Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса 10
1.1. Топливоподготовка и физика горения обводненных топочных мазутов и водотопливных эмульсий 10
1.2. Технология и оборудование производства асфальтобетона 21
1.3. Пылеулавливающее оборудование асфальтосмесительных установок 25
1.4. Методы оценки ущерба от загрязнения атмосферы вредными выбросами 41
1.5. Цели и задачи исследования 55
2. Совершенствование теоретических методов повышения экоэффек тивности асфальтосмесительных установок 57
2.1. Численное решение задачи обтекания суперкавитирующей крыльчатки кавитационного эмульгатора Ї 58
2.1.1. Краевая задача и модифицированное правило подобия 58
2.1.2. Суперкавитирующие профили и расчет крыльчатки
2.2. Суперкавитационный эмульгатор для получения ВМЭ 73
2.3. Комбинированный мокрый пылеуловитель 78
2.4. Разработка методики оценки экоэффективности системы очистки атмо сферных выбросов 86
2.4.1. Оценка эффективности природоохранных мероприятий на основе эксплуатационных показателей газоочистной установки 88
2.4.2. Критерий экоэффективности систем очистки атмосферных выбросов 92
3. Методика экспериментального исследования 95
3.1. Суперкавитационный миксер 95
3.2. Экспериментальный стенд для гидродинамических исследований 97
3.3. Методика проведения измерений 103
3.4. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование загрязне ния атмосферы асфальтосмесительной установкой 107
3.4.1. Методика оценки экологической обстановки 108
3.4.2. Хромотографический анализ отходящих газов 109
3.4.3. Термогравиметрический анализ образцов твердых частиц 110 з
3.4.4. Расчет валовых выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании топлива 117
3.4.5. Расчет валовых выбросов в атмосферу от складов инертных материалов и угля 119
3.4.6. Расчет выбросов углеводородов в атмосферу при производстве асфальтобетона 120
3.4.7. Расчет выбросов пятиокиси ванадия 122
3.4.8. Оценка загрязнения воздушного бассейна вредными выбросами 123
3.5. Оценка достоверности получаемых результатов 127
4. Результаты экспериментальных исследований 129
4.1. Влияние конструктивных параметров эмульгатора на интенсивность ка витационного воздействия 129
4.2. Влияние числа кавитации 132
4.3. Влияние температуры обрабатываемой ВМЭ 134
4.4. Влияние кавитационной обработки на влажностно-дисперсионные характеристики ВМЭ 136
4.5. Стабильность ВМЭ 140
4.6. Модель кавитационного диспергирования смеси "вода-мазут" 140
4.7. Влияние водосодержания ВМЭ на качество выбросных газов 142
4.8. Технологическая схема топливоподготовки на АБЗ 143
4.9. Оценка экологической обстановки на АБЗ с применением топливопод готовки 144
4.9.1. Вопросы сжигания мазута и ВМЭ 144
4.9.2. Сравнительные результаты 148
Основные результаты и выводы 154
Литература
- Пылеулавливающее оборудование асфальтосмесительных установок
- Суперкавитирующие профили и расчет крыльчатки
- Экспериментальный стенд для гидродинамических исследований
- Влияние кавитационной обработки на влажностно-дисперсионные характеристики ВМЭ
Введение к работе
Актуальноеіь темы. В России перспективы развития производственных, административных и культурных связей требуют совершенствования автомо-билыга-транспортного комплекса. Актуальным является развитие сети автомобильных дорог с твердым, в частности асфальтовым, покрытием. Соответственно имеется тенденция роста количества асфальтосмесительных установок, увеличивается их производительность. Использование топочных мазутов и другого углеводородного топлива в ближайшие десятилетия будет возрастать. Как правило, асфальтобетонные заводы (ЛБТ) располагаются вблизи (или внутри) юродской застройки. Технически эти установки несовершенны, что приводні к высокому уровню выбросов. При использовании в этих установках топок малого объема образуется большое количество сажи вследствие неполноты сгорания топлива. Сажа адсорбирует полициклические углеводороды и при недостаточном рассеянии наносит большой вред окружающей среде, присутствуя в больших количествах в технологических выбросах вредных веществ в атмосферу. Возможным путем улучшения качества сжигания топлива может быть использование его в виде эмульсии с добавлением воды. Современные технологии подавления вредных выбросов не позволяют снизить их до безопасного уровня либо экономически нецелесообразны, что приводит к поиску новых возможностей на базе критических технологий в смежных отраслях науки и техники. Поэтому задачи совершенствования теплофнзических процессов при сжигании топлива, применения гопливоподготовки с использованием двухфазных водомазутных эмульсий (ВМЭ), улучшения технологических режимов работы топочных устройств малого объема с учетом выбросов вредных веществ, имеют большое научное и практическое значение.
Для получения водотопливных эмульсий и в ходе топливоподготовки при сжигании обводненных топочных мазутов используют различные методы: встряхивание, механическое перемешивание, обработку в роторно-импульсных аппаратах и др. Известны положительные результаты получения устойчивых водомасляных эмульсий и эмульсий «вода-дизельное топливо» с помощью кавитации в различных по конструкции аппаратах. Возможность использования кавитационной технологии, основанной на эффектах гидродинамической кавитации, открывает перспективы в использовании водомазутных эмульсий и топливоподготовки. Кавитащюпные микропузырьки, возникающие в жидкости (ВМЭ, обводненные мазуты, вода и т.д.), являются элементарными реакторами, действующими на молекулярном уровне. Эффекты кавитации приводят к меха-нотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых водотопливных эмульсий.
В работах Э.И. Розенфельда, Н.В. Лаврова, Л.М. Цирулышкова и др. отмечается, что качество сжигания мазутов и водомазутных эмульсий существенно зависит от дисперсионных характеристик топлива. Следовательно, важно
получение высокодисперсных водомазутных эмульсий, что представляется возможным с помощью механизмов кавитации.
Таким образом, актуальным является исследование режимов топливопод-готовки и приготовления водотопливных эмульсий с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах АБЗ.
Специфика производства асфальтобетона заключается в сушке минеральных составляющих асфальта отходящими топочными газами от сжигания мазута. С учетом повышенных требований, предъявляемых к экологическому совершенствованию современных производств, задача оценки и снижения ущерба, наносимого окружающей среде, представляется важной в этой научно-технической проблеме.
Цель работы состоит в определении оптимальных кавитационньгх режимов обработки обводненных топочных мазутов и водомазутных эмульсий, обеспечивающих максимальную полноту сгорания топлива с учетом выбросов вредных веществ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка математической модели и проведение численных экспериментов по исследованию двухфазных кавитационных течений с целью определения режимов наибольшей интенсивности диспергирования и гомогенизирования с учетом заданных влажностно-дисперсных характеристик топлива; разработка инженерной методики расчета;
определение влияния размеров капель топлива на физические процессы испарения, теплообмена и смесеобразования с учетом полноты его сгорания;
разработка конструкции и исследование гидродинамических, расходных и дисперсионных характеристик кавитационного эмульгатора в зависимости от режимных параметров работы и ряда внешних факторов с целью определения оптимальных конструктивных параметров;
определение технологических параметров, зависящих от эффективности кавитационной обработки ВМЭ и обводненных топочных мазутов;
разработка эффективной конструкции пылеуловителя;
разработка методики оценки предотвращенного экономического ущерба при реконструкции существующих производств и проведении природоохранных мероприятий.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решений. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, проведены натурные и модельные физические исследования.
Научная новизна. Полученные в ходе выполнения работы результаты рассматривались в аспектах энергоресурсосбережения и экологической безопасности производства в целом. Усовершенствование теплофизических процессов при сжигании обводненных мазутов и ВМЭ в топках малого объема соответствует параметрам увеличения энерго- и экоэффективности и состоит в следующем:
разработана методика решения задачи обтекания двухфазным существенно нестационарным, сжимаемым потоком суперкавитиругощих профилей, позволяющая на стадии расчета определить оптимальные гидродинамические режимы 'работы кавитациогшого" эмульгатора- с целью получения заданной вдажностно-диспсрсной характеристики топлива;
на основе разработанной методики и экспериментальных исследований определено влияние размеров капель топлива на тсплофизические процессы при его сжигании в топках малого объема и на выход сажистых частиц;
определено влияние водосодержания, числа кавитации, температуры, фактора времени на характеристики водомазутной эмульсин и состав отходящих газов;
разработана методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий, учитывающая различные технологические и конструктивные особенности пылеочистных систем;
предложен критерий оценки зкоэффективности при сопоставлении установок различных конструкций.
Практическая значимость. Разработана на уровне изобретения, исследована и внедрена в производство конструкция суперкавитирующего эмульгатора для получения ВМЭ. Разработан новый метод его расчета. На основании проведенных теоретических, модельных и натурных экспериментальных работ создана конструкция эффективного мокрого пылеуловителя, внедренного в производство на ряде ЛБЗ. Сделана экономическая оценка эффективности внедренных в производство мероприятий. Усовершенствована технология водопотребления автономных j\u.j. іірсдложсньї разраоотанные новые критерии и метод оценки эффективности природоохранных мероприятий, учитывающие эксплуатационные и конструктивные показатели оборудования. Результаты и рекомендации, полученные в работе, можно применить (в ряде случаев они уже используются) при проектировании, строительстве и реконструкции ЛБЗ и других производствах, имеющих топки малого объема, а в учебном процессе - при подготовке специалистов в области инженерной защиты окружающей среды.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы, включающие резулыаі ы научных исследований и основанные па них выводы и рекомендации:
1. Методика расчета обтекания двухфазным потоком кавитирующей
крыльчатки смесителя.
-
Данные о влиянии размеров капель топлива на теплофизические процессы, протекающие при сжигании обводненных топочных мазутов и водома-зугных эмульсий.
-
Экспериментальные данные по влиянию гидродинамических и тепло-физических факторов на стабильность водомазутной эмульсии и содержание вредных веществ в технологических выбросах при ее сжигании.
-
Конструкция кавитационного смесителя, защищенного авторским свидетельством на изобретение.
-
Конструкция комбинированного мокрого пылеуловителя.
6. Методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий.
Внедрение результатов работы проведено Хакасавтодором (Красноярский край, Хакасия) в рамках выполненной в 1989-1992 гг. х/д НИР "Охрана атмосферы и предложения по предельно допустимым и временно согласованным выбросам для предприятий Хакасавтодора", а также разработанные технологические системы тошшвоподготовки (приготовления ВМЭ) и пылеочистки внедрены в разные годы на следующих предприятиях:
Копьевское ДРСУ Хакасавтодора (1992 г.; фактический экономический эффект составил 450 тыс. руб.);
Березовское ДРСУ Красноярскавтодора (1995 г.; фактический экономический эффект составил 1500 тыс. руб.);
ОАО "ДПМК Красноярская" (1999 г.; фактический экономический эффект составил 2500 тыс. руб. в текущих ценах).
Социальный эффект от внедрения разработок заключается в снижении воздействия на природную среду, улучшении условий труда.
Основные результаты работы и практические рекомендации приняты к внедрению Решением НПК "Достижения науки и техники - развитию города Красноярска" (1997 г.), Решением Всероссийской НПК с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (1999 г.) и включены в программу "Энергосбережение в Красноярске на 2000 - 2005 гг."
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс Красноярского государственного технического университета: в учебных пособиях, лабораторных работах и курсах лекций, разработанных и читаемых автором ("Теоретические основы защиты окружающей среды", "Технологические процессы и загрязняющие выбросы", "Промышленная экология"). Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов исследования, соответствующих современному состоянию теплофизики, прикладной гидродинамики и молекулярной физики. Результаты, полученные различными методами (например данные экспериментальных наблюдений и расчетные параметры), достаточно удовлетворительно совпадают и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний и данным, полученным другими авторами.
Апробация работы. Содержание и основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:
-
Всесоюзной школе-семинаре "Гидродинамика больших скоростей" (Красноярск, 1987), V Всесоюзной НТК по уплотнительной технике (Сумы, 1988), Республиканской НТК "Донские экологические чтения" (Ростов-на-Дону),
-
Всесоюзной школе-семинаре "Гидродинамика больших скоростей" (Чебоксары, 1989), Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Чебоксары, 1990), НТК "Проблемы экологии и ресурсосбережения. "Экоресурс-1" (Черновцы, 1990), I и III Международных симпозиумах "Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения" (Ижевск, 1992, 1997), НПК "Достижения науки и техники — развитию города Красноярска" (Красноярск, 1997), НТК "Социальные проблемы инженерной экологии, природопользова-
ния, ресурсосбережения" (Красноярск, 1998, 1999), Межрегиональной НІЖ
"Ресурсосбережение и экологическая безопасность" (Смоленск, 1998), Международной НТК "Водоканал" (Омск, 1998), Всероссийской НТК с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск, 1999), I! Всероссийской НТК "Ресурсосбережение и экологическая безопасность" (Смоленск, 1999), а также па научных конференциях и семинарах Красноярского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе учебное пособие и авторское свидетельство на изобретение.
Объем диссертации и ее структура. Представленная диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем - 174 страницы печатного тек-сга, включая 77 рпсупков и I? таблиц. Перечень использованных источников -247 наименований.
Пылеулавливающее оборудование асфальтосмесительных установок
В настоящее время эмульсии приготовляют различными способами, которые связаны с созданием либо больших градиентов скоростей (механических мешалок. коллоидных мельниц, барботажа воздухом и т. д.). либо пульсирующих полей давления (ультразвука) /5. 13. 17, 45. 46. 54, 58. 59. 61. 78. 81. 104. 108. 123. 126. 139. 143. 157. 158, 168, 192, 199. 200, 209/.
Важным показателем качества водомазутных эмульсий является их стабильность в условиях хранения и транспортировки при повышенных температурах. Наиболее устойчивы эмульсии на базе высоковязких смол, нефти и остаточных продуктов ее переработки. Устойчивости таких систем способствует небольшое различие между плотностью дисперсионной среды и дисперсионной фазы. Наблюдения, проведенные в ЛИСИ /78/, показали, что устойчивость водонефтяных и водомазутных эмульсий сохранялась неизменной в течение нескольких суток. Однако стабильность эмульсий резко понижается при температуре, близкой к температуре кипения воды. Низкие температуры влияния на устойчивость эмульсии не оказывают. Водонефтяные эмульсии влажностью 20 - 40%, подвергнутые замораживанию при -20С, после отогревания полностью сохраняют свою структуру.
Опыты по сжиганию водомазутных эмульсий в паровых и водогрейных котлах показали, что воспламенение эмульсий не вызывает затруднений. Факел устойчив даже при форсированных нагрузках. Однако требуется определенное повышение производительности форсунок в соответствии с увеличением влагосодержания топлива.
Наиболее эффективным способом диспергирования эмульсий из жидких горючих отходов, проверенным ЛИСИ на ряде промышленных предприятий, является использование эмульсаторов центробежного, вихревого или роторного типа /78/.
При температурах ниже 50С приготовление водотопливных эмульсий из нефте- и маслосодержащих отходов и тяжелых мазутов затруднительно, а при температурах 30 - 40С практически невозможно вследствие низкой текучести этих сред. Сжигание мазута в виде эмульсий позволяет сократить время горения углеродного остатка на 20-22% /78/. Время горения капли и углеродного остатка (сажи) при сжигании безводного мазута М-60 и его водной эмульсии (влажность 30%) при температуре 740Х видно из следующих опытных данных
Как утверждается в исследованиях автора /78/. горение группы капель эмульсии протекает также интенсивно, как и горение безводного мазута, но за меньший промежуток времени и при меньшей температуре в топке.
Лабораторные исследования процессов горения различных топливо-водяных смесей были начаты в 1955 г. в лаборатории горения топлив ИГИ /57/. В качестве топлива использовали мазуты, сланцевую и каменноугольную смолы, керосин и дизельное топливо. Влажность топлив составляла 16-16,5%. Перед обработкой в диспергаторе топливо-водяную смесь подогревали до 70-90С.
Устойчивая эмульсия из мазута и воды получалась без применения эмульгаторов. Для каменноугольной и газогенераторной смол в качестве эмульгаторов использовали окисленный петролатум и известь. Сжигание топливных эмульсий было устойчивым при коэффициенте расхода воздуха а=0,9-2,2. Состав продуктов сгорания эмульсий: 14% С02, 3% 02 1% СО, 82% N2, горючие водород и углеводороды отсутствуют. Полученные результаты вызвали большой интерес со стороны многих предприятий /182, 183/.
В 1958 г. лаборатория горения топлив ИГИ совместно с работниками депо ст. Моршанск и Мичуринск провела испытание по сжиганию обводненых мазутов в виде эмульсий на паровозе серии СО-17-4021. Вода подавалась в топливный бак паровоза, где превращалась в эмульсию сжатым воздухом от компрессора паровоза. Содержание воды в эмульсии от 15 до 36%. Идеальной эмульсии при барбатаже не получалось, но на работе топки это не отражалось.
Затем были проведены испытания на пассажирском паровозе серии СУ 251-07. Как и в первом случае, паровозная топка работала безотказно. Эксплуатационные испытания показали, что обводненные мазуты влажностью 14 - 30% даже в трудных условиях работы паровозной топки (переменная нагрузка, недостаточное регулирование подачи воздуха и др.) позволяют обеспечить надежную работу топочных устройств.
Аналогичные результаты показали испытания по сжиганию обводненных мазутов проведены на судах речного флота на пароходах "Новосибирск" и "Смоленск" Московского речного пароходства /183/.
Зарубежными исследованиями, проведенными на ДВС было установлено. что при работе, на эмульсиях: удельный расход топлива ниже, чем при работе на чистом топливе; выхлопные газы становятся бездымными, содержание оксида углерода (СО) в них значительно уменьшается; с увеличением влажности эмульсии (свыше 7 - 10%) температура выхлопных газов снижается и тепловая напряженность двигателя уменьшается.
В Калифорнийском университете Беркли (США) провели испытания по применению эмульсий в двухтактном двухцилиндровом быстроходном (п=2000 об/мин) дизеле фирмы Дженерал Моторс /205/. Эмульсии готовили путем перемешивания дизельного топлива с дистиллированной водой в механическом диспергаторе с добавлением 0,2-0,25% эмульгатора. Авторы указывают, что вода, находящаяся в эмульсии, способствует лучшему распыливанию и сгоранию топлива.
В исследованиях /205/ наибольшее содержание воды в эмульсиях составляло 33,6% (по массе) и 0,4% эмульгатора. На всех режимах двигатель работал нормально, экономичность его работы не снижалась. Были отмечены уменьшение содержания СО в выхлопных газах, а также дымообразование и нагар.
Гидродинамическая кавитация сопровождается как большими градиентами скорости, так и колебаниями жидкости /58, 59/, что предопределило испытание пригодности кавитационных устройств для приготовления эмульсии, в частности, смазочно-охлаждающих, используемых в металлообработке. При этом учитывалось, что эмульгирование жидкости кавитационным воздействием должно иметь более рациональный характер, поскольку энергия затрачивается в основном на создание и поддержание пузырьковых режимов течения, т.е. используется косвенный метод: возбуждается кавитация, которая, воздействуя на жидкость, производит необходимую работу.
Анализ различных конструкций и аппаратов, использованных для получения эмульсий по ряду технологических и эксплуатационных показателей, проведенный в /124/ показывает, что предпочтительнее всего для получения ВМЭ использовать механизм кавитационного воздействия реализуемый в суперкавитирующих аппаратах. табл. 1.3. Различные по исполнению, эффективности, назначению и области применения эти устройства рассмотрены в обзорах работ /5. 45. 59. 104. 123. 124/. а также в /54. 108. 126. 154. 157. 158/.
Учитывая характер явлений, сопровождающих кавитацию в жидкости /5. 59. 70. 81, 138/. видим, что существует, по крайней мере, один механизм, влияющий на эффективность кавитационного эмульгирования. Поскольку основное отличие гидродинамической кавитации состоит в наличии вихревого движения, то именно в этом направлении и находятся истоки механизма, влияющего на эффективность кавитационного эмульгирования.
Суперкавитирующие профили и расчет крыльчатки
Тканевые фильтры фирмы «Алфалдер» выполнены с устройствами для охлаждения газов сушильного барабана. Принцип работы охладителя предохраняющего от пережога фильтровальную ткань, показан на рис. 1.13 б. Корпус устройства представляет собой осадительную камеру с пылесборником. в котором расположены газоходы 12 и теплообменник 13 с поверхностью осаждения до 200м2. Теплообменник составлен из отдельных блоков с пластичными элементами. На охладителе установлены до шести вентиляторов, которые продувают воздухом в горизонтальном направлении внутренние полости теплообменника.
Горячие газы из сушильного барабана поступают по газоходу в верхнюю часть корпуса охладителя и по вертикальному газоходу подходят к нижней части теплообменника и 3 раза обтекают его в вертикальном направлении. Газы, охлаждаемые через стенки теплообменника атмосферным воздухом, по газоходу верхней части корпуса направляются в тканевый фильтр. Если температура газов на выходе из охладителя остается выше допустимой, то на выходном газоходе открывается заслонка 11 и в тканевый фильтр поступают газы с атмосферным воздухом.
Пылеулавливающие системы фирмы «Алфалдер» имеют от одной до четырех секций, каждая из которых состоит из пылеуловителя с тканевым фильтром и охладителя воздуха. Параметры пылеулавливающих систем фирмы «Алфалдер» с тканевыми фильтрами и устройствами для охлаждения воздуха приведены в /204/. Для напряженных режимов работы фирмы «Алфалдер» и «Сиэмай» предусматривают установку за тканевыми фильтрами водных пылеуловителей.
На рис. 1.14 показана двухступенчатая пылеулавливающая система фирмы "Цедерапидс", в которой на второй ступени очистки используются плоские тканевые фильтрующие элементы. Для первой ступени очистки применяют батарейные циклоны или одиночные циклоны с горизонтальным или вертикальным расположение корпуса.
При применении батарейных и горизонтальных одиночных циклонов обе ступени пылеулавливающей системы монтируют на общей раме с партерным расположением оборудования.
Корпус 2 тканевого фильтра разделен по длине вертикальными перегородками 5 на две боковые и одну центральную части. В боковых частях корпуса расположены секции с плоскими тканевыми фильтрующими элементами 6. Каждый элемент выполнен в виде узкой коробки с металлическим каркасом и боковыми стенками из фильтрующей ткани. В нижней части торцевых стенок коробок, обращенных к центральной части корпуса фильтров, имеются два ряда щелей 7. через которые внутренняя полость фильтрующих элементов сообщается с полостью центральной части корпуса фильтра, соединенной с всасывающей линией дымососа 9. Под верхней стенкой корпуса фильтра расположен газоход 8. соединяющий первую и вторую ступень очистки.
Двухступенчатая пылеулавливающая система фирмы :іЦедерапидс : Осевшая пыль с поверхности ткани удаляется противотоком сжатого воздуха из коробок фильтрующих элементов через боковые щели. Для этого в центральной части корпуса фильтра имеется подвижное устройство 4 с четырьмя щелевыми соплами 3.
Сжатый воздух подается к соплам по гибкому шлангу, навитому на подвижный барабан, который расположен под центральной частью корпуса фильтра. Подойдя к фильтрующему элементу, два сопла перекрывают поток запыленных газов через этот элемент, а подаваемый из сопел сжатый воздух поступает в коробку, и удаляет противотоком осевший слой пыли. Пыль падает вниз и осаждается в пылесборниках 10, расположенных под секциями с фильтрующими элементами. Пыль из пылесборников первой и второй ступени отводится раздельно винтовыми конвейерами 11.
Между газоходами для подвода запыленных газов к пылеулавливающей системе и газоходам в верхней части корпуса фильтра установлено устройство 1. предохраняющее ткань фильтрующих элементов от воздействия перегретых газов. При высокой температуре газов устройство автоматически обеспечивает возможность подсоса холодного атмосферного воздуха к секциям с фильтрующими элементами.
Тканевые фильтры с плоскими фильтрующими элементами применяют также фирмы «Амман» и «Ара». Фильтры фирмы «Амман» рассчитаны на содержание пыли в поступающих на очистку газах не более 250 г/м3. Концентрация пыли в очищенных газах по данным этой фирмы, не превышает 100 мг/м3. По сравнению с рукавными фильтрами, тканевые с плоскими фильтрующими элементами имеют лучший удельный показатель, характеризующий насыщенность тканью единицы объема секций фильтра, и более удобны в обслуживании, особенно при обнаружении и удалении поврежденных фильтрующих элементов.
Матерчатые фильтры модели TS применены на установках фирмы «Вибау». По рекламным данным фирмы, на этих фильтрах используется температуростойкая ткань (температура до 623К). В связи с этим пылеулавливающее оборудование не содержит устройств для охлаждения газов. Регенерация фильтров производится встряхиванием и обратной продувкой.
В настоящее время в эксплуатации находится более 1000 АБЗ, являющиеся источниками загрязнения атмосферного воздуха пылью и вредными газами. Особенно неблагоприятно обстоят дела при использовании в качестве топлива мазута, низкая эффективность сжигания которого (недожог достигает 30% /194/) приводит к образованию шлейфов дыма, загрязняющего значительные территории.
Опыт показывает, что проблема охраны атмосферного воздуха на АБЗ должна решаться комплексно как с организованными источниками загрязнения, так и с неорганизованными.
В работах автора /94, 98, 110/ была сделана попытка проанализировать этот вопрос и предложить более рациональные критерии оценки экологического ущерба.
Комплекс природоохранных мероприятий должен обеспечить соблюдение нормативных требований к качеству окружающей среды, отвечающих интересам охраны здоровья людей и окружающей природы с учетом перспективных изменений, обусловленных развитием производства, а также получение максимального народо-хозяйственного экономического эффекта от улучшения состояния окружающей среды, сбережения и более полного использования природных ресурсов.
Мера достижения указанных целей оценивается с помощью показателей социальных и экономических результатов природоохранных мероприятий. Эти результаты проявляются согласно /27/ на следующих уровнях: экологическом, социально-экономическом, медико-социальном и экономическом. Экономический уровень в /27/ определяется как результаты, заключающиеся в экономии или предотвращении потерь природных ресурсов, живого и общественного труда в производственной и непроизводственной сферах народного хозяйства, а также в сфере личного потребления, достигаемых благодаря осуществлению природоохранных мероприятий.
Экономическое обеспечение природоохранных мероприятий производится путем сопоставления экономических результатов с затратами, необходимыми для их осуществления, с помощью показателей общей и сравнительной эффективности природоохранных затрат и чистого экономического эффекта природоохранных мероприятий.
Экспериментальный стенд для гидродинамических исследований
Как отмечалось ранее в /30. 31. 88. 89, 95. 99/ основной задачей при выборе пылеулавливающего оборудования является определение адекватного конкретному производственному процессу аппарата, определяемому технологическими условиями, условиями эффективности, экономичности и т. п.
Существующее технико-экологическое состояние таких установок АБЗ неудовлетворительно вследствие: - несовершенства существующего очистного оборудования; - низких значений КПД топливоиспользующих установок (35-65%), связанных с большими потерями тепла топлива с уходящими газами; - отсутствия современных средств регулирования и контроля; - слабой подготовленности эксплуатационного персонала и большой его текучестью; - сезонности (в условиях Сибири) работ, что не позволяет производству интегрироваться с предприятиями химической перерабатывающей промышленностью с целью утилизации извлеченных из выбросов веществ, - невозможности по экономическим соображениям организации переработки отходов на месте; - небольшой высоты дымовых труб и др. Существует большое количество методов и их конструктивного воплощения очистки отходящих газов от механических примесей. Известные устройства и аппараты для очистки газов от пыли имеют свои достоинства и недостатки. Все более жесткие требования к защите окружающей среды, экономии энергетических и водных ресурсов ставят задачи разработки и более эффективных аппаратов газоочистки. Эффективность работы мокрых пылеуловителей, широко применяемых в ЛБЗ. в основном зависит от смачиваемости пыли, конструктивного решения технологии очистки, проблемы выделения уловленной пыли из воды и возможности щелочной или кислотной коррозии оборудования.
Асфальто-бетонные установки завода "Дормашина" (Украина) в настоящее время оснащаются мокрым пылеуловителем ударно-инерционного действия (типа "ротоклон") - см. раздел 1. Эксплуатация подобных установок выявила их существенный недостаток - чрезмерную зависимость эффективной работы от колебания уровня воды в аппарате очистки. Установка нуждается в частой регулировке уровня воды, а сам процесс регулировки требует определенного уровня квалификации обслуживающего персонала. Эти причины на практике побуждают обслуживающих установку работников попросту отключать подачу воды и работать без мокрой очистки газов.
В предлагаемой работе была поставлена и решена задача создания пылеуловителя, простого в эксплуатации и делающего невозможной работу установки без подачи воды, т.к. пылеуловитель монтируется в основании дымовой трубы и при отключении смывной воды происходит ее запирание. Схема разработанного пылеуловителя приведена на рис. 2.13.
К основным конструктивным особенностям данного аппарата относится специальная сетка, на которой размещен слой гравия. Толщина слоя подбирается эмпирически и зависит от напора, создаваемого дымососом. В процессе эксплуатации по мере износа рабочего аппарата дымососа толщина слоя засыпки может быть уменьшена с целью снижения гидравлического сопротивления. Для этой цели служит люк в верхней части корпуса.
Дымовые газы подаются тангенциально в нижнюю часть корпуса под засыпку. Наиболее крупные частицы пыли попадают на стенку и смываются водой. Гравийная засыпка орошается водой, поступающей из распределительного коллектора. Закрученный и турбулизированный поток запыленных газов поступает снизу. Часть пыли захватывается каплями воды, другая часть смачивается на поверхности отдельных элементов засыпки и смывается потоком воды. При отключении воды пространство между элементами гравийной засыпки быстро забивается пылью и сажей, что приводит к запиранию газохода. Схема комбинированного мокрого пылеуловителя
Образующийся шлам через патрубок слива удаляется из аппарата и самотеком по трубе направляется в шламоотстойник. Осветленная вода из шламоотстойника направляется обратно в распределительный коллектор установки. Регулируя толщину слоя гравийной засыпки (создавая максимально возможное гидравлическое сопротивление для данного типа дымососа) удается практически предотвратить унос воды из аппарата. Расход воды незначителен, идет лишь на некоторое увлажнение отходящих газов и зависит от их температуры. При понижении температуры увлажнение уменьшается. Расчет коэффициента массоотдачи в данном аппарате может быть проведен по формулам: Nu = 0,407Re0,66- Pr0 33 , (2.25) где Nu = Pd3KB, Re = Wd , Pr=Vr, Dy vr DA здесь d3KB - эквивалентный диаметр засыпки; vr - кинематическая вязкость газа; w - линейная скорость потока; Dy и DA - соответственно, коэффициенты диффузии; (3 - коэффициент массоотдачи; єг - порозность слоя.
Пылеулавливающая установка с мокрым пылеуловителем (рис. 2.14) смонтирована на реальном объекте (АБЗ Березовского ДРСП, Красноярский край). Опыт эксплуатации и экспериментальные исследования показали высокую эффективность работы пылеуловителя. Поскольку коэффициент р для данного типа аппаратов определен экспериментально, используя вышеприведенные формулы можно проектировать установки на любой расход газов (для любого АБЗ).
На рис. 2.14 а представлена эскизная проработка мокрого пылеуловителя с целью показать его относительно небольшие габариты, характеризующие, соответственно невысокую материалоемкость и внешний вид (рис. 2.14 б) в составе асфальтобетонного завода (он расположен в основании дымовой трубы).
Для определения выбросов вредных веществ при сжигании топлива на котельной применяется методика /115/, показавшая свою эффективность в практических расчетах.
Экспериментальные работы, проводимые авторами при сжигании мазута в топке асфальтосмесительного барабана показали применимость формул для определения выбросов оксида углерода диоксида серы и оксидов азота с достаточной точностью для практических расчетов. Исходя из теоретических предпосылок можно согласиться также с методикой определения расчетным способом выбросов пятиокиси ванадия (см. раздел 4.7).
Следует отметить, что стесненный объем топочного пространства при форсировании режима сжигания топлива приводит к появлению в отходящих газах сажистых частиц. Это подтверждается термогравиметрическим анализом с использованием дериватографа (см. раздел 4.3). Особо следует отметить наличие в дымовых газах полициклических ароматических углеводородов, в том числе бенз(а)пирена.
Влияние кавитационной обработки на влажностно-дисперсионные характеристики ВМЭ
Для анализа продуктов полного сгорания топлива (СОг и Ог) применялся газоанализатор ВТИ-2. Для поглощения двуокиси углерода использовался 30-35%-ный водный раствор КОН, а для поглощения кислорода - щелочной раствор пирогаллола "А" (24 г пирогаллола "А" на 168 мл 21%-го раствора КОН). Предельная абсолютная ошибка измерения составляла 0,025% об.
В опытах с водой и ВУС все исходные контролируемые параметры состояния (температура, содержание Ог, рН) фиксировались непосредственно перед обработкой. Измерение кислородосодержания воды производились с помощью кислородного датчика № 5972, работающего по принципу гальванического элемента, сила тока в котором пропорциональна парциальному давлению растворенного в жидкости кислорода. Кислородомер обеспечивает непосредственный отсчет процентного насыщения кислородом исследуемого образца воды. Измерение рН производилось прибором рН-673.
Характер распределения частиц угля (по размерам) в зависимости от глубины размола (на основании ситового анализа) оценивался показателем эффективности конверсии (ЭК): Содержание фракции угля (0-100мкм) Общая масса всех фракций угля выработки Устойчивость ВУС оценивалась по скорости седиментации визуальным способом с фиксацией времени. Число оборотов ротора суперкавитационного эмульгатора определялось с помощью электронного частотомера марки 43-33. 3.4. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование загрязнения атмосферы асфальтобетонной установкой Материалы, обобщенные в данном разделе, опубликованы в работах автора /28, 29, 33-36, 84, 89, 92, 95/. В качестве объекта выбрана площадка рядового асфальтобетонного завода с установкой ДС-117-2К, производительностью 50 т. асфальта в час, (см. разд. 1). При работе асфальтосмесителя на мазуте М100 в атмосферу поступают значительные количества пыли, окиси углерода, диоксида серы, оксида и диоксида азота. При нагреве, хранении и сливе битума в атмосферу поступают углеводороды (Ci-Cg). Минеральная пыль поступает в атмосферу также от складов инертных материалов.
На территории АБЗ имеется технологическая котельная, вырабатывающая пар для обогрева трубопроводов. Сжигание топлива приводит к поступлению в атмосферу золы, окиси углерода, диоксида серы, окиси и двуокиси азота. Угольная пыль поступает в атмосферу со склада угля.
Выбросы от организованных источников определялись экспериментальным путем, от неорганизованных источников - расчетным, по соответствующим методикам /112-117/. Экспериментальные работы и расчет выполнены для контрольного объекта.
Оценка экологической обстановки возможна только на основе расчета рассеивания загрязнения в атмосфере, в соответствии с /117/. Расчет рассеивания возможно выполнить на персональном компьютере по программе "Эколог". разработанной фирмой "Интеграл" и согласованной с ГТО им. А.И. Воейкова.
Программа позволяет по данным от источниках выброса примесей и условиях местности рассчитывать разовые концентрации примесей при неблагоприятных метеорологических условиях.
Рассчитываются приземные концентрации как отдельных веществ, так и групп веществ с суммирующим вредным действием. Суммарное количество веществ и групп суммации в одном расчете программным путем не ограничено и зависит лишь от времени расчета и количества свободного дискового пространства, однако в каждом источнике может содержаться информация по выбросам 20-ти веществ.
В расчетах учитываются нагретые и холодные выбросы точечных, линейных и площадных источников, общим числом до 10000. В качестве исходных данных по источникам выбросов используются технические параметры: высота и диаметр устья источника, скорость, объем и температура выходящей газовоздушной смеси. Учитывается влияние рельефа на рассеивание примесей и фоновая концентрация примесей. Расчеты ведутся на задаваемом множестве точек на местности, которое может включать в себя узлы прямоугольных сеток в прямоугольных областях, точки, расположенные вдоль отрезков, и также отдельно заданные точки.
В работе использована методика, изложенная в /112/. Для определения состава дымовых газов использовался хромотограф "Газохром 3101". Определялись Н2, N2+02, СН4, 02, N2, С02, СО и др. Газовая схема прибора приведена на рис. 3.12. Потоки воздуха и аргона одновременно при одинаковом расходе (80 см3/мин) подаются в обе линии прибора. При анализе пробу поочередно вводят в различные точки газовой схемы. При введении пробы дозатором А в линию воздуха перед разделительной колонкой 1, заполненной активированным углем АГ-3, в смеси определяют горючие компоненты Н2, N2+02, СО, СН4
Мешающие примеси, т.е. элюирующиеся в температурном интервале с анализируемыми соединениями из пробы предварительно удаляют путем пропускания его через фильтр с цеолитом ЗА. Затем пробу дозатором Б вводят в линию аргона перед колонкой 2, заполненной молекулярными ситами определения 02, N2. Третий ввод пробы осуществляют дозатором В также в линию аргона перед колонкой 3 с углем АГ-3. Здесь происходит отделение С02 от суммы всех остальных газов, присутствующих в смеси.
В качестве вторичного прибора использовался самопишущий потенциометр КСП-4 со шкалой 1 мВ. На рис. 3.13 приведена хроматограмма дымовых газов асфальтобетонной установки. Калибровка хроматографа производилась по смесям
Представляет определенный интерес исследование выброса твердых частиц на наличие горючих компонентов. Такое исследование было проведено на дериватографе "Q-1500" фирмы "Паулик-Паулик-Эрдей". Записывались термогравиграммы образцов пыли, отобранные с фильтров, использованных для аналитического определения содержания пыли в отходящем воздушно-газовом потоке асфальтосмесительных установок.
Принцип работы прибора заключается в следующем. Исследуемое вещество и эталон (в данном случае, в качестве эталона использовалось инертное вещество -прокаленный до 1000С оксид алюминия (III) помещаются в платиновые тигли. Тигли надеваются на вертикально установленные термометры из сплава Pt-Pt-Re. Горячие
спаи термопар контактируют с веществами и эталоном посредством специальных углублении в дне тигля. Равномерный нагрев печи осуществляется программным управлением со скоростью 0,5-20С в минуту. В процессе испытания проводится автоматическая запись аналитических кривых на диаграммную ленту канального самопишущего потенциометра. Запись проведена в воздушной среде. В отличии от обычного термогравиметрического анализа в данном случае запись соответствующих кривых (ТГ - изменение массы образца; ДТГ - кривая скорости изменения массы образца, ДТА - кривая знака и величина теплового эффекта процесса) производится из одной навески исследуемого вещества строго при одних и тех же условиях ведения опыта. Тем самым обеспечивается хорошая воспроизводимость эксперимента и представляется возможность получить картину термодеструкции, или пиролиза вещества.
Выбор для термического анализа дериватографа не случаен. Выполняемый в тигельных печах обычный термографический анализ не может быть использован для количественной оценки содержания в составе пыли сгораемых компонентов, так как его результаты позволяют лишь определить общую ими ступенчатую убыль массы в данном температурном интервале и, как правило, не дают ответа на вопросы: с чем связана убыль массы, идет ли в данном случае разложение вещества, сопровождающееся эндоэффектом или наоборот, сгорание вещества, сопровождающееся экзотермическим тепловым эффектом. С целью обеспечения одинаковой кинетики сгорания образцов пыли, комплексный термический анализ проводили в воздушной атмосфере со стабильной подачей воздуха в рабочее пространство термопечи при кратности обмена 1,5 в мин.