10.4 Выводы по научной части
Введение в керамическую массу добавок цеолита и волластонита повышает прочность керамического черепка. Однако необходимо отметить, что прочность зависит не только от количества вводимых добавок, а также от температуры обжига в пределах 950-10500 С. Выбор данного интервала температур выбран, прежде всего, из-за поведения добавок при обжиге. Так при температуре 9500С образец с цеолитом дает большую прочность, чем при температуре 10500С. Объясняется это тем, что при температуре 9500С из клиноптилолита образуется новый минерал - морденит, являющийся плавнем, количество которого в смеси достаточно для образования жидкой фазы, однако после повышения температуры количество минерала увеличивает, в результате чего керамический черепок вспучивается и, разрушаясь, резко теряет прочность. Образец с добавкой синтетического волластонита наоборот дает прочность только при повышенных температурах. При 9500С сырьевая смесь и волластонит не успевают прореагировать, так как температура слишком мала для образования жидкой фазы, однако, уже при 10500С волластонит с сырьевой смесью образует жидкую фазу, и, благодаря своей игольчатой структуре, он проникает в каркас кристаллической решетки черепка и затем при кристаллизации шихты и последующем охлаждении прочно скрепляет иголки между собой, и в результате керамический черепок приобретает дополнительную прочность [59,68].
Таким образом, введение добавок цеолита и синтетического волластонита в сырьевую смесь из лесса и воды, позволяет получать кирпич высоких марок из местного сырья, что является важным для строительной керамики облицовочного назначения [61,68].
11. Охрана окружающей среды
Существующие технологические отходы в производстве керамического кирпича
Как и любая промышленность, производство керамического кирпича образует отходы. Керамический кирпич изготавливают на механизированных предприятиях из глины и различных добавок (кварц, трепел, песок).
Основными процессами в производстве кирпича являются:
) подготовка многокомпонентной шихты полусухим или пластическим способом; в первом случае сырьевые материалы сушат и измельчают в тонкий порошок, перемешивая его с добавками, а во втором - материалы дробят, разминают и перемешивают с водой;
) формование сырца путем прессования увлажненного (до влагосодержания 8-10%) порошка на гидравлических или механических прессах либо путем формования тестообразной (влажность 20-25%) пластичной массы на различных по принципу действия и мощности, ленточных прессах;
) сушка - удаление влаги в процессе нагрева сырца газами или другим теплоносителем;
) обжиг - завершающий, наиболее сложный процесс, разделяющийся на досушку сырца, подогрев, взвар с выдержкой и остывание изделий [6].
Среди отходов в производстве кирпича встречаются: мелкодисперсная пыль и брак готового изделия.
Брак кирпича может наблюдаться на стадии формования изделия, сушки и обжига, а также при прессовании изделия полусухим методом производства. Брак готового изделия может возвращаться в производство в качестве добавки для снижения влажности шихты или в качестве щебня в общестроительных работах и при изготовлении бетона.
Большое значение на предприятиях по производству кирпича имеет проблема борьбы с запыленностью в цехах, создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда и защиты окружающей среды. Пыль может образоваться при дроблении глины, ее помоле, а также в малых количествах при сушке и обжиге изделия. Дисперсный состав пыли зависит от технологического процесса, типа и размера печи, химического и зернового состава сырья. Грубые частицы пыли являются продуктом механического уноса сырьевой смеси. Более тонкие фракции пыли образуются в результате уноса газовым потоком обжигаемого материала из активной зоны печи.
При производстве глиняного кирпича наибольшее пылевыделение, превышающее ПДК на складах глины - 1,5-2,5, песка 5-7, в цехе приготовления сырьевой смеси 12-15. На участке погрузки и разгрузки запыленность в 2-3 раза превышает допустимые концентрации. Кирпичные заводы оснащены специальными пылеуловителями. Однако эффективность их недостаточна, и запыленность воздуха в производственных помещениях, а также в прилежащей местности превышает иногда допустимые концентрации. Это, кроме того, является следствием недостаточной герметизации помольно-дробильного и транспортирующего оборудования, а также отклонений технологических режимов (повышенное давление в камерах и т.п.) и бездействия местной вентиляции и др. Пылевые выбросы производства керамического кирпича содержат вредные для здоровья компоненты, среди них более опасным является мелкодисперсный кварц, вызывающий заболевания легких. Поэтому для сохранения здоровья рабочего персонала и улучшения экологической обстановки важно утилизировать отходы производства строительного кирпича [2,3].
Утилизации отходов производства керамического кирпича в мировой практике
Аппараты, применяемые для очистки воздуха от пыли в производстве керамического кирпича, подразделяются на два основных вида: воздушные фильтры и пылеуловители. Такое разделение оборудования несколько условно, но позволяет довольно четко обозначить область его применения. Воздушные фильтры служат для очистки наружного воздуха, подаваемого в производственные помещения, пылеуловители - для очистки воздуха, удаляемого системами аспирации, от пыли перед выбросом его в атмосферу.
Эффективность пылеосаждения определяется, прежде всего, величиной осаждаемых частиц. Чем крупнее пыль, содержащаяся в запыленном воздухе, тем легче ее осадить, применив даже простейшие аппараты. Кроме того, на эффективность пылеулавливания влияют и на другие свойства пыли: слипаемость, влажность, удельный вес, геометрическая форма пылинок и др. В конструкциях всех известных аппаратов используются немногочисленные принципы осаждения пылевых частиц. Пылевые частицы могут выделяться из воздушного потока под действием гравитационных сил. Эти силы невелики, поэтому пылеуловители, основанные на использовании этих сил, не могут удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к очистке газов.
Широкое применение нашли пылеуловители, основанные на действии инерционных и электрических сил, а также пылеулавливание с помощью фильтрации запыленного воздуха через пористые материалы и осаждения пыли на смоченные поверхности [1].
Инерционное отделение частиц в прямолинейных потоках происходит при обтекании препятствий. Осаждение пылевых частиц в этом случае обусловливается отклонением воздушных потоков при соприкосновении с перфорированными поверхностями, волокнами, каплями жидкости и т. п. Эффективность осаждения определяется соотношением числа частиц, соударяющихся с препятствием, с числом частиц, которые пересекли бы контур препятствия, если бы последнее не отклоняло воздушный поток. Выделение частиц объясняется торможением потока, несущего частицы, вблизи передней критической точки обтекания - точки застоя, образующейся у препятствия. Скорость частиц замедляется, они теряют инерцию и в результате действия поперечных составляющих скорости потока выносятся параллельно поверхности.
Существенное влияние на осаждение частиц оказывает способность их к смачиванию. Если частицы плохо смачиваются, то поверхность жидкости около частицы приобретает вогнутую форму, т.е. силы поверхностного натяжения жидкости препятствуют погружению в нее частицы. Для снижения сил поверхностного натяжения воды и улучшения смачивания вводят специальные вещества - ингибиторы. Смачиваемость пылевых частиц уменьшается с уменьшением их крупности. Даже такой гидрофильный минерал, как кварц, в виде порошка трудно смачивается водой. Независимо от вида материала частицы менее 5 мкм относятся к несмачиваемым.
Осаждение частиц пыли в пористых слоях происходит в результате одновременного действия всех рассмотренных механизмов пылеосаждения. Теория фильтрации в пористых слоях разработана недостаточно полно, так как учесть многочисленные факторы, влияющие на осаждение пыли, - задача чрезвычайно трудная. Расчет эффективности пылеуловителей производится главным образом на основе опытных данных. Методы обеспыливания с помощью звуковых генераторов требуют дальнейших исследований. Существенным недостатком акустических методов обеспыливания являются значительная стоимость оборудования и большие эксплуатационные издержки. В нашей стране эти методы пока не нашли широкого применения и в настоящей работе не рассматриваются.
Выбор метода очистки и пылеуловителя в основном зависит от дисперсного состава и свойств пыли, а также требований, предъявляемых к полноте осаждения частиц [4].
Аппарат, применяемый для очистки кирпичной пыли в производстве строительного кирпича
Все известные способы улавливания пыли можно разделить на сухие и мокрые. Мокрые способы характеризуются большими энергозатратами, наличием стоков, необходимостью защиты аппаратуры от коррозии и устранения отложений на стенках аппаратов и трубопроводов и т. п., поэтому предпочтение отдается сухим способам пылеулавливания за исключением тех случаев, когда мокрое пылеулавливание обусловливается технологическими требованиями. Например, в процессе очистки необходимо охлаждать газ до температуры точки росы или обработку уловленной пыли вести гидравлическим способом [7].
Среди известных различных сухих способов очистки промышленных газов от крупнодисперсных частиц пыли наибольшее распространение получили пылеосадительные камеры и циклоны.
Выбор одного из этих двух типов аппаратов определяется технико-экономическим сопоставлением. При этом надо учитывать следующие факторы. Пылеосадительные камеры являются самыми простыми в эксплуатации и служат для грубой очистки, однако более мелкие частицы пыли могут выноситься с потоками воздуха наружу. Пылеосадительные камеры обладают большими габаритами и малоэффективны, поэтому заменяются на другие пылеулавливающие устройства. Одним из них является циклон. Циклоны - это устройства для отделения твердых частиц из воздуха; конструктивные элементы которых обеспечивают вращательно-поступательное движение газового потока. При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 85-98% от частиц пыли размером более 10 мкм.
Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности. Они имеют следующие достоинства:
. отсутствие движущихся частей в аппарате;
. надежность работы при температурах газов вплоть до 500°С (для работы при более высоких температурах циклоны изготовляют из специальных материалов);
. возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;
. улавливание пыли в сухом виде;
. почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата;
. успешная работа при высоких давлениях газов;
. простота изготовления;
. сохранение высокой фракционной эффективности очистки при увеличении запыленности газов.
Недостатки:
. высокое гидравлическое сопротивление: 1250 - 1500 Па;
. плохое улавливание частиц размером <5 мкм;
. невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений.
Принципиально циклон работает по следующей схеме (рис. 11.3.1). Обеспыливаемый газ поступает в образующую кольцевое пространство аппарата цилиндрическую часть, где движется по спирали с возрастающей скоростью от периферии к центру, спускается по наружной спирали, затем поднимается по внутренней спирали и выходит через выхлопную трубу. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенке циклоны и вместе с частью газа попадают в бункер. Часть освободившегося от пыли газа возвращается из бункера в циклон через центр пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю [6].
Рис. 11.3.1 - Схема течения газовых потоков в циклоне. 1, 4 - входной и отводящий патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой бункер.
Отделение частиц от попавшего в бункер газа происходит при перемене направления их движения на 180° под действием сил инерции. По мере движения данной части газа в сторону выхлопной трубы к ним присоединяются порции газа, не попавшего в бункер. Это не вызывает существенного увеличения выноса пыли в трубу, так как распределенное на довольно большом отрезке длины циклоны перетекание газа происходит со скоростью, недостаточной для противодействия движению частиц к периферии аппарата. Значительно большее влияние на полноту пылеулавливания оказывает движение газа в области пылеотводящего отверстия. Поэтому частицы чрезвычайно чувствительны к подсосам газа через бункер из-за увеличения объема потока, движущегося навстречу улавливаемой пыли. Отсюда видна важная роль бункера при осаждении частиц пыли в циклоне; использование таких аппаратов без бункеров или с бункерами уменьшенных размеров приводит к снижению эффективности пылеулавливания [4,6].
Расчет основных габаритных размеров циклона
В производстве кирпича в качестве пылеулавливающего аппарата был выбран циклон. Циклон работает только при полной нагрузке, при малой нагрузке его к.п.д. уменьшается. Скорость воздуха во входном патрубке циклона принимают 16 - 20 м/с и не более 25 м/с, а в выходном 4 - 6 м/с [8].
В таблице 11.4.1 указана характеристика наиболее распространенных циклонов.
Таблица 11.4.1 Техническая характеристика циклонов.
-
Тип циклона
Диаметр циклона, м
Производительность, м3/с
Размеры
h
Hц
Нк
ССМ
2,21 2,88 3,20 3,46
2 3,7 5 5,8
- - - -
1,92 2,56 2,88 3,12
2,1 2,85 3,17 3,39
НИИГаз (Институт очистки газа)
0,04-0,08 0,04-0,08 0,4-1
- - - -
0,48Dц 0,66 Dц 1,11 Dц
2,08 Dц 2,26 Dц 2,11 Dц
2 Dц 2 Dц 1,75 Dц
ВТИ (Теплотехнический институт)
0,3 0,45 0,6 1,0
0,17 0,37 0,67 1,86
Выходной патрубок: h=0,361 Dц b=0,206 Dц F=0,0745 Dц
ЦКТИ
2,1 2,4 3,25 3,6
5,86 7,8 1,4 1,8
h=0,4 Dц b=0,2 Dц F=0,8 Dц -
- - - -
- - - -
Циклон будет расположен после дробилки для измельчения глины, так как в производстве кирпича данная операция является самой пылеобразующей. Из предлагаемой таблицы технической характеристики был выбран циклон из группы ВТИ, диаметром Dц=0,45, производительностью Q=0,37 м3/с, h=0,361 Dц, b=0,206 Dц, F=0,0745 Dц.
Диаметр выхлопной трубы циклона будет равен:
где Q - производительность циклона, м3/ч; vвых - скорость воздуха в выходном патрубке (18 м/с).
Глубина опускания выхлопной трубы:
Диаметр разгрузочного патрубка циклона Dп по практическим соображениям принимают не более 250 мм.
Высота цилиндрической части циклона:
