Содержание к диссертации
Введение
1 Факторы эффективности систем ПГУ и их влияние на загрязнение атмосферы при производстве цемента 13
1.1 Измерение ФРЧ в ступенях очистки при исправном ПГУ 15
1.2 Влияние отказов ПГУ на концентрацию и дисперсный состав аэрозольных частиц на выходе последней ступени очистки 23
1.3 Существующая система контроля экологической безопасности и эффективности ПГУ 27
1.4 Экологические последствия отказа ПГУ и необходимость раннего их раннего обнаружения 45
1.5 Выводы к главе 1 47
2 Обзор методов контроля концентрации и дисперсного состава аэрозольных частиц в пылегазовом потоке 49
2.1 Характеристики дисперсной фазы аэрозолей 49
2.2 Методы измерения концентрации частиц в аэрозольном потоке 52
2.2.1 Методы с предварительным выделением дисперсной фазы из потока 53
2.2.2 Методы без предварительного отбора дисперсной фазы из потока 54
2.2.2.1 Cведения из оптики аэрозолей по фактору эффективности ослабления, рассеяния и поглощения 56
2.2.2.2 Оптические методы измерения концентрации аэрозольных частиц 61
2.3 Методы измерения дисперсного состава аэрозолей 63
2.3.1 Подготовка пробы к анализу 64
2.3.2 Ситовый анализ 65
3 2.3.3 Седиментометрический анализ 66
2.4 Обратные методы оптики аэрозолей 66
2.4.1 Метод малоуглового рассеяния 66
2.4.2 Метод полной индикатрисы 67
2.4.3 Лидарный метод . 68
2.4.4 Модифицированный метод спектральной прозрачности. 69
2.5 Выводы к главе 2 . 70
3 Моделирование аэрозольных потоков и их исследование методом ММСП 72
3.1 Описание специального пылевого стенда 72
3.2 Аэродинамические параметры стенда 76
3.3 Математическое моделирование концентрации и дисперсного состава аэрозоля в замкнутом потоке . 78
3.4 Выводы к главе 3 86
4 Экспериментальное исследование модельных потоков на специальном пылевом стенде методом ММСП . 87
4.1 Описание экспериментальной установки для исследования модельных потоков методом ММСП 87
4.2 Проведение экспериментов с регистратором ММСП на специальном пылевом стенде 95
4.2.1 Обработка результатов измерений 96
4.2.2 Изменение времени стабилизации распределения аэрозоля в воздушном потоке стенда после импульсной инжекции 99
4.2.3 Измерение ослабления лазерного излучения на трех длинах волн после прохождения через модельный аэродисперсный поток 101
4.2.4 Моделирование отказов рукавного фильтра 110
4.3 Использование регистратора ММСП в системе мониторинга ПГУ 114
4.4 Выводы к главе 4 . 118
Заключение . 120
Список использованных источников .
- Влияние отказов ПГУ на концентрацию и дисперсный состав аэрозольных частиц на выходе последней ступени очистки
- Оптические методы измерения концентрации аэрозольных частиц
- Математическое моделирование концентрации и дисперсного состава аэрозоля в замкнутом потоке
- Измерение ослабления лазерного излучения на трех длинах волн после прохождения через модельный аэродисперсный поток
Влияние отказов ПГУ на концентрацию и дисперсный состав аэрозольных частиц на выходе последней ступени очистки
Результатом деятельности многих предприятий строительной отрасли является загрязнение атмосферного воздуха аэрозольными частицами различных размеров. Снижение интенсивности пылевых выбросов достигается эксплуатацией широкого спектра пылегазоочистных установок (ПГУ), позволяющего изъять из промышленных аэродисперсных потоков 94-99% пыли и более. Более высокая степень очистки достигается использованием нескольких ступеней очистки. Основная часть ПГУ на производстве стройматериалов представлена электрофильтрами и рукавными фильтрами [2, 50, 51].
В рукавных фильтрах в качестве фильтровальных материалов применяются ткани двух типов, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры). Фильтровальные тканые материалы представляют собой определенного вида переплетения нитей (пряжи), скрученных из коротких (штапельных) или филаментных (непрерывных) волокон диаметром от 6 до 20—30 мкм. Более толстые («тяжелые») ткани из естественных или синтетических волокон часто подвергаются начесыванию, а шерстяные — еще и валке. В результате на поверхности переплетения образуется ворс или застил из расположенных в различных направлениях отдельных волокон. Более тонкие (легкие) ткани из стеклянных и синтетических непрерывных или штапельных волокон ворсованию не подвергаются, но степень крутки нитей и плотность их расположения значительно выше, чем в толстых тканях.
Осаждение частиц пыли в начальный период работы рукавного фильтра за счет механизмов касания, инерции, диффузии и электростатического взаимодействия происходит на волокнах, расположенных на поверхности нитей, а также в ворсе. Волокна, находящиеся внутри крученых нитей, в осаждении частиц практически не участвуют, так как поток газа проходит в основном через отверстия между нитями. В последующем наблюдается процесс осаждения частиц и образование «мостов» над порами и в них, в результате чего образуется сплошной слой пыли, который сам становится вторичной фильтрующей средой, и эффективность очистки резко возрастает. Осаждение частиц в поверхностном слое и внутри запыленной ткани основано в значительной степени на ситовом эффекте, так как поры в слое, обтекаемые элементы (осажденные пылинки) и улавливаемые частицы имеют близкие размеры.
В рукавных фильтрах ткань рукавов выполняет роль несущей поверхности, то есть служит основой для формирования и удержания фильтрующего пылевого слоя. Пористость и стабильность пылевых слоев в зависимости от размеров, формы и других свойств частиц, а также от скорости фильтрации, структуры ткани и способов ее регенерации изменяется в широких пределах. На объемных тканях из штапельного волокна образуются более рыхлые и более стабильные слои пыли.
Так как при низких входных концентрациях пыли процесс образования слоя занимает много времени, то лучшие результаты достигаются при очистке газов с высокой запыленностью. В рукавных фильтрах целесообразно использовать небольшие скорости фильтрации 0,5 – 2 см/с.
Запыленные газы могут вводиться в рукава снизу или сверху. При вводе снизу ограничивается возможная длина рукавов, так как трудно обеспечить выпадение пыли в течение короткого периода встряхивания. Кроме того, за счет фракционного отсеивания в верхней части рукавов накапливается очень тонкая пыль, которая плохо сбрасывается при регенерации. При вводе сверху направление потока газов способствует выпадению пыли в бункер и возможно применение более длинных рукавов, однако в этом случае возникает опасность существенного повышения температуры в верхней части корпуса фильтра, а устройства для натяжения рукавов оказываются более сложными. Существуют два основных способа регенерации запыленных тканей: – встряхивание фильтрующих элементов (механическое, аэродинамическое путем пульсации или резких изменений направления фильтруемого потока газов воздействие звуковых колебании и т. п.), – обратная продувка фильтрующих элементов очищенными газами и воздухом (нагнетание в секцию газов с низким давлением при большом расходе, подсос атмосферного воздуха, струйная локальная продувка каждого рукава или плоского элемента и другое).
Во многих фильтрах сочетаются оба способа регенерации [2, 18]. Изменение ФРЧ в ступенях очистки при исправном ПГУ
В атмосферном воздухе районов, примыкающих к производству строительных материалов, наблюдается повышенное содержание пылевых аэрозолей, которые ухудшают состояние атмосферного воздуха и могут негативно повлиять на здоровье местного населения. Каждое предприятие имеет свою СЗЗ (санитарно-защитную зону), на границе которой предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязняющих веществ не должна превышать гигиенические нормативы. Согласно [44] для аэрозольных частиц установлены предельно допустимые концентрации в зависимости от их диаметра (таблица 1).
Оптические методы измерения концентрации аэрозольных частиц
Тогда согласно формуле (1.40) выходная концентрация также пропорционально возрастет в k раз. При этом ПГУ остается исправным.
Если концентрация во входящем газе Z1 увеличится в k раз в результате отказа ПГУ (например, из-за разрыва рукава), то ФРЧ на выходе из ПГУ изменится так, как показано на рисунке 1.4. При этом в обоих случаях пылемер покажет такую же массовую концентрацию, как и в случае исправной работы. Поэтому по данным пылемера не представляется возможным определить, по какой причине увеличилась концентрация на выходе ПГУ. Чтобы решить эту задачу с помощью пылемеров, необходимо устанавливать их не только на выходе, но и на входе в ПГУ. При этом ситуация повторяется для ступеней очистки, находящихся до ступени, оснащенной пылемерами. Основная проблема заключается в том, что оптические пылемеры не учитывают изменение дисперсного состава пыли в потоке, в то время как это изменение можно использовать как индикатор отказа ступени ПГУ. Пылемеры, измеряющие дисперсный состав пыли, обычно представляют собой пробоотборный зонд, постоянно находящийся в потоке, и периодически отбирает пробу пыли из потока для дальнейшего анализа. Сведений об использовании оптических пылемеров для анализа работы рукавного фильтра не только по концентрации, но и по дисперсному составу аэрозольных частиц, автором не найдено. 1.4 Экологические последствия отказа ПГУ и необходимость раннего их раннего обнаружения Как правило, аварии на ПГУ развиваются стремительно, и в случае контроля ПГУ прямыми методами, требующими много времени как для отбора пробы, так и для ее анализа, оперативно обнаружить признаки аварийного состояния не представляется возможным. Из-за длительности выполнения измерений прямыми методами можно упустить момент, когда предотвращение аварии ещ представляется возможным. Например, через короткое время после отбора проб произошел небольшой прорыв рукава. Результаты отбора покажут исправную работу фильтра. При этом все время до следующего отбора проб авария может оставаться незамеченной, выброс в атмосферу будет превышать установленный для предприятия норматив ПДВ и загрязнять воздух рабочей зоны. Обнаружение отказа ПГУ произойдет только после проведения очередного комплекса замеров и последующих за ним расчетов. Прямые методы измерений принципиально не предусматривают контроль в реальном времени. Причины этого более подробно изложены в главе 2.
При работе пылегазоочистного оборудования могут возникать аварии с большим экономическим и экологическим ущербом. При аварийном выбросе в атмосферу попадает большое количество пылевых частиц. При этом нарушается норматив ПДВ, что влечет за собой увеличение платы за негативное воздействие на окружающую среду, и происходит потеря сырья. Также в результате аварийного выброса происходит загрязнение рабочей зоны, что приводит к резкому снижению экологической безопасности и нарушению гигиенических нормативов PM2,5 и PM10 на предприятии и прилегающих территориях. Это влечет нарушение требований охраны труда, возникает угроза здоровью обслуживающего персонала и населения, проживающего вблизи предприятия [66, 122]. Поэтому оперативное обнаружение предпосылок к аварии, на ранних этапах их формирования, является важнейшим фактором экологической безопасности и актуальной задачей контроля работы ПГУ.
Для оперативного обнаружения и устранения аварии на ПГУ необходимо получать в режиме реального времени информацию об эффективности ПГУ. Эта информация позволит отслеживать реакцию на действия оператора и наладчика при выборе оптимальных режимов его работы. Так как для установившегося технологического процесса производства цемента объемный расход газа является достаточно стабильным параметром, значительно не меняющимся во времени, запыленность потока при этом в основном будет определяться концентрацией пыли на выходе ПГУ, соответственно по этой концентрации можно будет однозначно определять его эффективность. Важнейшим фактором анализа эффективности ПГУ и быстрого обнаружения прорыва рукава является контроль дисперсного состава пыли, но в ранее проведенных исследованиях он не учитывался.
Можно сделать вывод, что для оперативного раннего обнаружения или предупреждения аварий ПГУ в процессе их эксплуатации необходимы такие средства измерений, которые позволяли бы в реальном времени измерять концентрацию и дисперсный состав частиц в потоке [2, 8, 53, 55, 56]. Для разработки таких средств измерений необходимо выполнить обзор существующих методов и средств, позволяющих проводить измерения концентрации и дисперсного состава аэрозоля в режиме реального времени, выбрать наиболее подходящие для условий цементного производства, а также провести исследования для создания оптимального метода контроля ПГУ.
Математическое моделирование концентрации и дисперсного состава аэрозоля в замкнутом потоке
Для проведения измерений на специальном пылевом стенде необходимо, чтобы в газоходе стенда не было пыли. Поэтому его необходимо перед началом измерений провести его продувку чистым воздухом. При продувании стенда сигнал фотоприемника МИСР должен колебаться около нуля. В настоящей работе так определялось время окончания проветривания стенда. Сигналы опорных каналов, каналов ММСП и МИСР должны выглядеть, как прямые линии. Графики сигналов опорных каналов, каналов ММСП и МИСР при выключенном стенде показаны на рисунке 4.5. По графикам, показанным на рисунке 4.5, видно, что уровень сигнала каналов ММСП постоянен во времени, а сигнал МИСР равен нулю. По ним можно сделать вывод, что концентрация аэрозоля в стенде близка к нулю, и стенд готов к работе.
Обработка результатов измерений
В данной работе уровень сигнала каналов ММСП регистрировался с помощью аналогово-цифрового преобразователя LA50, подключенного через интерфейс USB к персональному компьютеру. Сигнал каналов ММСП представлен в виде напряжения, которое регистрируется с заданной частотой (обычно не менее 103 Гц). Для просмотра текущего состояния сигналов ММСП и их записи использовалось стандартное программное обеспечение аналогово-цифрового преобразователя. Сигналы АЦП сначала записываются в бинарный формат, затем с помощью стандартной программы преобразуются в текстовый формат. Данные в текстовом формате можно использовать как для импорта в электронную таблицу (например Microsoft Office Excel 2003), так и для обработки в других программах.
В текущей работе для обработки данных эксперимента использовалась электронная таблица Microsoft Office Excel 2003. В экспериментах по измерению ослабления лазерного излучения производилась запись 9 каналов АЦП (таблица 4.1), соответствующих регистраторам ММСП, МИСР и опорным каналам, 3 канала АЦП, соответствующих датчикам температур на опорном фотопримнике, а также на фотопримнике МИСР и измерительном фотопримнике ММСП. В экспериментах по стабилизации потока дополнительно велась запись канала 13, который соответствует положению тумблера аттенюатора. Аттенюатор использовался для изменения чувствительности фотопримника МИСР. Каждому положению тумблера соответствовало сво значение напряжения канала
. Запись сигналов обычно велась на частоте 103 Гц. При этом записывалось каждое сотое значение напряжения. За часовой эксперимент накапливался массив из 36000 точек для каждого канала. При построении графиков сигналов каждого канала обычно по оси абсцисс откладывались отсчеты, а по оси ординат соответствующее каждому отсчету значение напряжения. Работать с таким массивом не всегда удобно, так как построение графиков из такого количества точек требует значительных для персонального компьютера вычислительных мощностей. Также затруднн анализ такого массива из-за того, что одной секунде соответствует 10 измерений. Поэтому для дальнейшей работы с полученными экспериментальными данными необходимо произвести их приведение к масштабу по оси абсцисс, равному одной секунде. Для этого необходимо произвести усреднение, то есть найти среднее арифметическое значений напряжений для каждого интервала отсчета с шагом 10. Для проведения такого усреднения был составлен макрос на языке Visual Basic for Applications для электронной таблицы Microsoft Office Excel 2003, работающий по алгоритму, представленному на рисунке 4.6.
После начала выполнения макроса появляется поле ввода коэффициента усреднения k, после подтверждения ввода которого нажатием соответствующей кнопки графического интерфейса начинается выполнение программы. В таблице Excel номера строк и столбцов начинаются с единицы. Так как первая строка занята названиями каналов, а первый столбец занят номерами отсчетов, счетчики столбцов m и строк n начинаются с двух. Счетчик s служит для отсчета количества строк, значения которых нужно просуммировать. После каждой итерации прибавляется значение в текущей строке к переменной sum.
Измерение ослабления лазерного излучения на трех длинах волн после прохождения через модельный аэродисперсный поток
В настоящей работе под отказом рукавного фильтра подразумевается прорыв одного из его рукавов. При этом ФРЧ аэрозоля на выходе рукавного фильтра становится суммой ФРЧ на входе рукавного фильтра и на выходе из него и зависит от степени его отказа к. Под степенью отказа к понимается отношение массовой доли входного аэрозоля к массовой доле выходного аэрозоля. Степень отказа к, равная нулю говорит об исправной работе рукавного фильтра. Степени отказа к = 1 соответствует такая ФРЧ аэрозоля на выходе рукавного фильтра, в которой присутствует равная по массе ФРЧ аэрозоля на входе в рукавный фильтр в случае его исправной работы. При
Необходимо установить, какую максимальную степень отказа можно регистрировать модифицированным методом спектральной прозрачности на длинах волн 405 нм, 532 нм и 650 нм. Для этого нужно рассчитать объемно-поверхностный диаметр 5з2 для ФРЧ аэрозоля на выходе из рукавного фильтра при разных степенях его отказа. Графики ФРЧ аэрозоля для разных степеней отказа рукавного фильтра приведены на рисунке 4.15.
По графикам на рисунке 4.15 видно, что при увеличении к доля частиц диаметром более 1 мкм, которые характерны для ФРЧ на входе рукавного фильтра, увеличивается, при этом изменяется и величина %2-Рассчитав зависимость величины %2 от степени отказа рукавного фильтра возможно решать обратную задачу по обнаружению отказа с помощью ММСП. График зависимости величины %2 от степени отказа рукавного фильтра приведен на рисунке 4.16.
По графикам на рисунках 4.12, 4.15 и 4.16 можно установить, что минимальной степенью отказа k, которую возможно регистрировать на длинах волн 640 нм, 532 нм и 405 нм, является k = 0,1, а максимальной – k = = 0,4.
Для проверки возможности регистрировать отказы был проведен эксперимент, при котором был смоделирован отказ рукавного фильтра путем добавочной инжекции аэрозоля в поток. График зависимости сигналов установки ММСП на трех длинах волн при проведении эксперимента по моделированию отказа приведен на рисунке 4.17.
График на рисунке 4.17 иллюстрирует эксперимент по моделированию отказа рукавного фильтра на специальном пылевом стенде. Через 50 секунд после начала записи сигналов инжектируется 10 г цементного порошка. Происходит резкое изменение значения тц в сторону уменьшения, которое затем постепенно возрастает. Как было показано в главе 3, после 771 секунды после инжекции ФРЧ аэрозоля в стенде с коэффициентом детерминации более 80% принимает вид ФРЧ на выходе из рукавного фильтра. После этого времени возможно моделирование его отказа. В эксперименте по моделированию отказа в 1660 секунду производится инжекция цементного порошка массой 0,5 грамм, уловленного в рукавном фильтре, что соответствует величине отказа к = 0,4. С этого момента ФРЧ в стенде начинает соответствовать ФРЧ при отказе рукавного фильтра.
На рисунке 4.17 показан фрагмент эксперимента в интервале времени от 1000 до 2000 секунд. До повторной импульсной инжекции цементного порошка величина 832 аэрозоля в газоходе, которая находится по отношению г650/г405, соответствует 832 исправного рукавного фильтра. После инжекции происходит ослабление лазерного излучения, и меняется величина 832 аэрозоля в газоходе, которая соответствует отказу рукавного фильтра со степенью к = 0,4. При этом отношение г650/г405 также начинает соответствовать 832 для отказа рукавного фильтра. Это подтверждает возможность идентифицировать отказы рукавных фильтров модифицированным методом спектральной прозрачности в диапазоне длин волн от 405 до 640 нм со степенью отказа к = 0,1 - 0,4.
Использование регистратора ММСП в системе мониторинга ПГУ Регистратор ММСП может быть применн в системе мониторинга работы пылеулавливающих установок, которая работает в реальном времени. Так как эксперименты по измерению оптической толщи и среднего объемно 116 поверхностного диаметра проводились на стенде, имитирующем пылегазовые потоки, встречающиеся в промышленности, перенос регистратора ММСП возможен без дополнительных изменений в конструкции, но после установки элементов ММСП на газоход необходимо провести их калибровку. Измерительные элементы ММСП устанавливаются непосредственно на газоход, выходящий из контролируемой пылеулавливающей установки.
В рамках данной работы регистратор ММСП разрабатывался для применения на выходе рукавного фильтра. Так как на выходе рукавного фильтра размер частиц не превышает 1 мкм, а максимум их дисперсного состава лежит в области 0,2 - 0,3 мкм, то именно этим фактом обусловлен выбор длин волн, необходимых для измерения дисперсного состава и концентрации в пылегазовом потоке на выходе рукавного фильтра. Порог измерения 832 на этих длинах волн составляет 1 мкм, а при исправной работе рукавного фильтра 832 составляет 0,43 мкм. Поэтому с лазерными излучателями на выбранных длинах волн можно обнаруживать двукратное увеличение 8з2. Увеличение 832 является сигналом начала отказа рукавного фильтра. В пересчете на плотность цемента обнаруживаются частицы в рамках гигиенического норматива PM2,5 (размером до 1,4 мкм).
На рисунке 4.19(б) показана схема расположения двух измерителей в системе ПГУ. При такой схеме можно осуществлять мониторинг уже двух ступеней очистки и предупреждать их отказы на ранних стадиях проявления в виде падения их пылеулавливающей эффективности и увеличения размеров частиц в дисперсном составе в прошедших через них запыленных газах.
При обнаружении системой мониторинга изменения параметров запыленного потока, характеризующих падение пылеулавливающей эффективности ПГУ, система может подавать сигнал диспетчеру в виде звукового сигнала, либо выводить соответствующую информацию на дисплей или автоматически отключить неисправную секцию и перенаправить аэродисперсный поток. Это позволит оперативно отреагировать на возникшие в ПГУ неисправности, предупредив аварийный выброс, и принять соответствующие меры по их устранению.
