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
╘ 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 90╟ 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 и мои товарищи наладчики подготовили новый опыт. Для наглядности цементную сырьевую муку подкрасили тонкой цветной пылью, отверстие снабдили небольшим соплом для направления поперечной струи и включили установку. Через час напротив сопла образовался нарост из пыли, в которой были заметны и частицы красителя. Остальное, как говорится, было делом техники. На месте, где образовывался нарост, прорезали отверстие и установили ловушку с лючком для выпуска пробы. "Струйная ловушка" нашла свое применение всюду, где необходимо но условиям технологии вести постоянный отбор проб пыли. Простота и надежность этого устройства (авторское свидетельство No 270341) позволяют использовать его и для технологических нужд.
Задачу, как проще отбирать пробы из воздуховодов и пылепроводов, таким образом решили, но оставалась еще одна длительная и трудоемкая операция -- рассевка отобранной пробы. Она нужна для того, чтобы узнать фракционный состав пыли. Обычно пробу просеивают через набор сит разной проходимости.
Современные виброгрохоты и полигональные сита копируют движения бабушкиного решета. На заводах промышленности строительных материалов, на химических предприятиях и горнообогатительных фабриках техника просеивания дальше этого не шагнула. В конце концов с этим можно было бы мириться, если бы не ущербность самого принципа просеивания. Горка сыпучего материала контактирует с ситом только своим основанием. На остающиеся в сите частицы нижнего слоя давит еще не рассеянный материал и вдавливает их в ячейки. Чтобы очистить сито, его трясут с еще большими частотой и амплитудой, постукивают по обечайке, но все равно раньше чем через 15--20 мин даже 100-граммовую навеску не просеять. Еще неудобство: после каждой рассевки устройство останавливается -- нужно удалять крупные частицы, оставшиеся на сите.
В аппарате, разработанном в отделе сепарационных устройств ВНИИцеммаша О. К. Чекаловцом (авторское свидетельство No 187677), рассевка происходит мгновенно, крупные фракции ни секунды не задерживаются на сите. Добиться такого эффекта он сумел просто: сито расположил вертикально, а чтобы прогнать через него порошок, применил электрическое поле. Небольшой аппарат ничем не напоминает своих шумных и пылящих прототипов. В небольшом корпусе расположены плоский электрод, выполненный в виде проволочной решетки, а параллельно с ним -- металлическая разделительная сетка, являющаяся осадительным электродом. Поворот выключателя -- и легкое потрескивание извещает о том, что в аппарате создалось мощное электрическое поле. Питатель плоской струей направляет цемент в зазор между электродами. И тут частицы материала вместо того, чтобы упасть на дно аппарата, вдруг делают поворот на 90╟ и устремляются к сетке. "Приземляются" они, лишь пройдя разделительные ячейки. Крупные же частицы, коснувшись сетки, съезжают по ней вниз в приемный лоток.
Все делает электрический "ветер". Он возникает между коронирующим и осадительным электродами и несет рассеиваемый материал к сетке. Электрический "ветер" может моментально разделить сыпучий продукт на несколько различных фракций, заменив длительную вибрацию, необходимую для ситового анализа. Может из низкосортного цемента выделить, самые тонкие фракции, и при минимальных затратах электроэнергии прямо на строительной площадке вы получите цемент марки "600", которого так часто недостает для изготовления особо ответственных деталей. Электрический "ветер" в сотни раз сокращает время рассева сыпучего материала, поэтому новый сепаратор можно включить в любую непрерывно действующую линию производства, будь то завод порошковой металлургии или фабрика, выпускающая дамскую пудру. Прибор испытан на гипсе, цементе, меле, песке и других материалах. Эффективность классификации материалов достигает 95%. Износ сетки-электрода совершенно незначителен, поскольку с материалом она контактирует минимально.
Но не только производством строительных материалов ограничивается область применения сепаратора О. К. Чекаловца. Его уменьшенная модель может уже сейчас без особых переделок просеивать зубной порошок, различные абразивы, применяемые при изготовлении точильных и шлифовальных камней, производить точнейший анализ атмосферной пыли, помола пылевидного топлива, муки и различных химических веществ.
Корреспондент ТАСС Ю. Устименко писал с Олимпийских игр 1984 г. в Лос-Анджелесе: "Верхних этажей небоскребов не видно за густыми клубами дыма -- ядовитой смеси выбросов заводских труб и выхлопных газов сотен тысяч автомобилей, которые в часы пик запруживают десятки километров дорог.
Световые табло на дорогах советуют водителям держать окна закрытыми. Да и без этого предупреждения вряд ли кто решится высунуть нос на улицу. Отравленный воздух саднит легкие, вызывает сухой кашель. По радио объявлена тревога номер один..."
Конечно, при добром согласии владельцев машин и промышленных объектов можно было бы прекратить пользование автомобилями без острой необходимости и приостановить процессы, сопровождающиеся пылевыделением. Смог --бедствие социальное. "Мы предупреждали, что будет именно так, но нас никто не слушал! -- говорил член муниципального совета Лос-Анджелеса К. Хэн.-- В таких условиях газеты мира будут писать не о спортивных рекордах, а о смоге, да и можно ли вообще говорить о спортивных достижениях?"
Олимпия, где проводились первые игры, была прекрасным городом с очень здоровым климатом. Думается, что пришло время подумать о том, чтобы будущие Олимпийские игры организовывались только в городах с чистым воздухом. Слова "смог" и "спорт" соседствовать не должны.
Непрерывно растущее промышленное производство влечет за собой использование различного сырья и топлива. В свою очередь, это увеличивает выброс газов и пыли в атмосферу.
Одной из самых насущных и трудных проблем сегодняшнего дня является борьба за чистоту атмосферы вообще. Не только в одном регионе, а над всей планетой. Ученые-исследователи находят частицы пыли и газов в воздухе самых отдаленных от цивилизованного мира местах, вплоть до Антарктиды.
Воздействие культурной деятельности человека на природу началось еще сотни лет назад, но основные сложности возникли, когда развилось массовое кузнечное производство.
...Множество небольших горнов, принадлежавших ремесленникам, дымило в графстве Додлей. Сын графа и простой женщины, Дод Додлей уже в юные годы в совершенстве овладел кузнечным мастерством, мог сложить из камня горн, выплавить отличный металл. Умения этого, кстати, в, Англии не гнушались многие представители аристократических фамилий. За столами владетельных особ кузнецы сиживали рядом с капелланами. Ведь один заботился о спасении души хозяина, а другой -- тела... И сейчас изображения щипцов и наковальни встречаются на гербах старого английского дворянства.
Плавильные горны, как правило, располагались далеко от мест добычи руды. Их нужно было строить поближе к лесным массивам, так как без древесного угля железо выплавлять не умели, а нужно его было во много раз больше, чем руды.
Кроме кузнечного дела Дод горячо любил природу и с тоской наблюдал, как под топором углежогов вековые леса превращались в дым.
До этого многие пробовали заменить каменным углем древесный, но все, как один, терпели неудачи. Вредные примеси, содержавшиеся в угле, делали железо непрочным. Молодой Додлей решил, прежде чем пускать уголь в плавку, извлекать из него серу. А однажды он попробовал получить железо не на свежем, а уже побывавшем в топке полусгоревшем угле, сера из которого уже улетучилась. Сейчас это называется коксом.
В 1620 г. король Англии выдал Додлею патент на новый способ выплавки железа.
Одним из великих благ для человечества стало бы уже тогда открытие Додлея, но... Оно задевало интересы многих мелких предпринимателей, занимавшихся по соседству кузнечным делом. Они разрушили горн Додлея, порезали на куски мехи, втоптали в грязь запасы кокса, растащили инструмент. Додлей был разорен, а его прекрасный способ выплавки железа не прижился. Воспользовались им только более 100 лет спустя, когда вокруг железоделательных заводов лесов уже не осталось, а металла требовалось все больше и больше. Появилось новое направление в металлургии -- чугунолитейное дело. Горны для выплавки чугуна, теперь называемые домнами, становились все выше и выше. Непрерывно, а не периодически, как при получении кричного железа, подавали теперь в домну кокс и руду.
Но возникла необходимость решать десятки новых проблем. В частности, как избавиться от дымовых и пыльных туч над промышленными центрами.
В прошлом веке началось применение жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания. Появилась масса автомобилей. Заработали тепловые электростанции.
Деятельность человека стала серьезно влиять на загрязнение атмосферы, и особенно на ее озонный слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, идущие из космоса. Не будь его, все живое неизбежно вымерло бы. Оксиды азота, содержащиеся в автомобильных выбросах, неумеренное и небрежное использование пестицидов и, казалось бы, такая мелочь, как наполнитель аэрозольных упаковок фреон,-- все это отрицательно влияет на озон. Порождаемое цивилизацией загрязнение окружающей среды грозит уничтожить все столь многообещающие достижения технического прогресса на нашей планете.
За последнее столетие в результате деятельности человека в атмосферу поступило около 360 млрд. т углекислого газа, а его содержание в атмосфере увеличилось на 13%. Никто пока точно не может определить последствия накапливания углекислого газа, однако если гипотезы ученых оправдаются, то температура на Земле повысится. Так как все большее количество углекислого газа будет растворяться в океане, то это повлияет и на океанические процессы.
В настоящее время атмосфера содержит 320 частей углекислого газа на 1 млн. частей воздуха, а ведь еще в 1860 г. их было всего 290. По ориентировочным оценкам, к 2000 г. количество углекислого газа составит 380 частей на 1 млн. Задача науки -- определить изменения климата, которые уже произошли в результате возросшего содержания углекислого газа в атмосфере, и оценить возможность его воздействия на климат в будущем.
Конечно, рост производства не будет продолжаться бесконечно и бесконечно не будет увеличиваться количество выбрасываемых в небо пылей и газов. Уже сейчас осваиваются безотходные технологии. В будущем будет создан и экологически чистый транспорт.
Над москвичами любят подшучивать: сколько бы раз по радио ни передавали метеосводку, вей семья кричит хором: "Тише --погода!" Действительно, долговременный прогноз для города почти невозможен. Температура в нем всегда выше, чем за городом, иные влажность, запыленность и атмосферное давление. Люди с сердечно-сосудистыми заболеваниями постоянно ощущают это на себе. На атмосферу воздействуют самые разные факторы. Здания-башни создают особые аэродинамические шлюзы, необычную конвекцию тепла. Бетон, из которого они построены, и асфальт улиц поглощают тепла значительно больше, чем почва и растительность в деревне. За день город накапливает его большое количество, а вечером это тепло выделяется в атмосферу, лишая пришедших с работы людей желанной прохлады. Кондиционеры, отсасывая тепло из помещений, выбрасывают его на улицу, внося свою лепту в нагрев атмосферы. Зимой здания нагревают улицу своими стенами. Осадки не задерживаются на асфальте, а тут же удаляются через ливневую канализацию в реку. За городом же дождь сначала увлажняет почву, а потом испаряется, охлаждая ее. Поэтому-то в городе и температура почти постоянно выше, чем в его окрестностях, и иной влажностный режим.
Особенно страдают от городского микроклимата жители Анкары. Город расположен в лощине, и приток свежего воздуха туда закрыт горами. В результате содержание вредных газов и пыли там превышает предельно допустимую норму в 30 раз! Над городом нависла угроза смога!
Смог состоит из дыма и тумана. Дым -- явление почти безопасное. Дыма без огня не бывает, и стоит лишь погасить огонь, исчезнет и дым. А вот смог... Сегодня с ним знакомы жители многих крупных городов мира. Желто-серым грозным маревом нависает он над населенными пунктами, сосредоточив в себе все, что люди выбросили в атмосферу. Гигантской полусферой накрывает он города со всеми его домами, заводами, котельными и автомобилями. Дым бы поднялся в верхние слои атмосферы и ушел, влекомый ветром. Но смог?.. Ему способствует особая метеорологическая ситуация, возникающая над городом, при которой вредные выбросы не поднимаются, выше границы купола -- полусферы.
В городском воздухе содержится много загрязняющих примесей, не встречающихся в сельской местности. Твердые частицы отражают солнечные лучи. Однако это не компенсирует других причин, вызывающих накопление тепла. Примеси препятствуют теплоотдаче в атмосферу от города. Это помогает накоплению тепла в нем.
Когда над городом выпадает дождь, углеродистые и сернистые дымы легко растворяются в дождевых каплях. Водяные капли становятся каплями слабых растворов серной или других кислот, оказывающих разрушительное действие на здания.
Целый комплекс особых условий города влияет на его климат, При ночном выхолаживании улиц и строений верхние слои городского воздуха оказываются теплее -- образуется температурная инверсия. Инверсия же, которая наблюдается над городом, замедляет ночное выхолаживание. Это дополнительно способствует накоплению тепла в центре города.
При инверсии над городом образуется куполообразная мутная пелена, самая плотная часть которой удерживается над центром. Такая пелена благоприятствует образованию тумана. Очищающее действие холодного ночного ветра в городе тоже ослаблено.
Уже проведен ряд исследований погодных и климатических условий в городах по сравнению с сельской местностью. Известны основные изменения условий, создаваемых городом: солнечная радиация в городе снижена на 15% по сравнению с сельской местностью; ультрафиолетовая радиация в городе ниже на 5% летом и на 30% зимой. Относительная влажность воздуха ниже на 6%.
В городах больше дней с низкой облачностью и выпадает больше осадков.
Скорость ветра уменьшена на 25%, а повторяемость туманов летом повышена на 30%, а зимой -- на 100% по сравнению с пригородами.
Все знают, что люди или животные не могут существовать без кислорода. Но когда мы говорим "кислород", то подразумеваем газ, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (О2). Во всей атмосфере до высоты около 75 км содержание кислорода фактически постоянно и составляет около 210 тыс. частей на 1 млн. частей воздуха.
Однако атомы кислорода не всегда сочетаются попарно. Иногда соединяются между собой три атома, образуя молекулу газа, который и называется озоном (Оз). При достаточно высокой концентрации не в пример своему родственнику О2 озон сильно ядовит, он даже может убить человека. К счастью, основное количество озона находится в стратосфере на высотах 16--50 км. Там его концентрация достигает 8 частей на 1 млн. частей, воздуха. Сравните это с условиями вблизи от поверхности земли, где средняя концентрация озона составляет 0,07 и лишь во время смога достигает 0,5 части на 1 млн. Но и такая концентрация озона может в течение получаса привести к гибели растений некоторых видов.
То обстоятельство, что основная часть озона находится в верхних слоях атмосферы, благоприятствует нам. Ведь озон, находясь столь, далеко, превращается в нашего защитника, так как обладает свойством поглощать ультрафиолетовые лучи.
Если когда-нибудь вам придется подняться высоко в горы без специальной одежды и защитных очков, солнечных ожогов вам не избежать. И дело не в том, что вы оказались ближе к светилу. По сравнению со 150 млн. км, которые отделяют нас от солнца, пройденные вами 4--5 км сущие пустяки. Ожоги, которые вы получите, имеют вполне земную причину. Атмосфера, закрывающая все живое, как панцирь, на этой высоте уже перестала защищать вас от грозного Ярилы.
Как-то в газетах было опубликовано сообщение о том, что в Париже два гигантских пылесоса, предназначенных для очищения воздуха, загрязняемого отходами автомобилей и предприятий, были установлены на авеню Ледрю-Роллан. Эти пылесосы представляют собой две трубы высотой 5 м и диаметром 1,6 м. Расположенные друг от друга на расстоянии 150 м, они должны втягивать ежегодно 110 млн. м3 воздуха. После очищения воздух будет выбрасываться в атмосферу на высоте 5--6 м. Пылесосы работают практически бесшумно. Если подобное очищение воздуха принесет реальные результаты, то опыт парижан распространится и на другие города страны.
Используются и многие другие технические приемы, позволяющие заметно оздоровить воздух городов. Например, огромное значение имеет внедрение на предприятиях новых технологических процессов, исключающих загрязнение атмосферного воздуха.
Существенное значение в решении проблемы снижения загрязнения атмосферы городов имело также установление санитарных предельно допустимых концентраций более чем для 160 вредных веществ.
У нас в стране санитарный Контроль за эффективностью работы газоочистных сооружений осуществляют государственные и ведомственные инспекции. Они отбирают пробы атмосферного воздуха для анализа на загрязняющие ингредиенты. В случае выявления загрязнения атмосферного воздуха, превышающего предельно допустимые концентрации, санитарно-эпидемиологические службы требуют от предприятий устранить загрязнение атмосферы.
К сожалению, руководство некоторых предприятий предпочитает включать дымящее оборудование (вагранки, сталеплавильные электропечи и химические реакторы) в ночное время, когда "лисьи хвосты" неочищенных выбросов не так заметны.
Такое "скрытое" загрязнение атмосферы ничуть не лучше открытого. То же самое можно сказать о производствах, где выбросы в атмосферу носят нерегулярный, порой "залповый", кратковременный характер.
Уже разработана методика прогноза опасных условий загрязнения воздуха, и в некоторых городах заметно его эффективное снижение. Например, в Дзержинске предприятия систематически регулируют выброс, учитывая прогноз погоды, и это заметно сказывается на очищении атмосферы.
Государственный комитет гидрометеорологии и контроля природной среды СССР изучает условия загрязнения городов. Во многих городах страны создана сеть наблюдательных пунктов. Установлены специальные павильоны, где систематически измеряют (по 3--4 .раза в сутки) концентрацию основных примесей и метеорологических элементов. Регулярные маршрутные наблюдения ведутся с помощью специально оборудованных автомашин. Кроме того, разработан ряд автоматических газоанализаторов -- на сернистый газ, окись углерода. Они обеспечивают непрерывную регистрацию концентрации загрязняющих веществ, что при применении обычных методов практически сделать невозможно. В Ленинграде и Москве создана автоматическая система для контроля за состоянием воздушного бассейна. Она состоит из регистрирующих станций, расположенных в разных районах города. На очереди оснащение опытными автоматическими системами Киева, Липецка, Кемерова, Запорожья, Жданова.
В результате проводимой работы в крупных городах запыленность и загрязненность атмосферы за последние годы снизились в несколько раз. В Москве же за все время наблюдения за состоянием воздушного бассейна его запыленность и загрязненность не превышают допустимой нормы.
Какой воздух лучше с гигиенической точки зрения -- свежий или чистый? Вы не видите разницы в этих определениях? Между тем здесь скрыты ключевая проблема целой отрасли техники, парадокс изобретательства в этой области и сложный вопрос экономики.
Люди, строя свои дома, стремятся надежно изолировать какую-то часть атмосферы от влияния окружающей среды: от холода, ветра, дождя и снега. Если посмотреть на дом с этих позиций, то идеальным будет, вероятно, толстостенный герметичный бункер. Его даже не нужно будет отапливать! Человек, как и все теплокровные, сам по себе выделяет достаточно тепла. Но можно ли в таком бункере жить? Здесь скрыто противоречие номер один.
Немецкий врач-гигиенист Гаммонд еще в конце прошлого века заинтересовался этой проблемой. Для обыкновенной мыши он сделал такой бункер -- большую, бутыль. Углекислота и водяные пары, непрерывно выделяемые животным, поглощались химическими реагентами, а кислород подавался автоматически по мере потребления. Через час мышь погибла. А кислорода хватало! Исследуя состав воздуха в бутыли, он обнаружил органические соединения, которые, по всей вероятности, и сыграли губительную роль. В испарениях человеческого тела тоже нашли вредные вещества. Испытуемого помещали в свинцовую камеру с охлаждаемыми стенками, а затем со стенок камеры собирали сконденсировавшуюся на них жидкость. "Она при испарении и сжигании дает характерный запах жженых перьев,-- писал исследователь доктор Ангус Смит,-- а предоставленная самой себе быстро разлагается, превращаясь в клейкую массу с обильным образованием плесени".
О содержании органических примесей в спертом воздухе писал и знаменитый врач-гигиенист Федор Эрисман. Оказалось, что если весь выдыхаемый человеком или животным воздух пропустить через охлаждаемый водой змеевик, то в нем соберется очень вредный конденсат: 2 см3 конденсата, введенные в кровь собаки, убивают ее.
Теперь никто не станет спорить -- необходима вентиляция, чтобы в воздухе не скапливались вредные примеси, хотя без вентиляции теплее. Вот здесь-то и заключен грандиозный парадокс: стены и крыши нужны нам для удержания какого-то объема воздуха в состоянии относительного покоя,-- так нам теплее! -- а вентиляция -- для скорейшего обмена воздуха в этом помещении.
Человек всегда любил свежий воздух! Уже хижины наших далеких предков имели в крыше отверстие, через которое вместе с дымом от костра уходил спертый воздух. Древние инки оставляли в стенах дворцов большие вертикальные полости, наполненные камнями. Днем камни нагревались солнцем, и ночью из полостей в помещение входил теплый воздух. За ночь камни остывали, и весь день от них исходила приятная прохлада. Уделяли внимание вентиляции и строители средневековых замков. Камины, любимые в Англии, топились не из коридора, а непосредственно из жилых комнат и залов. Поток топочных газов, поднимаясь по трубе, увлекал за собой "отработанный" воздух, а на смену ему через щелеватые стены и окна проникал свежий уличный воздух. Правда, в просторных рыцарских залах было холодновато, но рыцари были людьми закаленными.
В 1835 г. горный инженер А. А. Саблуков изобрел центробежный вентилятор. Это была инженерная сенсация. Саблуков установил свой вентилятор на сахарном заводе. Там в то время всех замучила нестерпимая сырость. Буквально после нескольких минут работы вентилятора Саблукова пар из помещений исчез, а вскоре просохли стены и перекрытия.
Изобретатель надеялся с помощью своих недорогих и удобных устройств облегчить условия труда металлургов, текстильщиков, кочегаров. Однако заводчики охотно брались устанавливать новые машины только для технологических нужд: подавать воздух в сталеплавильные печи, в топки паровых котлов, в горны и веялки. Рабочие же помещения продолжали в лучшем случае вентилировать более дешевым способом -- открывая окна зимой и летом.
Инженеры того времени даже считали, что полная вентиляция помещения -- недостижимый идеал. Вот отрывок из статьи, посвященной проветриванию промышленных зданий, опубликованной в "Русской мысли" за 1899 г.: "Представим себе, что в обыкновенный стакан вливаются одновременно струя крепкого чайного настоя и струя чистой воды. Если эти две струи льются непрерывно и одновременно, то как бы. мы ни увеличивали силу одной в ущерб другой, никогда нельзя получить в стакане совершенно чистую воду, без всякого следа чайной окраски... Так и в деле вентиляции возможно только довести изменения в составе воздуха до некоторой наименьшей величины". Вот "теоретическое" обоснование неизбежности спертого воздуха!
А тем временем "Московские ведомости" сообщали о поголовном отравлении вредными испарениями рабочих Ярославского завода свинцовых белил. Журналисты взывали к совести предпринимателей. Но хозяева не спешили покупать вентиляторы. "Если уж сами инженеры не полагаются на новое средство,-- говорили они,-- зачем же деньги на воздух бросать?" "Теория" обернулась в первую очередь против рабочих.
Тогда известный русский физик Эмилий Христианович Ленц на заседании академии выступил с заявлением о том, что полная вентиляция механическим путем может быть достигнута. Но как? Отсасывая вредные газы и пыль непосредственно у места их возникновения. То есть, если продолжить рассуждения о чистой воде и крепком чае, это будет выглядеть примерно так: струйку чайного настоя отдельной трубочкой нужно отвести в сторону, и тогда в стакан пойдет только чистая вода.
И все же десятилетиями механическая вентиляция не применялась. Силикоз у горняков и туберкулез у текстильщиков были обычным явлением. Вентиляция из технической проблемы превращалась в проблему социальную.
Сейчас на Западе широко распространен аппарат под названием "Ротоклон", выпускаемый фирмой "Америкен компани эрфильтр". Экономически это выгодное устройство. Воздух, отсасываемый от пылящего станка или агрегата, очищается в нем от пыли водой и выбрасывается обратно в цех. Этот воздух - чистый. Но не свежий! Им уже дышали. При этом тепло осталось в помещении -- экономия, топлива на подогрев свежего, холодного воздуха с улицы. Отпала необходимость прокладывать короба для выпуска воздуха наружу -- опять выгода.
На многих современных предприятиях созданы системы кондиционирования воздуха. Мощные вентиляторы засасывают его с улицы и вдувают в оросительные камеры. Десятки фонтанчиков промывают этот воздух, а затем он поступает в помещение. Автоматические устройства поддерживают постоянную влажность и регулируют температуру в цехе. Последняя операция делается так: если на улице стало холодно, один пневматический клапан прикрывает окно, соединяющее всасывающую камеру вентилятора с улицей, а другой открывает такое же окно, соединяющее эту камеру с помещением цеха. Что же при этом, происходит с воздухом? Общий объем воздуха становится меньше. В морозные зимние дни такие кондиционеры работают на полной рециркуляции, на полностью замкнутом цикле.
Создавая круговорот воздуха внутри помещения, человек тем самым изолируется от свежей наружной атмосферы. Так сказать, отрывается от матери-природы, делаясь существом тепличным.
А между тем самые совершенные, самые современные системы кондиционирования основаны именно на рециркуляции воздуха через несколько последовательно расположенных камер. В одной воздух очищается от пыли, в другой охлаждается летом или подогревается зимой, в третьей увлажняется, в четвертой ароматизируется и т. д. Но сколько бы стадий обработки воздух ни проходил, тем не менее он остается воздухом, которым уже дышали.
Значит, обычное, проветривание лучше, чем кондиционирование? Проветривая помещение, мы приближаем его обитателей к естественным условиям. При этом, возможно, и температура воздуха, и влажность будут не всегда постоянны. Словом, человек, находясь в помещении, испытывает какую-то долю превратностей, к которым он привык за тысячелетия своего развития. Но зато ему не повредят и уличные прогулки в жару, дождь и мороз.
Здесь вновь возникает противоречие между зданием и вентиляцией. Ведь, увеличивая проветривание, можно прийти к абсурдной конструкции дома, напоминающего аэродинамическую трубу.
Конечно, рециркуляция, или веерная,система, часто дешевле системы с полной заменой отработанного воздуха свежим. Можно сэкономить на прокладке каналов под полом для выброса воздуха на улицу, на прокладке каналов для забора свежего воздуха, на установке калориферов для подогрева уличного воздуха в холодное время года.
Но возникает еще один вопрос: а нужно ли обязательно требовать экономического эффекта от применения вентиляции? Предоставим слово официальному документу. В "Инструкции по вознаграждению за открытия, изобретения и рационализаторские предложения" сказано, что изобретатель или рационализатор за предложение по охране труда может получить наивысшее денежное вознаграждение без подсчета экономии. Так наше законодательство решает спор между экономикой и гигиеной в пользу последней!
Впрочем, могут быть и компромиссные решения, которые удовлетворяют и экономике и гигиене. Сотрудники ВНИИ санитарной техники Лукомский, Каган и Немлихер сделали интересное изобретение. Оказывается, из пластмассовой пленки можно изготовить отличные калориферы, которые дадут возможность отнять тепло у выбрасываемого на улицу загрязненного воздуха и передать его свежему, уличному. Теплом они обмениваются по принципу противотока. Лишь тонкий слой полимера разделяет струи теплого, но уже не пригодного для дыхания воздуха, и холодного, но зато свежего. Пока поток входящего воздуха блуждает в лабиринтах калорифера, он нагревается. Теперь его можно подать в рабочую зону. При этом стоимость свежего подогретого воздуха будет даже меньше, чем отработанного рециркуляционного.
Итак, чем больше, свежего уличного воздуха подается в цех, тем лучше санитарно-гигиенические условия труда, но и здесь -- новый парадокс. Количество подаваемого воздуха пропорционально его скорости, так сказать подвижности, а ведь далеко не всегда подвижность воздуха воспринимается благоприятно. Чем меньше физических усилий делает человек, тем хуже он воспринимает действие воздушного потока. При достаточной механизации и автоматизации, отсутствии физического труда воздух в рабочую зону приходится подавать тоненькими струйками, через мелкие отверстия, проделанные в стенках воздухоотводов. Такие "дырявые", как дуршлаг, короба обеспечивают равномерный обмен воздуха во всем помещении. Зато возрастает мощность вентиляторов, которым все труднее и труднее продавливать воздух сквозь мельчайшие отверстия.
Одним словом, вентиляция -- это набор инженерных противоречий, почти целина для изобретательской мысли.
Некоторые инженеры говорят, что вентиляция -- отмирающая наука, что вскоре будут созданы полностью автоматизированные заводы, на которых человеку будет делать нечего, и вопрос вентиляции сам по себе отпадет.
Можно ли с этим согласиться? Не так давно мне пришлось видеть проект установки для кондиционирования воздуха в большом помещении, где установлена счетно-решающая машина и нет ни одного человека. Блоки машины отказываются нормально функционировать, если воздух вокруг не будет достаточно охлажден. Она не переносит пыли и углекислого газа; такая машина может перестать давать точные показания, если охрана ее труда окажется не на должном уровне.
Второй вывод: с развитием техники инженеры всеми мерами увеличивают объем выпускаемой продукции, заменяют машины более производительными, повышают температуру и давление в аппаратах, применяют более активные, но зачастую и более токсичные вещества. В то же время санитарные врачи регулярно снижают предельно допустимые нормы содержания вредных веществ в воздухе цехов и заводов. Это также скрытый парадокс технического прогресса.
Но есть ли оптимум, который решит противоречие: свежим или чистым воздухом лучше дышать?
Каждый из нас потребляет кислород и обогащает окружающую среду углекислым газом. Это общеизвестно. Менее известно то, что помимо углекислого газа человек выделяет в атмосферу еще несколько десятков веществ, каждое из которых может стать для него ядом, конечно, при достаточно высокой концентрации. Такие вещества, продукты жизнедеятельности человека, называют антропотоксинами.
До сих пор гигиенисты, оценивая воздушную среду в помещении, исходят по традиции из того, сколько в воздухе углекислого газа. Предел -- 0,1%, и если эта норма соблюдается, то считают, что все в порядке. Однако недавняя работа, проведенная в Институте общей и коммунальной гигиены АМН СССР, доказывает, что требуются более гибкие нормы.
В замкнутой камере с регулируемым микроклиматом находились испытуемые (трое или шестеро). Они спокойно читали, а исследователи тем временем с помощью газовых хроматографов, фотоколориметров и иных приборов следили за состоянием среды. Через два с половиной часа температура в камере поднялась более чем на 3╟С, содержание СО2 выросло в 2 с лишним раза и превысило предельно допустимое. Втрое увеличились число ба'ктерий и концентрация аммиака, а количество пыли -- почти вдесятеро!
Что же касается антропотоксинов, то их обнаружили 25. В том числе немало новых: окись этилена, бутан, бутилен, бутадиен, изопропилен, винилацетат, метилстирол, хинолин и крезол.
Выраженных сдвигов в дыхании и сердечно-сосудистой деятельности у испытуемых не обнаружили, но умственная работоспособность у них заметно снизилась, особенно в сложных тестах. Вероятно, такое состояние знакомо многим, кому приходилось работать в душных помещениях.
Камеру стали проветривать, постепенно увеличивая подачу воздуха. И лишь когда на каждого человека приходилось не менее 120 м3 свежего воздуха в час, концентрация токсичных веществ стала приходить в норму и от прежних антропотоксинов осталась 1/5 часть, что вполне приемлемо.
Примем эту цифру во внимание и будем почаще проветривать комнаты, где мы живем и работаем. Право, от свежего воздуха пока еще никто не заболел.
Первые установки для борьбы с пылью были предложены еще в прошлом веке. С учетом размеров и удельного веса частиц были построены пылеосадочные камеры, в которых двигался поток запыленного воздуха. Чтобы снизить скорость потока, камеры делали довольно большого сечения, а чтобы продлить в ней время пребывания частиц пыли,-- большой длины. Благодаря этому и достигали положительного эффекта. Но производительность предприятий росла, рос и объем запыленного выбросного воздуха. Размеры камер оказались малы. Пыль в них не оседала. Удвоить длину камер? Но место на заводах дорого... Решили сделать камеры с дополнительными ходами для запыленного воздуха по типу лабиринта. При строительстве текстильных предприятий предусматривались "пыльные подвалы" с резкими поворотами и коридорами, в которых оседали отходы, образующиеся при трепании, чесании и прядении волокна. Их и теперь можно увидеть на фабриках, сохранивших старые стены. Иногда "пыльные подвалы" и сейчас используются по назначению. Уж очень просты и надежны эти сооружения!
Иногда для обеспечения непрерывной работы пылео-садительная камера разделяется на две параллельные секции, из которых одна находится в работе, а другая в это время очищается от пыли.
Материалом для постройки камер чаще всего служит кирпич, реже -- бетон, сталь и дерево (для холодных газов). Усовершенствованная осадительная камера снабжается специальными устройствами для равномерного распределения газа по сечению камеры (например, газораспределительными решетками, диффузорами и т. д., затворами для включения и отключения газового потока) и бункерами для удобства выгрузки пыли.
Степень очистки в камерах не превышает 40--.50%, - поэтому их обычно применяют для предварительной очистки газа, чтобы облегчить работу установленных за ними аппаратов интенсивного пылеулавливания.
Практика показывает, что в пылеотстойных камерах улавливать пыль с частицами размером менее 40-- 50 мкм нецелесообразно; в них следует осаждать сравнительно крупную пыль (например, пыль горячих печных газов мышьяковых заводов, пыль вентиляционного воздуха асбестообогатительных фабрик и др.). Не исключена возможность использования этих аппаратов для улавливания частиц некоторых видов саж, металлургических возгонов, первоначально находившихся в газах в виде мелких частиц и соединяющихся с течением времени в агломераты со сравнительно большой массой.
Есть мнение, что пылеотстойные камеры устарели морально. Дескать, выглядят они на фоне современных заводов, как фраки пушкинских времен в сочетании с ботинками и джинсами. Но если пыль, подлежащая улавливанию, достаточно крупная и тяжелая, а заводская территория не перегружена другим оборудованием, почему бы и не установить "морально устаревшую" пылеотстойную камеру? Ее низкое сопротивление и высокая надежность окупят затраты на строительство "немодного" пылеуловителя. И, вообще, уместно ли в технике само понятие "мода"? Ведь говорили когда-то, что колесные тракторы изжили себя и на смену им пришли гусеничные. Однако и по сию пору машин на колесах работает на полях гораздо больше, чем гусеничных.
Словом, без точного расчета, учитывающего энергозатраты, стоимость и коэффициент полезного действия пылеотстойной камеры, как, впрочем, и любого другого пылеуловителя, отвергать или рекомендовать ее к внедрению нельзя.
Тем более нельзя спешить подписывать приговор пылеотстойной камере, если она уже имеется на предприятии. Повысить ее эффективность можно, используя некоторые несложные приемы. Проход для холодных газов может быть перегорожен несколькими рядами висящих бечевок, а для горячих -- рядами цепей. На входе в камеру можно установить трубы с мелкими отверстиями и через них подавать в газовый поток водяной пар. Это будет способствовать коагуляции и осаждению частиц.
Пылеосадочную камеру можно сделать круглой, и воздух в нее подать сбоку по касательной. Тогда по инерции поток будет долго вращаться, и из него выпадут даже мелкие частицы.
Так, между прочим, родился циклон. Это было гениальное изобретение! Прошло около 100 лет, а конструкция его практически не изменилась. Циклон представляет собой цилиндрический корпус с конусным днищем, внизу которого прорезано пылевыпускное отверстие. Входной патрубок для запыленного потока подключен к корпусу сбоку по касательной, а выходной патрубок для очищенного воздуха -- в центре по вертикальной оси. Первый же пуск циклона показал такой эффект, о котором и не мечтали. Пыль в его конусе образовала маленький смерч. Войдя в корпус, поток запыленного воздуха расслаивался под действием центробежной силы. Твердые частицы отбрасывались к стенке, а воздух, имеющий массу, в несколько тысяч раз меньшую, вращался в середине. Но, как всегда, без "но" не обошлось. Вращаясь, воздух образовывал восходящий вихрь, который захватывал с собой мелкие частицы пыли. А они-то и есть самые вредные... Десятки всяческих вставок были опробованы инженерами и учеными для разрушения восходящего вихря, но... в результате лишь увеличивалось сопротивление циклонов, а степень пылеулавливания повышалась крайне мало, а то и вообще становилась меньше. Поиск велся все время в области циклонных камер: очень уж заманчивым казался циклонный эффект. Построить модель с вихрем в круглом корпусе легче легкого. Провести испытания пробы пыли на предмет улавливания в циклоне тоже несложно. Циклоны прекрасно показали себя и как пылеуловители, и как теплообменники, и как разгрузители пневмотранспорта, и даже как топочные устройства. Циклонный эффект возникает в очень большом диапазоне скоростей -- от нескольких метров до нескольких десятков метров в секунду. Поток запыленного, воздуха, войдя в циклон со скоростью всего лишь 5 м/с, может создать в его конусной части вихрь, а при уменьшении- радиуса вращения за счет сохранения массы движения в нижней части конуса скорость достигнет своего максимального значения.
Но есть целый ряд областей техники, куда циклон внедрить почти невозможно. В нем нельзя улавливать легкие и пушистые частицы. Следовательно, циклону заказано внедрение в текстильной и легкой промышленности. Циклон не ловит сажу. Вот и еще одно "табу". Он пропускает слишком большое количество мелких фракций при очистке воздуха от литейной пыли и еще, и еще... И все же циклон, несмотря на все свои недостатки, продолжает оставаться на вооружении в пылеулавливании.
Во Всесоюзном теплотехническом институте решили подавать на стенки циклона воду. Пылинки, коснувшись стенки, не могут больше от нее оторваться. Для этого устанавливают несколько форсунок носиками по ходу вращения потока. Вода смывает пыль, выделяющуюся из вихря, и сливается через нижнее отверстие устройства.
Этот аппарат называется "цетробежный скруббер ВТИ". Он применяется и на тепловых электростанциях, и на химических заводах.
У центробежного скруббера есть один недостаток -- большой расход воды: 0,25 л на 1 м3 очищаемого газа. Если производительность скруббера 100 тыс. м3 газа в час, то для его очистки требуется подавать за тот же час более 20 тыс. л воды -- это целая река. Вода в скруббере загрязняется. Для ее очистки нужно строить огромные отстойники, тратить энергию на перекачку пульпы, проводить трубопроводы.
Существуют и другие устройства, работающие на центробежном принципе. Одно из них -- ротационный пылеуловитель, самый компактный аппарат для очистки газа. Все устройство для улавливания пыли расположено внутри вентилятора. В центробежном вентиляторе воздух вращается с очень большой скоростью. Следовательно, с пылинками там происходит то же, что и в циклоне. Нужно только суметь их уловить.
Концы лопастей ротора вентилятора можно изогнуть так, что частицы пыли, которые попадут на них, как по желобу, вылетят в бункер.
В последнее время разработано много таких пылеуловителей, но применяются они тогда, когда обычный циклон или скруббер поставить негде. Несмотря на компактность и высокую эффективность очистки воздуха, ротационный пылеуловитель -- несовершенное устройство. Расход электроэнергии на очистку 1 тыс. м3 запыленного газа в нем составляет 2,5 кВт-ч. Изгибание лопастей снижает коэффициент полезного действия самого вентилятора.
Многоступенчатый циклон --это не что иное, как реконструированный классический циклон, известный много десятков лет. Но очистка газа в нем не ограничивается только вихрем во внешнем цилиндрическом корпусе. Тридцать пять лет назад французский инженер Жозеф Ранк, исследуя модель обычного циклона, заметил, что в центре вихря температура, а следовательно, и давление значительно ниже, чем у краев. Вот почему часть пыли, вращающаяся в конусной части циклона, засасывается обратно в центр и вылетает в трубу. А нельзя ли использовать это явление для увеличения эффективности действия циклона?
В выбросной трубе циклона была установлена конусная вставка с закрепленным патрубком. Между вставкой и патрубком вварили косые направляющие лопатки. Получился еще один циклон, в который газ поступал после завершения первого цикла во внешнем корпусе. Дополнительный корпус стал вылавливать из газового потока частицы, которые не успел поймать внешний корпус.
Конусная часть внутренней вставки циклона соединяется воздуховодом небольшого диаметра с всасывающим патрубком вентилятора, который гонит в циклон пыль. А если на этом воздуховоде поставить еще маленький циклон, то система будет не только ловить пыль, но и сортировать ее по фракциям. Во внешнем корпусе будет улавливаться крупная пыль, а в маленьком циклоне-- мелкая.
Вихрь укрощен. Новый циклон имеет и небольшое сопротивление, и высокую эффективность. В нем улавливается до 99% пыли с диаметром частиц до нескольких микрометров. Многоступенчатые циклоны используют в системах пневмотранспорта коксохимических заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов и котельных, работающих на угольной пыли.
Но в газах часто содержится пыль с гораздо меньшими частицами. Есть пылинки, масса которых настолько мала, что центробежная сила не оказывает на них воздействия, достаточного для их выделения из потока. В таких случаях пылинки нужно укрупнять.
Когда колонны демонстрантов идут по улицам, как ни странно, пыли в воздухе становится меньше. Английский ученый Алан Кроуфорд объясняет это тем, что разнобой голосов создает ультразвук, который не дает пыли подниматься в воздух. Аналогично работают и акустические пылеуловители. Если генератор ультразвука установить в пылеосадочной камере, эффективность ее действия возрастает в сотни раз. Пылинки, которые и без того участвуют в беспорядочном броуновском движении, под действием ультразвука начинают усиленно ударяться друг о друга. При этом они сливаются, и размер их увеличивается. Это остроумное устройство, но, кроме того что ультразвуковой пылеуловитель "шумит", у него есть еще один недостаток: расход электроэнергии на очистку 1 тыс. м3 газа составляет 3 кВт-ч. Поэтому акустические пылеуловители ставят для улавливания только очень ценной и тонкой пыли, например на свинцовых и бронзо-плавильных заводах. Если же ультразвуком улавливать не свинец, не бронзу, а, например, обычную суперфосфатную пыль, то стоимость ее будет в несколько раз меньше стоимости электроэнергии, затраченной на создание ультразвуковых волн. Но если выделяется очень тонкая и вредная пыль, то, конечно, с расходами не считаются.
Иногда вокруг проводов линии электропередачи можно увидеть голубовато-фиолетовое свечение -- корону. Коронный разряд образуется и между электродами в электрофильтрах, к которым подведено высокое напряжение. Под действием коронного разряда в газе образуется большое количество ионов и свободных электронов и возникает ток. Когда загрязненный пылью газ пропускают между злектродами электрофильтров, заряженные частицы газа, двигаясь по силовым линиям электрического поля, по пути захватывают с собой частицы пыли или тумана, находившиеся в газовом потоке, и доставляют их к электроду.
На этом принципе основана работа промышленных электрофильтров. Положительный электрод здесь -- пластина или труба. Отрицательный коронирующий электрод -- проволока -- устанавливается по центру трубы или рядом с пластиной. Время от времени электроды встряхиваются и пыль с них осыпается в бункер. Для этого, правда, необходимо остановить фильтр, иначе пыль с потоком газа уйдет в атмосферу.
А вот в новой конструкции электрофильтра фирмы "Хаудел" электроды очищают во время фильтрации газа. В цилиндрическом корпусе, как соты, расположены металлические трубы; по их оси подвешены коронирующие электроды. Подвижный сектор, напоминающий раструб граммофона, медленно вращается электродвигателем, постепенно накрывая то одну, то другую группу труб. К раструбу подключены циклон и мощный вентилятор. Проходя над трубами, раструб высасывает осевшую на электродах пыль.
Расход электроэнергии на очистку 1 тыс. м3 газа в электрофильтрах составляет всего 0,2 кВт. Электрофильтры установлены на сажевых, графитных, суперфосфатных заводах. И все же они до сих пор не нашли достаточно широкого применения. Дело в том, что строительство электрофильтра довольно дорого, сам он громоздок, а для эксплуатации его сложного электрооборудования нужен высококвалифицированный персонал.
А нельзя ли построить такой электрофильтр, в котором совсем не будет электрооборудования?
Древнегреческий ученый Фалес Милетский, заметив, как к веретену, на котором пряла его дочь, прилипала тоненькая нитка, открыл свойство янтаря наэлектризовываться. Некоторые пластмассы обладают похожими свойствами.
Химики создали новый фильтрующий материал из ультратонких синтетических волокон -- ткань ФП. Этот материал обладает и гидрофобностью, и хорошими фильтрующими свойствами.
Но сопротивление такого фильтра нестабильно, и, кроме того, он неприменим при высокой температуре. Поток, в котором много пыли, быстро забивает пористый слой, и сопротивление его возрастает, а горячий газ может расплавить ткань. Этот фильтр широко применяется в лабораториях, где работают с радиоактивными веществами, в цехах сборки особо точных приборов -- везде, где на счету каждая пылинка. А как же быть, если пыли в потоке газа очень много и температура его довольно велика?
О том, что бороться с пылью нужно с помощью воды, знает любая хозяйка. А вот на предприятиях этот вопрос еще обсуждается. Врачи санэпидстанций требуют поставить в пыльном цехе мокрый пылеуловитель. Начинается томительный диалог между администрацией и врачом.
-- Гидравлический воздухоочиститель нам не подходит. Его сложно эксплуатировать. Не лучше ли поставить какой-нибудь сухой пылеуловитель типа тканевого мешка?
-- Нет, не лучше. Ткань забьется пылью и перестанет фильтровать воздух. Нужно применять воду.
Применять, но как?
Сотни лет назад на Востоке курили длинную камышовую трубку с высушенной дыней на конце -- чилим. В дыню наливали воду, и дым, прежде чем попасть в легкие курильщика, пробулькивал через нее. Наверное, это был самый первый и самый простой газоочиститель барботажного типа.
В прошлом столетии механик-самоучка Петр Гуров писал на имя управляющего Деминской мануфактуры: "А еще доношу Вашему Высокоблагородию, что замечено мною в дни весеннего стояния воды, когда пыльный подвал прядильной фабрики до половины был залит водой, улавливание пыли в нем происходило куда как чисто. По своему разумению мы дверь из пыльного подвала открыли, и воздух, что машины в него с пылью качали, в цех выпустили. Оттого было в цеху чище и прохладней, и волокно не летало и нить не рвалась".
Казалось бы, вот он, случай. Сама природа услужливо подсовывает его в руки инженера. Однако прошло более 50 лет, прежде чем...
В анналах бюро патентов сохранилась привилегия, выданная в 1908 г. технику А. Г. Лопатникову на устройство для вылавливания твердых частиц из газового (воздушного) потока. Устройство состояло из емкости с входным и выходным патрубками, перегороженной переборкой, не доходящей до дна на 20 дюймов. В емкость заливалась вода, и газ, чтобы пройти из одного патрубка в другой, вынужден был подныривать под перегородку. Примерно так выглядел первый водяной фильтр для запыленного воздуха. Позже устройство это назвали барботером. Не правда ли, в этом газоочистителе много общего с затопленным пыльным подвалом, о котором "доносил по начальству" механик Гуров?
Есть предприятия, на которых улавливание пыли не просто требование санитарии, а основной технологический процесс. Например, заводы, выпускающие сажу для шинной промышленности. В их печах сжигают жидкое топливо при большом недостатке воздуха. Черный коптящий факел охлаждается водой, и продукт сгорания поступает в электрофильтры. Здесь сажа притягивается к электродам и периодически стряхивается в бункер.
Самую тонкую сажу электрофильтры, к сожалению, уловить не способны. Поэтому вокруг заводов и зимой и летом было черно. Только одну весеннюю неделю листва радует глаз зеленью. И кто знает, сколько бы времени так продолжалось, если бы не случай.
Произошла авария. Между электродами электрофильтра проскочила искра. Газ взорвался. Фильтр поставили на ремонт, а инженер и техник сели за чертежные доски.
Требовался очень простой и очень эффективный пылеуловитель, и на сей раз безопасный в обращении.
А что если попробовать древний азиатский чилим?
Для опыта потребовались ванна, решето и пылесос. Обечайка решета была опущена в воду, а под сито подвели шланг, соединенный с нагнетательным патрубком пылесоса. Кран ванны открыли так, чтобы струйка все время лилась на сито. Приготовились...
Три, два, один, пуск!
Взвыл пылесос, и над решетом забурлила вода. В качестве опытной среды во всасывающий патрубок пустили зубной порошок, крахмал, пудру, детскую присыпку,
Рис. 1. Простейший барботер:
1 -- корпус; 2 -- входной патрубок; 3 -- выходной патрубок; 4 -- перегородка с козырьком; 5 -- вторая перегородка
Эффект потрясающий! Ни пылинки не прошло через бурлящую водяную завесу.
Остальное свелось к обычной конструкторской разработке. Несколько листов ватмана -- и проект барботажного аппарата был готов.
Но почему все же произошел взрыв? Ведь газ, проходящий через электрофильтр,-- продукт сгорания жидкого топлива? Чему же в нем было взрываться? Анализ, произведенный в калориметрической бомбе, показал, что теплотворная способность 1 м3 газа, выходящего из сажекоптильной печи, составляет около 500 ккал.
"Fie попробовать ли дожигать этот газ в обычной топке?" -- решили работники Ярославского сажевого завода. Газ, прошедший очистку в барботажном аппарате, направили трубопроводом прямо в котельную...
Ну а как же наш барботер? Он действовал исправно. Исправно, значит, без дефектов? Нет, один маленький недостаток в работе пылеуловителя оставался. Вода... Слишком много воды требовалось для очистки газа. Она льется на решето, а газ выходит из ячеек и заставляет воду бурлить. Получалось, что чем лучше нужно очистить газ, тем больше воды необходимо подавать на решето. Но ведь чем больше воды загрязнится при барботаже, тем труднее ее осветлить. Сам по себе небольшой пылеуловитель обрастал длинным хвостом громоздких водоосветлительных устройств (рис. 1).
Барботажно-вихревой пылеуловитель системы инженера С. Морозова прекрасно объединял в себе и очистку газа, и осветление воды. Как и устройство Лопатникова, камера разделена перегородкой, но только не простой, а фигурной. Газ, проходя над зеркалом жидкости, залитой в пылеуловитель, захватывает с собой влагу и поднимает ее на верхнюю ступень. Здесь газ отсасывается вентилятором, а жидкость по трубам стекает в бак -- там-то и отделяется от нее уловленная пыль. Осветленная жидкость вновь подается в пылеуловитель и совершает тот же круговорот.
Кандидат технических наук А. А. Курников сконструировал барботажный пылеуловитель с отдельным водоосветлительным устройством.
Недавно были изобретены и применены новые пылеуловители -- ротоклоны. Газ в них очищается водой. В корпусе смонтирована фигурная перегородка с зазором, делящая пылеуловитель на две части.
Запыленный газ, проходя через зазор между перегородками, с большой скоростью перемещается над зеркалом налитой в пылеуловитель воды. Газ, как ветер на море, гонит перед собой волну. Эта волна и запыленный газ создают пылегазоводяную смесь. Контакт газа и воды настолько тесен, что пыли в нем почти не остается. Она вся переходит в воду.
После этого газ отсасывается вентилятором, а вода с уловленной пылью сливается в нижнюю часть ротоклона. В нем можно очищать газ от мелкодисперсной, гидрофобной пыли и от легкосмачивающейся. Температура очищаемых газов может достигать 200╟, а расход воды в ротоклоне ничтожен: она циркулирует по замкнутой системе. Правда, такие пылеуловители недостаточно компактны, и производительность их ограничена. На 1 м длины щели между перегородками нельзя подавать больше 3 тыс. м3 газа в час.
А что если свернуть щель для прохода газа кольцом? Тогда у потока не будет краев, следовательно, не будет и не заполненных водой углов, неизбежных при прямоугольном отверстии для стока воды. Диаметр круглого пылеуловителя будет в 3,14 раза меньше, чем длина ротоклона. Это тоже удобно.
Такую конструкцию создали и назвали гидродинамическим пылеуловителем (рис. 2). Он улавливает и тонкую серебряную пыль, и порошок суперфосфата, и волокнистую пыль, и мельчайший тальк.
Гидродинамические пылеуловители работают на производственном объединении "Минудобрения", на Московском чугунолитейном заводе имени Войкова и в других местах. Они улавливают пылинки размерами до 1 мкм, а расход электроэнергии на очистку 1 тыс. м3 газа не превышает 0,3 кВт ∙ ч. Они достаточно компактны, просты и надежны. Можно сказать, что на сегодня -- это самая универсальная конструкция очистителя газов. Она, правда, неприменима, если газы загрязнены аэрозолями или если ценность пыли снижается после ее смачивания. Но ведь для аэрозолей существуют ткань ФП и электрофильтры, а для сухого улавливания обычной пыли можно применить и многоступенчатый циклон.
Было разработано еще одно пылеулавливающее устройство. Это барботер -- тот же сосуд с перегородками, только сделать его проще простого. Стоит ли объяснять, как согнуть из листового железа ящик и вварить в него две перегородки, а к верхней перегородке приделать козырек. Но, несмотря на простоту, ящик этот не уступает по эффективности действия ни одному самому сложному барботеру.
Запыленный воздух нагнетается вентилятором в одну полость ящика и давит на зеркало воды, понижая его. Потом он пробулькивает в зазоре между перегородками. Вода в этом устройстве постоянно циркулирует из одной полости в другую. Дело в том, что во время пробулькивания часть воды в виде пены попадает из вход
Рис. 2. Гидродинамический пылеуловитель:
1 -- корпус;. 2 -- входной патрубок; 3 -- выходной патрубок; 4 -- кольцевое сопло; 5 -- чаша; 6 -- шламовый затвор
ной полости в выходную. Она повышает уровень в выходной полости, и вода через зазор между дном и нижней перегородкой проходит во входную полость. В этом весь секрет хорошей очистки воздуха.
Ну а пыль из воды извлекают раз в неделю обычной лопатой через верхний люк.
Тканевые фильтры -- одно из самых простых и надежных воздухоочистительных устройств. Марлей закрывают хозяйки окна квартиры, если на улице пыльно. Широкими полотнищами закрывают нижнюю часть лица погонщики верблюдов...
Современный промышленный фильтр из ткани выглядит, конечно, несколько иначе. Установлено, что любой тканевый фильтр имеет свою предельно допустимую "нагрузку по запыленному воздуху". То есть 1 м2 натянутой поперек воздушного потока ткани может пропустить ограниченное количество воздуха. Например, на 1 м2 шерстяной фланели допускается нагрузка в 250-- 300 м3/ч воздуха, содержащего пыли не больше 100 мг/м3. Если, скажем, стоит задача очищать воздух, нагнетаемый вентилятором производительностью 5 тыс. м3/ч, то потребуется полотнище площадью 20 м2. Как же установить такую большую по площади ткань на пути воздушного потока?
Еще на заре мануфактурного производства рекомендовалось располагать ткань в "пыльных подвалах" зигзагообразно. Запыленный воздух проходит сквозь ткань и оставляет на ней слой пыли. Слой этот с каждым часом растет, и проход воздушному потоку постепенно затрудняется. Необходима чистка фильтра. Люди берут палки и щетки и начинают очищать уловленную пыль. Кому приходилось чистить ковровые дорожки, тот приблизительно знает, что это за работа... Во время чистки к тому же легко повредить и саму фильтровальную ткань. Поэтому на некоторых заводах ее заменяют металлической сеткой.
Ловят пыль и мешочным фильтром. Устройство его напоминает бытовой пылесос. К нагнетательному воздуховоду вентилятора присоединяются мешки, сшитые из пористой материи. Выходящий из вентилятора воздух раздувает их, как пузыри, и проходит через поры ткани уже очищенным. Пыль скапливается внутри мешка. Вытряхивать мешки не так сложно, как ковры-полотнища, но все-таки неприятно. И новаторы Всесоюзного НИИ цементного машиностроения разработали самоочищающиеся рукавные фильтры. Мешки в этих фильтрах вытянуты в Длину, они даже и не мешки вовсе, а рукава. Возможно, отсюда и название "фильтр рукавный". А принцип действия его тот же, что и мешочного фильтра. Есть, к примеру, такая конструкция самоочищающегося сетчатого фильтра. На большое колесо натягивается металлическая сетка. Оно вращается медленно -- всего два-три оборота в секунду. Запыленный воздух проходит через сетку внутрь колеса и удаляется по направлению, совпадающему с его осью. Уловленная пыль откладывается на внешней поверхности колеса. Кожух этого фильтра имеет два патрубка: один -- для подачи запыленного воздуха, другой --для выброса уловленной пыли. Под колесом прямо у пылеразгрузочного отверстия установлен вращающийся валик. Этот валик снимает с сетки колеса пыль и сбрасывает ее в пылеразгрузочное отверстие. Такие фильтры очень удобны для улавливания волокнистой пыли, но они не всегда исправно работают.
А нельзя ли сделать такой же фильтр, но попроще и понадежней. Можно. Вот довольно удачный пылеуловитель с сетчатым колесом, который работает благодаря центробежным силам. Сетчатое колесо вращается потоком воздуха, поступающего на фильтрацию. Колесо работает, как турбина. Турбофильтр можно сделать в любой мастерской из корпуса вентилятора.
Но не во всех случаях хорош турбофильтр. Его основной рабочий орган -- турбина -- требует постоянного внимания, ее нужно периодически осматривать, менять уплотняющее фетровое кольцо, смазывать подшипники.
Для очень легкой пыли можно построить совсем простой фильтр с центробежным эффектом. В нем нет вращающегося ротора, следовательно, нет и неудобств турбофильтра. Называется он "циклон с рукавом". Циклон можно сделать из оцинкованного железа. Внутри его цилиндрического корпуса подвешивается рукав из бязи, а к нижнему краю цилиндра прикрепляется мешок. Как в обычном циклоне, запыленный воздух тангенциально входит в корпус и вращается в нем. Часть пыли сразу выделяется из потока и ссыпается в мешок, а часть наиболее легкой пыли осаждается на рукаве. Но ведь воздух в корпусе вращается, значит, на пыль должна действовать какая-то дополнительная сила. Верно. Эта сила встряхивает рукав, сдувает скопившуюся на "ем пыль. Как и турбофильтр, этот циклон сам себя очищает. Единственный его недостаток -- он не очень компактный. В циклон можно подавать в час всего 600--700 м3 запыленного воздуха.
Итак, нужен более компактный и производительный фильтр с плоским корпусом, такой, чтобы его можно было поставить вдоль стен, чтобы фильтрующий слой был доступен для осмотра и чтобы очистка производилась автоматически... Однажды мне пришлось присутствовать на состязаниях парусных судов. Резкий порыв ветра -- и парус нашей яхты выгнулся в обратном н