Отработанный газ

К экспериментальной оценке эффективности аппарата мокрой очистки в системах обеспыливания выбросов в атмосферу от печей обжига керамзита

В.Н. Азаров, С. А. Кошкарев, Л. Я.Соломахина

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет,

Волгоград

Аннотация: В статье рассмотрен перспективный способ сокращения выбросов пыли в атмосферу в производстве керамзита, используя высокоэффективный аппарат мокрой очистки аппаратом с комбинированной схемой пылеулавливания в обеспыливающих системах аспирации. В работе представлены данные промышленного обследования систем аспирации и результаты дисперсионного анализа керамзитовой пыли, выделяющейся от печей обжига. Обоснованы принципы разработки новых конструкций пылеуловителей с использованием результатов дисперсионного анализа улавливаемой пыли. В статье описан предложенный пылеуловитель для мокрой очистки для использования в системах обеспыливания систем аспирации в производстве керамзита и стройиндустрии. Выполнены эксперименты по оценке степени проскока частиц пыли и получена зависимость коэффициента улавливания частиц пыли устройством от параметров работы пылеуловителя. Проведены испытания разработанного пылеуловителя мокрой очистки, обеспечивающего значительное снижение выбросов пыли улавливаемой пыли керамзита в атмосферу.

Ключевые слова:. Пыль, керамзит, пылеуловитель, мокрая очистка, эффективность, дисперсионный анализ, выбросы, атмосфера, система, обеспыливание

Производство искусственных пористых заполнителей (керамзитового гравия и песка) для легких бетонов является одним из наиболее динамично развивающихся отраслей строительной индустрии.

Основные стадии технологического процесса производства керамзита: добыча сырья в карьере; транспортирование сырья в глинозапасник; переработка сырья, получение сырцовых гранул и их термическая обработка (сушка, обжиг, последующее охлаждение готового продукта); сортировка, частичное дробление полученного продукта; складирование и отгрузка материала .

Особенность производства пористых заполнителей (в частности керамзитового гравия) состоит в последовательном осуществлении ряда сложных в экологическом отношении операций переработки сыпучих

материалов, включая их термическую обработку. В ходе этих операций образуется значительное количество вредных выделений (в первую очередь полидисперсной пыли), локализация и отвод которых от источников выделений осуществляется системами местной вытяжной вентиляции, оснащенными установками пылеулавливания. В большинстве данных установок пылеулавливания наибольшее распространение получил инерционно-гравитационный механизм отделения пыли из очищаемого газопылевого потока.

Проведенный анализ показал, что в производстве керамзитового гравия для обеспыливания применяются установки, имеющие две, три и более ступеней очистки. Причем, в качестве первой ступени, как правило, устанавливаются циклоны ЦН, в качестве последующих ступеней — рукавные фильтры и электрофильтры . На практике вытяжные вентиляционные системы также оборудуются многоступенчатыми системами пылеочистки выбросов. В таких многоступенчатых системах применяются аппараты сухой (преимущественно инерционной) и мокрой очистки. Однако осуществляемые в них процессы из-за многоступенчатости очистных циклов, последовательной установки нескольких аппаратов и, следовательно, значительного аэродинамического сопротивления, отличаются значительной энергоемкостью. К тому же такие установки являются достаточно дорогими и сложными в эксплуатации .

Так в работах указаны пути снижения пыли в атмосферу при использовании аппаратов устройств центробежно-инерционных типа (ВЗП, циклонов) в системах обеспыливания, применяющихся в производстве строительных материалов. В статьях представлены описание схем систем пылеулавливания с дополнительной установкой последовательно третьего аппарата ВЗП при высоких значениях концентраций пыли в подаваемом на очистку пылегазовом потоке, которые рекомендуется

использовать на предприятиях стройиндустрии, и в том числе в системах обеспыливания для производства керамзита. Разработанная и рассмотренная в работе установка с частичной рециркуляцией способствует лучшему отделению частиц пыли, особенно мелкодисперсных, не только в пылеуловителе первой ступени, но и в аппарате второй ступени очистки .

Другим перспективным направлением является совершенствование и разработка новых конструкций центробежно-инерционных пылеуловителей. В работы были посвящены исследованию пылеулавливания и разработке новых пылеуловителей циклонного типа. В статье приведены результаты исследований процесса улавливания летучей золы в экспериментальной модели электроциклона. Установлено, что в разработанной конструкции аппарата степень очистки при электроциклонном режиме значительно выше (близка к 100%), чем при циклонном (90-90%). В работе приведены результаты исследований влияния формы циклона и пылесборника на пылегазовый поток в аппаратах инерционного типа (циклоне) на эффективность работы и производительность устройств. В статье приведены результаты экспериментального исследования и численного моделирования изменение и падение аэродинамического давления — одного из существенных параметров характеристики циклонов с применением численного моделирования гидродинамики очищаемого потока газа (ОБВ) с учетом изменяющихся напряжений Рейнольдса (ЯБМ). В статье разработана теоретическая модель с использованием параметра времени пребывания частиц в устройствах (среднего времени пребывания) для расчета эффективности улавливания циклоном. Получена полуэмпирическая модель, являющейся функцией основных размеров циклонов и эксплуатационных параметров без аналитического решения уравнений математического описания физической

сущности процесса сепарации пыли в циклоне. В работе представлены результаты разработка и испытания циклонного сепаратора, область аэродинамических режимов для которого была задана в интервале расхода воздуха от 10 и до 100 л/мин с достижением максимально возможной эффективности улавливания частиц пыли мелких фракций (1-10 мкм) низкой плотности.

Продолжаются исследования по разработке новых конструкций центробежно-инерционных устройств мокрой очистки газов (циклонов скрубберов) с применением методов численного моделирования описания и расчета пылеулавливания, например, . Так в статье представлены результаты исследования численного решения уравнений Эйлера, описывающих гидродинамику течения трехфазных потоков (газ — жидкость — твердое тело) и оценки эффективности очистки очищаемого потока газа от пыли в скруббере мокрой очистки. Целью исследования являлась оценка эффективности сепарации частиц летучей золы из пылегазового потока. В колонне на лотках — тарелках были установлены неподвижные клапаны таким образом, чтобы обеспечить необходимый рабочий режим улавливания в слое абсорбента — воды.

Так в статьях рассмотрены вопросы численного моделирования (ОБВ) движения одно- и двухфазных потоков в инерционных аппаратах. В исследованиях представлены результаты исследования численного решения уравнений Эйлера, описывающих гидродинамику течения потоков, в сочетании с дискретной фазовой моделью (БРМ) для получения характеристик трехфазного потока (газ — жидкость — твердое тело) и оценки эффективности очистки очищаемого потока газа от пыли в скруббере мокрой очистки. При этом предлагаемый метод расчета, по мнению авторов, может обеспечить фундаментальную основу для оптимизации, как моделирования улавливания пыли, так и для исследованной конструкции скруббера.

В работе рассматриваются вопросы математического описания полей течения обратных (восходящих) потоков газа внутри циклонов, снижающих эффективность пылеулавливания. Рассмотрены модели на основе традиционного подхода, в том числе для определения тангенциальной скорости и перепада давления внутри циклонов. В работе предложено использовать понятие «естественной» длиной циклона, которое объясняет причины нестабильности работы и образования вторичных потоков в циклоне. Приведен обзор последних и численного моделирования (ОБВ) циклонов, стационарных одно- и двухфазных потоков, и нестационарных течений. Рассмотрены перспективные направления этой области исследований с точки зрения автора .

При этом достижение высокого коэффициента эффективности улавливания мелкодисперсной пыли п, и, следовательно, незначительной величины показателя проскока частиц пыли г из очищаемого пылегазового потока в многоступенчатых системах обеспыливания вентиляционно-технологических выбросов является трудной инженерно-технологической задачей .

Для достижения высокой степени эффективности работы обеспыливающих систем целесообразно проводить дисперсионный анализ пыли, поступающей с пылегазовым потоком на очистку в пылеулавливающее оборудование, например, с использованием установки . В рамках проведенного промышленного обследования были проведен отбор проб пыли керамзита в системах аспирации печей обжига керамзита, устройствах обеспыливания вентиляционно-технологических выбросов. Выполненный по результатам данного исследования в анализ показал, что мелкодисперсные фракции с размером частиц пыли керамзита 8ч=10 мкм и менее составляют около 90% от общей массы пыли керамзита. Значение среднемедианного диаметра частиц пыли керамзита 850 изменяется в зависимости от места

обора проб и выпускаемой продукции (керамзитового гравия, песка) от 2 до 5 мкм. Для улавливания «проскакивающих» частиц мелких фракций пыли через аппараты инерционного типа первой ступени очистки целесообразно устанавливать в последующих ступенях обеспыливания пылеулавливающие устройства с отличными механизмами сепарации пыли (например, фильтры, или пылеуловители «мокрой» очистки).

Таким образом, проведенный обзор только части научно-технической литературы, показал, что дальнейшее изучение и интенсификация процесса пылеулавливания, совершенствование и разработка новых конструкций центробежно-инерционных устройств, в том числе скрубберов, пылеуловителей мокрой очистки, ВЗП, и других пылеуловителей, остаются актуальными. Использование экспериментально получаемых при дисперсионном анализе данных о размерах частиц и эффективности улавливания пыли такими устройствами должны быть основой таких конструкторских разработок.

Одними из основных источников выделения пыли при производстве керамзита являются печи обжига керамзита, сушильные камеры и посты загрузки транспортных средств. В процессе обжига керамзитового гравия образуются продукты сгорания природного газа и керамзитовая пыль. Проведенные исследования ряда источников выбросов в атмосферу на предприятиях по производству керамзита, показывает, что наиболее существенный вклад в загрязнении воздушного бассейна городских и промышленных территорий вносят именно эти вещества. Соответственно они содержат пыль, а так же значительные объемы продуктов сгорания природного газа. Результаты исследования принятой к исследованию выборки систем аспирации печей обжига керамзита ряда предприятий отрасли показали, что на постах погрузки керамзита выделяется керамзитовая пыль с удельным пылевыделением Сп=0,5-0,8 кг/м .

Запыленность отходящих газов пыле воздушного потока воздуха в системах аспирации, поступающего из технологических объемов транспортирующих механизмов, шнековых дробилок и гравия сортировок может достигать от 10 до 15 г/м . При этом максимально-разовые значения пыли керамзита на некоторых участках может достигать величины Ммр=30,0-45,0 г/с . При этом в системах аспирации формируется пылегазовый поток с величинами концентраций пыли от 7,0 до 10,3 г/м на начальных участках. Максимально-разовые значения массового расхода пыли на соответствующих начальных участках систем аспирации составляют Ммр= 7,0-11,0 г/с.

С целью решения сложной задачи эффективного улавливания (доулавливания) частиц мелких фракций пыли, уносимых воздушным потоком из аппаратов первой ступени очистки обеспыливающих устройств систем аспирации предприятий стройиндустрии, на кафедре безопасности жизнедеятельности в техносфере Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета разработано устройство, предназначенное для улавливания частиц пыли из очищаемого пылегазового потока выбросов в атмосферу . Данное устройство было предложено использовать в системах обеспыливания систем аспирации печей обжига керамзита с обеспечением незначительной величины проскока частиц пыли, в котором реализуются несколько физических принципов механизмов сепарации пыли . Для конструктивного упрощения, снижения капитальных и эксплуатационных затрат предлагается использовать данное устройство в системе очистки выбросов от печи обжига керамзита. Следует отметить, что проведен комплекс исследований предложенного пылеуловителя, который показал его высокую эффективность улавливания ингредиентов из очищаемого пылевоздушного потока при приемлемом аэродинамическом сопротивлении и надежной работе .

В устройстве с комбинированной схемой сепарации пыли из пылегазового потока осуществляется первичное улавливание пыли инерционно-гравитационным способом с последовательным улавливанием её остаточных концентраций в барботированном слое воды. При этом фактически для увеличения суммарной эффективности аппарата в пылеуловителе реализована двухступенчатая схема очистки, в качестве второй ступени очистки предусмотрена установка контактных камер, диаметр которых существенно меньше, чем диаметр собственно аппарата, верхняя часть которого представляет модификацию прямоточного циклона . Достигаемые при этом суммарные коэффициенты эффективности улавливания пыли способны в значительной степени повысить экологическую безопасность производства. Такие устройства предлагается использовать в системах аспирации и пневмотранспорта на комбинатах строительных материалов (ЖБИ), заводах по производству цемента, кирпича и асфальтобетона, установках по производству растворобетонных смесей и т. п. производствах.

Применительно к очистке выбросов от пыли при экспериментальной оценке характеристик аппарата мокрой очистки в качестве определяющих факторов были приняты:

к = к /к

,ьжк жк/ ко

к = к/^

уровень жидкости в конфузоре Нжк, отсчитываемый от нижней горизонтальной перегородки, отнесенный к высоте конфузора кКо, изменялся в интервале от -0,16 до 0;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

высота контактной камеры Кк, отнесенная к диаметру контактной камеры йк, изменялась в интервале от 7,5 до 12,5.

Определяющие факторы имели вид, рекомендованный литературой .

_ ^жк Ь-жко _ Ь-к ^кд /14

» дЕжк ‘ » (1)

В качестве функций отклика были приняты эффективность улавливания пыли в аппарате и приведенный коэффициент местного сопротивления аппарата Е, характеризующий аэродинамическое сопротивление устройства в рабочем гидродинамическом режиме.

Определяющие факторы х± и х2 имели вид, рекомендованный литературой

^жк ^жкп ^к ^кп /1 \

Х1 — -=— , X? = —(1)

1 ДЬжк 2 дьк 4 ‘

Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на стенде, схема которого показана на рис.1. Основу установки составил аппарат предложенной конструкции, в полномасштабном (М 1:1) исполнении с сохранением геометрических размеров, соотношений и форм реального (промышленного) устройства.

В качестве рабочей жидкости в устройстве использовалась вода. Математическая обработка результатов эксперимента с применением рекомендаций , позволила получить зависимость изменения эффективность улавливания пыли в устройстве от общей высоты слоя жидкости кжк в контактной камере и высоты контактной камеры, отнесенной к диаметру контактной камеры, Кк регрессионного вида

П = 1 — (2)

гл а

ш &

о

пылевоздушн

Очищаемая

Рис. 1. — Схема экспериментальной установки.

1 — патрубок входа; 2 — технологический блок-модуль; 3 -блок-поддон с водой; 4 — патрубок слива воды; 5 — регулятор подачи и поддержания уровня жидкости; 6 — сепарационный блок; 7 — патрубок выхода очищенного потока газа; 8 — пластинчатый сепаратор; 9 — конфузоры; 10 — контактные трубчатые камеры; 11 — диффузоры; 12 — насыпная керамзитовая загрузка; 13, 14 -горизонтальные перегородки; 15, 16 — измерительный комплекс для определения расхода и давления; 17, 18 — измерительный комплекс для определения концентрации; 19 — дистанционно-управляемый шибер; 20 — вентилятор

Экспериментально установлено, что максимальная эффективность улавливания пыли в устройстве достигается при максимальном уровне (высоте) жидкости в конфузоре, отнесенного к общей высоте конфузора,

Кжк.=0. Потери давления в аппарате АР при этом максимальны и достигают значения около 1500 Па. При уменьшении уровня (высоты) жидкости в конфузоре эффективность улавливания пыли устройством снижается, достигая минимального значения при минимальном значении потери давления в аппарате АР (около 800 Па).

Изменение коэффициента эффективности улавливания пыли в устройстве проскока частиц пыли при Кк >10 незначительно, и для обеспечения надежной работы устройства и снижения трудоемкости при эксплуатации, значение относительной высоты контактной камеры целесообразно принимать Ек=10 .

Выводы

Совершенствование систем очистки выбросов промышленности и стройиндустрии может быть реализовано на основе применения предложенного устройства. В исследованном пылеуловителе, сочетающим высокоэффективный инерционно-гравитационный механизм сепарации основной массы пыли и последующее улавливанием её остаточных концентраций барботирующим слоем воды. Основным результатом исследования стало определение принципиальной возможности пылеулавливания в устройстве и области аэродинамических режимов работы. При этом на экспериментальной установке получены данные по эффективности улавливания пыли керамзита, максимальное значение которой составило п=99,78 % (минимальная величина проскока пыли 8=0,22%). Результатом проведенного исследования может стать внедрение в практику одного из эффективных методов решения актуальной проблемы: повышения экологической безопасности стройиндустрии, в т.ч. производства керамзита, — при снижении выбросов пыли системами аспирации печей обжига и других подобных источников загрязнения атмосферы.

Литература

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Борщевский, А. А. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1987. 326 с.

2. Ицкович, С. М. Заполнители для бетона. Минск: Вышэйшая школа, 1983. 256 с.

3. Комар, А. Г. Строительные материалы и изделия. М.: Высшая школа, 1988. 527 с.

4. Технология производства керамзита // euravitebsk.org/ URL: euravitebsk.org/news/148-expanded-clay.html.

5. Онацкий, С. П. Производство керамзита. М.: Стройиздат, 1987. 405 с.

6. Балтеренас, П. С. Обеспыливание воздуха на предприятиях строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. 180 с.

9. Сергина, Н. М. Пути снижения пыли извести в атмосферу при производстве строительных материалов // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №11. С. 53-55.

24. Кошкарев, С.А., Кисленко, Т.А. О применении аппарата пылеулавливания с комбинированной схемой сепарации пыли из пылегазового потока в производстве керамзита // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №11. С. 47-49

25. Батрак, А. П. Планирование и организация эксперимента. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. 60 с.

26. Ермаков, С. М. Математическая теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 2007. 320 с.

27. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. 520 с.

2. Ickovich, S. M. Zapolniteli dlja betona Minsk: Vyshjejshaja shkola, 1983. 256 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Komar, A. G. Stroitel’nye materialy i izdelija M.: Vysshaja shkola, 1988. 527 p.

5. Onackij, S. P. Proizvodstvo keramzita . M.: Strojizdat, 1987. 405 p.

9. Sergina, N. M. Al’ternativnaja jenergetika i jekologija. 2013. №11. pp. 5355.

11. Sergina, N. M., Azarov, D. V., Gladkov, E. V Stroitel’nye materialy. 2013. №2. pp. 86-88.

12. Injushkin, N.V., Ermakov, S.A., Titov, A.G, Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. №4 (vyp. 4). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/524.

24. Koshkarev, S.A., Kislenko, T.A. Al’ternativnaja jenergetika i jekologija. 2013. №11. pp. 47-49