Теоретическое и экспериментальное обоснование методов снижения выбросов гипсовой пыли в атмосферный воздух Азаров Артем Викторович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Анализ степени воздействия предприятий гипсовой промышленности на воздушную среду 12

1.1 Характеристика выбросов предприятий по производству гипсового вяжущего 12

1.2 Анализ степени воздействия на воздушную среду городов предприятий гипсового производства 18

1.3 Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности .. 20

1.4 Выводы по главе 1 28

ГЛАВА 2 Теоретические исследования исходных данных для разработки рекомендаций по повышению уровня защищенности воздушной среды 30

2.1 Дисперсный состав и фракционная концентрация пыли как метод расчетного обоснования уровня защищенности природной среды... 30

2.2 Определение дисперсного состава пыли с использованием ПЭВМ... 40

2.3 Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли 41

2.4 Определение фракционной эффективности очистки выбросов от

пыли с использованием вероятностно-стохастического подхода 47

2.5 Выводы по главе 2 50

ГЛАВА 3 Анализ условий функционирования гипсового производства как источника воздействия на воздушную среду 51

3.1 Оценка содержания гипсовой пыли в атмосферном воздухе на границе склада хранения сырья 51

3.2 Оценка содержания пылевых фракций в массе породы дробленного гипсового камня 54

3.3 Экспериментальные исследования удельной сдуваемости гипсовой пыли с открытых площадок хранения 63

3.4 Обследование систем обеспыливания гипсового производства 72

3.5 Оценка общей и фракционной эффективности очистки от выбросов в реальных производственных условиях 78

3.6 Выводы по главе 3 84

ГЛАВА 4 Рекомендации по повышению уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсового производства и практическая реализация результатов работы 86

4.1 Общие рекомендации по снижению выбросов предприятия по производству гипсового вяжущего 86

4.2 Конструктивные особенности предлагаемых решений, схем 88

4.3 Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

4.3.1 Описание экспериментальной установки 92

4.3.2 Планирование эксперимента 94

4.3.3 Результаты статистической обработки данных экспериментальных исследований 98

4.3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований 106

4.4 Экономическая и экологическая эффективность предлагаемых мероприятий по повышению уровня защищенности воздушной среды 115

4.5. Внедрение результатов аналитических и экспериментальных исследований 119

4.6 Выводы по главе 4 121

Заключение 123

Список сокращений и условных обозначений 126

Список использованной литературы

• Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности
• Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли
• Оценка содержания пылевых фракций в массе породы дробленного гипсового камня
• Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

Введение к работе

Актуальность проблемы. В промышленности в результате осуществления механических процессов измельчения различного сырья выделяется пыль строительных материалов. Решение проблемы защиты атмосферного воздуха территорий вблизи гипсовых производств заключается в совершенствовании методов получения и обработки исходных данных о дисперсных характеристиках гипсовой пыли, выделяющейся в атмосферный воздух от различных источников пылевыделения предприятия и разработки природоохранных мероприятий по повышению эффективности работы систем обеспыливающей вентиляции, снижения неорганизованных выбросов в атмосферу (от открытых площадок хранения гипсового сырья) и организации производственного экологического контроля на должном уровне, который на существующее положение часто недостаточен, в том числе и из-за отсутствия оценки воздействия мелкодисперсной пыли гипса.

В настоящее время, применяемое в отрасли пылеочистное оборудование (циклоны, рукавные фильтры, тканевые фильтры и электрофильтры) по основным параметрам соответствует мировому уровню развития техники, но в ряде случаев не обеспечивают требования и санитарно-гигиенические нормативы для окружающей среды. Это связано с тем, что организация инженерных средств защиты окружающей среды производится без учета дисперсных характеристик пыли, выделяющейся от различных типов технологического оборудования, узлов транспортирования и мест хранения материала, что в свою очередь, приводит к превышению нормируемых предельно допустимых значений загрязняющих веществ на границе санитарно-защитной зоны предприятия в несколько раз.

Размер частиц пыли, выделяющейся от гипсовых производств является основным фактором для оценки воздействия выбросов предприятий на нормируемые территории (согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 территории с нормируемыми показателями качества среды обитания: жилая застройка, ландшафт-но-рекреационные зоны, территории садоводческих товариществ и другие). Особую опасность для человека представляет мелкодисперсная пыль (респира-бельные и трахеобронхиальные пылинки), которая способна проникать в периферии лёгкого и альвеолы.

Поэтому является актуальным проведение экспериментальных и аналитических исследований, направленных на совершенствование систем обеспыливающей вентиляции в производстве гипса и снижение выбросов гипсовой пыли (в том числе мелкодисперсной) от неорганизованных источников.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Инженерной графики, стандартизации и метрологии» ФГБОУ ВПО «Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета» в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в повышение эффективности природоохранных мероприятий и снижение количества выбросов в

строительной отрасли внесли: Абрамкин Н. Г., Азаров В.Н., Беспалов В. П., Боглаев В.И., Богуславский Е.И., Васильев В. Ф., Вихтер Я.И., Гробов А.Б., Гудим Л. П., Диденко В.Г., Еремкин А.И., Жуков Н. П., Клячко Л. С, Коптев Д. В., Корнилаев П. П., Коузов П. А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Маслов В. К., Мензелинцева Н.В., Минко В.А., Мощенко Г. В., Мухутдинов Р. X., Одельский Э. X., Панков А. А., Пирумов А. П., Плешакова Л. М., Полушкин В. П., Пономарева Н.С., Сажин Б. С, Селиванов Г. Г., Успенский В. А., Хрусталев Б. М., Штокман Е.А., Юрков Ю. Н. и др. авторы.

Однако, разработка природоохранных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при комплексной оценке выбросов гипсового производства, оценке выбросов мелкодисперсной пыли и выявлении наиболее значимых с точки зрения количества и дисперсных характеристик пылей таких источников пылевы деления, как, открытые площадки хранения сырья, не проводилась. Для решения этой задачи актуальным является совершенствование методов исследования дисперсных характеристик, обработки исходных данных при проведении оценки выбросов предприятий, оценка достоверности используемых в расчете выбросов параметров, подбор оптимальных характеристик средств инженерной защиты окружающей среды с использованием данных о дисперсном составе гипсовой пыли, выделяющейся от различных источников.

Цель работы - снижение выбросов пыли в атмосферу от организованных и неорганизованных источников в производстве гипса.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценка степени воздействия источников выбросов в атмосферу в произ
водстве гипса на нормируемые территории, выявление наиболее значимых ис
точников пылевы деления.

1. Совершенствование методов исследования дисперсных характеристик пыли гипса, поступающей в окружающую среду на стадиях хранения гипсового сырья и производства гипса, в том числе исследование величин РМ10 и РМ2,5.

2. Разработка аппроксимационных моделей для расчета фракционного состава пыли, поступающей в городскую среду

3. Экспериментальные исследования на аэродинамической трубе величины сдуваемости гипсовой пыли на открытых площадках хранения гипсового сырья, получение регрессионных зависимостей для величины сдуваемости.

4. Исследование величины валовых выбросов в атмосферу от неорганизованных источников в производстве гипса.

5. Разработка мероприятий, направленных на снижение выбросов от неорганизованных источников выбросов гипсовой пыли в атмосферу.

6. Разработка мероприятий, направленных на снижение выбросов гипсовой пыли в атмосферу от систем обеспыливающей вентиляции, исследование возможности применения в системах обеспыливающей вентиляции вихревых аппаратов на встречных закрученных потоках.

7. Экспериментальные исследования конструкций, узлов и элементов систем обеспыливающей вентиляции и выбор оптимальных режимов работы.

Научная новизна работы:

1. Получены результаты комплексной оценки выбросов в атмосферу предприятия гипсового производства и выявлены наиболее значимые источники посредством использования существующих программ для расчета приземных концентраций загрязняющих веществ и результатов анализа дисперсного состава пыли.

2. Разработана программа «Dust-І» для обработки данных при проектировании систем обеспыливающей вентиляции и разработки природоохранных мероприятий, реализующая определение эквивалентных диаметров и подсчет числа частиц на микрофотографиях проб пыли.

3. Для расчета фракционных величин выбросов предприятий строительной отрасли и оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования в системах обеспыливающей вентиляции получены расчетные моделей для ап-проксимационного представления результатов экспериментальных исследований (интегральных функций распределения дисперсного состава пыли) сплайнами, представленными на определенных промежутках: двумя прямыми; прямой и параболой; прямой, параболой и гиперболой.

4. По аналогии с работой Богуславского Е.И и Азарова В.Н. получены формулы определения вероятности массопереноса частиц пыли определенного диаметра для расчета фракционных характеристик вихревых пылеуловителей циклона и аппарата ВЗП в отдельности.

5. Уточнены коэффициенты а и b степенной зависимости q(v) удельной сдуваемости пыли при расчете количества выбросов от неорганизованных источников для действующей методики. Получена регрессионная модель для расчета удельной сдуваемости пыли в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пыли в массе породы гипсового сырья.

6. Получены скорости оседания различных фракций гипсовой пыли.

7. Определены формулы для оценки фракционной эффективности пылегазо-очистного оборудования на основании расчетных моделей аппроксимационно-го представлений интегральных функций распределения массы частиц по диаметрам гипсовой пыли на входе и на выходе из аппарата.

8. Разработаны рекомендации по снижению содержания пылевых фракций гипса в массе породы, хранящейся на открытых площадках хранения сырья, конструктивные решения, схемы.

9. Получены с использованием разработанных программ для ЭВМ экспериментальные зависимости для определения эффективности улавливания пыли гипса, определенных фракций, определены оптимальные параметры наладки предложенной системы для гипсовой пыли.

10. Доказана сходимость оптимальных параметров для достижения макси
мальных значений фракционной эффективности улавливания пыли размерами
0-2,5 мкм и 0-10 мкм.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Для определения дисперсных характеристик пыли, выделяющейся от источников гипсовых предприятий в атмосферный воздух, в том числе от откры-

тых площадок хранения гипсового сырья разработана программа для ЭВМ «Dust-І» реализующая определение эквивалентных диаметров и подсчет числа частиц на микрофотографиях проб пыли (Авторское свидетельство № 2014618468, Заявл. 20.09.14, Зарег. 21.08.2014).

2. Для расчета фракционных величин гипсовой пыли, выбрасываемой от различных источников предприятия и оценки эффективности работы систем обеспыливающей вентиляции разработана программа для ЭВМ «Программный комплекс расчетных моделей для аппроксимационного представления интегральных функций распределения массы частиц по диаметрам пыли в СКА Maple».

3. Для оценки эффективности работы вихревых аппаратов на встречных закрученных потоках получена расчетная модель аппроксимационного представления интегральных функций распределения дисперсного состава пыли сплайном, представленным: прямой, параболой и гиперболой.

4. Получена регрессионная модель для расчета значения удельной сдувае-мости пыли с открытых площадок хранения гипсового камня в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пыли в массе породы необходимая для более точной оценки воздействия предприятий гипсового производства на окружающую среду. Доказана зависимость величины удельной сдуваемости пыли с открытых площадок хранения от дисперсного состава пыли, содержащейся в массе породы.

5. По аналогии с работами Богуславского Е.И и Азарова В.Н. получены формулы определения вероятности массопереноса частиц пыли определенного диаметра для расчета фракционных характеристик вихревых пылеуловителей циклона и аппарата ВЗП в отдельности.

6. Получены формулы для расчета фракционной эффективности очистки пылегазоочистных установок на основе аппроксимационных представлений интегральных функций распределения дисперсного состава пыли.

7. Разработаны инженерные средства для повышения эффективности работы систем аспирации и пневмотранспорта, позволяющие предприятиям по производству гипса снизить затраты на обслуживание систем и сократить потери сырья (Пат. № 2013106749/05, Заявл. 18.02.2013, Опубл. 20.08.2014; Пат. №2014107457/05, Заявл. 26.02.2014, Опубл. 20.11.2014; Пат. №2013146728/05, Заявл. 18.10.2013, Опубл. 27.04.2015; Пат. №2016104719, Заявл. 11.02.2016; Пат. №2016104741, Заявл. 11.02.2016).

Методология диссертационного исследования. Общепринятые для технических наук эмпирические, абстрактно-логические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование. Теоретические положения проверялись экспериментальными исследованиями.

Методы исследования. Аналитическое обобщение известных научных и практических результатов, методы теории вероятности и математической статистики, методы планирования эксперимента, лабораторные и опытно-промышленные исследования, методы разработки программных приложений,

системы анализа и управления данными, программы для расчета приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты комплексной оценки выбросов предприятий по производству гипса, значения превышения ПДК и оценка влияния неорганизованных источников выбросов (открытых площадок хранения сырья).

2. Алгоритм и порядок его реализации для получения аппроксимационного представления интегральной функции распределения дисперсного состава пыли, выделяющейся в атмосферный воздух от открытого склада хранения гипсового камня по данным, полученным в программе для ЭВМ «Dust-1».

3. Предложенные в работе формулы для расчета фракционной эффективности очистки ПТУ, вывод о возможности использования формул расчета фракционной эффективности улавливания по полученным в программах для ЭВМ результатам дисперсного анализа пыли для повышения эффективности работы систем обеспыливающей вентиляции.

4. Выводы о содержании пылевых фракций гипса в массе породы на открытом складе хранения гипсового камня, коэффициенты для степенной зависимости удельной сдуваемости пыли от скорости воздушного потока, обоснование того, что формула степенной зависимости требует уточнения, регрессионную модель для расчета удельной сдуваемости пыли с открытых площадок хранения сырья в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пылевых фракций гипса в массе породы.

5. Выводы о качестве работы систем обеспыливающей вентиляции дробиль-но-сортировочного участка гипсового производства, преимущества использования аппаратов ВЗП, недостатки.

6. Конструктивные особенности предлагаемых схем, узлов и элементов для снижения количества выбросов от неорганизованных источников в производстве гипса: вихревой пылеуловитель на встречных закрученных потоках с осевым патрубком нижнего ввода, устройство для очистки воздуховодов систем аспирации и пневмотранспорта, система пневмотранспорта сыпучих материалов в замкнутом цикле транспортирующего газа.

7. Результаты экспериментальных исследований общей и фракционной эффективности работы предлагаемых схем, узлов и элементов, метод планирования эксперимента, полученные математические модели общей и фракционных эффективностей от независимых переменных (факторов варьирования), поверхности отклика, выводы о оптимальных режимах работы исследуемой системы с полученными линиями уровня.

8. Результаты эколого-экономической эффективности реализации мероприятий по снижению неорганизованных выбросов в производстве гипса, срок окупаемости.

Степень достоверности. Научные положения, выводы и рекомендаций соответствуют современным требованиям и обоснованы применением классических положений теоретического анализа, методов планирования необходимого объема экспериментов, подтверждены соответствующими критериями сходи-

мостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, с результатами других авторов.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: XVI международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», Донецк 2009 г.; конференции молодых инженеров-экологов «Проблемы охраны производственной и окружающей среды», Волгоград, 2011 г., 2012 г., 2013 г.; международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011», Одесса 2011 г.; XVII межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов города Волжского «Гидродинамика и тепломассообмен в каналах и элементах энергетических установок» Волжский 2011 г.; второй международной научно-практической конференции «Экологическая геология, практика и региональные проблемы» Воронеж 2011 г.; всероссийской начно-практической конференции (с международным участием), Тобольск 2012 г.

Реализация результатов работы. Предложенные природоохранные мероприятия заложены в качестве перспективных в проекте предельно-допустимых выбросов и позволяют снизить концентрацию на границе санитарно-защитной зоны предприятия ООО «ХПП Агростандарт» на 10-15%. Программы для ЭВМ, предложенные в работе использованы на ОАО «Волжский абразивный завод» при разработке классификаций материала и позволяют снизить трудоемкость и повысить качество получаемых данных по результатам исследований. Для снижения удельной нагрузки на рукавный фильтр на 20-25% в системе аспирации обеспыливания выбросов от фасовочной машины установки получения метионина ОАО «Волжский Оргсинтез» принят разработанный аппарат на встречных закрученных потоках с осевым патрубком нижнего ввода. В системе аспирации резиносмесителя №4 подготовительного участка цеха АФД ОАО «Волжский завод асбестовых технических изделий» для предотвращения накопления пылевых отложений в воздуховодах на горизонтальных участках сети были установлены устройства для очистки воздуховодов. При разработке проектной документации объекта ООО «ВОЛМА-Майкоп» для решения задач снижения количества выбросов гипсовой пыли в атмосферный воздух, снижения затрат на обслуживание систем аспирации и пневмотранспорта и сокращения потерь сырья, при разработке проектной документации предприятия использованы устройства и способы организации инженерных систем, предложенные в научно-исследовательской работе.

Награжден: редколлегией Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» дипломом за опубликованную научную работу, позволившую получить высокий научный результат,.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 18 работах, в числе которых 3 статьи, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 6 патентов на полезную модель, 2 патента на изобретения.

По результатам научно-исследовательской работы поданы в Федеральный институт промышленной собственности 2 заявки о государственной регистрации патента на изобретение, 1 заявка о государственной регистрации патента на полезную модель, 1 заявка о государственной регистрации программы для ЭВМ. Основные выводы по результатам работы направлены на публикацию в издания, индексируемые в SCOPUS.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложений. Общий объем работы 196 страниц, в том числе: 148 страниц - основной текст, содержащий 17 таблиц на 24 страницах, 57 рисунков на 50 страницах, список сокращений и условных обозначений на 1 странице, список литературы из 114 наименований на 10 страницах, 9 приложений на 48 страницах.

Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности

Доставляемый на предприятие гипсовый камень может иметь различные размеры в зависимости от поставщика: 0-50 мм, 0-300 мм. По содержанию гипса камень должен быть 1, 2 и 3-го сортов. Содержание гипса в гипсовом камне определяется по кристаллизационной воде (20-17%).

Гипсовый камень, поступающий на гипсовый завод, проходит через узел подготовки, на дополнительное грохочение и дробление. Гипсовый камень на грохоте разделяется на фракции 50 мм (надрешетный продукт) и 50 мм (подрешетный продукт). Надрешетный продукт подается на роторную дробилку, где происходит дробление до фракции 0 -50мм. Подрешетный продукт поступает на ленточный конвейер, на этот же конвейер выгружается дробленый камень после дробилки. При разгрузке камня гипса в приемный бункер дробилки, работе грохотов и собственно работе дробилки выделяется и выбрасывается в атмосферу Пыль неорганическая: до 20% SiO2.

Производство гипсового вяжущего осуществляется, как правило, в котлах или вращающихся печах. Заводы выпускают гипсовое вяжущее в основном для нужд своего производства: изготовления гипсокартонных листов, сухих штукатурных смесей, строительного и медицинского гипса и.т.д. Из расходного бункера гипсовый камень подается в мельницу тонкого помола, в которой осуществляется помол, и предварительное удаление свободной влаги горячим газом, поступающим из газогенератора.

На рисунке А.7 приложения А представлен вероятностный коридор значений функций ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ для пыли гипсового сырья при работе мельницы, полученный Гробовым А.Б. по результатам исследования проб, отобранных в системе аспирации мельницы. [50] Согласно результатам проведенных исследований Гробовым А.Б. диапазон изменения крупности для пыли гипсового сырья при работе мельницы составляет от 1,2 мкм до 90 мкм, диапазон значений медианного диаметра d50 от 18 мкм до 44 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет от 0,07 % до 0,2 %, МДП менее 10 мкм составляет от 3 % до 19 %. Из циклонов осажденный гипсовый материал подается в загрузочный бункер гипсоварочного котла (печи). В загрузочном бункере измельченный гипс пневматически разрыхляется. Из бункера разрыхленный гипсовый материал поступает в гипсоварочный котел (печь).

На рисунке А.8 приложения А представлена ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, выделяющейся при работе мельницы, полученная Боглаевым В.И.[20] Согласно результатам проведенных исследований Боглаевым В.И. диапазон изменения крупности пыли, выделяющейся при работе мельницы, составляет от 1,8 мкм до 120 мкм, значение медианного диаметра d50=68 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет 0,025 %, МДП менее 10 мкм составляет 1,3 %.

Необходимый для косвенного обогрева горячий газ подается из генератора горячего газа. Часть горячего газа из гипсоварочного котла (печи) возвращается в генератор горячего газа. Оставшаяся часть горячего газа используется для аэрации гипса, что обеспечивает его равномерный обжиг. Проходящий через котел (печь) гипс нагревается до температуры дегидратации, в процессе обезвоживания опускается вниз, откуда непрерывно отводится в камеру охлаждения. На рисунке А.9 приложения А представлена ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, выделяющейся при охлаждении гипсовой муки в охладителе, полученная Боглаевым В.И. [20]

Согласно результатам проведенных исследований Боглаевым В.И. диапазон изменения крупности пыли, выделяющейся при охлаждении гипсовой муки в охладителе, составляет от 1,2 мкм до 68 мкм, значение медианного диаметра d50=42 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет 0,07 %, МДП менее 10 мкм составляет 3 %.

Температура материала в зоне нагрева составляет минимум 140оС, в зоне охлаждения -90-120оС. Охлаждение гипса производится воздухом, подаваемым циркуляционным вентилятором. После охлаждения гипсовое вяжущее системой конвейеров перегружается в бункеры завода.

В корпусе по производству гипсового вяжущего имеются общеобменные вытяжные вентсистемы - осевые вентиляторы, а также дефлекторы. При этом воздух с содержанием Пыли неорганической до 20% SiO2 выбрасывается в атмосферу через отверстия осевых вентиляторов и дефлекторов.

На рисунке А.10 приложения А представлен вероятностный коридор значений функций ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, выбрасываемой в атмосферу через дефлектор цеха (витающей в рабочей зоне цеха) по производству гипсового вяжущего, полученный Марининым Н.А.[72] Согласно результатам проведенных исследований Марининым Н.А. диапазон изменения крупности пыли, выбрасываемой в атмосферу через дефлектор цеха по производству гипсового вяжущего, составляет от 4 мкм до 88 мкм, диапазон значений медианного диаметра d50 составляет от 27 мкм до 50 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет от 0 % до 0,015 %, МДП менее 10 мкм составляет 0,4 % до 3 %.

Отходящие от котлов газы, содержащие Пыль неорганическую: до 20% SiO2, поступают в аспирационные системы. Проходя очистку по пыли в системах пылеулавливания (циклоны - 1 и 2 ступень очистки, и далее электрофильтре - 3-я ступень очистки), очищенные отработанные газы с остаточным содержанием пыли гипса выбрасываются в атмосферу через трубы организованных источников систем аспирации. На рисунке А.11 приложения А представлен вероятностный коридор значений функций распределения ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, выделяющейся при работе котла (печи), полученный Гробовым А.Б. по результатам исследования проб, отобранных в системе аспирации гипсоварочного котла. [50] Согласно результатам проведенных исследований Гробовым А.Б. диапазон изменения крупности для пыли, выделяющейся при работе котла (печи) составляет от 1,6 мкм до 170 мкм, диапазон значений медианного диаметра d50 от 24 мкм до 85 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет от 0,03 % до 0,1 %, МДП менее 10 мкм составляет от 0,7 % до 12 %.

На рисунке А.12 приложения А представлена ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, выделяющейся при работе котла (печи), полученная Боглаевым В.И. [20] Согласно результатам проведенных исследований Боглаевым В.И. диапазон изменения крупности для пыли, выделяющейся при работе котла (печи) составляет от 0 мкм до 78 мкм, значение медианного диаметра d50 составляет 55 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет 0,8 %, МДП менее 10 мкм составляет 8 %.

На рисунке А.13 приложения А представлена ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, полученная по результатам исследования Боглаева В.И. [20] , выделяющейся при хранении и перегрузки гипсового сырья в силосных бункерах. Согласно результатам проведенных исследований диапазон изменения крупности пыли, выделяющейся при хранении и перегрузки гипсового сырья в силосных бункерах, составляет от 1,5 мкм до 75 мкм, значение медианного диаметра d50=40 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет 0,06 %, МДП менее 10 мкм составляет 4 %.Со склада четырьмя камерными насосами гипс транспортируется пневмотранспортом по основным производственным цехам.

На рисунке А.14 приложения А представлены функции ИФРМЧД в ВЛ-СЕТКЕ, отобранной из системы пневмотранспорта гипсового вяжущего, полученные Боглаевым В.И.[20] Согласно результатам проведенных исследований Боглаевым В.И. диапазон изменения крупности пыли, отобранной из системы пневмотранспорта гипсового вяжущего в начале работы, составляет от 2,8 мкм до 42 мкм, значение медианного диаметра d50=40 мкм, пыль менее 2,5 мкм отсутствует, МДП менее 10 мкм составляет 0,7 %.

Диапазон изменения крупности пыли, отобранной из системы пневмотранспорта гипсового вяжущего через два часа после начала работы составляет от 1,6 мкм до 78 мкм, значение медианного диаметра d50=61 мкм, МДП менее 2,5 мкм составляет 0,04 %, МДП менее 10 мкм составляет 1 %.

Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли

Выполнение дисперсионного анализа методом микроскопии проводится путем микрофотографирования предметных стекол с образцами при помощи микроприставки МФН -2, установленной на место окуляра микроскопа [74,99].

Метод определения дисперсного состава пыли основан на цифровом фотографировании увеличенных под микроскопом в 200-2000 раз полей пылевидных частиц, закрепленных на предметном стекле. Необходимо сфотографировать 300-500 частиц в тех случаях, когда полидисперсность небольшая, и 1000-1200 при значительных колебаниях размеров частиц. [6,74]

Обработка полученных изображений выполняется с помощью графического пакета Adobe PhotoShop. Графическая обработка полученного изображения включает следующие операции: выделение рабочей области изображения; инвертирование изображения; сохранение информации в формате Windows Bitmap в черно-белом формате.

Для дальнейшей обработки полученных микрофотографий с нашим участием разработана программа «Dust-1», реализующая определение эквивалентных диаметров и подсчет числа частиц на микрофотографиях [77]. Также по результатам, полученным программой проводится расчет распределения частиц по размерам в заданных размерных сетках, построение ИФРМЧД [94]. На программу для ЭВМ Dust-1 получено свидетельство о государственной регистрации № 2014618468, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 21 августа 2014 г. [112]

С помощью данной программы для ЭВМ производится цифровая обработка исходных графических данных, которая осуществляется путем ее сканирования. Программа позволяет определить: размер частицы (площадь, периметр); суммарное D (d); вычислить эквивалентный диаметр, объем; вычислить среднюю и максимальную диагонали и их соотношение. По объему пылевидной частицы рассчитывается е эквивалентный диаметр и определяется количество частиц различного размера [65]. По окончании сканирования фотографии определяется дисперсный состав генеральной совокупности пыли. Программа позволяет распознавать и определять размер частиц независимо от их формы, количества и расположения. Тип реализующей ЭВМ - IBM PC-совмест. ПК; язык программирования: Microsoft Visual Studio Express 2013 для Windows Desktop Visual Basic.net; вид и версия операционной системы: Windows XP; объем программы для ЭВМ: 1 Мб. Результатом работы программы является расчет среднего диаметра и определение количество частиц различного размера, по площади, занимаемой пылевидной частицей. Разработанная программа для ЭВМ сделает воможным решение вопросов обеспечения устойчивого развития городского хозяйства, оценки экологической безопасности и моделирования состояния атмосферного воздуха посредством учета степени загрязнения мелкодисперсной пылью [95].

В рамках текущей научно-исследовательской работы поставлена задача учета дисперсных характеристик пыли гипса, поступающей в городскую среду.

Для совершенствования методов расчета и разработки природоохранных мероприятий, а также подбора оптимальных параметров конструкций, узлов и элементов инженерных средств защиты окружающей среды возникает необходимость выявления подлинного характера зависимости изучаемых показателей дисперсного состава пыли, для этого применяется аппроксимация - приближенное описание корреляционной зависимости переменных подходящим уравнением функциональной зависимости, передающим основную тенденцию зависимости [67].

Решение задачи аппроксимации эданных дисперсного состава пыли состоит в следующем: определение видов функций для аппроксимация экспериментальных данных; нахождение коэффициентов функций исходя из минимизации погрешности представления экспериментальных данных; подведение итогов о том какими видами функций экспериментальные данные аппроксимируются наилучшим образом. Практически вид приближающей функции у = F(x) можно определить следующим образом. По данным таблицы программы «Dust 1» (параграф 2.2) [112] строится точечный график функции, а затем на рисунке проводятся плавные кривые, по возможности наилучшим образом отражающие характер расположения точек. По полученным таким образом кривым устанавливается вид приближающей функции ( обычно из числа простых по виду аналитических функций) (рисунок 2.9). На рисунке 2.9 рассмотрен пример определения приближающей функции для пробы пыли, отобранной в выбросах в атмосферный воздух гипсового производства. 60 20 СІЧ , мкм

Приближающая функция определенная на промежутках для аппроксимационного представления распределения массы частиц по диаметрам пыли, отобранной в выбросах в атмосферный воздух гипсового производства Таким образом было установлено, что приближающей функцией распределения дисперсного состава является кусочная функция определенная на промежутках: до Dкр1 -прямая; от Dкр1 до Dкр2 - парабола; от Dкр2 - гипербола. Задача аппроксимации сводится к нахождению семи коэффициентов функций atctftktbtwtr и трех узловых точек Dкр1, Dкр2, Dкр3. Одним из базовых методов регрессионного анализа для оценки неизвестных параметров регрессионных моделей по выборочным данным является метод наименьших квадратов. Метод основан на минимизации суммы квадратов остатков регрессии. Результатами программы «Dust 1» используемыми в реализуемом алгоритме аппроксимации в СКА Maple являются: количество точек; диаметры частиц; количество частиц указанного диаметра .

Оценка содержания пылевых фракций в массе породы дробленного гипсового камня

По результатам анализа полученных данных (таблица 3.7) установлено, что наибольшая эффективность в системах аспирации с двухступенчатой очисткой достигается при использовании в качестве первой ступени очистки вихревого аппарата на встречных закрученных потоках (общая эффективность очистки системы аспирации АС-1 98,38 %- 99,79 %). Эффективность очистки в системе аспирации АС-2 с применением в качестве первой ступени очистки группового циклона составляет 97,5 % - 98,31 %. Сравнительный анализ эффективности работы аппарата ПВ ВЗП и циклона ТА в качестве первой ступени очистки систем аспирации в производстве гипсового вяжущего показывает, что аппарат ПВ ВЗП обеспечивает степень очистки на 15 % - 20 % выше чем циклон ТА за счет чего снижается удельная нагрузка по пыли на рукавный фильтр определенных фракций (тонко - и средне-дисперсных), и повышается эффективность очистки рукавного фильтра на 1 % - 1,5 %. В процессе проведения исследований наблюдалось снижение эффективности очистки в аппарате ВЗП с 94,28 % до 72,59 %, что было обусловлено отложениями пыли в патрубке нижнего ввода в пылеуловитель [8,9,11,13,16,61].

Из рисунка 3.23 видно, что эффективность очистки аппарата ПВ ВЗП на гипсовой пыли достигает максимального значения 94,28 %, а затем снижается и с течением времени стабилизируется на уровне 73 % - 74 %.

Для оценки эффективности работы систем обеспыливание и дальнейшей разработки рекомендаций к проектированию повышения уровня защищенности воздушной среды важное значение имеет параметры фракционной эффективности работы. Для представления характеристик пылеуловителей, как фракционных величин, довольно трудно обеспечить различные исследования на разных фракциях пыли. Следовательно результаты дисперсного анализа пыли являются основополагающими для изучения инженерно-экологических систем.

Сложную проблему представляет собой расчет фракционной эффективности очистки. Сегодня, подходы к оценке фракционной эффективности основаны на методе Алландера [6,71]. Особенно этот метод применим, когда функция фракционной эффективности также подчиняется логарифмически-нормальному распределению. Однако, дисперсный состав пыли, поступающий на очистку как отмечалось выше и в целом в ряде других работ не всегда подчиняется логарифмически-нормальному распределению. Следовательно, фракционная эффективность пылеулавливания аппарата, полученная для определенной пыли не всегда расчетным методом может быть перенесена на другие пыли.

Поэтому представляется актуальной оценка фракционной эффективности очистки инженерных систем защиты воздушной среды, на основании результатов анализа дисперсного состава пыли до и после пылеуловителя и с учетом результатов измерений общей эффективности, так как она учитывает случайный характер дисперсного состава (возможные скачки в технологии, в качестве сырья и пр.).

Таким образом метод получение функции фракционной эффективности посредством аппроксимационного представления ИФРМЧД реализуется формулами (3.15), (3.16), (3.17).

На основе рассмотренных методов проведем расчет на примере оценки фракционной эффективности пылеулавливающего оборудования в системах аспирации дробильно-сортировочного участка АС-1 и АС-2 (ПВ ВЗП-800, циклон ТА-20-1400). На рисунке 3.24 приведены результаты расчета значений фракционной эффективности. пылеуловителей ПВ ВЗП-800 и циклона ТА-20-1400 рассчитанной по формулам (3.15), (3.16), (3.17).

Согласно графикам функций фракционной эффективности, полученным по формулам (3.15), (3.16), (3.17) (рисунок 3.24) для пылеуловителей ПВ ВЗП-800 и циклона ТА-20-1400 при размере частиц пыли до 10 мкм эффективность аппарата ПВ ВЗП-800 выше эффективности циклона ТА-20-1400 на 7%; при размере частиц пыли до 20 мкм - на 65 %; при размере частиц до 38 мкм - на 70 %. При размере частиц более 40 мкм наблюдается тенденция сходимости результатов. Согласно графикам функций фракционной эффективности, полученным по формулам параграфа 2.4 для пылеуловителей ПВ ВЗП-800 и циклона ТА-20-1400 при размере частиц пыли до 10 мкм эффективность аппарата ПВ ВЗП-800 выше эффективности циклона ТА-20-1400 на 39%; при размере частиц пыли до 20 мкм - на 76 %; при размере частиц до 30 мкм - на 78 %.

Из результатов расчета и построения графиков функций фракционной эффективности для аппарата ВЗП и циклона по различным формулам следует, что фракционная эффективность, полученная расчетным способом на основе паспортных характеристик пылеулавливающих устройств, а также свойств поступающего потока значительно выше фракционной эффективности, полученной расчетным способом на основе результатов дисперсного анализа пыли на входе и выходе из пылеуловителя и результатов замеров общей эффективности. Таким образом, расхождение значений фракционной эффективности аппарата ВЗП, полученной различными методами составляет от 3 % до 82 %, значений фракционной эффективности циклона составляет от 0 % до 89 %. Следует отметить, что расхождение значений фракционной эффективности, полученных различными методами для пыли с размером частиц более 15 мкм составляет от 0 % до 25 %, в связи с чем можно сделать вывод о том, что фракционная эффективность, полученная на основе инструментальных замеров с последующими расчетами дает наиболее точные результаты, а расчетные формулы представленные в параграфе 2.4 целесообразно применять для оценки фракционной эффективности улавливания аппаратов для пыли с размером частиц более 15 мкм.

Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

Проведенные исследования на лабораторной установке доказывают целесообразность применения предлагаемых в работе методов исследования дисперсного состава пыли и обработки результатов для подбора пылеулавливающего оборудования на предприятиях связанных с производством и использованием сыпучих материалов. Особенности конструкции, предложенного вихревого пылеуловителя позволяют производить наладку основных параметров влияющих на общую и фракционную эффективности очистки. Возможна глубокая регулировка параметров Lн/Lo и Ir/Dн для различных пылей, так для мелкодисперсных пылей гипса Lн/Lo=0,35, Ir/Dн=0,65; для среднедисперсных пылей гипса Lн/Lo=0,27, Ir/Dн=0,80; для крупнодисперсных пылей гипса Lн/Lo=0,27, Ir/Dн=0,95, обеспечивающих максимальные значения эффективности очистки.

Внедрение мероприятий, направленных на повышение уровня защищенности воздушной среды от воздействий неорганизованных источников выбросов в атмосферный воздух гипсвого производства (открытые площадки хранения сырья) связано с затратами, поэтому для оценки эффекта от внедрения предлагаемых мероприятий необходимо определить затраты, связанные с их внедрением в сравнении с полученным эффектом.

В результате внедрения в производство технологической схемы возврата уловленной системами аспирации пыли замкнутой системой транспортирующего газа в расходный бункер производства вместо ее подачи транспортером на открытый склад хранения достигается снижение неорганизованных выбросов предприятия [71,73] (таблица З.1; рисунок З.1 приложения З).

Количество неорганизованных выбросов от открытого склада хранения до и после внедрения мероприятий определим по формуле [76]: Пхр = 0,11 8,64 10"2К4К5 КбК7 qFплO - ) (Т - Тд - Тс), т/год, (4.13) где Пхр - валовый выброс в атмосферу вредных веществ (пыли) в процессе хранения материала, т/год; К4, К5, К6, К7 - коэффициенты учитывающие тип хранилища (открытое/закрытое помещение), влажность материала, профиль поверхности складируемого материала, крупность материала; Fпл, - площадь поверхностей пыления, м2; q -максимальная удельная сдуваемость пыли, г/(м2 с), определяемая по предложенной формуле (3.4) параграфа 3.2: q(V, Муд ) = -4,93752 + ХР[0,068983 + 0,233714 V + 0,112124 Муд ]; (4.14) где V - максимальная средняя скорость ветра для рассматриваемой местности, м/с; Муд удельное содержание пылевых фракций в массе породы способной распространяться за границы открытой площадки (кг/м3).

Величина Муд определена экспериментально для исходного содержания пыли в массе породы Муд =11,5755 кг/м3 (параграф 3.2 таблица 3.2). Величина Муд после внедрения мероприятий определена исходя из вывода, что пыль, выгрузка которой осуществляется из пылеулавливающих бункеров аспирационных систем на транспортер перед открытым складом хранения гипсового сырья составляет 80,34 % от общего количества пыли фракции 0-105 мкм, содержащейся в массе гипсовой породы (параграф 3.3), Муд =2,2758 кг/м3.

Эколого-экономический эффект от внедрения природоохранных мероприятий определяется несколькими составляющими: разницей между значениями нанесенного экологического ущерба до и после внедрения мероприятий, снижением уровня платы за негативное воздействие на окружающую среду, стоимостью возвращенного в производство продукта. Таким образом эколого-экономический эффект можно определить по формуле: Эг =AYamM+ АССЗ + 77, (4-15) где /\уатм - разница между значениями нанесенного экологического ущерба до и после внедрения мероприятий руб./год; АССЗ - снижение уровня платы за негативное воздействие на окружающую среду; П - экономический эффект от возврата уловленной пыли в производство, руб./год. Для определения разности между нанесенными экологическими ущербами до и после внедрения мероприятий (предотвращенный экологический ущерб) от неорганизованных выбросов предприятия от открытого склада хранения предварительно дробленного гипсового камня использована формула по оценке предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферного воздуха стационарными источниками выбросов [75]: где Y уд - показатель удельного ущерба атмосферному воздуху, наносимого выбросом единицы приведенной массы загрязняющих веществ, руб./усл.т (табл. 1, прил. 2 [75]); &M ст . разница приведенных масс выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников до и после внедрения мероприятий, усл.т.; Кэ . коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха территорий в составе экономических районов России, определен в соответствии с [75]. Разница приведенных масс выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников до и после внедрения мероприятий определяется по формуле [75]: