Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор 11
1.1 Анализ экологических проблем и технологии производства силикатного кирпича 11
1.1 Л Силикатный кирпич, общие сведения, сырье, технология производства 11
1.1:2 Известь, общие сведения, анализ технологии обжига 16
1.1.3 Анализ систем очистки отходящих газов при обжиге извести 21
1.1.4 Физико-химические свойства пыли 25
1.2 Технико-экономический анализ способов очистки газов от пыли 30
1.3 Методы интенсификации и закономерности процесса мокрой очистки газов от пыли 36 ^
1.3.1 Методы интенсификации процессов мокрой пылеочистки газов: 37
1.3.2 Анализ сил взаимодействия орошающей жидкости и частиц пыли 39
1.3.3 Анализ вихревых аппаратов газоочистки 46
1.3.4 Разработка низконапорного вихревого пылеуловителя 51
Постановка задачи исследование однофазного потока в вихревом пылеуловителе 57
2.1 Экспериментальное исследование структуры газового потока в вихревом аппарате 61
2.2 Математическое моделирование движения газового потока в аппарате с ВКУ 63
2.3 Результаты математического моделирования и натурного эксперимента 68
2.4 Изучение структуры газового потока в вихревом пылеуловителе с помощью ПК «Phoenics» 71
III Экспериментальное исследование двухфазного потока в вихревом аппарате -' 80
3.1 Исследование гидродинамического сопротивления ВКУ 80
3.1.1 Экспериментальная установка для исследования:гидравлического сопротивления ВКУ 81
3.1.2 Результаты исследования гидравлического сопротивления ВКУ 84
3.2 Исследование гидродинамических параметров вихревого пылеуловителя с нисходящим потоком ф аз 87
3.2Л Экспериментальная установка для исследования гидравлического сопротивления и брызгоуноса вихревого пылеуловителя 87
3.2.2 Результаты исследования гидравлических характеристик вихревого аппарата с нисходящим потоком фаз 89
IV Экспериментальное исследование трехфазного потока в вихревом пылеуловителе 105
4.1 Экспериментальная установка для исследования эффективности работы пылеуловителя 105
4^2 Результаты экспериментального исследования: эффективности работы пылеуловителя 107
V Промышленная апробация работы 118
5.1 Разработка технологии очистки газовых выбросов от пыли вращающейся печи обжига извести производства силикатного кирпича и описание ее работы 118
5.2 Опросный лист, получение исходных данных 120
5.3 Расчет аппаратов пылеочистки 121
5.4 Расчет вспомогательного оборудования 125
5.5 Результаты внедрения промышленной установки очистки газовых выбросов от пыли вращающейся печи обжига извести производства силикатного кирпича 126
Заключение 129
Список использованных источников
- Известь, общие сведения, анализ технологии обжига
- Математическое моделирование движения газового потока в аппарате с ВКУ
- Экспериментальная установка для исследования:гидравлического сопротивления ВКУ
- Результаты экспериментального исследования: эффективности работы пылеуловителя
Введение к работе
Качество окружающей среды является актуальной проблемой современного общества. Проблема устойчивого развития современной цивилизации, не ставящей под угрозу будущее поколение, может быть решена только на основе эффективного подхода к организации и функционированию промышленных производств [1].
Одной из важнейших экологических проблем крупных индустриальных центров является загрязнение атмосферы городов промышленными отходами. Ежегодный мировой объем выбросов в атмосферу оксидов углерода составляет - 2-Ю4 млн. тонн, соответственно: оксидов серы - 150, оксидов азота - 50, углеводородов - 57, пыли — 250 [2]. Таким образом, среди основных вредных веществ, выбрасываемых промышленными источниками в атмосферу, пыль находится на втором месте. В Республике Татарстан выбросы пыли от промышленных источников загрязнения атмосферы составляют около 200 тыс. тонн в год, что значительно больше остальных выбросов загрязняющих веществ [3]. Этой проблеме в последние годы уделяется большое внимание в связи с серьезными нарушениями экологического равновесия, приводящим к необратимым негативным отклонениям. Несмотря на предпринимаемые меры по защите биосферы от загрязнения промышленными выбросами, происходит дальнейшая ее деградация и разрушение [4].
Промышленность строительных материалов представляет собой сложный комплекс специализированных отраслей производства, изготовляющих большое количество разнообразной продукции. По объему производимой продукции она занимает одно из первых мест в экономике [5].
При изготовлении глиняного и силикатного кирпича, нерудных строительных материалов, строительной керамики запыленность производственных помещений превышает санитарные нормы и достигает соответственно 9-11, 8-Ю и 6-10 мг/м3, при ПДКрз. 6 мг/м3 [6].
Недостаточная эффектнвность работы действующего пылеочистного оборудования негативно сказывается на окружающую среду предприятий. Контролирующие органы фиксируют нарушение требований природоохранного законодательства, и превышение допустимой концентрации пыли в приземном слое за территорией предприятий (приложение П1). Многолетние наблюдения и контроль выбросов пыли в атмосферный воздух с территории ГУП «КСМ» г. Набережные Челны документально подтверждают неоднократные превышения содержания пыли в зоне жилых комплексов от нескольких процентов до двух и более раз. Например, 7,7 мг/м против;допустимых 0,5 мг/м3.
Хотя кальций является необходимым элементом питания растений, избыточные количества его, попадающие в природную среду с индустриальной эмиссией, может вызвать ряд негативных явлений [7]..
На Казанском заводе ССМ, согласно акту проверки от 23.10.2003; Министерством экологии и природных ресурсов РТ обнаружено превышение нормативов ПДВ от пыли извести (СаО) вращающейся печи производства № 2 в 1,48 раза. Предприятию выдано предписание на основании статей 16 и 30 ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» об организации проверки и оценки состояния действующей установки очистки газов от вращающейся печи и необходимости обеспечения соблюдения норм выбросов.
Проведенный мониторинг загрязнения окружающей среды вокруг производства № 2 и расчет наибольшей ожидаемой концентрации пыли в приземном слое атмосферы показал, что фактическое загрязнение с учетом фоновой концентрации и санитарно-гигиеническим нормативом превышает ПДК более чем в 6 раз и составило 3,3 мг/м3. Что подтверждает необходимость реконструкции или замены существующей установки пылеочистки.
Пыль отрицательно действует на многие органы человека. Влияние пыли на организм человека усиливается из-за одновременного ее воздействия на несколько органов. Наибольшему влиянию пыли подвержены органы дыхания, в меньшей степени кожа, глаза, кровь и желудочно-кишечный тракт.
При действии пыли на органы дыхания возникает заболевание пневмокониоз со многими разновидностями, а также возможны другие заболевания органов дыхания - бронхиальная астма, пылевой бронхит, пневмония, бериллиоз и т.д. [8].
Таким образом, обеспыливание воздушной техносферы производственных помещений окружающей среды является важной народно-хозяйственной проблемой, требующей ее неотлагательного решения [9]. Решив проблему пылеочистки, зачастую можно поднять производительность основного оборудования. Исследование условий функционирования технических средств как источников загрязнения и антропогенного воздействия на окружающую экосистему научное обоснование, разработка и внедрение новых типов газоочистного оборудования и совершенствование методов их проектирования, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия на живую природу является актуальной и своевременной задачей [10].
Известь, общие сведения, анализ технологии обжига
Известь получают путем обжига кальциево-магниевых горных пород до удаления углекислоты в печных агрегатах.
Разложение углекислого кальция представляет собой эндотермическую реакцию, требующую затрат большого количества тепла: СаСОз = СаО + С02 — 42,5 кал Для обжига 100 г. СаС03 требуется 42,5 кал тепла.
Конечными продуктами разложения СаСОз являются СОг - соединение вполне устойчивое, и СаО - негашеная известь или кипелка, благодаря поглощенной теплоте, представляющая соединение с большим запасом энергии. Негашеная известь с водой соединяется при бурной реакции, превращаясь в гидрат и выделяя теплоту: СаО + Н20 = Са(ОН)2 + 15,5 кал
При отсутствии воды негашеная известь поглощает влагу из воздуха, гасится, постепенно переходя в гидрат по той же формуле, превращается в пушонку. Поэтому в природе в естественном состоянии СаО не встречается. Приготовленная на заводах известь не может долго сохраняться на складах (пушится) [18].
При полном разложении 1 кг углекислого кальция образуется 0,56 кг СаО и 0,44 кг С02. Доводить степень диссоциации карбонатов до 100 % практически нецелесообразно ввиду снижения производительности печи и увеличения удельного расхода топлива на обжиг. На практике ограничиваются степенью диссоциации (степенью обжига) материала 90-98% - 20 21].
Скорость диссоциации быстро растет с увеличением температуры окружающей среды. Так, если скорость диссоциации СаСОз при температуре 950 С принять за единицу, то при 1050 С она увеличивается в 1,8 раза, при U 50 С - в 4 раза [19]. Следовательно, температура в печи:.— важнейший фактор ускорения диссоциации сырья и повышения производительности печи.
Однако, ускорение диссоциации повышением температуры в печи.сопровождается увеличением температуры поверхностных слоев материала, что нежелательно, так:как приводит к их «пережогу». Поэтому максимальную температуру газового потока в печах обычно поддерживают не выше 1300С.
Коэффициент теплоотдачи газов к поверхности куска зависит от относительной скорости движения теплоносителя и обжигаемого материала. Поэтому при одной и той же температуре газов (теплоносителя) температура поверхности кусков; материалов будет тем ближе к температуре газов, чем выше скорость их движения.
Коэффициент теплопроводности извести, образующейся на поверхности обжигаемых кусков, в 2-3 раза ниже, чем у исходного известняка. В результате, по мере обжига, поток тепла, направленный внутрь куска материала, постоянно уменьшается, если температура его поверхности остается постоянной [22].
Перечисленные выше факторы замедляют скорость диссоциации обжигаемого материала и обуславливают ее зависимость от линейного размера кусков. Установлено, что средняя продолжительность обжига известняка при температуре материала 1000 С для кусков размером 120 мм составляет 8,5 ч, размером 80 мм - 5,5 ч, 40 мм - 3 ч, 10 мм - 0,3 ч, менее I мм - около 1 с [19]. Поэтому размер кусков исходного сырья важнейший фактор, влияющий на продолжительность его диссоциации и, тем самым, на производительность печи, и является единственным путем повышения производительности и, одновременно, качества продукции.
Для обжига известняка применяются в основном шахтные и вращающиеся печи. Наиболее распространены шахтные печи, имеющие рабочее пространство в виде широкой вертикальной трубы, называемой шахтой. В этих печах в верхнюю часть шахты загружается известняк, а снизу выгружается известь. Пущенную печь не останавливают до тех пор, пока не потребуется ремонт.
В обычных шахтных печах обжиг кусковой мелочи затруднен, так как движение воздуха через мелкие куски известняка или мела встречает большое сопротивление. Мелкую фракцию известняка, непригодную для обжига в шахтных печах предприятия, не имеющие вращательных печей, вывозят в отвал, которые создают дополнительную экологическую опасность окружающей среде. Отвалы вызывают выщелачивание почвы и могут занимать большую площадь.
Вращающиеся печи позволяют обжигать мелкие фракции известняка, при этом гидравлическое сопротивление у них значительно ниже [23], Вращающаяся печь с внутренним теплообменным устройством представлена на рисунке 1.2.
Преимущества вращающихся печей для производства извести по сравнению с шахтными: механизация и управляемость процесса, равномерность обжига извести при высокой степени диссоциации карбонатов, возможность обжига рыхлого мела и известняка-ракушечника, а также мелких фракций сырья, простота организации сжигания газообразного и жидкого топлива [24].
Математическое моделирование движения газового потока в аппарате с ВКУ
На данный момент разработано множество программных комплексов для моделирования движения газа и жидкости. Наиболее распространенными являются такие программы, как Fluent, Star-CD, Flow-3D, Phoenics и другие. В данной работе применяется программный комплекс (ПК) «Phoenics», как наиболее надежный и доступный. Адекватность отображения расчетных данных подтверждены многими работами [86, 87].
Данный ПК призван облегчить инженерам решение математических задач гидродинамики и тепломассообмена. Он освобождает исследователя от рутинной работы по выстраиванию математической модели, выбора методики численной; реализации, составления алгоритма и; программы для; ЭВМ: Вместо этого в рамках графического интерфейса объектно-ориентированного программирования выстраивается; геометрическая: и физическая модель. А математические модели фактически заложены; в ПК «Phoenics». Это намного упрощает получение данных с помощью математического моделирования. Методика математического моделирования с помощью ПК «Phoenics»: L Препроцессор — составление исходных данных модели:
1. Геометрическая модель: - геометриярасчетной области, включая все геометрические объекты;: - расчетная сетка..
2. Физическая модель: - физико-химические свойства среды (плотность, вязкость, их зависимость от температуры, если они зависят для наших условий и задач); - фазовый состав (однофазная или многофазная среда); - режим движения и модель турбулентности; - искомые величины (давление, скорость, температура, концентрации, характеристики турбулентности и пр.); - внешние силы (например, сила тяжести); 3- Модельные граничные условия: - условия входа и выхода потока; - условия движения вблизи стенок.. А . Параметры численного решения: - количество итераций; - релаксация; - начальные приближения для искомых функций; II. Солвер - решение задачи, анализ хода решения. III. Постпроцессор: анализ полученных результатов решения. Каждая исследуемая зона — течение газа в области однозаходного тангенциального завихрителя с ВКУ и в области сепарации была решена как отдельная задача; Задача №1. Область однозаходного тангенциального завихрителя.
Геометрические параметры модели совпадают с экспериментальным аппаратом. Диаметр аппарата dail = 150 мм. Высота аппарата (однозаходного тангенциального завихрителя) ha„ = 91 мм. Высота ВКУ hBKy = 53 мм. Входной патрубок диаметром dex = 38 мм, расположен тангенциально по отношению к корпусу аппарата и находится на середине боковой плоскости аппарата.
Поскольку интерес представляет течение газа1 в:области между корпусом аппарата и ВКУ,.в.виду ограничения ресурсов ЭВМ и сложности создания необходимой расчетной сетки для подобного экспериментального ВКУ, были приняты следующие допущения [88]: - толщина лопаток увеличена до 3 мм, не изменяя внутренний и наружный диаметры ВКУ, dBII 60 мм (при толщине лопаток 1 мм расчетная сетка их не «видит»); - лопатки ВКУ приняты в виде прямых пластин со средним значением наружного диаметра dH3p = 85,2 мм. Для закрученных течений структура потока зависит от коэффициента пережима (отношение максимального радиуса входа к радиусу выхода),.с помощью которого можно обобщать структуру течения для ВКУ сферической и цилиндрической формы; - количество лопаток с 16 уменьшено до 8 (при 16 лопатках получаются завышенные скорости газа в щелях ВКУ и «видимая» расчетной сеткой фор ма щелей получается несимметричной).
Трехмерный вид геометрических параметров модели аппарата с ВКУ представлен на рисунке 2.3.
Для расчета выбрана декартова система координат. Попытки применения цилиндрической системы координат из-за сложности задания необходимой геометрии ВКУ и граничных условий, неудовлетворительной сходимости результатов были отложены.
Экспериментальная установка для исследования:гидравлического сопротивления ВКУ
Основным рабочим элементом исследуемого пылеуловителя является вихревое контактное устройство, в котором происходит основная доля физико-химических процессов (охлаждение газов, улова пыли и т.д.).
В настоящее время разработано большое количество вихревых тепло-массообменных тарелок различных конструкций, условия эксплуатации которых, учитывают требования конкретных химико-технологических процессов [59, 74].
Для обоснованного выбора и эффективного использования ВКУ распылительного типа с нисходящим потоком фаз для мокрого пылеулавливания в производстве силикатного кирпича необходимы сравнительные данные по технико-экономическим показателям работы предлагаемого ВКУ с различными способами организации контакта фаз (восходящий прямоток) и другими конструкциями тарелок.
Для исследования гидравлического сопротивления ВКУ (а в дальнейшем и эффективности пылеочистки) в случае нисходящего и восходящего потоков фаз, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к технике физико-химических исследований [101], была изготовлена и смонтирована экспериментальная установка, представленная на рисунке 3.1. При работе в восходящем режиме, аппарат фактически переворачивается с соблюдением условия подачи и слива жидкости.
Экспериментальный аппарат с нисходящим потоком фаз состоит из корпуса 1, тарелки, с вихревым контактным устройством 2, оросителя 3, тангенциального патрубка входа газа 4, патрубка выхода газа 5, патрубков подвода би отвода жидкости 7. С целью обеспечения визуального наблюдения за работой аппарата, корпус снабжен смотровыми окнами.
Аппарат работает иод разрежением, создаваемым высоконапорной газо-дувкой 17. Характеристики газодувки: максимальный расход воздуха - 1500 м3/ч, разрежение - 9000 Па, напор 11000 Па. Расход воздуха регулируется задвижкой 16 и контролируется нормальной диафрагмой 15 и диффманомет-ром 10. Нормальная диафрагма изготовлена в соответствии с техническими требованиями [102, 103].
Вода из напорной емкости 13 центробежным насосом 14 через ротам етр 8, типа PG-5, подаётся в ороситель 3V с помощью которого равномерно распределяется по лопаткам завихрителя контактного устройства 2. Регулировка расхода воды осуществлялась вентилями 9, В напорную емкость вода подавалась из водопровода. Отработанная жидкость по сливной линии сливалась в отстойник. Перепады давления в аппарате замерялись водяными диффма-нометрами И и 12. Элементы установки, относящиеся к исследованию эффективности пьтлеочистки, будут описаны в главе IV.
На основе оценки энергетических возможностей экспериментальной установки, были приняты следующие значения конструктивных параметров объекта исследования и диапазонов изменения режимов работы.
Высота аппарата -2 м, внутренний диаметр - 0,4 м, диаметр патрубков входа и выхода газа 165 мм.
Кроме исследования восходящего и нисходящего потоков фаз, проводилось сравнение конструкций ВКУ, представленных на рисунке 3.2, имеющие сферические, профилированные и прямолинейные лопатки завихрителя.
Геометрические параметры исследуемых ВКУ: - ВКУ 1, рисунок 2.2, радиус нижней части КУ гь радиус верхней части КУ г2 = 50 мм, радиус входа гвх = 65 мм, высота зоны завихрителя Н = 100 мм, высота сепаратора Zc = 100.мм, количество пластин, п - 12 шт. Площадь щелей завихрителя Sw - 0,00833 м2, площадь тарелки ST - 0.00785 м2; - ВКУ 2, с профилированными лопатками, лопатки изогнуты, если смотреть на завихритель сверху, радиус изгиба составляет R = 43,5 мм, Н = 90 мм; - ВКУ 3, с прямыми лопатками, Н = 112 мм: ВКУ — 2 и 3 отличаются от ВКУ-1 формой лопаток завихрителя и высотой завихрителя, Н. Площадь щелей завихрителя Бщ, площадь тарелки ST, количество лопаток завихрителя п, радиусТ(, высота сепаратора, Zc, представленных конструкций равные.
Результаты экспериментального исследования: эффективности работы пылеуловителя
На рисунке:4Л; представлена зависимость эффективности работы пылеуловителя от соотношения нагрузок по фазам \ E/G і при Wm ,=-19м/с для: восходящего и нисходящего прямотокадля ВКУГ, при запьшенности газового потока на \ входе в і аппарат порядка 30: г/м3. Во всём диапазоне изменения; соотношения нагрузок эффективность работы пылеуловителя с восходящим: потоком фаз выше; чем у ап парата с нисходящим потоком. Наибольшая разность наблюдается при небольших L/G - порядка10,22%. С увеличением соотношения нагрузок эта разница уменьшается и составляет примерно 0,03% при максимальном L/G.
На рисунке 4.2 представлена зависимость эффективности работы пылеуловителя от скорости газа в щелях завихрите л я при плотности орошения q = 38 м /м -ч для восходящего и нисходящего прямотока для ВКУ 1. Из рисунка видно, что при скоростях газа до 20 м/с эффективность пылеочистки в обоих случаях заметно возрастает, причём эффективность нисходящего прямотока возрастает с 94,6% до 99,7%. Во всём диапазоне скоростей по газу эффективность восходящего прямотока превышает эффективность нисходящего. Наибольшее различие наблюдается при скорости газа 6,45 м/с (разница составляет примерно 3,6%). Выше скорости газа 20 м/с эффективность практически не изменяется, и разность составляет примерно 0,05-0,1%.
В качестве параметра сравнения массообменных устройств различной конструкции можно использовать параметр л/ДР - эффективность, отнесённая к энергетическим затратам, идущим на достижение этой эффективности.
На рисунке 4.3 представлен график зависимости параметра л/ДР от скорости газа в щелях завихрителя для аппаратов с восходящим и нисходящим потоком фаз при плотности орошения q = 38 м3/м2-ч для ВКУ 1. Из графиков видно, что для обоих аппаратов с увеличением скорости газа отношение Т/ДР уменьшается. Во всём диапазоне скоростей газа аппарат с нисходящим потоком имеет большее значение л/ДР. Наибольшее различие наблюдается при малых скоростях газа (примерно 35%). При высоких скоростях это различие незначительное и составляет примерно 10%, то есть, по данному параметру сравнения контактное устройство с нисходящим потоком фаз превосходит устройство с восходящим прямотоком в среднем в 1,2-1,5 раза. Это открывает перспективы использования этих устройств в аппаратах мокрой пылеочистки, когда, исходя из технологических требований, накладываются жесткие ограничения по гидравлическому сопротивлению или выбору возду-ходутьевого оборудования.
В качестве иллюстраций в приложении П12 приведены фотографии элементов аппарата в процессе проведения эксперимента. На фотографиях можно видеть жидкостную завесу в ВКУ, а также выявить области налипания пыли на лопатках устройства и на тарелке.
Как видно из вышеприведенных зависимостей, эффективность очистки газов от пыли при скоростях более 16 м/с достигает значений 99 % и более при разностях значений г\ от 1 до 0,1 %. Для сравнительного анализа эффективности работы аппаратов с различными конструкциями ВКУ погрешность опыта может превышать возможные отличия значений исследуемых параметров. Поэтому перед входом в аппарат был установлен циклон, после которого концентрация пыли на входе в аппарат уменьшилась до 3 г/м3, и средний расчетный медианный диаметр частиц составил 7 мкм.
На рисунке 4.4 представлен график зависимости эффективности пылеулавливания аппарата т] от скорости газа в щелях завихрителя ВКУ \УЩ, для разных конструкций ВКУ (рисунок 3.3) при плотности орошения q = 38 м /м -ч и концентрации пыли на входе в аппарат 3 г/м .
