Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и выбор направления исследования 8
1.1. Анализ технологического оборудования как источника пылевого загрязнения 8
1.2. Анализ существующих технологических решений, по обеспыливанию надбункерных участков цементных заводов 26
1.3. Опыт использования вихревых пылеуловителей в нестационарных режимах 27
2. Исследование исходных данных для проектирования системы аспирации цементных заводов 32
2.1 Определение оптимальной производительности аспирационных отсосов от оборудования упаковочного цеха 32
2.2 Анализ дисперсного состава пыли 42
2.2.1 На различных участках систем аспирации 44
2.2.2 В воздухе рабочей зоны цеха 53
2.3 Экспериментальное исследования аэродинамических характеристик пыли выбивающихся из силосов 54
3. Теоретические и экспериментальные исследования пылеуловителей взп в условиях цементного производства 60
3.1. Математическое описание процесса пылеулавливания в пылеуловителях со встречными закрученными потоками с нижним подсосом из атмосферы 60
3.2. Экспериментальные исследования аппарата ВЗП в условиях не стационарных пыле газовыделений 77
Заключение 115
Список литературы 116
Приложения 131
- Анализ существующих технологических решений, по обеспыливанию надбункерных участков цементных заводов
- Опыт использования вихревых пылеуловителей в нестационарных режимах
- Экспериментальное исследования аэродинамических характеристик пыли выбивающихся из силосов
- Экспериментальные исследования аппарата ВЗП в условиях не стационарных пыле газовыделений
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одной из проблем на предприятиях цементной промышленности является недостаточно эффективная работа систем обеспыливающей вентиляции. С одной стороны, это приводит к тому, что запыленность воздуха в рабочей зоне отделений упаковки может превышать ПДК в 50-75 раз, а с другой - тому что выбросы в атмосферу превышают установленные нормативы ПДВ. Для ряда систем обеспыливающей вентиляции рассматриваемых производств характерны ступенчатые изменения расхода загрязненных газов, поступающих на очистку в зависимости от особенностей технологического процесса. Поэтому особое место занимает проблема повышения эффективности работы этих систем, прежде всего -пылеуловителей при отклонениях величины расхода газа от расчетного значения.
Таким образом, актуальным являются исследования, направленные на обоснование и разработку технических решений по совершенствованию и оптимизации в системах обеспыливающей вентиляции цементного производства.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы. Снижение запыленности в рабочей зоне в цехах по производству и упаковки цемента посредством совершенствования систем обеспыливающей вентиляции и пылеулавливающего оборудования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - определение требуемых объемов воздуха, удаляемого системами обеспыливающей вентиляции от технологического оборудования; совершенствование конструкций местных отсосов; теоретические и экспериментальные исследования аэродинамических характеристик пыли, выделяющейся из технологического оборудования отделения упаковки, вращающейся печи, ленточного конвейера; разработка на основе характеристик пыли расчетной модели инерционных аппаратов ВЗП с подсосом чистого воздуха на нижнем вводе;
5 - экспериментальная оценка пылеулавливания аппарата ВЗП с подсосом чистого воздуха на нижнем вводе.
Основная идея работы состояла в использовании вихревого инерционного аппарата со встречными закрученными потоками с подачей чистого воздуха на его нижний ввод и разработке других технических решений по совершенствованию вентиляционного оборудования, на основе уточнения исходных данных при проектировании систем обеспыливающей вентиляции в производстве цемента.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимости полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что: разработана расчетная модель, описывающая процесс улавливания цементных частиц в аппаратах со встречными закрученными потоками с подсосом чистого воздуха на нижнем вводе; на основании теоретических и экспериментальных исследований получены данные о мощности пылевыделений от технологического оборудования такого как узлы перегрузки, упаковочная машина, бункера, элеваторы нории; установлены экспериментальные зависимости, -характеризующие эффективность пылеулавливания в системах обеспыливающей вентиляции с аппаратами со встречными закрученными потоками с подачей чистого воздуха на нижний ввод аппарата; определены и систематизированы данные о дисперсном составе и основных аэродинамических характеристиках пыли, поступающей в системы обеспыливающей вентиляции и зоны обслуживания технологического оборудования в процессе производства цемента, Практическое значение работы: разработано устройство для очистки газа от пыли с применением аппарата ВЗП, который имеет дополнительную заслонку для ввода и регулирования потока чистого воздуха, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель № 55647; разработаны рекомендации по повышению эффективности систем обеспыливающей вентиляции в различных цехах цементного производства.
Реализация результатов работы: прошла испытания опытно-промышленная установка по обеспыливанию газовоздушной смеси для цементного производства ОАО «Серебряковцемент» Волгоградской области;
ПТБ ПСО «Волгоградгражданстрой» приняты для использования рекомендации по повышению эффективности работы систем вентиляции в цехах цементного производства при разработке проектов реконструкции цементных заводов; материалы диссертационной работы используются кафедрой отопления, вентиляции и экологической безопасности Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290700 Теплогазоснабжение и вентиляция.
На защиту выносятся: экспериментальные зависимости, характеризующие работу аппарата ВЗП с подачей чистого воздуха на нижний ввод; данные теоретических и экспериментальных исследований о мощности пылевыделений от технологического оборудования; экспериментальные исследования, характеризующие эффективность пылеулавливания в системах обеспыливающей вентиляции аппаратов со встречными закрученными потоками с подачей чистого воздуха на нижний вход; данные о дисперсном составе и аэродинамические характеристики пыли, поступающей в системы аспирации и рабочую зону в галереях клинкерных транспортёров, холодильных установок на вращающихся
7 печах, силосов, и упаковочного цеха цементного производства. Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005 г.); конференции молодых инженеров-экологов «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 2005, г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, (Волгоград, 2003-2006, г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 8 работах, в том числе в 6 статьях, 1 патенте на полезную модель, 1 статья в журнале «Вестник ВолгГАСУ» выпуск №6.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 157 страниц, в том числе: 115 страниц - основной текст, содержащий 12 таблиц на 22 страницах, 21 рисунков на 21 страницах; список литературы из 140 наименований на 10 страницах, 4 приложения на 30 страницах.
Анализ существующих технологических решений, по обеспыливанию надбункерных участков цементных заводов
Загрузка цемента в силоса осуществляется пневмотранспортом. Загрузка может осуществляться как от одной мельницы так и от двух и трех. Количество цемента подаваемого от одной мельницы составляет 3600 м /ч плюс воздух необходимый на аэрацию, от двух мельниц соответственно 7200 м3/ч плюс аэрация. При этом в силосах образуется избыточное давление. Если банки цемсилосов соединены м/у собой воздуховодами, то избыточное давление удаляется из силосов по средствам сброса воздуха из крайних банок в атмосферу, без пылеочнстки. Если цемсилоса не соединены между собой сброс избыточного давления осуществляется из каждой банки через взрывные клапана [42].
На большинстве предприятий существующие системы аспирации цемсилосов не эксплуатируются и находятся в нерабочем состоянии, а имеются работающие системы аспирации, то они не обеспечивают требуемых аспирационных объемов, и так как банки находятся по избыточным давлением пыль выбивается из взрывных клапанов, установленных на каждой банке. При этом расход воздуха выделяющейся от одной банки цемсилоса, через систему аспирации составляет 5000 м /ч, через взрывной клапан составляет 8000 м /ч, суммарный расход воздуха составляет 13000 м3/ч. При отключённой системе аспирации через один взрывной клапан выделяется 11000 м3/ч. [42]. Особенностью работы цементных силосов является то, что наблюдается колебания расхода воздуха в пределах 2500 м /ч. Концентрация пыли в отходящих газах составляет 1 г/м .
Опыт использования вихревых пылеуловителей в нестационарных режимах
В 2001 г. в цехе анодной массы ОАО «Волгоградский Алюминий» смонтирован сушильный барабан для реализации неполной схемы подготовки сырья. Предварительно прокаленный кокс загружается в сушильный барабан и высушивается при горении природного газа. Для отвода отходящих газов и предотвращения выделения пыли барабан обслуживается двумя системами аспирации: В-1А и В-1 (рис. 1.9). В системе аспирации В-1А в качестве первой и второй ступеней очистки установлены параллельно, по два аппарата ВИП-600, в качестве третьей ступени использован рукавный фильтр СМЦ 40.2. В зависимости от технологической необходимости сушильный барабан работает в 3-х режимах. При этом изменяется расход газа, а следовательно и количество уходящих газов [28]. Таблица 1.15. Результаты замеров суммарной эффективности очистки аспирационного воздуха аппаратами пылеулавливания в системах В1А и В1
Современные способы обеспыливания и очистки газов в химической промышленности характеризуется широким и в то же время специфичным для конкретного производства выбором систем пылеулавливания и газоочистки.
Так в цехе по производству монохлорацетата натрия производится соль монохлоруксусного натрия (NaMXYK), используемый, в основном, для получения карбоксиметилцеллюлозы и в меньших количествах применяется в анилинокрасочных, фармацевтической промышленностях. Для улавливания соли NaMXYK из газового потока, поступающего на очистку применялась двухступенчатая система очистки. В качестве первой ступени использовалась батарея циклонов БЦ-2-5У, в качестве второй -два рукавных фильтра Ф-351, установленных параллельно. Эффективность очистки циклонов БЦ —2-5v составляла в различных режимах от 48 % до 60 %. Вследствие чего нагрузка на рукавные фильтра значительно превосходила нормативную, поэтому фильтры имели низкую эффективность. Также была необходимость в проведении частой регенерации фильтров.
Для улучшения работы системы было предложено заменить пылеуловители первой ступени на более эффективные, а на вторую ступень очистки установить два дополнительных рукавных фильтра Ф-351.
Для выбора более эффективного пылеулавливающего оборудования первой степени было проведено исследование аэродинамических характеристик пылегазового потока и дисперсного состава пыли.
На основании результатов исследований было предложено вместо батареи циклонов БЦ —2-5v использовать аппараты ВЗП. Так как эти аппараты обеспечивают высокую эффективность, в меньшей степени подвержены забиванию, налипанию пыли на стенки корпуса, износу и более подходят для улавливания пыли NaMXYK, чем циклоны.
В качестве первой ступени очистки в системе пылеулавливания были параллельно установлены три аппарата ВЗП -600 и один аппарат ВЗП -800, а в качестве второй -четыре параллельно подсоединенные фильтра Ф -351, после чего стала возможным производить регулировку системы на различные нагрузки от 3000 м /ч до 21000 м /ч. В результате выяснено, что эффективность очистки находится в диапазоне от 95 % до 99,1 %.
Результаты исследований позволили предложить в качестве оптимального варианта двухступенчатую систему очистки, надежно и устойчиво работающую при больших нагрузках и обеспечивающую высокую эффективность очистки.
На предприятиях стройиндустрии применение инерционных аппаратов в не стационарных потоках не нашло применение.
В качестве первой ступени очистки в системе пылеулавливания - были параллельно установлены три аппарата ВЗП -600 и один аппарат ВЗП -800, а в качестве второй -четыре параллельно подсоединенные фильтра Ф -351, после чего стала возможным производить регулировку системы на различные нагрузки от 3000 м /ч до 21000 м /ч. В результате выяснено, что эффективность очистки находится в диапазоне от 95 % до 99,1 %.
Результаты исследований позволили предложить в качестве оптимального варианта двухступенчатую систему очистки, надежно и устойчиво работающую при больших нагрузках и обеспечивающую высокую эффективность очистки.
На предприятиях стройиндустрии применение инерционных аппаратов в не стационарных потоках не нашло применение.
Экспериментальное исследования аэродинамических характеристик пыли выбивающихся из силосов
При пофракционном оседании, называемом иногда дробным оседанием, анализируемая проба измельченного материала диспергируется в верхней части столба дисперсионной среды [40, 41]. В первую очередь из верхнего слоя этой среды выпадают фракции наиболее тяжелых и крупных частиц, которые, пройдя к определенному времени т высоту столба Я, оседают на дне седиментационного цилиндра.
По скорости оседания со = II/т можно всегда найти наименьший диаметр осевших к моменту г частиц, и по массе осадка определить процент частиц, имеющих диаметр меньше 8. В качестве прибора для определения дисперсного состава пыли методом седиментометрии в воздушной среде можно использовать воздушный седиментометр [41] (рис.2.15). Навеска исследуемой пыли весом около 50 мг равномерно (без комков) укладывается на лист фильтровальной бумаги. Распыление порошка производится резким воздушным толчком в специальном распыливающем устройстве, из которого облачко пыли попадает в верхнюю часть седиментационного цилиндра, где под действием силы тяжести частицы оседают в неподвижном воздухе. Частицы с различной скоростью падения оседают на липкой ленте (скотч), уложенной на ленточный транспортер. Лента транспортера рывком перемещается на величину диаметра седиментационного цилиндра за равные промежутки времени, в данном случае составляющие 2 сек. После проведения экспериментальной части был осуществлен анализ дисперсного состава пыли, выделяющейся в производстве железобетонных изделий методом микроскопии [4]. Данный метод основан на цифровом фотографировании увеличенных под микроскопом в (200 - 2000) раз частиц пыли. С помощью компьютерной программы по площади, занимаемой пылевидной частицей, рассчитывается её медианный диаметр и определяется количество частиц различного размера. Результаты анализа дисперсного состава пыли оформляются в интегральные кривые массы частиц по диаметрам в вероятностно-логарифмической сетке, представленные на рис.2.16. В результате проведенных исследований установлено, что крупность оседающих частиц в течении 10 сек уменьшается. Так медианный диаметр пыли, выделяющейся в производстве железобетонных изделий, составил: через 2 сек. - 30 мкм; через 4 сек- 18 мкм; через 6 сек. - 12 мкм; через 8 сек - 6,8 мкм; через 10 сек - 5 мкм; через 12 сек - 2,9 мкм.
По результатам проведенного дисперсного анализа построены зависимости скорости оседания от эквивалентного диаметра частицы в полулогарифмической (рис. 2.17) и логарифмической сетках (рис. 2.18). Проведенные исследования зависимости скорости оседания от эквивалентного диаметра частицы пыли, образующейся при производстве цемента, позволили сделать вывод о том, что при скорости 0,8 м/с частицы имеют максимальный размер 38 мкм, медианный размер 30 мкм и минимальный размер 19 мкм. При скорости 0,5 м/с частицы имеют максимальный размер 22 мкм, медианный размер 18 мкм и минимальный размер 10 мкм. При скорости 0,3 м/с частицы имеют максимальный размер 13 мкм, медианный размер 9,5 мкм и минимальный размер 4,5 мкм.
Таким образом, в результате эксперимента установлено, что на первых шести секундах выпадает наибольшее количество частиц пыли как по числу, так и по массе. 1. Дисперсный анализ частиц пыли, выделяющейся в производстве цемент, проведен методом микроскопии с использованием программы Dust для обработки полученных результатов. На основании измерений построены интегральные функции распределения массы частиц пыли, выделяющейся при производстве цемента по диаметрам. Исследования показали, что данное распределение является усеченным логарифмически - нормальным, и его с высокой степенью точности функции прохода в вероятностно - логарифмической сетке можно аппроксимировать двузвенной ломаной линией. Медианный диаметр dso пыли, отобранной в системах аспирации, изменяется в пределах от 6,5 до 27 мкм, диапазон изменения крупности пыли от 1 до 40 мкм. В тоже время, диапазон крупности пыли, отобранной в рабочей зоне около ленточного транспортера составляет 1,5-16 мкм, причем d5o = 7,5 мкм. Проведенный анализ показал, что насыпная плотность пыли составляет 2,7-2,8 кг/м3. 2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования аэродинамических характеристик пыли, выделяющейся из технологического оборудования, позволили сделать вывод о том, что при скорости восходящего воздушного потока от 0,1 до 0,17 м/с во взвешенном состоянии в рабочей зоне могут находиться частицы с медианным размером от 2,5 до 10 мкм. При этом частицы такого размера составляют 15-20% от общего количества пыли, выбивающейся из технологического оборудования.
Экспериментальные исследования аппарата ВЗП в условиях не стационарных пыле газовыделений
Процессы, протекающие в объектах пылеулавливания, характеризуются переменными, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи. Переменные, играющие роль причин, называются входными, а переменные, отражающие последствия причин — выходными [33]. Входные переменные контролируются, ими также можно управлять.
Объект, на котором будет осуществляться планируемый эксперимент, характеризуется обязательным условием — все входные переменные должны быть управляемыми [33]. Этого требует сама постановка задачи планирования эксперимента, предполагающего активное вмешательство в ход процессов объекта.
Объект пылеулавливания можно представить схемой, изображенной на рис. 3.1. Входные управляемые переменные обозначим xj, хп и согласно принятой терминологии назовем их факторами; выходные— у i, ут. Z считают случайной переменной или помехой, имеющей определенный закон распределения.
Эксперимент планируется по определенному плану — заранее составленному, оптимальному в строгом смысле алгоритма изменения факторов, реализация которого позволит осуществить комплексное влияние на переменные состояния объекта исследования [1].
Планы эксперимента составляются исходя из заданных целей исследования, которых может быть множество. Разнообразие целей порождает многообразие планов эксперимента. Теория математического эксперимента предлагает ряд идей, или концепций, для реализации целей исследования.
Среди них можно выделить: концепцию рандомизации, концепцию математического моделирования, концепцию последовательного эксперимента, концепцию оптимального использования факторного пространства [1, 19, 20, 31, 33, 64, 68].
Одной из самых распространенных идей теории эксперимента, которая используется и нашей работе, является концепция оптимального использования факторного пространства, или концепция многофакторного эксперимента. Суть ее заключается в том, что состояние объекта в каждом опыте определяется по результату одновременного варьирования факторов, вызывающих изменение состояния объекта.
Оптимальное использование факторного пространства позволяет добиться значительного увеличения точности расчета коэффициентов математической модели (точнее - снижения дисперсии коэффициентов). [33].
Мы используем планы экстремального эксперимента, разработанные для определения оптимальных условий протекания процессов в объектах исследования. Оптимум определяется по математической модели объекта исследования, которую ищут в виде полиномиального уравнения
Для решения экстремальных задач функции отклика оказываются исключительно полезными [33]. В математической теории эксперимента разработаны оптимальные планы получения таких математических мо- -делей и использования их для поиска экстремума.
Планы экстремального эксперимента реализуются в соответствии с концепцией последовательного анализа. В последовательности реализации планов можно выделить следующие этапы [33]: 1) оценка априорной информации и отсеивание факторов, несущественных для конкретного объекта исследования; 2) получение математической модели объекта в виде линейной функции отклика; 3) поиск оптимальной области объекта по линейной функции отклика; 4) получение математической модели объекта исследования области оптимума в виде нелинейной функции отклика; 5) поиск оптимальной координаты факторного пространства в области оптимума.
Задача основного эксперимента — получение математической модели исследуемого объекта, которая используется для оптимизации объ-. екта исследования (экстремальный эксперимент) или для целей аппроксимации. Чтобы получить математическую модель, используют факторный эксперимент, суть которого заключается в варьировании всех факторов объекта исследования по определенному плану. Построение планов факторного эксперимента может быть различным.
