Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Характеристика технологического процесса производства строительных изделий на основе карбида кремния как источника пылевыделения 10
1.2. Современные методы защиты окружающей среды от негативного влияния пылевых выбросов производства карбида кремния и строительных изделий на его основе 15
1.3. Анализ современных методик определения скорости осаждения и диаметров частиц пыли 29
1.4. Выбор направления исследования Зо
1.5. Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПЫЛЕЙ В ВЫБРОСАХ ПРОИЗВОДСТВ КАРБИДА КРЕМНИЯ И СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ 41
2.1. Общие свойства дисперсных систем и методики их исследования 41
2.2. Физико-химические свойства исследуемых пылевых частиц 57
2.2.1. Анализ дисперсного состава 58
2.2.2. Морфологический анализ состава и плотности пылевых частиц 69
2.2.3. Анализ химического состава 72
2.3. Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УЛАВЛИВАНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В АППАРАТАХ ОЧИСТКИ ГАЗОВ 75
3.1. Моделирование процессов улавливания частиц в аппаратах сухой и мокрой очистки газов 75
3.2. Алгоритм расчета степени улавливания частиц в аппаратах сухой и мокрой очистки газов 90
3.3. Сравнительная оценка расчетной и экспериментальной степеней улавливания частиц пылевых выбросов производств карбида кремния и строительных изделий на его основе 93
3.4. Выводы по главе 3 95
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СУХОЙ И МОКРОЙ ОЧИСТКИ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВ КАРБИДА КРЕМНИЯ И СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 97
4.1 Экспериментальные исследования процесса сухой очистки газа от пыли в аппаратах центробежного типа 97
4.1.1. Описание экспериментальной двухступенчатой установки пылеулавливания и методики проведения исследований 9 /
4.1.2. Анализ результатов экспериментальных исследований процессов сухой очистки газов от пыли 104
4.2. Экспериментальные исследования процесса комбинированной очистки газа от пыли в аппаратах центробежного типа 108
4.2.1. Описание экспериментальной установки для комбинированной очистки газов от пыли и методики проведения исследований 108
4.2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований процесса комбинированной очистки газов 113
4.3. Оптимизация процессов сухой и мокрой очистки пылевых выбросов производства карбида кремния 116
4.4. Выводы по главе 4 119
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 120
5.1. Внедрение систем пылеулавливания с организацией отсоса из бункерной зоны пылеуловителя 120
5.2. Варианты использования уловленных компонентов в строительстве и промышленности 124
5.3. Экономическая и экологическая эффективность применения разработанных систем пылеулавливания 125
5.4. Выводы по главе 5
130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
- Характеристика технологического процесса производства строительных изделий на основе карбида кремния как источника пылевыделения
- Общие свойства дисперсных систем и методики их исследования
- Сравнительная оценка расчетной и экспериментальной степеней улавливания частиц пылевых выбросов производств карбида кремния и строительных изделий на его основе
Введение к работе
Актуальность темы. На основе карбида кремния, обладающего огнеупорными и абразивными свойствами, производятся такие строительные изделия как бетоны, облицовочный камень, дорожные покрытия, огнеупорные плиты и кирпич и т.д. Технологический процесс производства карбида кремния и строительных изделий на его основе сопровождается выделением большого количества пылевых частиц. На предприятиях отрасли в атмосферу выделяется более 160 т/сут пыли различного дисперсного состава.
В сложившейся практике наибольшее распространение для очистці гг^ов от пыли карбида кремния и кварцевого песка получили центробежные аппараты. Опыт эксплуатации данных аппаратов показывает, что эффективность пылеулавливания в них при производстве строительных изделий на основе карбида кремния составляет в среднем 49,6-86,2%. При этом фактические выбросы превышают допустимые в 3,2-6,6 раза. Поэтому для очистки запыленных газов в данных производствах чаще всего применяют двухступенчатые системы пылеулавливания, в которых в качестве второй ступени устанавливаются рукавные фильтры. Использование рукавных фильтров ограничивается как абразивными свойствами улавливаемой пыли, ^ак и требованиям к эксплуатации подобных установок очистки газов. Кроме этого, сложна регенерация материала фильтров, вследствие забивания их мелкодисперсной пылью.
Анализ работы существующих установок для очистки пылевых выбросов производств строительных изделий на основе карбида кремния показал, что эффективность таких систем не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к установкам очистки газов. Одной из причин этого является недостаточная изученность физико-химических свойств и дисперсного состава улавливаемой пыли. * Таким образом, актуальным является решение задачи повышения эффективности пылеулавливающих аппаратов и разработки компоновочных
6 схем систем пылеулавливания в производстве строительных изделий на основе карбида кремния для обеспечения требуемой степени очистки газов.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом і дуччо-исследовательских работ Волгоградского государственного технического университета.
Цель работы. Снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду пылевых выбросов производств строительных изделий на основе карбида кремния посредством повышения эффективности очистки от пыли выбросов в атмосферу, достигаемого в результате совершенствования систем пылеулавливания с центробежными аппаратами.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: оценка технологического производства строительных изделий на основе карбида кремния как источника пылевыделений, определяющего мощность пылевых выбросов в атмосферу; исследование дисперсного состава и обобщение данных об основных свойствах пыли карбида кремния и кварцевого песка; уточнение расчетной модели, описывающей закономерности движения пылевых частиц в центробежном пылеуловителе; разработка схем компоновки систем пылеулавливания с центробежными аппаратами для очистки пылевых производств строительных изделий на основе карбида кремния; экспериментальная оценка эффективности разработанных систем пылеулавливания с центробежными аппаратами для пыли кварцевого песка; оценка эколого-экономического эффекта после внедрения усовершенствованных систем пылеулавливания с центробежными аппаратами при производстве строительных изделий на основе карбида кремния.
Основная идея работы состоит в совершенствовании систем очистки пылевых выбросов в атмосферу посредством разработки компоновочных с^ем систем пылеулавливания с центробежными аппаратами для достижения нормативов предельно-допустимых выбросов в атмосферу.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; математическое и физическое моделирование изучаемых процессов; обработку полу „ен^ых экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ; лабораторные и опытно-промышленные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием исследуемых процессов, планированием необходимого объема экспериментальных исследований и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна работы состоит в том, что: усовершенствована расчетная модель и получены аналитические зависимости, характеризующие процессы пылеулавливания в центробежных аппаратах; получены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность процесса улавливания пыли, выделяющейся при производстве строительных изделий на основе карбида кремния, в двухступенчатых системах очистки газов с центробежными пылеуловителями; определены и систематизированы данные о дисперсном составе и физико-химических свойствах пыли, образующейся при производстве строительных изделий на основе карбида кремния.
Практическое значение работы состоит в том, что - разработаны, экспериментально исследованы и внедрены при производстве строительных изделий на основе карбида кремния системы пылеулавливания с центробежными аппаратами; составлен алгоритм и разработана программа для расчета на ПЭВМ фракционной эффективности улавливания частиц в центробежных аппаратах; усовершенствована методика инженерного расчета общей и фракционной эффективности улавливания пыли в центробежных аппаратах.
Реализация результатов работы: результаты работы внедрены ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрсл» "ри разработке проектной документации для предприятий производства строительных изделий на основе карбида кремния; разработаны, прошли промышленные испытания и внедрены в эксплуатацию на ОАО «Волжский абразивный завод» двухступенчатые системы пылеулавливания с центробежными аппаратами; уловленная пыль из аппаратов очистки газов используется ООО «ОСОТ» и ООО «Волгомет» для изготовления строительных изделий; материалы диссертационной работы использованы кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 3207 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов".
На защиту выносятся: усовершенствованная расчетная модель и аналитические зависимости, характеризующие процессы пылеулавливания в центробежных аппаратах; экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность процесса улавливания частиц пыли, выделяющейся при производстве строительных изделий на основе карбида кремния, в двухступенчатых системах очистки газов с центробежными пылеуловителями; данные исследований физико-химических свойств и дисперсного состава пыли карбида кремния и кварцевого песка, образующихся при производстве строительных изделий на основе карбида кремния.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: научно-технической конференции «Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1997); IV традиционной научно-технической конференции «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 1998); научно-технической конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 2001); И научно-технической конференции «Материаловедение, технология и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2003).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 публикациях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем работы 176 страниц, в том числе: 132 страницы — основной текст, содержащий 33 таблицы на 27 страницах, 27 рисунков на 26 страницах, список используемой литературы из 106 наименований на 11 страницах, 4 приложения на 33 страницах.
Характеристика технологического процесса производства строительных изделий на основе карбида кремния как источника пылевыделения
В настоящее время существует множество технологических процессов, связанных с изготовлением, переработкой и применением порошкообразных материалов [82]. Почти все они сопровождаются выделением в атмосферу значительных количеств пыли различного состава. Следствием этого является негативное техногенное влияние на окружающую природную среду даже при относительно низких концентрациях, так как после оседания пыли возможен ее вторичный унос в атмосферу, а также потери ценных компонентов, содержащихся в пылевых выбросах [9, 15].
Существующая в настоящее время технология производства карбида кремния (рис. 1.1) предполагает интенсивное выделение пыли различного состава. В силу несовершенства пылеулавливающего оборудования, происходит унос в атмосферу наиболее ценных фракций карбида кремния, используемых в качестве наполнителей при производстве различных изделий, в том числе и строительного назначения: огнеупорных плит и кирпичей, бетонов, облицовочного камня, дорожных покрытий и др. [60].
Производство карбида кремния - это сложный процесс, включающий несколько стадий [101]. Процесс сплавления кварцевого песка с нефтекоксом длиться до 36 часов. При подаче электрического тока различной мощности могут быть получены соединения, различающиеся по своим свойствам. Также различные свойства карбида кремния можно получить, варьируя состав наполнителей и добавок (поваренная соль, древесные опилки, возвратная шихта, керн) [62]. В процессе плавки в атмосферу выделяется в больших количествах оксид углерода, в меньших - диоксид азота, диоксид серы, сероводород и некоторое количество взвешенных частиц.
После сплавления печь разбирают, охлаждают на воздухе, проливают водой для дополнительного охлаждения, а также для вымывания раствооимых примесей и снижения пылеобразования при дальнейшей разборке. Затем печь разбирают и сортируют. После сортировки полученный карбид кремния в куске направляют на предварительное дробление на щековых дробилках СМ-16А и СМ-166А до крупности 50 мм. Далее карбид кремния поступает на участок мокрого измельчения в конусные дробилки и стержневые мельницы, где дробится до размера 5 мм. Измельченный карбид кремния просушивается в сушильных барабанах и поступает на участок рассева, где классифицируется по фракциям на грохотах различной конструкции, магнитных сепараторах и воздушных классификаторах циклонного типа. Полученный в результате этих операций товарный продукт вытаривается в мешки или контейнеры и направляется потребителю. Выделяющиеся пылеобразные частицы, образующиеся при подаче и вытаривании материала, поступают в системы аспирации и осаждаются в сухих и мокрых пылеуловителях различной конструкции.
Одним из основных этапов при подготовке сырья для получения карбида кремния является стадия обогащения кварцевого песка, который затем используется в технологии получения карбида кремния. При добавлении в шихтовую смесь кварцевого песка с размером зерен 315 мкм и более происходит более полное сплавление углерода с кварцевым песком, что обеспечивает больший валовый выход и более высокое качество получаемого продукта.
Процесс обогащения включает в себя сушку в сушильных барабанах, измельчение песка на пресс-валковом измельчителе и рассев на грохотах. Все эти процессы сопровождаются интенсивным выделением пыли SiC 2, которая по своим свойствам является канцерогеноопасной пылью [89].
Качественный и количественный составы выделяющихся вредных веществ приведены в таблице 1.1.
Производство карбида кремния является одним из градообразующих предприятий г. Волжского и находится на его территории, в связи с чем санитарно-защитная зона данного производства частично перекрывается с селитебной зоной города. Поэтому рассеивание образующихся в процессе производства вредных веществ происходит как в С 33, так и над территорией жилой застройки, что приводит к накоплению вредных примесей на этой территории. Вследствие того, что СЗЗ частично расположена на жилой территории, возможно вторичное загрязнение окружающей среды уже осевшими на этой территории вредными веществами. Это существенно ухудшает экологическую ситуацию в селитебной зоне [27]. Диаграммы рассеивания вредных веществ, образующихся при производстве карбида кремния [91], представлены на рис. 1.2.
Общие свойства дисперсных систем и методики их исследования
Основными характеристиками пыли, обуславливающими эффективность очистки и устойчивость работы аппаратов очистки газов от пыли являются дисперсность частиц, концентрация, плотность, смачиваемость, слипаемость, электрические свойства, абразивность, способность к коагуляции [30,46, 79].
Так как большинство частиц, образующихся в результате производственной деятельности, имеет произвольную форму (пластинчатые, кубические, веретенообразные, игольчатые, чешуйчатые и пр.), связь между их размерами и инерционными свойствами достаточно сложна [28]. За время пребывания в воздуховодах и аппаратах газоочистки, частицы сталкиваются между собой и образуют более крупные агрегаты [2], Интенсивность этого явления зависит в основном от размера частиц (частицы крупнее 2Э мкм практически не коагулируют), их концентрации и турбулентности потока. Поэтому в практике пылеулавливания принято различать первичные размеры частиц, которые свойственны им в момент их образования; размеры агрегированных частиц, возникающих в процессе коагуляции; размеры частиц, выделенных из потока в виде хлопьев и комочков [69]. Для их классификации используется понятие стоксовского диаметра частиц. В зависимости от данного критерия различают три основные группы [39, 78]:
частицы крупностью более 10 мкм, оседающие с возрастающей скоростью и не диффундирующие;
- частицы крупностью 0,1-10 мкм, оседающие в соответствии с законом Стокса;
- частицы крупностью менее 0,1 мкм, находящиеся в постоянном броуновском движении и приближающиеся по своим свойствам к молекулам газа. Для практических расчетов пользуются следующим разделением пыли на 6 групп дисперсности (таблица 2.1) [30, 39, 69]:
Группы дисперсности пылевидных материалов
Таблица 2.1.
Группа 1 2 3 4 5 6
Размер частиц, мкм 5 5-10 10-20 20-40 40-60 60 и более
В зависимости от способов измерения методы дисперсионного анализа подразделяются на прямые и косвенные. К прямым относится непосредственное измерение размеров частиц (микроскопия или ситовой анализ). Косвенные методы основаны на измерении какого-либо параметра дисперсного материала, непосредственно зависящего от размера частиц -скорости оседания в вязкой среде, интенсивности светорассеяния, электрического заряда и пр. [30]. Методику исследования дисперсного состава пыли выбирают с учетом результатов предварительного анализа. Наиболее полную картину дают микроскопический и фотоседиментационный методы [J0, 46, 54]. Дисперсный анализ методом оптической микроскопии применяют для частиц, имеющих размеры 0,5-300 мкм. Границы измерения могут быть увеличены до 0,2-1000 мкм путем подбора освещения и кратности увеличения [30]. При микроскопическом анализе чаще всего определяют линейный размер частиц. К основным достоинствам микроскопических методов исследования относятся точность, а также возможность изучения морфологических свойств анализируемых частиц: формы, размера, внешнего вида и пр. [30]. Для пыли, уловленной в аппаратах очистки, возможно использование ситового анализа, а также седиментационных методов и ареометрии [30, 46, 54].
Одним из наиболее распространенных способов определения размера частиц является воздушная сепарация. При этом использование для разделения частиц центробежной силы значительно ускоряет процесс. У сепараторов, применяемых для подобных исследований, центробежная сила превышает с«лу тяжести в 650 раз [28].
В практике проектирования систем пылеулавливания, перечисленные методы определения дисперсности частиц применяются в основном для оценки технологических качеств улавливаемой пыли.
В лабораторных исследованиях для оценки дисперсности пыли с учетом агрегации частиц в потоке газа также используют устройства, состоящие из ряда параллельно или последовательно установленных циклонов небольшого размера [28, 69], а также ротационные анализаторы дисперсного состава промышленных пылей [46].
К современным приборам для определения гранулометрического состава относятся лазерные анализаторы, принцип действия которых основан на дифракции излучения частицами [76, 77]. Преимуществами таких приборов являются быстрота анализа, широкий диапазон измерения (от 0,1 до 1000 мкм).
Представляет определенный интерес фотоседиментограф СФ-2, разработанный в Уральском государственном техническом университете [77]. В отличие от зарубежных аналогов (например, фотоседиментографа «Analysette-20» фирмы «Фрич»), СФ-2 обладает рядом принципиальных отличий: отсутствие механического привода и наличие восьми измерительных каналов. Сканирование кюветы с суспензией происходит восемью датчиками, расположенными на различной высоте, после чего результаты анализа выводятся на дисплей компьютера. Как следует из экспериментальных данных, фактическая ошибка в определении медианного диаметра на приборе СФ-2 существенно меньше, чем допускается немецким стандартом (FEPA-Standard 42-D-1984, Teil 3-R1993). Прибор СФ-2 используется для контроля дисперсного состава различных материалов на ОАО «Бокситогорский глинозем», ОАО «ДИНУР» (г. Первоуральск), ОАО «Ником огнеупоры» (г. Нижний агил), ОАО «Челябинский электродный завод», на кафедрах Уральского и Пермского государственных технических университетов [77].
Сравнительная оценка расчетной и экспериментальной степеней улавливания частиц пылевых выбросов производств карбида кремния и строительных изделий на его основе
Проверка точности результатов расчетов по предлагаемому алгоритму проведена для частиц кварцевого песка с d50=25 мкм плотностью 2520 кг/м3 при Др/р=740 м /с и частиц карбида кремния с d5o 30 мкм плотностью 3220 кг/м для циклонов ЦН-15 диаметром 200, 300 и 400 мм на основании экспериментальных данных.
Лабораторная установка (рис. 3.7) включала в себя: циклон І с пылесборным бункером 2. Через узел приготовления пыле воздушной смеси 3 в
Схема лабораторной установки: 1 - циклон ЦН-15; 2 -пылесборный бункер; 3 - узел приготовления пылевоздушной смеси; 4 - регулятор расхода воздуха; 5 - вентилятор; 6, 7 — штуцеры систему подавался материал. Концентрация пылевых частиц на входе в систему обеспечивалась задаваемым временем загрузки, фиксируемым по секундомеру
Расход воздуха в системе регулировался с помощью регулятора расхода газа 4. На воздуховодах были сделаны штуцеры 6 и 7 с завинчивающимися крышками для выполнения измерений.
Экспериментальные замеры проводились в соответствии с принятыми стандартными методиками [95, 100].
При определении концентрации пыли применялся прямой метод, который заключается в непосредственном отборе проб запыленного воздуха из воздуховода с помощью пылезаборных трубок. Для измерения запыленности использовался стандартный комплект пылезаборного оборудования, разработанного и изготовленного НИИОГАЗ. При отборе проб было соблюдено условие изокинетического отбора проб. Отбираемый воздух протягивался через аллонж с фильтром АФА и по разности весов до и после отбора проб определялась концентрация пыли в воздуховоде (при этом принималась во внимание скорость отбора проб) [95, 100].
Динамическое давление воздуха определялось в замерных сечениях воздуховодов при помощи пневмометрических трубок НИИОГАЗа и микроманометров ММН-250.
Оценка эффективности пылеулавливания осуществлялась на основе сопоставления поступающего и выходящего массового расхода пыли, определяемого путем отбора проб и измерений в замерных сечениях воздуховодов, и контролируемых по весу уловленной пыли в пылесборном бункере 2. Отбор проб осуществлялся одновременно во всех замерных сечениях, чем обеспечивалась идентичность отбора проб в каждом из сечений установившемуся режиму работы системы и поступления пыли [69]. Количество уловленной в циклоне пыли определялось взвешиванием на лабораторных весах ВЛТЭ-500.
Расчеты выполнялись на ПЭВМ при помощи программы Ciklon [Приложение 3]. Данные расчета в сравнении с данными эксперимента приведены в таблице 3.1. Видно, что расчетные величины несколько превышают полученные экспериментально, что можно объяснить несовершенством лабораторного оборудования, использованного при проведении экспериментов.
1, Получена математическая модель процесса улавливания частиц в аппаратах очистки газов, определяющая вероятность улавливания частиц в потоке газа как отношение пути частицы конкретного диаметра к общему пути, т.е. расстоянию между внутренней и внешней стенками аппарата.
2. Полученная на основании разработанного алгоритма программа для расчета степени улавливания Ciklon, позволяет определять по заданному на входе в аппарат очистки газа распределению частиц и другим показателям, характеризующим свойства частиц, среды и аэродинамические характеристики работы аппарата, общую и фракционную степени улавливания частиц, а также скорость осаждения частиц в потоке газа и моделировать процессы очистки запыленных газов от взвешенных частиц.
3. По результатам исследований степени улавливания частиц карбида кремния в аппаратах типа ЦН-15 видно, что для частиц с d5o=30 мкм рассчитанная по предлагаемому алгоритму степень улавливания для аппаратов с диаметром 200, 300 и 400 мм выше, чем полученная в лабораторных условиях, на 3,89-5,67%.
4. По результатам исследований степени улавливания частиц кварцевого песка в аппаратах типа ЦН-15 видно, что для частиц с d5o=25 мкм рассчитанная по предлагаемому алгоритму степень улавливания для аппаратов с диаметром 200, 300 и 400 мм также выше, чем полученная в лабораторных условиях на 2,99-5,18%.
