Развитие аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеуловителей в производстве конструкционных огнеупорных материалов

Выполненная работа направлена на дальнейшее развитие и совершенствование аэродинамических энергосберегающих процессов сухого пылеулавливания из отходящих технологических газов и аспирационных выбросов в производстве огнеупоров, что позволит обеспечить надежную защиту техносферы и окружающей среды от токсичных пылей, утилизацию ценного сырьевого компонента и высокую рентабельность социально-экономических мероприятий в этом направлении.

Актуальность темы

.

О напряженности в районе расположения огнеупорных заводов говорят такие цифры: в России предприятиями по производству огнеупоров ежегодно выбрасываются в атмосферу 60 тыс. тонн твердой неорганической пыли. Сверхнормативный выброс — 18 тыс. тонн. На территориях, примыкающих к огнеупорным заводам, годовой осадок пыли достигает 7 кг/м2, а размеры частиц пыли колеблются от 0,01 до 10 мкм, что представляет наибольшую опасность для органов дыхания. Эти пылевые выбросы, весьма токсичные сами по себе, не остаются в атмосфере без изменений и под действием солнечных лучей и озона образуют новые, еще более токсичные соединения. При этом атмосферная турбулентность и ветер не успевают удалять из воздушного бассейна предприятий постоянно растущие в связи с интенсификацией производства пылевые выбросы.

В связи с этим важной задачей является предупреждение загрязнения атмосферы промышленными пылевыми выбросами, что в значительной мере связано с совершенствованием пылегазовых трактов и аспирационных систем [74, 76−82, 84].

Эксплуатация аспирационных систем в огнеупорном производстве показала, что при неравномерном распределении пылегазового потока по рабочему сечению трубопроводов или при неравномерном распределении этого потока по отдельным пылеуловителям, расчетные показатели эффективности не достигаются, что приводит к увеличению токсичных выбросов в атмосферу и потере дефицитного сырья. Иногда неравномерное распределение пылегазового потока является причиной аварийной ситуации и во всех случаях ухудшает технологические показатели систем пылеулавливания [42−45].

Поэтому исключительную актуальность приобретает разработка аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеулавливания. Эти способы, обеспечивая высокую и многостороннюю результативность, требуют минимальных затрат на свою реализацию.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой РОСТРОМ РФ по научному направлению «Разработка систем теплогазоснабжения с целью экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных выбросов энергетических установок».

Цель работы — развитие, совершенствование, апробирование и внедрение в практику аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеуловителей в производстве огнеупоров.

Задачи исследований потребовали комплексного решения следующих вопросов: анализ существующих энергосберегающих способов сухого пылеулавливания в производстве огнеупороввыбора и обоснования направления экспериментальных исследований и соответствующей методологииразработки условий и способов усовершенствования аэродинамики движения пылега-зовых потоков и экспериментальной оценки распределения этих потоков по рабочим сечениям пылеуловителей различных типоввсестороннего обсуждения полученных результатов в печати и их апробирования на научных форумахоценки экономических и социальных результатов работы, ее технических и коммерческих перспектив.

Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании классических закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных.

Н. А. Фуксом, И. В. Петряновым-Соколовым, Е. П. Медниковым, В. А. Жужико-вым, Т. А. Малиновской, И. Е. Идельчиком, Ю. В. Красовицким, А. Ю. Вальдбер-гом, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов использованы апробированные методики НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им. Л. Я. Карпова, что обеспечило получение достаточно представительных и воспроизводимых данных [34]. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 18% с доверительной вероятностью 0,95.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— доказан перспективный характер применения аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности пылеуловителей в производстве огнеупоров и впервые получен представительный банк комплексных данных для широкой реализации этих способов в смежных отраслях (производство стройматериалов, химическая и нефтегазовая промышленность, теплоэнергетика);

— предложены и экспериментально подтверждены новые унифицированные функции единого типа, связывающие коэффициенты изменения проскока с коэффициентом Буссинеска;

— при расчете зернистых слоев, используемых для аэродинамической стабилизации пылегазовых потоков, впервые комплексно учтены различные механизмы осаждения твердых частиц в поровых каналах, установлена доминирующая роль фактора турбулентной миграции и предложена формула для определения общего коэффициента проскока частиц дисперсной фазы пылега-зового потока через такие слои;

— изучены кинетические закономерности фильтрования пылегазового потока вертикально расположенными зернистыми слоями, обеспечивающими равномерное распределение этого потока, при постепенном закупоривании поровых каналов слоя и предложены аналитические выражения в обобщенных переменных для расчета и прогнозирования рабочих параметров этого процесса;

— предложены конкретные способы и уточненные технические параметры условий регенерации зернистых слоев, обеспечивающих аэродинамическую и энергосберегающую стабилизацию пылегазового потока;

— разработаны оригинальные модификации унифицированных экспериментальных стендов, позволяющих осуществить широкий спектр исследований аэродинамических энергосберегающих способов сухого пылеулавливания, как в лабораторных условиях, так и на реальных пылегазовых потоках;

— впервые показаны преимущества одновременного применения квазивиртуальных импакторов НИИОГАЗ и группы циклонных сепараторов при выполнении дисперсного экспресс-анализа промышленных пылей в производстве огнеупоров;

— показана перспективность факторного планирования экспериментов для получения интерполяционных моделей, прогнозирующих общие и фракционные коэффициенты проскока при фильтровании полидисперсных пылегазовых потоков промышленного происхождения;

— впервые предложен анализ технических и коммерческих перспектив реализации результатов работы.

На защиту выносятся указанные выше положения, составляющие научную новизну работы.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке рекомендаций Семилукскому огнеупорному и Воронежскому керамическому заводам по внедрению аэродинамических энергосберегающих способов повышения эффективности систем и аппаратов для улавливания пылей из отходящих технологических газов и аспирационных выбросов (пневмотранспорт глинозема из силосных башен в бункера — диффузоры с удлиненными разделительными стенкамиаспирационные выбросы от пересыпных устройств, дозаторов, мешалок, шаровых и трубомельниц — распределительные решетки с переменным живым сечениемтехнологические газы после сушильных барабанов — зернистые фильтрующие слоивращающихся и шахтных печей — диффузоры с укороченными разделительными стенками). Инженерно-технические рекомендации, содержащиеся в диссертации, внедрены и приняты к использованию на Оскольском электрометаллургическом комбинате, Таганрогском металлургическом заводе, Семилукском комбинате строительных материалов, причем, экономический эффект только на Семилукском огнеупорном заводе составил 779 362 руб. Результаты работы, представленные в МАНЭБ (С.-Петербург), награждены в 2003 г. Дипломом «За значительный вклад в дело охраны окружающей среды от пылевых выбросов промышленных предприятий, обеспечение норм ПДВ и безопасности жизнедеятельности».

Отдельные разделы работы переданы отраслевым НИИ (С.-Петербургский институт огнеупоров, АО «НИИОГАЗ») и заинтересованным проектным организациям, а также систематически используются в учебной практике кафедр «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», «Промышленная энергетика», «Машины и аппараты пищевых производств» ВГТА (расчетная оценка степени неравномерности распределения пылегазово-го потока по рабочему сечению, конструктивное оформление и расчет процесса регенерации пылеуловителей, оценка ресурса работы отдельных устройств для аэродинамической стабилизации потока).

Материалы диссертации использованы при подготовке и издании T. IV-12 «Машины и аппараты химических и нефтехимических производств» энциклопедии «Машиностроение» (ОАО «Издательство «Машиностроение», М.: 2004 г.).

Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на: Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерная защита окружающей среды». — Москва, 2001; научных чтениях «Стратегия выхода из глобального экологического кризиса». — С. Петербург, МАНЭБ, 2001; V Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования», Институт химии растворов, РАН, — Иваново, 2001; Международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XX век», Волгоград, 2001; XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологияхММТТ-15», Тамбов, ТГТУ, 2002; Международной конференции «Инженерная зашита окружающей среды», Москва, МГУИЭ, 2002; XL и XLI отчетных научных конференциях ВГТА за 2001 и 2002 г. г., Воронеж, ВГТА, 2002 и 2003 г. г.- Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», Москва, МГУИЭ, 2003 г.- Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, ИГХТУ, 2004 г.- техническом совещании участников российско-китайского научно-практического семинара «Современная техника и технологии машиностроительного комплекса: оборудование, материалы, экология производства и эксплуатации», 07−14/XII. 2000 г., г. Пекин (КНР).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 1 патент на изобретение.

В работах, опубликованных в соавторстве, перечень которых приведен в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [5, 16, 26, 30, 34] - концептуальный подход к решению проблемыв [1, 2, 10, 11, 13, 17−21, 33] - аэродинамические и кинетические аспекты работыв [3, 6, 7, 31] - инженерные методы расчета устройств, обеспечивающих энергосберегающий эффект в процессе пылеулавливанияв [14, 24, 25, 27, 32] - методология и аппаратура для производства пылегазовых измеренийв [4, 8, 9, 12, 15, 22, 23, 28, 29, 35] -оригинальные конструктивные решения и публикации, подтверждающие практическую значимость работы.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 107 наименований, 3 Приложений и 14 документов, подтверждающих результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Определена, научно обоснованна и доказана целесообразность разработки и широкого применения энергосберегающих аэродинамических способов сухого пылеулавливания, обеспечивающих существенный технологический, энергетический и социальный эффект.

2. Детальный анализ характеристик и параметров пылегазовых потоков после технологических агрегатов и в аспирационных системах производства огнеупоров в сочетании с медицинским мониторингом реальной ситуации позволил сформулировать задачи исследований.

3. При проведении пылегазовых измерений доказана целесообразность отказа от традиционной методологии (изокинетический отбор проб, седиментационный анализ дисперсного состава, моделирование пылегазового потока) и перехода к изокритериальной схеме, которая в сочетании с квазивиртуальным импактором НИИОГАЗ обеспечивает получение наиболее представительных результатов.

4. Предложены и экспериментально, проверены выравнивающие и распределительные устройства для пылегазового потока, проходящего через рабочие сечения коммуникаций и пылеуловителей. При этом впервые получены и апробированы унифицированные функции для оценки коэффициента изменения проскока в зависимости от коэффициента количества движения Мк (коэффициента Буссинеска).

5. При расчете зернистых слоев, используемых для аэродинамической стабилизации пылегазовых потоков, изучена кинетика фильтрования в гравитационном и центробежном полях и при постепенном закупоривании поровых каналов слоя, предложены выражения в обобщенных переменных для расчета и прогнозирования этих процессов и впервые установлена зависимость между общим коэффициентом проскока и его парциальными значениями, относящимися к отдельным механизмам разделения газовых гетерогенных систем с твердой дисперсной фазой.

6. Предложены интерполяционные модели для оценки общей и фракционной эффективности при фильтровании и выравнивании пылегазовых потоков зернистыми слоями и идентифицирована гидродинамическая область применения таких устройств.

7. Сформулированы инженерные рекомендации по использованию аэродинамических способов повышения эффективности сухих пылеуловителей, которые целесообразно использовать на Семилукском огнеупорном и Воронежском керамическом заводах, на предприятиях по производству строительных материалов и в проектных организациях, работающих в области теплоэнергетики, вентиляции и кондиционирования воздуха.

8. Разработаны оригинальные (патент 2 205 678 Российская Федерация, МПК7 ВО ID 46/24, 46/30) и перспективные решения устройств, обеспечивающих аэродинамическими способами высокоэффективное энергосберегающее пылеулавливание.