Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 13
1.1. Анализ основных источников вредных газовых выбросов в атмосферу на предприятиях стройиндустрии 13
1.2. Анализ существующих систем пульсации газового потока 18
1.2.1. Механическая система пульсации 18
1.2.2. Пневматическая система пульсации 20
1.2.3. Электромагнитные пульсаторы 24
1.2.4. Пульсаторы с мембранно-клапанным устройством 25
1.3. Основные конструктивные элементы пульсационных аппаратов и схемы их
соединения с пульсатором 26
1.4. Особенности схем соединения нескольких пульсационных аппаратов с пневматическим
пульсатором 29
1.5. Использование объемных пульсационных аппаратов 30
1.6. Выводы 32
2. Теоретическое обоснование пульсационных технологий для очистки вредных газовых выбросов 33
2.1. Принципы пульсационного способа взаимодействия жидкостей и газов 33
2.2. Гидродинамика пульсационных аппаратов 37
2.3. Эффективность пульсационных аппаратов 49
2.4. Механизм перемешивания пульсирующими струями 55
2.5. Методы расчета пульсационных аппаратов 60
2.6. Выводы 65
3. Разработка конструкций и устройств, реализующих эффекты пульсации потоков и вибротурбулизации 66
3.1. Патентные решения 66
3.2. Эффективность пульсации потоков в струйных аппаратах 73
3.3. Моделирование струйного аппарата с пульсирующим течением активного и
инжектируемого потоков 77
3.4. Выводы 83
4. Экспериментальные лабораторные исследования и испытания опытно — промышленной установки (ОПУ) 85
4.1. Определение коэффициента инжекции струйного аппарата с пульсирующим активным потоком 85
4.2. Экспериментальные исследования режимов работы модели струйного аппарата с
пульсирующим активным потоком 89
4.3. Экспериментальные исследования процессов поглощения оксидов из пульсирующих газовых потоков при их смешении с водяным паром и последующей конденсацией 94
4.4. Испытания опытно-промышленной установки 110
4.4.1. Устройство и принцип действия ОПУ 110
4.4.2. Результаты испытаний ОПУ 112
4.5. Выводы 119
5. Эколого-экономическая оценка применения пульсационных технологий в ИЭС 121
5.1. Описание программы для определения экономического ущерба от выбросов примесей в атмосферный воздух 121
5.2. Эколого-экономическая оценка применения пульсационных технологий в ИЭС 127
5.3. Выводы 131
Заключение 132
Литература 135
Приложения 150
- Анализ основных источников вредных газовых выбросов в атмосферу на предприятиях стройиндустрии
- Принципы пульсационного способа взаимодействия жидкостей и газов
- Эффективность пульсации потоков в струйных аппаратах
- Определение коэффициента инжекции струйного аппарата с пульсирующим активным потоком
- Описание программы для определения экономического ущерба от выбросов примесей в атмосферный воздух
Введение к работе
Антропогенное воздействие на окружающую среду связано с существенными объемами тепло-газо-пылевых вредных выбросов в атмосферный воздух.
Для предприятий стройиндустрии необходимость очистки вредных газовых выбросов (ВГВ) в атмосферу от примесей обусловлена наличием на данных предприятиях различного технологического (печи обжига, сушильные барабаны, шахтные печи и др.), а также теплогенерирующего оборудования, являющегося источниками их выделения.
В рамках Конвенции ООН в 1997 г принят документ по изменению климата, в соответствии с которым все развитые страны и страны с переходной экономикой (в том числе Россия) были обязаны к 2000 г. сократить выбросы диоксидов углерода и серы, метана, азотных соединений, высокодисперсных частиц и других примесей до уровня 1990 г., а к 2008 г. еще на 3-8 % [1].
При сжигании любого ископаемого топлива в технологическом и тепло-генерирующем оборудовании (ТТО) вредные газовые выбросы содержат оксиды углерода, серы и азота, несгоревшие компоненты топлива, твердые частицы (сажу) и пр. В технологическом оборудовании эти выбросы могут содержать также пыли соответствующего производства. Особенно насыщенные оксидами выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Снижение ВГВ от ТТО в атмосферу возможно по следующим основным техническим направлениям: совершенствование технологий и конструкций ТТО; оптимизация процесса сгорания топлива; совершенствование инженерно-экологических систем (ИЭС) для очистки ВГВ.
Настоящая работа посвящена совершенствованию технологии очистки в ИЭС ВГВ, содержащих оксиды азота, углерода, серы и др. Одно из наиболее эффективных направлений очистки ВГВ основано на сорбционных технологиях, использующих различные жидкостные системы. Эффективность этих технологий в значительной мере зависит от площади поверхности контакта газов с жидкостью, времени их взаимодействия, распределения взаимодействующих фаз по объему аппаратов, а также других физико-химических факторов (параметрами состояния, вязкостью, скоростью потоков, составом и качеством жидкостных систем).
Разрабатываемые с участием автора в течение ряда лет пульсационные технологии позволяют воздействуя пульсациями на многофазные потоки повысить эффективность очистки ВГВ. Для этого ИЭС дополнительно снабжается струйным аппаратом (СА), снабженным сильфонным пульсатором (СП).
Работа выполнена в рамках реализации Киотского протокола, Государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития (Указ Президента РФ от 01.04.96, № 440), Федеральной целевой программы "Предотвращение опасных изменений климата и их отрицательных последствий" (Постановление Правительства РФ от 19.10.96, № 1242).
Целью исследования настоящей работы является исследование процессов "мокрой" очистки газовых вредностей от технологического оборудования предприятий стройиндустрии, их сопоставление, анализ и разработка эффективного решения снижения ВГВ за счет ПРЕДЛОЖЕННЫХ пульсационных технологий.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи: провести обзор и анализ пульсационных технологий для очистки ВГВ; теоретически проанализировать воздействие пульсаций на газожидкостные системы; разработать экспериментальную и методологическую базу для исследования взаимодействия пульсирующих многофазных потоков; - провести экспериментальные исследования взаимодействия пульси рующих многофазных потоков в струйном аппарате и определить эффектив ность очистки ВГВ, отходящих от ТТО; - определить эффективность очистки ВГВ при одновременной пульсации потока и вибротурбулизации газо-жидкостных систем в опытно-промышленной установке.
Научная новизна: научно обоснованы технические и технологические решения по эффективной очистке вредных газовых выбросов, содержащих оксиды углерода, азота и серы; разработана расчетная модель пульсации многофазных потоков в газо-жидкостных системах; предложена методика организации пульсации многофазных потоков на лабораторной и промышленной установке; исследовано влияние пульсаций многофазных потоков при их смешении на эффективность поглощения вредных газовых выбросов.
Основные научные результаты выносимые на защиту:
Теоретические исследования и технологические разработки по пульсации многофазных потоков и вибротурбулизации в газожидкостных системах.
Методологические разработки по организации пульсации многофазных потоков на лабораторной и опытно-промышленной установке.
Результаты экспериментальных исследований по определению влияния пульсаций многофазных потоков на эффективность их смешения и поглощения образующимся конденсатом составляющих ВГВ.
Результаты испытаний ИЭС, оснащенной струйным аппаратом с СП по очистке ВГВ.
Достоверность результатов содержащихся в диссертации, обеспечивается применением комплексного подхода к методике исследований, использованием современного приборного обеспечения и подтверждается результатами лабораторных экспериментов и натурных испытаний при учете погрешностей.
Практическое значение работы: снижение объема вредностей, выбрасываемых в атмосферу при сжигании различных видов топлива в технологическом и теплогенерирующем оборудовании предприятий стройиндустрии; усовершенствована технология очистки вредных газовых выбросов путем их поглощения при смешении пульсирующих потоков с водяным паром; разработана методологическая база для проведения лабораторных исследований по определению эффективности очистки ВГВ при организации пульсаций потоков; впервые получены значения диэлектрической проницаемости и проводимости газовых потоков, содержащих SO2 и СО, позволяющие коррелировать эти свойства с концентрацией оксидов и оперативно контолировать ВГВ; разработан программный продукт, позволяющий проводить оценку эко-лого-экономической эффективности применения пульсационных технологий.
Реализация работы. Результаты исследования использованы в проекте реконструкции ИЭС печей обжига кирпичного завода в г. Таганроге, в опытно-промышленной теплогенерирующей установке ст. Лихая, работающей на сернистом мазуте и в учебном процессе РГСУ по курсу «ИЭС охраны воздушного бассейна».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-практических семинарах и заседаниях кафедр «ОВиК», «ТГС» и ППБ РГСУ в 2002-2006 гг. в институте «Озон» и ассоциации «Теплосистема» в 2002-2006 гг. - на международных научно-практических конференциях «Строительст- во-2004,2005, 2006». Ростов н/Д. РГСУ; - на Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность». Ростов н/Д. РГСУ. 2005; - на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2005». Ростов н/Д. РГУПС. 2005;
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 11 научных публикациях.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять разделов, заключение, список использованной литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 149 страницах основного текста, содержит 15 таблиц, 64 рисунка, список литературы из 165 наименований, 4-х приложений.
Во введении и первом разделе рассмотрено современное состояние атмосферного воздуха, проанализированы существующие системы пульсации, основные конструктивные элементы пульсационных аппаратов, схемы их соединения с пульсатором и варианты использования объемных пульсационных аппаратов. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе представлены теоретические обоснования процессов v -с пульсации газовых и паровых потоков, проанализированы принципы пульсаци-онного способа взаимодействия жидкостей и газов: гидродинамика пульсационных аппаратов, их эффективность, механизм перемешивания пульсирующими струями, методы расчета и моделирования пульсационных аппаратов
В третьем разделе представлены конструкции и технологические особенности устройств и способов, реализующих эффекты пульсации потоков в струйных аппаратах и вибротурбулизации. Приведены результаты моделирования струйного аппарата с пульсирующим течением активного и инжектируемого потоков для очистки продуктов сгорания.
В четвертом разделе представлена разработанная и созданная экспериментальная лабораторная установка, описаны методологические положения при проведении опытов по исследованию воздействия пульсаций на газовые потоки с целью повышения эффективности поглощения оксидов, содержащихся в продуктах сгорания теплогенерирующих установок. Представлены экспериментальные данные, результаты их обработки и анализа. Приводится конструкция, технология эксплуатации и результаты испытаний системы очистки продуктов сгорания, подвергнутых пульсации, состоящей из струйного аппарата, снабженного сильфонным пульсатором и УПГВ. Приведены методики и ре- зультаты испытаний указанной системы для поглощения оксидов углерода, азота и серы из продуктов сгорания теплогенерирующеи установки, работающей на сернистом мазуте, в котельной ст. Лихая.
Пятый раздел посвящен эколого-экономической оценке применения разработанной технологии очистки продуктов сгорания для водогрейных котлов, работающих на мазуте.
В заключении приводятся общие выводы по проделанной работе.
Анализ основных источников вредных газовых выбросов в атмосферу на предприятиях стройиндустрии
На предприятиях стройиндустрии, выпускающих кирпич, керамику, гипс, керамзит, цемент, санитарно-технические фаянсовые изделия и другие строительные материалы и изделия имеются различные технологические процессы, сопровождающиеся образованием, выделением, выбросом и распространением различных вредных примесей, находящихся в пылевидном и газообразном состоянии.
Вредные примеси в пылевидном состоянии образуются при переработке сырья, его транспортировке, а также при проведении различных тепло-массообменных процессов. Эти примеси могут поступать в воздушную среду производственных помещений, а также в атмосферу.
Теплогазовые вредные примеси связаны с использованием в технологическом процессе ряда тепло-массообменных процессов, которые реализуются в различных технологических процессах, например, таких как обжиг, сушка, вспучивание и др. При работе теплогенерирующего оборудования также образуются и выбрасываются в атмосферу теплогазовые вредные примеси, содержащие оксиды углерода, серы и азота, несгоревшие компоненты топлива, твердые частицы (сажу) и пр. Такие теплогазовые примеси образуются при сжигании в технологическом и теплогенерирующем оборудовании газа, мазута, угля и редко растительных отходов ряда производств. Особенностью работы ряда технологического оборудования на предприятиях строийиндустрии является их периодическая работа, обусловленная особенностями технологического процесса, несмотря даже на трехсменный режим работы.
Предприятия по производству кирпича и камней керамических наиболее широко распространены в стройиндустрии. Они имеются практически во всех регионах. Номенклатура, выпускаемых ими изделий включает кирпич и камни керамические (ГОСТ 530-80), кирпич и камни керамические облицовочные (ГОСТ 7484-78), кирпич глиняный для дымовых труб (ГОСТ 8426-75) и кирпич керамический для футеровки тепловых агрегатов до 100 С (ТУ 21-31-48-85). Такие предприятия построены, реконструировались и реконструируются в соответствии с нормами технологического проектирования 1989 года. Значительное количество предприятий по производству керамических изделий построенные ранее, в настоящее время оказались расположенными в густо населенных районах. В последнее время построено ряд заводов, использующих иностранные технологии и оборудование.
Сырьем для производства керамических стеновых изделий служат природные глинистые и кремнеземные горные породы (трепелы, диатомиты, лессы и др.), а также различные отходы других производств (золы ТЭС, шлаки, отходы углеобогащения, химической, металлургической и нефтяной промышленности и др.). В процессе производства используют для корректировки технологических свойств керамической массы органические и минеральные добавки.
В зависимости от природных свойств исходное сырье условно можно разделить на пять разновидностей, от которых зависит интенсивность переработки - глины рыхлые, малой пластичности, быстро размокающие (лессы, лессовидные суглинки); глины средней плотности и пластичности ( покровные суглинки); глины пластичные, вязкие плотные, трудно размокающие в воде; глины плотные, аргиллитовые, алевролитовые, сланцевые не размокающие в воде; глинистые сланцы, аргиллиты в природном виде или в виде отходов углеобогащения с наличием повышенного содержания активных карбонатных включений.
Принципы пульсационного способа взаимодействия жидкостей и газов
Любая пульсационная установка состоит из трех основных частей [32-48]: собственно технологического пульсационного аппарата со встроенными в него преобразователями импульсов, пульсационного привода и генератора импульсов (пульсатора). Пневматическая система пульсации состоит из следующих основных частей [35,36]; пульсационной камеры (преобразователя энергии импульсов), являющейся частью аппарата, пульсопровода (передатчика импульсов) и генератора импульсов - пульсатора (рис. 2.1). Пульсатор, состоящий из золотниково-распределительного механизма (ЗРМ) и источника сжатого газа, дистанционно, через пульсопровод генерирует в пульсационной камере пневматические импульсы требуемой мощности и приводит в колебательное движение реагенты. Встроенные в аппарат неподвижные устройства преобразуют это движение в вид, обеспечивающий получение требуемой для процесса гид-ро-газодинамической обстановки в аппарате. Главное достоинство - ЗРМ и энергетический источник конструктивно не связаны. Вследствие этого ЗРМ имеет небольшие размеры, не несет динамических нагрузок, может легко дублироваться и устанавливаться практически на любом расстоянии от технологического аппарата.
Эффективность пульсации потоков в струйных аппаратах
Вопросам исследования эффективности СА, работающих на непрерывных потоках активного и инжектируемого газов, посвящено достаточно большое количество работ [31,86,121,122,125-128]. Появились работы, в которых отмечается, что эффективность СА может быть повышена в 1,2-2 раза за счет кольцевого ввода потоков, использования эффекта закрученной струи активного потока, использования прерывистых потоков и др. [141-143,147,151-159]. Повышение эффективности СА требует создания новых конструкций, обеспечивающих более эффективные процессы, что, в свою очередь, требует проведения экспериментальных и теоретических исследований.
Механизм передаче энергии в С А основан на вязкостном, турбулентном перемешивании потоков высокого и низкого давлений. Одним из путей повышения эффективности СА является использование в них более совершенных механизмов передачи энергии от активного, высоконапорного потока инжектируемому, низконапорному. Так в вихревых эжекторах высоконапорный поток закручивается, приобретая определенный момент количества движения [145]. Механизм передачи энергии в вихревых эжекторах определяется более интенсивной турбулентностью потоков, по сравнению с обычными СА с непрерывным, активным потоком. Определяющая роль в передаче энергии в вихревых СА отводится турбулентному, вязкостному перемешиванию.
Из [141-143,146,147,150-159] следует, что введение нестационарных составляющих в струйное течение потоков с целью повышения интенсивности обмена энергий между потоками является целесообразным. Известно, что с физической точки зрения любой метод воздействия на струю, приводящий к зависимости параметров от времени, вызывает увеличение поверхности раздела между струей и окружающей ее средой. Следовательно, усиливается взаимодействие струи с окружающей средой и возрастает интенсивность смешения потоков. Наряду с увеличением поверхности раздела в нестационарных струях потоков высокого давления имеется возможность передачи количества движения от активного потока к инжектируемому с помощью волн давления в большей степени, чем в обычных струях через механизм вязкости.
Определение коэффициента инжекции струйного аппарата с пульсирующим активным потоком
Для исследования процессов смешения пульсирующих газовых потоков, имитирующих по своему составу продукты сгорания, с водяным паром и последующей конденсацией парогазовой смеси была изготовлена модель СА (рис. 4.1) и проведены эксперименты по определению влияния пульсаций потока на коэффициент инжекции СА [125-128].
Методика проведения опытов заключается в следующем. Модельный газ (воздух) нагнетается в подводящий трубопровод 1 с помощью воздуходувки и инжектирует воздушный поток через патрубок 2 в приемную камеру 3. Далее через камеру смешения 4 и диффузор 5 смешанный поток выходит из струйного аппарата. Расход активного потока воздуха регулируется напряжением, подаваемым на воздуходувку с помощью лабораторного автотрансформатора ЛАТРа. Дроссельные диафрагмы, установленные на линии активного и инжектируемого потоков и снабжены U-образными жидкостными манометрами, что позволяет измерять перепад давлений на диафрагме. Расчеты расхода активного и инжектируемого потоков воздуха и коэффициент инжекции СА выполняются по известным формулам с помощью компьютерной программы [129].
Параметры воздуха определялись при соответствующей температуре по [130,133].
Пульсация создавалась пневматическим пульсатором сильфонного типа (рис.4.2), аналогичным изображенному на рис.2.1 в. Сильфон 6 присоединен снизу к толстостенному стеклянному цилиндру 7. Пульсация воздушного столба создается сжатием и растяжением сильфона под действием кривошипно-шатунного механизма, включающего эксцентрик 2, штангу 3 и подшипник скольжения 4,5, приводимого в действие электродвигателем постоянного тока 1 с регулируемым числом оборотов (рис.4,2). Амплитуда пульсаций задавалась перемещением эксцентрика относительно оси вала электродвигателя. Частота пульсаций соответствует числу оборотов электродвигателя (измерялась тахометром), устанавливаемому регулированием подаваемого на электродвигатель напряжения при помощи ЛАТРа через выпрямитель тока.
Описание программы для определения экономического ущерба от выбросов примесей в атмосферный воздух
На запрос программы "введите среднегодовое значение разности температур в устье источника и в окружающей среде, град. Цельсия", значение вводится с клавиатуры. В программе разность температур обозначена символами dT. На запрос программы "введите геометрическую высоту источника выброса, м ", пользователь должен ввести ее с клавиатуры. В программе высота источника выброса обозначена символом h. На запрос программы "введите скорость ветра, м/с", пользователь должен ввести ее с клавиатуры. Если же пользователю скорость ветра неизвестна, либо он не ввел ее, то ее значение по умолчанию принимается 3м/с. На экране монитора появится сообщение: "если значение скорости ветра неизвестно, оно принимается 3 м/с". В программе скорость ветра обозначена символом и.
Коэффициенты, учитывающие экологические факторы (состояние атмосферного воздуха), по территориям экономических районов Российской Федерации 9; восточно-сибирский район - 10; дальневосточный район — 11; Калининградская область - 12. На запрос программы "введите код экономического района, для которого производятся вычисления", пользователь должен ввести с клавиатуры число от 1 до 12, соответствующее выбранному экономическому району.
![Эколого-гигиеническая оценка атмосферных выбросов городских предприятий теплоэнергетики [Электронный ресурс]](/i/i/4383/210010.png "Эколого-гигиеническая оценка атмосферных выбросов городских предприятий теплоэнергетики [Электронный ресурс] Селюнина Светлана Викторовна")
