35 1?Л, МКЛ1

Рис. 9. Коэффициент захвата для электрокоагуляции биполярно электрозаряженных капель с удельным зарядом 10-3 Кл/кг и пылинок радиусом 2 мкм и зарядом: 1 - 1,6-10-17 Кл; 2 - 1,б-10-16 Кл

Проведены экспериментальные исследования электрокоагуляции пылинок и капель. В процессе экспериментов были определены коэффициенты пылеулавливания и эффективность улавливания пылинок электрозаряженными каплями воды:

V = 1 = 1 - е" Nn

(9)

где N20 - концентрация пыли до орошения; N - концентрация пыли после орошения запыленного потока электрозаряженной водой; ап = К (Я1, д1, Я2, д2) N -коэффициент пылеулавливания; N1 - концентрация капель диспергированной воды.

Результаты экспериментов по определению эффективности пылеулавливания естественно электрозаряженной пыли представлены в таблице 1, искусственно электрозаряженной пыли в таблице 2.

aj

Таблица 1

а„ и jj для естественно электрозаряженной мыли

Радиус пылинки, мкм, Средний диаметр капель 70 мкм, заряд 5-10"4 Кл/кг

с j %

0,5-1 0,05 9,7

1-2 0,06 11,3

2-4 0,08 14,6

Таблица 2

а„ и jj для искусственно электрозаряженной мыли

Радиус пылинки, мкм, Средний диаметр капель 70 мкм, заряд 5-10-4 Кл/кг

с j %

0,5-1 0,38 53,2

1-2 0,65 72,7

2-4 1,04 87,5

Как показали эксперименты, эффективность улавливания искусственно электрозаряженных пылинок противоположно электрозаряженными каплями воды достигает 53,2^87,5 %, эффективность улавливания естественно электрозаряженной пыли значительно ниже и составляет 9,7^14,6 %.

Теоретические и экспериментальные исследования влияния электрических сил на эффективность коагуляции аэрозольных частиц показали, что искусственная биполярная электрозарядка частиц позволяет повысить кон-

12 3 10 3

станту коагуляции до 2,5-10" м/с ^ 2,29-10" м/с. За счет электрокоагуляции биполярно электрозаряженных частиц за время порядка 4с^6с образуются агрегаты, средний объем которых в 2^2,5 раза превосходят средний объем частиц исходного аэрозоля, что позволяет увеличить эффективность их улавливания. Установлено, что на эффективность пылеулавливания диспергированной водой значительное влияние оказывают электрические заряды пылинок и капель. Применение электрических зарядов аэрозольных частиц для интенсификации процессов коагуляции позволяет значительно повысить эффективность очистки воздуха.

Список литературы:

1. Юдаев Б.Ф. Акустическая коагуляция аэрозолей // Бюллетень строительной техники. - 2004. - № 6.

2. Шалунов А.В. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей: монография / А.В. Шалунов, В.Н. Хмелев, К.В. Шалунова, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин, С.Н. Цыганок. - Барнаул: АлтГТУ 2010. - 235 с.

3. Мухина Е.И. Коагуляция капель в электрическом поле // Физика. Тезисы докладов областной научно"практической конференции молодых ученых и специалистов. - Ярославль, 1990. - С. 26.

4. Жолдыбаева Ж.И., Зуслина Е.Х., Аршидинов М.М. Повышение эффективности газоочистки в скрубберах электрическим полем // Вестник АУЭС. - 2014. - № 4. - С. 70-79.

5. Власенко С.С. Влияние электризации аэрозольных частиц на их коагуляцию в электростатическом поле. Деп. в ВИНИТИ №6344-В89 от 07.06.89. -С. 15.

6. Кущев Л.А. Повышение эффективности работы пылеуловителей при использовании предварительной электризации многофазных потоков // Изв. Вузов Сев.-Кав. регион. Технические науки. - 2003. - Приложение № 5. -С. 45-47.

7. Зимон А.Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. - М.: Металлургия, 1978. - 288 с.

8. Пирумов А.И. обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1974. - 207 с.

9. Красногорская Н.В. Влияние электрических сил на коагуляцию частиц сравнимых размеров // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1965. - Т. 1, № 3. - С. 339-345.

10. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 320 с.

11. Мирзабекян Г.З. Кинетика коагуляции биполярно заряженных частиц // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1973. - № 3. - С. 73-83.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ КРАСНОДАРСКОЙ ТЭЦ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

© Иванова Н.Д.1, Оганесян В.А.1, Проскурякова Ю.Д.1

Кубанский государственный университет, г. Краснодар

В статье освещена экологическая проблема Краснодарского края, связанная с работой ТЭЦ. Предложен способ уменьшения загрязнения и улучшения состояния окружающей среды.

Ключевые слова экология, Краснодарская ТЭЦ, загрязнение воздуха.

В настоящее время хозяйственная деятельность человека всё чаще становится источником загрязнения биосферы. В природную среду во все больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы производств. Экологическое состояние экосистем в пределах Краснодарского края вызывает серьезную тревогу. Она порождена не только социально-нравственными и экономическими причинами, но и прежде всего неэффективным размещением и использованием в них производительных сил. Стремительное развитие всех отраслей промышленности, энергетики, транспорта, увеличение численности населения и урбанизация, химизация всех сфер дея-

1 Студент. Научный руководитель: Апиш М.Н., кандидат педагогических наук.