Обеспыливание вентиляционных выбросов насыпными комбинированными фильтрами при производстве огнеупоров

Выполненная работа посвящена — обеспыливанию вентиляционных выбросов насыпными комбинированными фильтрами для обеспечения действующих в Российской Федерации норм ПДВ и ПДК в зоне промышленных предприятий [8, 9, 20, 27].

Из всей массы, загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от антропогенных источников, около 90%- составляют газообразные, 10%- твердые и жидкие вещества [ 90, 124].

В Законе Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» установлены требования к нормированию качества среды обитания и уровней воздействия на окружающую среду.

Нормативы качества окружающей природной среды определяют научно обоснованную меру сочетания жестких экологических требований к качеству среды обитания и возможностей их соблюдения в хозяйственной деятельности.

Российская Федерация уделяет особое внимание охране здоровья населения нашей страны, защите природы от вредных выбросов, рациональному использованию природных ресурсов. Масштабы развития экономики достигли такого уровня, что решение вопросов, связанных с защитой окружающей среды, стало первоочередным.

В основу нормативов качества положены три показателя:

— медицинский (пороговый уровень угрозы здоровью человека, его генетической программе) [20, 24, 29];

— технологический (способность промышленности обеспечить выполнение установленных пределов воздействия на человека);

— научно-технический (способность технических средств обеспечить контроль над соблюдением пределов воздействия по всем параметрам).

Загрязненность окружающей среды увеличивается в связи с интенсификацией производства, износом технологического оборудования и нерациональным использованием вложений на природоохранные мероприятия. И, как следствие, общий объем реальных пылегазовых выбросов, не учитываемых федеральной статистикой, увеличивается как в абсолютном выражении, так и на единицу выпускаемой продукции.

При этом теряется не только значительная часть дефицитного сырья, но и возникают условия для нарушения действующих санитарно гигиенических норм. Создание безотходной технологии и внедрение пылеулавливающих комплексов на действующих предприятиях по ряду технических причин (жесткое ограничение производственных площадей, недостаток средств на реконструкцию, отсутствие имеющих соответствующую подготовку специальных служб по эксплуатации систем пылеулавливания и т. д.) сталкивается с серьезными затруднениями.

Производство огнеупоров и стройматериалов, отличающиеся высокой концентрацией, разнообразием и энергоемкостью технологического оборудования, предназначенного для дробления, измельчения, классификации, транспортировки и обжига твердых, гранулированных и порошкообразных материалов, является достаточно серьезным источником пылевыделения в производственные помещения и окружающую воздушную среду [39, 88, 89].

В этих условиях особое значение приобретает не только всесторонний анализ и оптимизация уже действующих пылеулавливающих комплексов, но и разработка перспективных процессов и технологий пылеулавливания. При этом особый интерес представляют зернистые фильтрующие слои, отличающиеся дешевизной, доступностью, прочностью, термостойкостью, высокой степенью очистки, возможностью регенерации различными способами, способностью противостоять резким изменениям давления [9,13,23,49].

Зернистые слои позволяют не только обеспечить предельно-допустимые в огнеупорном производстве выбросы (ПДВ), но и организовать на отдельных участках производства безотходную технологию.

Объекты исследования — ОАО «Семилукский огнеупорный завод», ЗАО «Семилукский комбинат строительных материалов». Такой выбор обусловлен общими принципами протекания технологических процессов и практически идентичным оборудованием (дробилки, печи обжига, мельницы, сушильные барабаны, шликерные мешалки, дозаторы сыпучих материалов и т. д.). Нами произведена оценка этих предприятий по степени их экологической опасности и по количеству образующихся отходов, зависимость пылевых выбросов данных производств от состава сырья, вида топлива, выбора технологических схем. [66,68,69] .При выполнении работы автор стремился приблизить полученные результаты для смежных отраслей промышленности.

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 снижения 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 в самих технологических процессах [15, 46, 107, ].

В производстве 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 ними: механическая прочность, высокая эффективность, способность к многократным регенерациям и создание 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.

В работе 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 анализа 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;

— разработке 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 и теории фильтрования, которые в сочетании с экспериментально-статистическими 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 0,95%, 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 наибольшее количество факторов (Н, м>, йэ, т), 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 фильт.

3 2 рования составляет 30 м /м мин.

— 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 — 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.

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 ряда высших учебных заведений: 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-ой и 5-ой Всесоюзной научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» СГТУ (г. Саратов, 2009;2011гг.) — на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ТГТУ (г. Тамбов, 2008 г.) — на 3-ей Международной научно — технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» ВГТА (г. Воронеж, 2009;2010гг.) — на научной конференции с международным участием «Пищевая наука, техника и технологии» (Болгария г. Пловдив, 2009;2010гг.) — на III Международной научно — практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» СЭТТ (г. Тамбов, 2008 г.) — на Московской международной научно — практической конференции «Биотехнология и Экология крупнейших городов» (г. Москва 2010 г.) — на XXIV — ой научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (г. Одесса Украина 2010 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 34 научные работы, из них 6 — в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник Воронежского государственного технологического университета. Серия: химическая технология" — журналы: «Строительные материалы» — 2009 г, № 8- 10, № 12.

В статьях, опубликованных и рекомендованных ВАК изданиях, показана технологическая и экологическая целесообразность использования зернистых фильтров при сухом пылеулавливании из вентиляционных и аспираци-онных выбросов, а так же 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, основных выводов, списка литературы, содержащего 130 наименований, и приложения. Диссертация содержит 48 рисунков, 17 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Доказана целесообразность разработки и усовершенствования процесса пылеулавливания с помощью НКФ в условиях производства огнеупорных и строительных материалов. Установлено, что наличие многокомпонентных полидисперсных потоков требует разработки многослойных фильтровальных элементов.

2. Исследован дисперсный состав пылей периклаза и графито — периклаза, получены интегральные кривые, позволяющие оценить диапазон действия НКФ и при этом установлено, что ¿-т< 20 мкм.

3. Разработан экспериментальный многослойный фильтр, в котором в качестве фильтрующей среды использованы огнеупорные материалы различной зернистости, позволяющий осуществлять последовательную очистку полидисперсного потока, достигая общей эффективности очистки до 99,85%.

4. Исследована кинетика процесса фильтрования НКФ и получены экспериментально графические зависимости К=^т), ДР=:Р (т), позволяющие выявить оптимальные цикл фильтрования при заданных исходных данных пылегазового потока в диапазонах критерия Рейнольдса (35< Яе<165) и коэффициента проскока К>0,01.

5. Предложены математические интерполяционные модели в обобщенных переменных для расчета общей и фракционной эффективности процесса фильтрования через НКФ. Экспериментально подтверждена адекватность полученных уравнений.

6. Предложен метод регенерации НКФ — обратная продувка с использованием перфорированных трубок и буферной камерой, что позволяет осуществить глубинную регенерацию зернистых слоев, уменьшая начальный перепад давлений, при последующем цикле фильтрования что приводит к снижению энергозатрат при эксплуатации фильтра. Получены технологические режимы проведения процесса регенерации НКФ.

7. Разработана конструкция НКФ с расширенной поверхностью фильтрования и возможностью замены фильтрующей среды при непрерывной работе систем аспирации. Также предложена замкнутая схема очистки пылегазового потока.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

А — константа прибора, (м /Н кг). Гкритерий-симлекс геометрического вида.

Ксл — коэффициент захвата, характеризующий влияние свойств пыли, насыпного материала и режима фильтрования на эффективность.

К — коэффициент проскока пыли, учитывающий повышение подвижности частиц, размер которых сравним или меньше средней длины свободного пробега газовых молекул.

Ф — коэффициент формы зерен, учитывающий степень отклонения формы реального зерна от шарообразной.

Эт — эффективность турбулентной миграции.

Эиа — эффективность инерционного осаждения соответственно на шаре и цилиндре. с1&bdquo- - текущий размер частицы, (м). с1т — средний медианный диаметр частицы, (м).

ЛЧ — диаметр частицы, (м).

4 — диаметр зерна слоя, (м).

Ей — число ЭйлераF — площадь поперечного сечения, (м2). Но — число гомохронности. / - толщина волокнистого подслоя, (м). Я — толщина фильтровального слоя, (м). Атизменение массы образца (г). п, П1 — начальная концентрация частиц и концентрация их в момент времени 1,(см3).

•5.

2 — производительность фильтра по газу, (м /с).

3 2 q — удельная газовая нагрузка, (м м /мин). Яе — число Рейнольдса. А Тгградиент температуры в газах, (К/м). Тг — температура газа, (К).

2Н — массовая концентрация пыли в потоке перед зернистым фильтровальным слоем (кг/м3).

V — объем прошедшего газа (м). м> - линейная скорость потока, (м/с). м>{1 — скорость турбулентного осаждения (м/с).

Лг, Хч — коэффициенты теплопроводимости газов и частицы, (В/(м К)). X — коэффициент сопротивления слоя толщиной в один диаметр зерна.

— динамическая вязкость газа, (Пах). £сл~ коэффициент сопротивления слоя. О р — плотность частиц, (кг/м). о рч — плотность частицы, (кг/м). тр — продолжительность релаксации (мин.). т — продолжительность фильтрования, (мин.).

Индексы: и — начальныйз.п. — зернистого подслоясл — слояв.п. -волокнистого подслояч — частицы.