Учебники 80220

На правах рукописи

ЧУГУНОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА

ОБЕСПЫЛИВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ НАСЫПНЫМИ КОМБИНИРОВАННЫМИ ФИЛЬТРАМИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОГНЕУПОРОВ

Специальность 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с интенсификацией производства, износом технологического оборудования и нерациональной организацией природоохранных мероприятий запыленность окружающей среды постоянно растет. В этих условиях общий объем реальных вентиляционных выбросов из аспирационных систем, не учитываемых федеральной статистикой, увеличивается. Рациональным решением по снижению уровня воздействия пылегазовых выбросов на атмосферу является использование максимально замкнутых технологий и производств, позволяющих комплексно использовать перерабатываемое сырье и сводящих к возможному минимуму количество отходов непосредственно

всамих технологических процессах.

Впроизводстве конструкционных огнеупоров и строительных материалов наиболее распространены рукавные фильтры, которые имеют небольшой ресурс работы и не всегда способны осуществить очистку в соответствии с нормами ПДВ. Зернистые фильтры имеют ряд безусловных преимуществ по сравнению с рукавными: механическая прочность, высокая эффективность, способность к многократным регенерациям и созданию замкнутой технологии.

Одним из путей организации замкнутой технологии в рассматриваемых отраслях является использование насыпных комбинированных структур, которые обеспечивают высокую степень очистки и могут быть использованы вместе с уловленным материалом в производстве в качестве сырья.

Вработе анализируется режим функционирования предложенного оригинального насыпного комбинированного фильтра с несвязанной структурой зернистого слоя (НКФ), способного осуществлять последовательную очистку от взвешенных частиц различной дисперсности.

Цель работы – разработка нового насыпного комбинированного фильтра для обеспыливания вентиляционных выбросов при производстве огнеупоров и создание замкнутой технологии.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели потребовало комплексного решения следующих задач:

анализ физико-химических свойств дисперсной фазы вентиляционных выбросов и существующих систем пылеулавливания на основе фильтров с несвязанной структурой зернистого слоя;

разработка оригинального экспериментального фильтра и схемы его включения в технологическую производственную линию;

построение адекватных математических моделей, эффективно прогнозирующих рабочие параметры предложенных фильтров на основе НКФ;

проведение экспериментальных исследований для выявления оптимального технологического режима работы аппарата;

разработка максимально замкнутой технологии пылеулавливания, позволяющей соблюсти нормы ПДВ и обеспечить экономическую эффективность от реализации и внедрения систем.

Методы исследования и достоверность результатов обеспечиваются совместным использованием классических закономерностей механики аэрозолей

3

и теории фильтрования, которые в сочетании с экспериментальностатистическими методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов использованы апробированные методики НИИОГАЗа, ГИНЦВЕТМЕТа и НИФХИ им. Л.Я. Карпова. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 8 10 % с доверительной вероятностью 95 %, что следует признать вполне удовлетворительным.

Научная новизна работы состоит в следующем:

предложено конструктивное решение процесса пылеулавливания для огнеупорного производства. Принципиальная новизна этих решений, отраженная в полученных патентах, состоит в том, что последовательно расположенные фильтровальные слои могут быть установлены на различном расстоянии друг от друга, что позволит увеличить площадь фильтрования для достижения необходимой эффективности пылеулавливания;

предложены и экспериментально проверены математические интерполяционные модели в обобщенных переменных для расчета общей и фракционной эффективности процесса фильтрования вентиляционных выбросов через насыпной комбинированный фильтр, которые учитывают большее количество факторов (Н, w, dэ, τ), влияющих на гидродинамику процесса, чем классические модели, полученные с помощью дифференциальных уравнений;

определены оптимальные технологические режимы фильтрования с помощью НКФ. Установлено, что удельная нагрузка на поверхность фильтрования составляет 30 м3/м2мин;

впервые разработаны оптимальные способы регенерации насыпного комбинированного фильтра. Установлено, что обратная продувка через перфорированные продувочные трубки с использованием буферной емкости для сжатого воздуха является наиболее предпочтительным решением;

установлено, что основными параметрами при расчете эффективности очистки воздуха от пыли через НКФ являются дисперсный состав пыли и высота зернистого слоя;

предложена оригинальная схема, включающая транспортирующие устройства фирмы «Шраге», обеспечивающая замкнутый характер технологического процесса. Уловленная пыль вместе с отработанным фильтровальным материалом возвращается в производство.

На защиту выносятся:

предложенное конструктивное решение процесса пылеулавливания для огнеупорного производства;

математические интерполяционные модели в обобщенных переменных для расчета общей и фракционной эффективности процесса фильтрования вентиляционных выбросов через НКФ;

оптимальные технологические режимы фильтрования с помощью НКФ; способы и технологические параметры регенерации НКФ; оригинальная замкнутая схема очистки вентиляционных выбросов

промышленного назначения.

4

Практическая ценность диссертации. Разработан и рекомендован фильтр для очистки аспирируемого воздуха от смесительного, дозирующего и шлифовального оборудования на ОАО «Семилукский огнеупорный завод», ЗАО «Семилукский комбинат строительных материалов», где использование крупногабаритных систем пылеулавливания нецелесообразно и недостаточно эффективно. Отдельные аспекты работы используются на практике Белгородским государственным технологическим университетом им. В.Г. Шухова, Воронежским государственным университетом инженерных технологий. Специальные рекомендации по методике и проведению пылегазовых замеров выданы Федеральной службе по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Территориальному управлению по Воронежской области).

Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на 4-й и 5-й Всесоюзных научно-практических конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2009-2011 гг.); на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2008 г.); на 3-й Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2009-2010 гг.); на научной конференции с международным участием «Пищевая наука, техника и технологии» (Болгария, г. Пловдив, 2009-2010 гг.); на III Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (г. Тамбов, 2008 г.); на Московской международной научно-практической конференции «Биотехнология и экология крупнейших городов» (г. Москва, 2010 г.); на XXIV научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (Украина, г. Одесса, 2010 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 22 научные работы, из них 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий», «Строительные материалы», «Химическое и нефтегазовое машиностроение».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, показана технологическая и экологическая целесообразность использования зернистых фильтров из вентиляционных и аспирационных выбросов при сухом пылеулавливании, а также изложены основные результаты исследования. Получено четыре патента РФ и одно положительное решение патентной экспертизы.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 170 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 130 наименований, и приложения.

Диссертация содержит 48 рисунков, 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено современное состояние пылеулавливания вентиляционных выбросов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

5

В первой главе выполнен анализ современных способов фильтрования вентиляционных выбросов с твердой дисперсной фазой, изучены особенности технологического производства огнеупоров и строительных материалов, приведены данные медико-экологического мониторинга производства, рассмотрены основные нормативно-правовые аспекты работы огнеупорных предприятий в области пылеулавливания.

Детальный обзор и анализ способов фильтрования подтвердил необходимость создания и усовершенствования существующих систем пылеулавливания

сзернистыми насыпными слоями и определил задачи работы.

Вработе предложен алгоритм исследований, позволяющий анализировать и оптимизировать процесс обеспыливания вентиляционных выбросов с помощью НКФ.

Во второй главе дан анализ методик проведения замеров и основных фи- зико-химических характеристик дисперсной фазы вентиляционных выбросов огнеупорного производства.

Вкачестве контролируемых параметров до и после фильтра выбрана оценка расхода пылегазового потока, гидравлическое сопротивление, общий перепад давлений, температурные условия пылеулавливания, общая и фракционная эффективность очистки.

Вработе использован изокритериальный способ проведения пылегазовых замеров, состоящий в обеспечении равенства двух критериев Стокса: в устье заборного устройства

и в кольцевом пространстве между этим устьем и внутренним диаметром пылегазового тракта:

где ui – скорость аспирации аэрозоля; ue – скорость течения аэрозоля в зоне аспирации; τp – продолжительность релаксации; Di, De – внутренний и внешний диаметры наконечника зонда.

При этом отношение миделевых сечений устья заборной трубки и газохода не должно превышать 3,5 %, так как в противном случае нарушается представительный характер отбора пробы. Линейная скорость пылегазового потока измерялась микроманометрами типа ММН.

Эксперименты проводились на двух видах технологических пылей: периклаза и графито-периклаза. Для анализа дисперсного состава уловленную пыль изучали под микроскопом «Neofot-32». На рис. 1 представлены микрофотографии производственных пылей.

Как показывают микрофотографии, для зернистого слоя с толщиной 40 мм справедливо: для периклаза (0,06< dm <20)∙10-6 м, для графито-периклаза

(0,002< dm <10)∙10-6 м, где dm средний медианный диаметр частицы.

6

Рис. 1. Микрофотографии реальных производственных пылей на зернистом слое (толщина 40 мм): а) периклаз; б) графито-периклаз

В третьей главе особое внимание уделено анализу идеализированных моделей, механизмов, особенностей и вторичных явлений при обеспыливании с помощью НКФ (модели Гагена-Пуайзеля, Вили-Спанглера, Карнелла-Катца и др.). Рассмотрены механизмы фильтрования аэродисперсных систем комбинированными фильтровальными слоями (инерционное осаждение, зацепление, седиментация, диффузия и турбулентная миграция), преобладающие в известном диапазоне изменения значения критерия Re от 5∙102 до 1∙104.

Общая эффективность пылеулавливания НКФ должна быть больше любой парциальной эффективности, но меньше, чем их сумма. Лучшее приближение достигается при допущении, что частицы, не уловленные в результате осаждения одним из механизмов, осаждаются под действием других. Выражение суммарной эффективности имеет вид

где Эi эффективность улавливания в результате инерционного осаждения, Эh эффективность улавливания в результате зацепления; Эs эффективность улавливания в результате седиментации; Эd эффективность улавливания в результате диффузии; Эт эффективность улавливания в результате термофореза; Эт.м. эффективность улавливания в результате турбулентной миграции; Ээл.ст.

эффективность улавливания в результате электростатического осаждения. Пыль, не уловленная в первом по ходу пылегазового потока слое филь-

тра, улавливается в последующих.

Схема фильтрования представлена на рис. 2. При фильтровании через насыпной комбинированный слой пылегазовый поток, переходя от слоя с большим размером зерна к слою с меньшим размером зерна, меняет концентрацию и дисперсный состав пыли. Изменяется и режим течения газа в порах – начинается процесс с преобладанием накопления осадка на поверхности слоя и образованием автофильтра с постепенным забиванием пор слоя. Именно поэтому для анализа перепада давлений на таком фильтре теоретически можно выделить преобладающий характер для каждого подслоя и, основываясь на таком подходе, получить данную характеристику для каждого из подслоев.

7

где ∆Р' – перепад давлений, возникающий на фильтре за счет возникновения автофильтра на первом по ходу пылегазового потока слое, Па; ∆Р'' – перепад давлений, возникающий за счет постепенного закупоривания пор первого по ходу потока зернистого слоя, Па; ∆Р''' – перепад давлений, возникающий за счет постепенного закупоривания пор второго зернистого слоя, Па.

Рис. 2. Механизмы фильтрования через НКФ

Аналитическое выражение перепада давлений, создаваемого первым по ходу пылегазового потока слоем с диаметром зерна (3 < dз< 6) мм НКФ при протекании процесса с образованием автофильтра, имеет вид

Зависимость, характеризующая перепад давлений на первом слое зернистого фильтра при протекании процесса с постепенным закупориванием пор, имеет вид

Перепад давлений, возникающий на втором зернистом слое с диаметром зерна (1 < dз< 3) мм по ходу пылегазового потока при протекании процесса с постепенным закупориванием пор, имеет вид

После ряда преобразований и математической обработки получаем

8

где rос – радиус осадка пылевого слоя, rз' , rз" – радиус зерна первого и второго по

ходу пылегазового потока слоя НКФ, м; V – расход пылегазовой смеси, м3/с; μ – вязкость пылегазовой смеси, Па∙с; R – радиус фильтровального слоя фильтра, м; h1 – высота первого по ходу пылегазового потока зернистого слоя, м; h2 – высота второго по ходу пылегазового потока зернистого слоя, м; τ – продолжительность фильтрования, мин; хн – начальная объемная концентрация дисперсной фазы в пылегазовом потоке; Q – расход пылегазового потока, м3; Кн – начальный коэффициент проскока.

При прохождении через НКФ после первого слоя концентрация пыли изменяется и во втором по ходу газа слое процесс будет идти только с постепенным закупориванием пор зернистого слоя. Расчетные зависимости общего перепада давлений на НКФ от продолжительности процесса фильтрования ∆P=f( ) при разных начальных концентрациях пыли графито-периклаза в пылегазовом потоке приведены на рис. 3.

На рис. 4 приведены зависимости, полученные экспериментально и расчетным путем по уравнению (9). Полученные зависимости были использованы при разработке НКФ.

В четвертой главе представлен разработанный автором насыпной комбинированный фильтр с продувочными трубками. Конструкция фильтра, показанная на рис. 5, позволяет оперативно менять сменную фильтровальную кассету, что обеспечивает мобильность и непрерывность работы оборудования.

Разработанная экспериментальная схема с насыпным комбинированным фильтром представлена на рис. 6.

9