Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 11
1.1. Анализ технологического процесса производства керамзита как источника вредных выделений в атмосферный воздух и в воздух рабочей зоны 11
1.2. Анализ способов снижения поступлений пыли в воздушную среду предприятий 21
1.3. Обоснование и выбор направления исследований 32
1.4. Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования по оценке пылевой обстановки в цехах производства керамзита 35
2.1. Оценка мощности пылевых выбросов в атмосферу на предприятиях по производству керамзита 35
2.2. Оценка мощности выделений пыли в производственные помещения 39
2.3. Исследования запыленности воздуха рабочей зоны 46
2.4. Анализ дисперсного состава и основных свойств пыли, выделяющейся при производстве керамзита 48
2.5. Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Разработка и оценка эффективности решений по снижению выбросов пыли в атмосферу от печей обжига в производстве строительного керамзита
3.1. Применение мокрой очистки пылевых выбросов в атмосферу от печей обжига керамзита 55
3.1.1. Разработка решения по мокрой очистке выбросов пыли от печей обжига 55
3.1.2. Экспериментальная оценка эффективности предлагаемого варианта мокрой очистки пылевых выбросов в атмосферу. 57
3.2. Применение взвешенно-фильтрующего слоя для очистки от пыли отходящих газов от печи обжига керамзита 65
3.2.1. Разработка решения по применению взвешенно- фильтрующего слоя для снижения выбросов пыли в атмосферу от печи обжига керамзита
3.2.2. Экспериментальные исследования по оценке эффективности применения взвешенно-фильтрующего слоя для обеспыливания выбросов в атмосферу от печей обжига керамзита 71
3.3. Выводы по главе 3 77
ГЛАВА 4. Разработка решений по снижению поступлений пыли в атмосферу и в рабочую зону 79
4.1. Разработка схемы компоновки системы пылеочистки для систем аспирации и пневмопылеуборки
4.2. Теоретическая оценка эффективности предлагаемой системы пылеочистки 81
4.3. Экспериментальная оценка эффективности и аэродинамического сопротивления системы пылеочистки
с аппаратами ВЗП 83
4.3.1. Описание лабораторной установки и методика проведения экспериментальных исследований 83
4.3.2. Анализ полученных результатов по определению величины проскока 89
3. Результаты экспериментальной оценки аэродинамических характеристик предложенной системы пылеочистки 95
Результаты практического внедрения предложенной системы пылеочистки 99
Выводы по главе 4 100
Заключение 102
Библиографический список 105
- Анализ способов снижения поступлений пыли в воздушную среду предприятий
- Оценка мощности выделений пыли в производственные помещения
- Разработка решения по мокрой очистке выбросов пыли от печей обжига
- Теоретическая оценка эффективности предлагаемой системы пылеочистки
Анализ способов снижения поступлений пыли в воздушную среду предприятий
В этом случае рыхлое глинистое сырье в увлажненном состоянии перерабатывается в таких агрегатах, как вальцы, глиномешалки и др. Далее на дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах из пластичной глиномассы формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые затем окатываются, округляются при специальной обработке или при транспортировке. Гранулы, имеющие влажность примерно 20%, сразу направляются во вращающуюся печь или предварительно подсушиваются в теплообменных устройствах, в которых используется тепло отходящих дымовых газов вращающейся печи (например, сушильные барабаны). Производство керамзита по пластическому способу, в сравнении с сухим способом, более сложно и более энергоемко, и требует больших капиталовложений [31, 41, 46, 56, 116].
При порошково-пластическом способе из сухого глинистого сырья в результате помола получают порошок, из которого при добавлении воды получают пластичную глиномассу, из которой, в свою очередь, формуются гранулы. Недостатки способа: необходимость помола (обусловливает
При мокром (щликерном) способе глина разводится в воде в глиноболтушках. При этом влажность получаемой пульпы (шликера, шлама) составляет примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда - во вращающиеся печи. В этом случае в части печи устраивается завеса из подвешенных цепей, которые одновременно выполняют функцию теплообменника (нагреваются отходящими газами и подсушивают пульпу) и измельчающего механизма (разбивают подсыхающую пульпу на гранулы). Недостаток мокрого способа - из-за высокой начальной влажности шликера требуется больший расход топлива. Преимущества способа: однородность сырьевой пульпы; упрощение процесса введения и равномерного распределения добавок; упрощение процесса удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка [85].
Также могут применяться печи обжига в кипящем слое [24]. Большой интерес для производителей представляет циркуляционный способ производства керамзита с обжигом в фонтанирующем слое [120]. Технологическая схема процесса производства керамзита по этому способу показана на рисунке 1.4.
При изготовлении керамзита вибрационным методом (технологическая схема процесса показана на рисунке 1.5) для обжига применяется специальная комбинированная установка, в которой происходит сушка гранулированного материала, его предварительный подогрев, вспучивание и охлаждение обожженного продукта [121].
Отличительная особенность этого способа изготовления керамзитового гравия - приготовление гранулированного глинистого сырца шаровидной формы и примерно одинакового размера, что обеспечивается применением тарельчатого гранулятора [121].
Также предложен метод получения керамзита с обжигом в электрическом поле высокой частоты. В этом случае используются токи высокой частоты для внутреннего диэлектрического нагрева зерен глинистого материала до температуры вспучивания и выделения теплоты при поддержании экзотермических реакций в температурном интервале порообразования [85].
При производстве керамзита по ступенчатому способу могут применяться кольцевые печи со вращающимся подом (рисунок 1.6). В этом случае технологическая схема предусматривает формовку сырцовых гранул
В настоящее время при получении керамзитового песка лучшей считается технология его обжига в кипящем слое [85].
Производимый по любому из выше перечисленных способов керамзит необходимо охлаждать, учитывая при этом, что прочностные свойства конечного продукта зависят от скорости охлаждения [31]. На первом этапе проводится быстрое охлаждение керамзита до температуры 800-900С еще в пределах вращающейся печи с помощью поступающего в нее воздуха, чтобы закрепить структуру и предотвратить окисление закисного железа. После этого в холодильниках (барабанных или слоевых) или в аэрожелобах в течение 20 мин. происходит медленное охлаждение материала, чтобы
Следует отметить, что производство керамзита (в виде гравия, щебня или песка) может осуществляться как в производственных помещениях, так и на мини-заводах, располагаемых на открытых площадках.
Анализ технологических схем производства керамзита по всем перечисленным способам показывает, что все из них предусматривают процессы измельчения, обжига, транспортирования и т.д., каждый из которых сопровождается значительными пылевыделениями. Например, концентрация пыли в отходящих газах после холодильных барабанов, печей обжига керамзитового гравия достигает значений до 15 г/м . Содержание пыли в системах аспирации транспортирующих механизмов, шнековых дробилок и сортировок гравия может достигать от 5 до 10 г/м [85].
Выделяющаяся при производстве строительного керамзита пыль содержит кремния диоксид в количестве от 20 до 70% и по действующим санитарно-гигиеническим нормативам отнесена к аэрозолям преимущественно фиброгенного действия 3 класса опасности [32].
Оценка мощности выделений пыли в производственные помещения
Для оценки пылевой обстановки при производстве керамзитового гравия были проведены измерения запыленности воздуха в цехе по производству керамзита на заводе железобетонных изделий ОАО «ВЗ ЖБИ №1» (г. Волгоград). Замеры проводились в рабочей зоне возле печи обжига керамзита, поскольку это оборудование является одним из наиболее пылящих.
Замеры проводились в соответствии с определенной ГОСТ методикой [32, 75]. Для определения запыленности был применен стандартный комплект пылезаборного оборудования НИИОГАЗ, состоящий из электроаспиратора и аэрозольных аналитических фильтров АФА, помещаемых в открытый аллонж. Масса уловленной пыли определялась по результатам взвешивания фильтра до и после проведения замера. По данным о количестве воздуха, прошедшего через фильтр, и по весу пыли вычислялась весовая концентрация. Полученные данные приведены в таблице
Результаты натурных исследований, представленные в таблице 2.4, свидетельствуют о значительном превышении уровня запыленности воздуха рабочей зоны над нормативами ПДК. 2.4 Анализ дисперсного состава и основных свойств пыли, выделяющейся при производстве керамзита
Одновременно с оценкой мощности выбросов пыли с содержанием диоксида кремния 70-20% и измерением концентрации пыли в воздухе рабочей зоны проводилось исследование дисперсного состава этой пыли. Отбор проб для дисперсионного анализа проводился в 16 точках (включая источники выбросов пыли в атмосферу и рабочие места у технологического оборудования) один раз в неделю в течение 3 месяцев с учетом режимов технологического процесса и периодов года. Всего проведено 12 серий измерений. Во время проведения измерений подвижность и температура воздуха в рабочей зоне для теплого, холодного и переходного периодов года изменялась в пределах, нормируемых в соответствии с [32].
При проведении дисперсионного анализа применялся известный метод микроскопии [37, 64, 115], положенный в основу методики, предложенной в [107], и, с последующим развитием и совершенствованием, изложенной в работах [4, 6, 7, 9, 10, 14].
В качестве примера на рисунке 2.3 представлены микрофотографии частиц пыли, содержащейся в воздухе рабочей зоны и в пылевоздушном потоке, перемещаемом по системам аспирации в установки пылеочистки.
Результаты обработки полученных данных приведены на рисунках 2.4-2.6. На рисунке 2.4 в соответствии с [6, 7, 9, 10, 14, 37, 64, 107, 115] в виде интегральных функций распределения приведены результаты анализа фракционного состава пыли, поступающей в систему аспирации, обслуживающей печь обжига.
Анализ полученных данных показал, что полученная зависимость имеет вид усеченной логарифмической кривой, и размеры частиц составляют: максимальный - 16 мкм, минимальный - 0,3 мкм, медианный диаметр - 9 мкм. Доля частиц с размерами частиц менее 10 мкм - РМю
Микрофотографии частиц пыли, выделяющейся при производстве керамзита и отобранной: а - в системе аспирации, обслуживающей вращающуюся печь обжига керамзита; б - в воздухе рабочей зоны около холодильника колеблется в пределах от 60 до 90%. Содержание частиц с размерами менее 2,5 мкм - РМ2,5 - составляет 1-1,8%.
На рисунке 2.5 в виде интегральных функций пофракционного распределения массы частиц приведены результаты анализа дисперсного состава пыли, поступающей в воздух рабочей зоны около холодильника. Анализ экспериментальных данных показал, что полученная зависимость так же, как на рисунке 2.4, имеет вид усеченной логарифмической кривой, и размеры частиц составляют: максимальный - 20 мкм, минимальный - 2 мкм, медианный диаметр - 16 мкм. Доля частиц РМю изменяется в пределах от 15 до 40%. Содержание частиц РМ2,5 составляет 0,3%.
Обобщенные результаты проведенного дисперсионного анализа и сопоставления с данными других авторов о дисперсном составе пыли, выбрасываемой в атмосферный воздух при производстве керамзита, представлены на рисунке 2.6 [50, 53].
Анализ полученных данных показывает, что на фоне мелких частиц с размером d4 10 мкм, на долю которых приходится до 50% массы, наблюдаются и более крупные с размерами d4 10 мкм.
Очевидно, что в первом приближении полученные интегральные функции удовлетворяют логарифмически нормальному распределению. На участке размеров частиц пыли d4 в интервале от 1 до 40 мкм (кривые 1 и 2) эти зависимости близки к прямой линии и удовлетворительно описываются формулой [50, 53]
Для исследования основных физических свойств пыли, образующейся при производстве керамзита, на ОАО «ВЗ ЖБИ №1» были отобраны пробы дисперсного материала. Отбор проб осуществлялся из воздушной среды обслуживаемой зоны оборудования, характеризующегося наиболее интенсивным пылеобразованием.
Из отобранных проб приготовлялись навески, имеющие необходимую массу. Например, в соответствии с [65, 115], для определения углов естественного откоса такая навеска составляет 200-300 г [65, 115]. При этом для сокращения пробы использовалось квартование конусов при помощи крестообразного делителя. Перед проведением анализа осуществлялось перемешивание пыли с использованием метода накатки [65, 115].
Для исследования насыпной плотности пыли был применен метод, описанный в [65, 115], суть которого состоит в определении массы измеренного объема. Сначала определяется объем мерного цилиндра и его вес без пыли. После заполнения цилиндра пылью и удаления ее избытка линейкой, вновь определялся вес цилиндра. Тогда насыпная плотность пыли может быть вычислена с помощью выражения [65]
Одним из косвенных показателей, характеризующих комплексные свойства пыли, такие как сыпучесть, аэрируемость, аркообразование, является угол естественного откоса, т.е. угол между горизонтальной плоскостью и образующей конуса порошкообразного материала, насыпанного на эту плоскость [65, 115].
От статического и динамического углов естественного откоса, в частности, зависит поведение пыли в бункере пылеочистного оборудования, крутизна стенок которых и диаметры отверстий для удаления пыли выбираются с учетом этих характеристик пылевых частиц [115].
Для определения статического угла естественного откоса использован метод, который заключается в измерении угла наклона поверхности материала, образовавшейся в результате обрушения слоя пыли при удалении подпорной стенки [115].
Динамический угол естественного откоса определялся по результатам непосредственного измерения угла, под которым располагалась наружная поверхность исследуемого материала при падении пылевых частиц на плоскость [115].
Разработка решения по мокрой очистке выбросов пыли от печей обжига
На рисунке 3.9 приведены графические зависимости вида є = = s(vn, tan а), характеризующие изменение степени проскока пыли в аппарате со взвешенно-фильтрующим слоем гранул керамзита при различных режимных параметрах его работы.
По результатам математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии є = 0,4274 - 0,0215(йп - 4Д7)2 - 0,2321(tana + 0,21)2 + + 0,018untan2a (3.12)
Экспериментально установлено, что наименьшее значение степени проскока пыли в зависимости от относительной скорости потока в прямоугольном поперечном сечении сепарационнои зоны достигается при значении i9n = 0,4. При увеличении значения #п 1,0 степень проскока Є Изменение величины проскока в зависимости от угла наклона газораспределительной решетки при: 1 - vn = 0,4; 2 - vn = 0,8; 3 % = 1,2 пыли є значительно увеличивается. В то же время эффективность пылеочистки в аппарате возрастает с увеличением угла наклона газораспределительной решетки независимо от скорости пылегазового потока в сепарационной зоне.
Результаты экспериментальных исследований по оценке аэродинамического сопротивления аппарата в виде графической зависимости С = С( п) приведены на рисунке 3.10.
Анализ полученных данных показывает, что при увеличении скорости очищаемого потока в поперечном прямоугольном сечении аппарата до значений ип 1 м/с приводит не только к снижению эффективности пылеочистки, но и к значительному увеличению потерь давления, т.е. такие режимы работы неприемлемы. С другой стороны, наибольшая степень очистки и наименьшие потери давления обеспечиваются при ип = 0,4 м/с. Однако при очистке больших объемов воздуха при такой скорости потребуется аппарат больших размеров, что приведет к возрастанию эксплуатационных затрат и сокращению свободной площади на предприятии.
Также следует отметить, что, хотя при угле наклона газораспределительной решетки а 16 эффективность очистки повышается, однако возрастает линейная скорость движения гранулированного материала в ячейке, и, следовательно, массовый расход гранулированного материала в аппарате, используемого для образования взвешенно-фильтрующего слоя, сепарирующего пыль из очищаемого пылегазового потока.
Таким образом, для практического применения аппарата пылеочистки со взвешенно-фильтрующим слоем, целесообразно рекомендовать: скорость потока в поперченном сечении аппарата в пределах 0,6-1,0 м/с; угол наклона газораспределительной решетки а = 16. При таких режимных параметрах величина проскока составит є « 10-12%. 1. Разработано конструктивное решение, реализующее способ мокрой очистки газов, для очистки от пыли выбросов в атмосферу от печи обжига керамзита. 2. По результатам экспериментальных исследований, проведенных в натурных условиях, выявлена зависимость, характеризующая степень снижения выбросов пыли в атмосферу от печей обжига керамзита, и получена зависимость для оценки энергозатрат при использовании предложенного решения, реализующего мокрый способ очистки газов. 3. Экспериментально установлено, что наибольшая степень очистки и наименьшее гидравлическое сопротивление аппарата обеспечивается при полном заполнении конфузоров водой. 4. Для снижения пылевых выбросов в атмосферу от печей обжига керамзита предложено использование взвешенно-фильтрующего слоя, формируемого из гранул керамзита. 5. На основе макрокинетических модельных представлений с продольным квазидиффузионным перемешиванием дисперсного материала проведен анализ процессов пылеулавливания в аппарате со взвешенно-фильтрующим слоем лоткового типа. 6. По результатам экспериментальных исследований установлены зависимости, характеризующие величину уменьшения выбросов пыли в атмосферу, а также затраты электроэнергии при реализации процесса пылеочистки при использовании взвешенно-фильтрующего слоя. 7. Экспериментально установлено, что наименьшее значение степени проскока пыли в зависимости от скорости потока в прямоугольном поперечном сечении сепарационной зоны достигается при значении #п = 0,4 м/с. Также установлено, что при увеличении скорости очищаемого потока в поперечном прямоугольном сечении аппарата до значений vn 1 м/с приводит не только к снижению эффективности пылеочистки, но и к значительному увеличению потерь давления, т.е. к неприемлемым режимам процесса пылеочистки.
Теоретическая оценка эффективности предлагаемой системы пылеочистки
В качестве функции отклика были приняты величина проскока сист и аэродинамическое сопротивление системы.
По результатам, приведенным, например, в работе [107], было установлено, что при исследовании эффективности и аэродинамического сопротивления систем пылеочистки применение линейной модели для описания функции отклика неприемлемо, поскольку, как было показано в [107], в этих случаях линейная модель неадекватна. Таблица 4.1- Интервалы варьирования и уровни принятых определяющих факторов
Наименованиеопределяющихфакторов Интервалыварьированияопределяющихфакторов Уровни определяющих факторов основной 0 верхний+ 1 нижний-1 L0 - расход воздуха, поступающего в систему пыле-очистки; 0,126 (460) 0,502 (1800) 0,628 (2260) 0,376 (1340) с0 - концентрация пыли в воздушном потоке, поступающем в систему пыле-очистки; 4,0 4,5 8,5 0,5
К - доля объема воздуха, отсасываемого из бункера аппарата ВЗП первой ступени, от расхода воздуха, поступающего в систему пылеочистки. 0,15 0,20 0,35 0,05
Для описания функции отклика полиномом второго порядка независимые факторы в плане должны принимать не менее трех разных значений [1, 16, 39, 44, 45, 128]. С учетом этого, был принят трехуровневый план, представляющий собой полный факторный эксперимент З3, в котором реализуются все возможные комбинации из трех факторов на трех уровнях (таблица 4.2) [1, 16, 39, 43, 44, 126].
Для оценка значимости коэффициентов полученных уравнений регрессии использовался критерий Стьюдента для уровня значимости q = 0,5 при принятой для технических экспериментов доверительной вероятности Р = 0,95 [16]. Для проверки адекватности полученных уравнений регрессии проводилось сопоставление расчетного и табличного (при заданных q и числе степеней свободы) величин критерия Фишера F. Этот критерий представляет собой отношение дисперсии адекватности к ошибке опыта. Если выполняется условие К,асч FTa6jl , то полученная модель адекватна 4.3.2 Анализ полученных результатов по определению величины проскока
Полученные экспериментально результаты по оценке величины проскока для предложенной системы пылеочистки с аппаратами ВЗП приведены в таблице 4.3.
Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности предложенной установки пылеочистки
На рисунках 4.4-4.6 приведены графические зависимости вида сист = = E(LQ, С0, К) при концентрации пыли в потоке, подаваемом на обеспыливание, с0 = 0,5 г/ м , при разных значениях расхода L0 и коэффициента К . Аналогичные зависимости при других значениях начальной концентрации представлены на рисунках 4.7-4.12.
Приведенные на рисунках 4.4-4.12 графические зависимости аппроксимируются выражением вида Результаты экспериментальных исследований показывают, что, независимо от скорости пылевоздушного потока в пылеуловителях первой и второй ступени, и запыленности потока, поступающего в систему, наибольшая степень очистки обеспечивается при изменении величины К в диапазоне 0,2 К 0,35.
Это объясняется следующим. Во-первых, при изменении в указанных пределах отношения объема воздуха, отсасываемого из бункера аппарата ВЗП первой ступени, к объему воздуха, подаваемого на очистку из системы аспирации или из системы пневмоуборки, достигается максимальная эффективность этого аппарата. Во-вторых, увеличение значения параметра К обусловливает возрастание скорости пылевоздушного потока в третьем (дополнительном) пылеуловителе, что, в свою очередь, приводит к увеличению его эффективности и, следовательно к снижению концентрации пыли в потоке, поступающем в нижний вход аппарата второй ступени. В третьих, снижение соотношения концентрации пыли в потоках, подаваемых сист
Результаты экспериментальной оценки аэродинамических характеристик предложенной системы пылеочистки
Результаты экспериментальной оценки аэродинамических характеристик предложенной системы пылеочистки при различных режимах работы приведены в таблице 4.4 в виде суммарных потерь давления в аппаратах ВЗП первой и второй ступени Y, Д ап и обобщенного коэффициента местного сопротивления об, определенного по выражению
Результаты экспериментальной оценки аэродинамических характеристик предложенной системы пылеочистки Значения определяющих факторов Суммарныепотеридавления впылеуловителяхпервой и второйступени Y, Д ап? Па ОбобщенныйкоэффициентаэродинамическогосопротивленияСоб где v - скорость пылевоздушного потока в свободном сечении пылеуловителя ВЗП первой или второй ступени, м/с.
На рисунке 4.13 приведены полученные экспериментально при различных расходах воздуха графические зависимости вида А ап = ДРап (Ю. На рисунке 4.14 приведены графические зависимости об = OQ(L0). Представленные на рисунке 4.14 графические зависимости аппроксимируются выражением вида Соб = 122,6 + 613Д(10- 0,7)2 + 647(К- 0,29)2 (4.15) Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение расхода подаваемого на очистку пылевоздушного потока, хотя и обусловливает повышение степени очистки, однако приводит к значительному повышению аэродинамического сопротивления, т.е. к неприемлемому режиму работы системы. При этом экспериментально установлено, что наименьшие потери давления отмечаются при изменении величины К в пределах 0,2 К 0,35.
