51.21
Ж79
Рецензент --
кандидат технических наук
О. Л. Лебедев
Жолондковский О. И.
Ж79 Внимание, воздух! -- М.: Моск. рабочий, 1985.--
159с.
С загрязнением атмосферы вредными примесями нужно бороться. А чтобы борьба была успешной, необходимо хорошо знать врага. В книге рассказано о различных видах пыли и вредных газах, как и откуда они появляются, что должны делать люди для того, чтобы воздух над городами стал чистым. Много внимания уделено изобретениям, помогающим в борьбе с загрязнением атмосферы. Рассчитана на массового читателя.
Ж
4104020000--199
М172(03)--85
162--85
ББК 51.21
613
Љ Издательство "Московский рабочий", 1985 г.
*****************************************************************************
Академик Г. М. Кржижановский рассказывал, что в один из солнечных дней 1922 года Владимир Ильич Ленин обратил внимание на дым, валивший из труб первой московской электростанции, и заметил: "Социализм немыслим без дружбы с природой... Серьезно, очень серьезно подумайте об этом в Госплане".
Коммунистическая партия и Советское правительство с каждым годом все больше внимания уделяют вопросам борьбы с загрязнением воздуха. Создана сеть санитарно-эпидемиологических станций и региональных инспекций для контроля за вредными выбросами заводов, фабрик и энергетических предприятий. Ежегодно увеличиваются капитальные вложения в строительство пылеулавливающих и газоочистных устройств. В стране действуют несколько институтов, разрабатывающих новые способы очистки воздуха, пылеуловители и газоочистные установки.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981--1985 годы и на период до 1990 года" сказано, что необходимо "совершенствовать технологические процессы и транспортные средства с целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей. Увеличить выпуск высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля за состоянием окружающей природной среды".
Особенно большое внимание охране воздушного бассейна уделяет общественность. В коллективных договоpax, заключаемых ежегодно между администрацией предприятий и коллективом рабочих и служащих, один из основных пунктов зачастую посвящен совершенствованию существующих и строительству новых пылегазо-улавливающих устройств, освоению безотходных, технологий. Безусловно, полностью безотходные технологии -- оптимум для охраны окружающей среды, но для многих отраслей промышленности -- это вопрос еще далекого будущего. Пока же приходится все более и более совершенствовать очистные сооружения, организовывать системы контроля и наладки действующих пылеуловителей. Проблема сейчас особенно остра не только потому, что загрязненность атмосферы наносит огромный вред здоровью людей и экологической среде, но и потому, что очень часто пыль представляет собой ценное сырье для металлургических предприятий, заводов строительных материалов и химии.
К сожалению, новинки техники, направленные на борьбу с вредными выбросами, распространяются все еще очень медленно. В современных учебниках и специальных книгах приводятся те же устройства, что ив литературе 50-х годов.
В предлагаемой книге вопросы газоочистки и пылеулавливания изложены в популярной форме, в ней описаны признанные Госкомизобретений устройства для борьбы с пылью, приводятся случаи из практики внедрения пылеуловителей. Выход книги своевременен и потому, что в постановлении'III пленума ВСНТО от 18 мая 1984 г. об участии организаций НТО в работе по охране окружающей среды, в частности, говорится и о задачах, стоящих перед Научно-техническим обществом энергетики и электротехнической промышленности имени Г. М. Кржижановского. Это быстрейшее внедрение высокоэффективных золоулавливающих установок для мощных котлов, парогенераторов, работающих на режимах, обеспечивающих максимальное подавление окислов азота, создание установок по улавливанию сернистого ангидрида. Перед НТО черной металлургии поставлена задача по внедрению новых методов очистки коксовых газов от сероводорода, сокращению выбросов окислов азота, разработке и внедрению установок, позволяющих предотвратить загрязнение атмосферы.
Подобные же вопросы предстоит решить НТО цветной металлургии, Всесоюзному химическому обществу имени Д. И. Менделеева, НТО нефтяной и газовой ромышленности имени академика И. М. Губкина др.
Уже сейчас первичные партийные, профсоюзные и комсомольские организации, НТО и ВОИР на многих предприятиях участвуют в охране атмосферного воздуха.
О. И. Жолондковский является энтузиастом охраны воздушной среды. Он не только известный журналист-популяризатор по этой теме, но и автор многих конструкций пылеулавливающих и газоочистных устройств, примененных на таких предприятиях, как завод "Ростсельмаш", Московский чугунолитейный завод имени Войкова, красногорский завод "Цеммаш", Магнитогорский металлургический комбинат и др. Все это позволяет надеяться, что книга.О. И. Жолондковского поможет в решении многих задач по очистке атмосферы. Итак, "Внимание, воздух!".
Б. А. СИМКИН,
заместитель председателя ВСНТО, доктор технических наук, профессор
*****************************************************************************
Еще в середине XIX в. пылеулавливание мало кого интересовало. Единственной мерой, которую лондонцы приняли против пыли, было запрещение пользоваться каменным углем для отопления. В каминах жарко потрескивали огромные поленья, и старые леди кутались в теплые пледы.
Может быть, в один из таких зимних вечеров, сидя у камина, молодой физик Джордж Габриэль Стокс задумался над тем, что настанет время и мельчайшая пылинка вырастет в проблему угрожающих размеров. А какие силы влияют на свободное парение пыли? Как применить здесь закон Ньютона, безошибочный при расчете падения крупных тел? Ведь железный шарик размером в несколько микрометров при падении явно чем-то тормозится. И сэр Джордж вывел закон, определяющий силу сопротивления, действующую на твердый шар при медленном перемещении в вязкой среде. Впоследствии закон лег в основу всех расчетов движения частиц в жидкости и газе.
Если, купаясь в реке, нырнуть, открыть глаза и взглянуть вверх с рыбьей точки зрения, увидишь множество взвешенных частичек. Здесь и песок, и глина, и какие-то организмы, и шарики мазута. Все это несется течением и никак не хочет осесть.
В воздухе творится приблизительно то же самое. Только вязкость его намного меньше, чем воды, поэтому и частицы в нем удерживаются лишь очень маленькие и легкие.
Декабрьским днем 1952 г. над Лондоном появились барашки кучевых облаков. Погода была тихая. Дымили трубы фабрик и заводов, работали дробилки и мельницы, врезались в металл наждачные круги, полировальные шкурки драили дерево. А облачность росла. На третий день затишья над городом образовался темный свод, через который едва просвечивало солнце. Люди оказались в положении рыб, живущих в загрязненном водоеме. И вдруг эта дымно-пылевая туча, получившая позже название инверсионного слоя, стала выдавать обратно все, чем ее напитали люди. Пыль больше не могла удержаться в верхних слоях атмосферы и стала оседать. С нею спускались вниз гарь, капельки кислоты, газы.
Первыми жертвами смога, а это был именно он, оказались легочные больные. За четыре дня смог унес 4 тыс. жизней.
Лишь тогда засуетились санитарные инспекции. Фирмы, выпускающие автомобили, начали разрабатывать системы очистки и дожигания выхлопных газов. Вновь решили строить не выдержавшие когда-то конкуренции электромобили. Под угрозой разорительных штрафов к заводским трубам кое-где стали приделывать фильтры.
Владельца одного из металлургических заводов посетил необычный визитер. Он предложил избавить хозяина предприятия от всех неприятностей, связанных с требованиями санитарной инспекции, а взамен просил пустяк -- разрешение поставить возле дымовых труб свои фильтры. Хозяин, считая, что перед ним сумасшедший, тем не менее дал согласие и обязался всю уловленную этим чудаком пыль отдавать ему безвозмездно.
Прошло несколько месяцев, на территории завода выросли какие-то башни, а вскоре их владелец пришел к хозяину и предложил ему купить порошок металла, добытого из пыли. И тут хозяин подсчитал, что ему намереваются ежемесячно продавать ровно 6% выпускаемого продукта без затрат на доставку сырья и оплату труда плавильщиков...
Оказывается, пылеулавливание -- выгодное дело! Из золы электростанций можно извлекать редкие и даже драгоценные металлы, а основную массу сдавать как сырье на цементные заводы. Из сернистого газа получать серу. Из, казалось бы, никому не нужной минеральной пыли делать строительные блоки. И так далее -- без конца. Пылеулавливание выгодно!
Сейчас, в 80-х годах, на большинстве предприятий тем или иным методом 90% пыли из газов все-таки ловят. В воздух летят 10%. Конечно, можно сказать: "Подумаешь, всего десять процентов!" Но правильней воскликнуть: "Целых десять процентов!" Нужно воевать даже за доли процента. "Воевать", но уместно ли здесь это слово? Ведь на каждом заводе есть специализированные службы, в обязанности которых входит контроль за работой пылеуловителей. Конечно, это так, но силы загрязнителей и очистителей атмосферы несоизмеримы. Службе газоочистки без помощи рационализаторов не справиться со смогом. Значит -- война?
Но чтобы воевать, нужно знать врага. В данном случае-- физико-химические свойства пыли и газов. Нужно владеть оружием -- знать весь арсенал средств, уже придуманных инженерами и учеными.
В любой патентной библиотеке вы найдете массу таких изобретений, как советских, так и зарубежных. Каких только систем нет: и пылеосадочные камеры, где пыль осаждается за счет расширения газа, и рукавные фильтры из шерстяной фланели, в которые загоняют газ и заставляют его выходить наружу через поры материи. Фильтров построено множество, но чтобы их поры очистить от пыли, рукава надо трясти, продувать и выколачивать, а это гибельно для ткани. Ведь в дырявом мешке пыль не удержать.
Очень много патентов на электрофильтры. Если в пылеосадочной камере подвесить проволочные электроды и подвести к ним высокое напряжение, то заряженные частицы, образующиеся из воздуха, начнут двигаться по силовым линиям электрического, поля. По пути они захватят с собой частицы пыли и тумана и доставят их к электроду. Потом электроды встряхнут, и пыль с них упадет в бункер. Но и этот пылеуловитель имеет ряд недостатков. Он очень громоздок, его электрооборудование сложно в эксплуатации, а во время встряхивания часть пыли с электродов все же уносится в атмосферу.
Есть другой фильтр -- полная противоположность этому: не громоздок, не требует никакого электрооборудования, эксплуатировать его просто. На основе электрического, точнее электростатического, явления химики создали фильтрующие материалы из ультратонких волокон. Частицы пыли, пробиваясь между паутинками этой ткани, трутся о них. На волокнах возникают мощные электрические заряды, притягивающие даже не видимые глазом частицы. Но и это не абсолютный пылеуловитель. Горячий газ в него подавать нельзя -- ткань расплавится, как капроновый чулок. После загрязнения вторично использовать ткань невозможно, старую приходится выбрасывать и ставить новую.
Одно время многие инженеры большие надежды возлагали на ультразвуковой способ.
В библейской легенде рассказывается о том, как стены Иерихона рухнули от рева множества труб осаждающей его армии. Это, может быть, одно из первых упоминаний о работе, проделанной звуком. В трудах немецкого физика Августа Кундта описан один из его опытов: стеклянную трубку, заполненную дымом, "озвучивали" свистком. Результат -- дым моментально исчезал. На стенках трубки оставались лишь крупные частицы сажи. Под действием ультразвука частицы дыма соударялись и слипались друг с другом. Кундт сделал вывод: если озвучивать поток частиц достаточно долгое время, от соударений они превратятся в крупинки-драже, которые могут легко выпасть из потока воздуха.
На этой основе были созданы более мощные, чем свисток, ультразвуковые генераторы. Газ пробовали обрабатывать прямо в дымовой трубе. Но мощность "неслышимого", ультразвука, так велика, что рядом с таким пылеуловителем просто невозможно находиться. Так что пока не прижилось и это устройство.
Пытались конструкторы копировать, и природу. Вот прошел дождь. Пыль прибило, и воздух посвежел. Решили подражать дождю. Построили оросительную камеру, включили форсунки. Ливень обрушился на запыленный газ, но... Одни пылинки сразу смыло водой, а другие летят себе дальше, пройдя, казалось бы, непроходимую водяную завесу. Оказывается, все дело в зарядах. Пылинки, имеющие разноименные с каплями воды заряды, притягиваются к ним и улавливаются, а с одноименными зарядами старательно обходят каждую каплю. Следовательно, перед улавливанием нужно всю пыль зарядить одноименным зарядом? Но как это сделать? Надо приспособить "заряжающее" устройство, которое будет напоминать уже знакомый электрофильтр. Но получится нагромождение двух известных аппаратов?! Да, двухступенчатые пылеуловители -- не абсурдное решение. О некоторых вариантах спаривания двух разных систем мы еще поговорим.
Итак, звучат мощные сирены, бушуют фонтаны воды, сверкают высоковольтные разряды, а зловредная пылинка продолжает летать.
Зайдите в прачечную и посмотрите на цвет воротника рубашки в том месте, где он касается шеи, и вы сразу узнаете, в каком районе города живет клиент.
Коричневый цвет -- цвет окислившегося железа: человек обитает где-то у металлургического завода; синий -- это кубовый краситель: клиент -- сосед анилино-красочного производства; серый -- цвет окиси алюминия; зеленый -- меди. Над каждым заводом облако своей пыли.
Как же изловить сверхлетучую пылинку? Снизить бы вязкость воздуха! Но этого мы не умеем, а если и умели, не стали бы применять этот способ. Через атмосферу, лишенную вязкости, нас атаковал бы дождь мелких метеоритов.
Может быть, поможет химия? Представьте себе какое-то очень дешевое микропенистое или микропористое активное вещество, через которое газ проходит легко, а все частицы задерживаются. Загрязнился этот очиститель -- его убрали вместе с пылью. Но для этого он должен быть крайне дешевым...
На любой ТЭЦ горячий воздух, газы, дым проходят через дымосос. Там вращается ротор -- большое колесо, как у водяной мельницы. Взгляните, до какого блеска отполированы его лопасти. Это сделала тончайшая зола.
Я видел фотографии газовых потоков, возникающих между лопастями ротора. Вот гаа поток газа и частичек золы набегает быстро вращающийся ротор. Зола ударяется о его лопасти, скользит по металлу, как бы полирует его. Лопасти быстро срабатываются. Местами они утоньшаются до толщины бумажного листа. Были попытки использовать соударения пылинок и лопастей ротора для осаждения пыли, но сводились они к прикреплению на лопастях разных ловушек, лабиринтов и изгибов -- всего того, что пагубно сказывается на коэффициенте полезного действия дымососа. И все же заставить дымосос по совместительству вылавливать частицы золы-- задача разрешимая.
Возможных решений -- множество. Но в идеале нужен совершенно универсальный и эффективный абсолютный пылеуловитель, сокращенно АПУ, Он должен не бояться высокой температуры, иметь ничтожное сопротивление воздуху, не требовать больших затрат электроэнергии, не загрязнять водоемы пульпой, иметь удобное устройство для извлечения уловленной пыли. Задача такого АПУ -- ловить, ловить и ловить пыль. Магнитную и немагнитную, грубую и тонкую, электропроводную и изоляционную, гладкую и пушистую. АПУ ждут. На него надежда проектировщиков домен, конвертеров и химических реакторов.
Изобретательские предложения нужны остроумные, с элементом неожиданности, но не скороспелые. Надо помнить не только об эффективности пылезадержания, но и об экономике. Иначе можно прийти к абсурдным конструкциям. Например, один француз предложил нагнетать дым в многокилометровый подземный тоннель с тем, чтобы он фильтровался через слой земли и выходил очищенным наружу через мельчайшие поры. Было также высказано предложение надевать на дымовую трубу большой валяный сапог. Слов нет, и первая, и вторая конструкции работоспособны. Но во что обойдется прокачка газа через землю и как часто придется менять прогоревшие валенки?!
И еще. Встав на путь изобретательства, любой новатор обязательно должен ознакомиться не только с технической литературой по избранному направлению, но и начать регулярный просмотр "Бюллетеня изобретений и товарных знаков". Правда, там публикуются только чертежи и формулы изобретений, но зачастую этого достаточно для того, чтобы узнать, как развивается данная отрасль техники.
Словом, не изучив вопроса, изобретать лучше не браться. Девятьсот девяносто девять шансов из тысячи, что вы пойдете уже хоженым путем.
Борьба с промышленным загрязнением атмосферы стала осознанной необходимостью миллионной армии инженеров. Дают свои предложения Всесоюзный научно-исследовательский институт охраны труда, Научно-исследовательский институт очистки газов, Всесоюзный НИИ санитарной техники и еще множество НИИ, КБ и ОКБ. В Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР одна за другой поступают заявки на. фильтры для газов, на новые бездымные способы производства. И комитет, и технические советы предприятий с особым вниманием подходят к работам, посвященным охране окружающей среды.
Автор ставит перед собой задачу -- помочь новаторам сориентироваться в потоке информации, посвященной пылеулавливанию и газоочистке, уберечь от ошибок, которые неизбежны, если за дело берется неспециалист, и тем не менее привлечь и их к работе по охране атмосферного воздуха. Ведь самые оригинальные идеи, позволяющие решить вопрос, стоящий перед специалистами многие и многие годы, зачастую рождаются у исследователей, работающих в других отраслях науки и техники, свободных от целого ряда "цеховых" предрассудков.
ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЬ ?
Английский ботаник Роберт Броун, наблюдая под микроскопом движение цветочной пыльцы в воде, подумал, что перед ним микроорганизмы. Пылинки, как живые существа, суетились, расталкивая друг друга. Он нагрел воду до температуры, при которой никакая жизнь невозможна, и с удивлением увидел, что движение пылинок осталось прежним. Ученый решил исследовать поведение тонкодисперсной пыли в воздухе, заключенном в сосуд. Пляска частиц продолжалась. Позже стало понятно, что пылинки движутся под влиянием молекул окружающей среды. В честь первооткрывателя это явление назвали броуновским движением.
Так был сделан основополагающий вклад в физику, и в частности в теорию пылеулавливания, с которой читателю хотя бы вкратце нужно ознакомиться. Прежде всего уточним, что такое пыль? Пыль -- это мельчайшие твердые вещества, витающие в воздухе или промышленных газах.
Наиболее распространена та, с которой мы боремся в обиходе и которую поднимаем на дорогах. С ней, кстати, труднее всего бороться, но она и наименее вредна. Прочая -- это те неуловимые 10%, о которых я упоминал раньше,-- основной враг и предмет данного разговора.
По происхождению пыль делится на органическую -- из растительных материалов, неорганическую -- из металлических, минеральную и смешанную. Взвешенные частицы пыли значительно отличаются от родственного вещества в нераздробленном состоянии, и соответственно меняются их взаимоотношения с окружающей средой. Пыль различается по удельному весу, форме, электрозаряженности, воспламеняемости, способности поглощать, или адсорбировать, разные вещества и другим физико-химическим свойствам.
Для определения состава пыли и содержания ее в воздухе или газах необходим химический анализ. Пыль классифицируется по размерам частиц --фракциям, которые измеряются в микрометрах. Степень измельчения частиц пыли называется дисперсностью. Отсюда и специальные термины: дисперсионная среда -- газы или воздух, дисперсная фаза -- взвешенные частицы, вся система -- аэродисперсная, или аэрозоли.
Всем нам известный туман -- это не что иное, как аэрозоль из мельчайших частиц жидкости; дым -- из мельчайших твердых частиц. Пыль же -- это грубодис-персная аэрозоль.
Вы смололи кофе и немного просыпали его -- воздух сразу наполнился ароматом: это вы вдохнули кофейную аэрозоль. Кроме удовольствия, вы ничего от этого иметь не будете. Но есть ведь пыль железная, медная, чугунная, алюминиевая, цементная, кварцевая, асбестовая, наждачная, свинцовая, цинковая... Постоянно, а во многих случаях круглосуточно работают заводы, фабрики, шахты. Там идут помол, дробление, истирание, бурение. Там сжигают, обжигают, плавят, сушат, возгоняют и т. д. и т. п. А в результате в воздухе появляются вредные туманы, пыль, дымы. Частицы, их составляющие, тем вредней, чем больше дисперсность пыли. Ведь при этом увеличивается суммарная поверхность раздробленного вещества, и оно куда активней вступает в химические реакции, у него становится больше объемных электрических зарядов, идет повышенное поглощение газов.
От дисперсности пыли зависит и оседание ее частиц. Крупные частицы оседают быстрее. На частицы размером 0,1--1 микрометр (мкм) оказывают влияние воздушные тепловые потоки и броуновское движение, и они гораздо дольше находятся во взвешенном состоянии.
Каждая взвешенная в воздухе частица подвергается действию противоположно направленных сил -- силы тяжести и силы трения частицы о воздух при ее падении. При определенных значениях удельного веса, размера и формы частицы сила трения может уравновесить силу, тяжести и падение ее будет продолжаться с постоянной скоростью по закону Стокса.
При движении частиц в воздухе происходит их столкновение, при этом отдельные частицы высокодисперсной пыли соединяются (коагулируют) в более крупные частицы.
Сближение частиц, приводящее к их столкновению, может быть самопроизвольным (самопроизвольная коагуляция) и вынужденным (вынужденная коагуляция).
Самопроизвольная коагуляция может быть обусловлена одним лишь тепловым (броуновским) движением частиц (тепловая или броуновская коагуляция) или одними лишь электрическими силами, действующими между заряженными частицами при отсутствии внешнего электрического поля (самопроизвольная электрическая коагуляция).
Вынужденная коагуляция обусловлена внешними силами, действующими на частицы высокодисперсной пыли, К ней относится ультразвуковая, аэродинамическая, турбулентная и вынужденная электростатическая коагуляция, обусловленная действием внешнего электрического поля.
Однако не всякое столкновение частиц ведет к их коагуляции. Это объясняется тем, что на поверхности высокодисперсных частиц имеется слой адсорбированного газа, который сильно мешает их слипанию. Если же притяжение частиц все-таки происходит, то получается слабое сцепление их с образованием очень непрочного хлопьевидного агрегата.
Представим себе пылинку, падающую в воздухе. Сила притяжения тянет ее вниз, и частица начинает разгоняться. Но при этом возникает и сила сопротивления воздуха, которая направлена вверх. Сначала сила притяжения больше, чем сила сопротивления, и частица движется с ускорением, но по мере роста ее скорости увеличивается и сила сопротивления воздуха. Через некоторое время сила притяжения будет полностью уравновешена силой сопротивления. После этого движение частицы не будет ни ускоряться, ни замедляться, и она начнет двигаться с постоянной скоростью, называемой предельной.
Например, пылинка размером 1 мкм, содержащаяся в газах, выходящих из дымовой трубы, будет опускаться со скоростью всего 0,003 см/с, а капелька дождя диаметром 1 мм -- со скоростью 460 см/с. В отличие от дождевых капель частицы дыма и пыли падают настолько медленно, что фактически они как бы взвешены в воздухе и вместе с ним поднимаются, перемешиваются с чистым воздухом и распространяются в атмосфере. Оказавшись в ней, частицы там не остаются. Подсчитано, что примерно за две недели состав атмосферы обновляется. Этот период называется временем оборачиваемости частиц. Но это не значит, что за это время атмосфера полностью очищается. Так было бы, если бы в нее больше ничего не попадало. К сожалению, скорость поступления туда новых частиц примерно такая же, как скорость их удаления.
Таким образом, общее содержание дыма и пыли вроде бы остается приблизительно одним и тем же. Однако в наше время есть основания полагать, что загрязненность атмосферы увеличивается.
Некоторые думают, что очищению атмосферы способствуют дождь и снег. Действительно, в какой-то мере это так. Многие наблюдали, как в ветреный, пыльный день прошедший вдруг дождь переносил грязь из воздуха на стекля автомобилей, сохнущее белье, на волосы. Очищается одно -- загрязняется другое.
В теории пылеулавливания очень важно знать размеры частиц промышленной пыли. Условно их разделяют на три группы:
частицы радиусом больше 10 мкм (грубая пыль), которые можно рассмотреть в микроскоп при малом увеличении;
микроскопические частицы радиусом 10--1 мкм, различимые при обычных методах микроскопии;
v ультрамикроскопические частицы радиусом меньше 1 мкм, видимые в ультрамикроскопе или в электронном микроскопе.
Диаметр частицы можно определить по скорости ее витания, или падения, в спокойном воздухе. Ну, а как же узнать, что собой представляет та или иная уловленная пыль? Прежде всего ее нужно суметь поймать. Чем тоньше пыль, тем сложней и дороже приборы, предназначенные для ее улавливания. На большинстве московских заводов созданы службы, следящие за работой пылеулавливающих установок. Чаще всего для взятия проб пыли они используют воздуходувку с присоединенными к ней ротаметрами -- стеклянными трубками, внутри которых находятся легкие алюминиевые колпачки. Резиновые шланги соединяют ротаметры с пылезаборными трубками, к ним же подсоединены расширители с предварительно взвешенными тончайшими фильтрами, сделанными из синтетических волокон.
Заметив время, лаборант устанавливает пылезаборные трубки в помещении, где необходимо отобрать пробу воздуха, и включает прибор. Воздуходувка начинает всасывать воздух по резиновым шлангам через ротаметры и фильтры. Проходя через стеклянные трубочки ротаметров, потоки отсасываемого воздуха поднимают алюминиевые колпачки. Чем больше объем отсасываемого воздуха, тем выше поднимаются колпачки. Лаборант следит, чтобы они находились на заданном уровне, соответствующем определенному расходу воздуха. По истечении заданного времени отсос воздуха прекращают и фильтры взвешивают. Узнав, насколько они потяжелели, лаборант делит полученную величину на количество пропущенного через фильтр воздуха. Например: привес фильтра 2 г, а пропущено через него 10 м3 воздуха. Выходит, запыленность в помещении катастрофически велика -- 200 мг/м3! Данные испытания передается вентбюро с предписанием срочно принять меры по обеспыливанию данного участка.
Несколько сложней отобрать пробу воздуха из газохода, по которому пыль летит с большой скоростью. Главное условие правильности отбора -- это создание в устье пылезаборной трубки, введенной в газоход, точно такой же скорости, как и в сечении газохода. Дело в том, что при более быстром заборе частиц мы будем брать не только те частицы, которые оказываются перед устьем, но и подсосем соседние. В результате количество попавших в фильтр частиц будет больше, чем фактически их было в газоходе. И наоборот, при низкой скорости отбора пробы пыли в устье трубки возникает воздушная пробка, мешающая попасть в фильтр всем частицам, которые оказались перед устьем трубки в момент отбора пробы. В результате проба окажется заниженной по сравнению с фактической запыленностью, которая в данное время была в газоходе.
Сложность, которую приходится преодолевать лаборантам при отборе проб,-- выпадение росы в пылезаборной трубке. Конденсат попадает на фильтр и затрудняет просасывание воздуха. Нередко фильтр разрывается, и тогда опыты повторяют. Чтобы избежать этого, иногда приходится делать электроподогреватели для пылезаборных трубок или ставить специальные емкости для выделения конденсата из отсасываемой пробы воздуха.
Еще большие сложности лаборанты испытывают, когда требуется определить размеры пылинок в отобранной пробе. Возьмите ватный шарик и бросьте его с определенной высоты. Сколько времени потребовалось ему, чтобы достичь пола? Секунда? Меньше? Но то же количество ваты, если ее распушить на волокна, проделает этот путь не за одну, а за несколько секунд. Причина этого несовпадения -- сопротивление воздуха. Высота, с которой сбросили частицы, поделенная на время падения, называется скоростью витания. Чем она выше, тем легче поймать пылинки с соответствующим размером в поперечнике.
Но как измерить его? Что считать поперечником пылинки, если сами эти пылевые частицы имеют, как правило, самую разнообразную форму: это и спиральки, и пластиночки, и стержни. Для простоты расчетов ученые условились все пылинки считать шариками, а диаметры их определять в соответствии со скоростью витания. Чем она больше, тем, стало быть, больше диаметр пылинок. Условно пылинка с низкой скоростью витания -- это шарик диаметром 5 мкм, а фактически это может быть чешуйка с поперечником 50 мкм. Только падает она очень медленно из-за того, что парашютирует в воздухе. На практике почти нет монофракционных пылей -- с одинаковыми размерами всех частиц. Инженерам приходится иметь дело с полифракционными пылями, и скорости витания их отдельных частиц разнятся в десятки раз. Особенно заметно это во время "залповых" пылевых выбросов, связанных с падением больших масс земли, когда крупные песчинки сразу падают на землю, а мелкие фракции глины еще долго парят над карьером. На основе сравнения скорости витания пылинок с их диаметрами разработан и метод исследования -- воздушная сепарация в вертикальных цилиндрах. Принцип ее действия заключается в том, что исследуемую пыль вводят в воздушный поток, имеющий постоянную скорость. При этом мелкие частицы выносятся из цилиндра, а остальные падают вниз. Оставшуюся, пыль пропускают через другой цилиндр с более высокой скоростью, и вновь в нем оседает только часть пробы. Пропустив навеску пыли через несколько цилиндров и каждый раз взвесив остаток, можно рассчитать процентное соотношение частиц с различными скоростями витания и, следовательно, с разными условными диаметрами.
В июне 1984 г. над Токио появились НЛО (неопознанные летающие объекты). Ярко-зеленые светящиеся диски зависли над городом. Возникла паника. Люди ждали массового десанта инопланетян. Только под утро выяснилось, что это были блики от многократно отраженного луча лазера, которым доктор Сакурао определял уровень запыленности воздуха. Вопреки ожиданиям плотность инверсионного слоя оказалась настолько велика, что луч от него отразился, как от стенки. А сейчас немного истории.
В 1899 г. с помощью филигранной экспериментальной техники П. Н. Лебедеву удалось измерить световое давление. И теперь оно становится привычным инструментом для инженера. Практическое применение лазеров до недавнего времени в основном относилось либо к области чистой оптики, либо было связано с тепловыми воздействиями светового луча. Таковы лазерные микроскопы, лазерные резаки, прошивные и сварочные аппараты, которые сверлят алмазы, лечат сетчатку глаза, выжигают татуировку и раскраивают текстильные ткани.
Остроумные эксперименты, недавно проведенные в научных лабораториях, убедительно говорят о большом изобретательском потенциале этого физического феномена. Применяются лазеры и в цехах заводов.
В производственных условиях многих предприятий, особенно металлургических, необходимы автоматические приборы, надежно следящие за запыленностью помещений. Требуется также неослабный контроль за нарастающей концентрацией пыли силиката кальция и ферросилиция в закрытых трубопроводах и бункерах. Ведь при повышенной концентрации (30--40%) возможны самопроизвольные взрывы.
Поэтому большим достижением явилось создание в Ждановском металлургическом институте универсального пылемера, основанного на лазерном методе определения концентрации любой пыли в воздухе. Появляется возможность вести измерения непрерывно, не разрушая агрегаты частиц, что имеет место при пользовании другими способами.
При анализе загрязнений воздуха необходимо узнать и вес парящих в нем частиц на единицу объема. Иначе не определишь, не превышает ли его запыленность допустимые нормы. Свой способ, как взвесить пылинку, показала на выставке в Москве фирма "Сарториус" из ФРГ. Автоматический пылеуловитель, прокачав заданный объем воздуха (до 25 м3/ч), собирает взвешенные в нем пылинки механическими и электростатическими фильтрами. "Добыча" автоматически заворачивается в салфеточку из стеклоткани и помещается в кассету, точный вес которой известен. Собранные загрязнения взвешиваются затем на электронных весах, пружина или коромысло которых заменены электромагнитным полем. Вибрации и смена температур на точность весов не влияют, а сама точность в 10 раз выше, чем у весов механических. Все показатели обрабатываются встроенной в корпус весов мини-ЭВМ. Она ведет свою "бухгалтерию" пылинок: учитывает вес отдельного сбора или нескольких за определенный период, среднее значение всех взвешиваний, сравнение их между собой. Результат выдается за 2 с на табло.
Воздушная среда над городами и крупными промышленными центрами требует постоянного контроля. Незначительное изменение состава воздуха может повлечь за собой катастрофу.
По сведениям, распространенным "Юнайтед пресс Интернейшнл" 11 мая 1982 г., сотрудники Вашингтонского университета доктор Роберт Чарлсон и Нормал Алквист получили патент на прибор, предназначенный для определения содержания вредных примесей в атмосфере. Принцип действия нового прибора, названного интегральным нефелометром, основан на явлении рассеяния света мельчайшими твердыми частицами, содержащимися в воздухе. Аналогичный принцип, кстати, использовался раньше в приборах для определения видимости на аэродромах.
Воздух в приборе засасывается в трубообразное устройство, в котором проба облучается светом лампы-вспышки, и количественное содержание твердых частиц определяется по яркости рассеиваемого света.
В настоящее время интегральный нефелометр используется в обсерватории на одном из Гавайских островов, где проводится серия экспериментов по определению оптических свойств чистого воздуха и разработке методов оценки загрязнения атмосферы твердыми частицами в глобальном масштабе.
Все эти приемы относятся к взятию проб пыли, которую уже не поймаешь. Так сказать, картина запыленности воздуха есть, а точно узнать, откуда какая пылинка взялась, крайне трудно.
Гораздо чаще нужно брать пробы газов прямо на месте, непосредственно у пылящего и дымящего, оборудования, в воздуховодах, дымовых трубах, открытых проемах световых фонарей. Делается все это по определенным методикам. Запыленность газа выражают в граммах или миллиграммах на 1 м3 газа при нормальных условиях. Для ее определения применяют прямой и косвенные методы. Чаще используют прямой метод. Он состоит из отбора из запыленного газового потока части газа, в котором концентрация и дисперсный состав пыли не отличаются от этих показателей в основном потоке. Место отбора газа должно быть на прямом и ровном участке газопровода, чтобы газовый поток находился в установившемся состоянии и пыль в нем была равномерно распределена по сечению газопровода. Для получения правильных значений запыленности газопровод разбивают на равные по площади участки. Распределение пыли по сечению газопровода называют полем запыленности. По полученным результатам находят средневзвешенную величину запыленности газа по сечению газопровода. При прямом методе определения запыленности газа применяют внешнюю и внутреннюю фильтрации.
При внешней фильтрации газ отбирают заборными трубками. Их вводят внутрь газопровода, а фильтр для осаждения пыли из пробы газа располагают вне газохода. При внутренней фильтрации устройство для улавливания пыли помещают прямо в газоход. Этот метод применяют, когда в газах содержатся смолы, липкая пыль или другие компоненты, которые могут засорить заборную трубку и привести к неправильным результатам при определении запыленности газа.
Для измерения объема отобранной пробы газа и приведения его к нормальным условиям чаще всего применяют ротаметры.
Есть и косвенные методы установления величины запыленности газа. Густоту окраски газа, выходящего из дымовой трубы, сравнивают со специальной шкалой; с помощью оптических приборов судят о величине поглощения пылью световых или тепловых лучей и т. д. Но это не дает точных результатов.
Скорость газа в газоходе замеряют пневмометрической трубкой, соединенной с микроманометром, температуру и разрежение газа -- термометром и микроманометром, влажность газа -- психрометром.
Определение запыленности газа внешней или внутренней фильтрацией -- сложная и трудоемкая операция. Поэтому в производственных условиях часто применяют упрощенные ловушки, которые вводят на определенное время в газоход, и по разности массы фильтра ловушки до и после запыления судят о запыленности газа.
Применяют их иногда и для контроля золоуловителей. Одну такую ловушку мне пришлось сделать для быстрого определения качества помола угля в шахтной мельнице. Чтобы избежать подключения к ловушке вакуум-насоса, в качестве источника разрежения решено было использовать эжектор, действующий непосредственно от проходящего через него пылевоздушного потока. Ловушку прикрепляли к стальному прутку и помещали в исследуемом потоке -- за 5--6 мин она наполнялась пылью. Оставалось только просеять навеску пыли через набор сит различной плотности, и картина работы мельницы становилась ясна. Если пыль задерживалась только самым плотным ситом, значит, все оставалось в порядке, а если частицы оседали и на ситах с большими отверстиями, пора было мельницу ремонтировать, так как молотки, которыми она измельчает уголь, износились. И все-таки процесс отбора пробы был не совсем удобен. Устанавливать ловушку в характерных точках шахты, перемещать ее в поперечном сечении, следя за тем, чтобы она всегда была направлена носиком навстречу потоку,-- дело не из легких.
К счастью, упростить эту операцию помог случай.
Нужно ли доказывать, что скрупулезность -- залог успеха научного эксперимента? Хотя бывают и исключения... Во время проведения опытов по снятию скоростных полей запыленного потока я пользовался прозрачными участками воздуховодов, в которых были просверлены отверстия для измерительных трубок. Согласно инструкции после извлечения трубки из отверстия его необходимо закрыть резиновой пробочкой. Таких, в общем-то правильных, требований в методиках немало, да вот только следуют им далеко не всегда.
Посмотрите на вентиляционные воздуховоды, проложенные в производственных помещениях. Что ни ответвление, то отверстие с двухкопеечную монету. Провели наладчики испытания, а загерметизировать дырочки забыли, а может, пробочек под рукой не оказалось.
Однажды после очередного опыта, осматривая прозрачные воздуховоды установки, я вдруг заметил напротив отверстия для трубки маленькое белое пятнышко. Проанализировав ситуацию, я понял, что пылевой нарост появился из-за попадания в пылевой поток чистого воздуха, струя которого пронизывает поток под углом в 90А и выносит из него пылевые частицы. Спасибо лаборанту, который поленился поправить наладчиков...
Возникла мысль, а что если использовать этот эффект для отбора представительной пробы пыли, идущей на технологические нужды. Тонина помола в целом ряде случаев играет решающую роль в самых разных процессах. Машинисту парового котла нужно знать дисперсный состав угольной пыли, вдуваемой в топку, машинисту мельницы и технологу цементного завода -- то же. Вместо пылезаборных трубок, фильтров и ротаметров можно сделать простейший пробоотборник, вся суть которого сводится к тому, что на противоположных стенках пылепровода просверливается по отверстию. В одно поступает воздух, а из другого вылетает проба. Если пылепровод под разрежением, не нужно никакого добавочного источника давления, а если под напором, достаточно от линии сжатого воздуха отвести 4-миллиметровую трубочку. Острая, как игла, воздушная струя пронижет запыленный поток и моментально выхватит из него встретившиеся на пути пылевые частицы.
На следующий день я