Актуальность проблемы. Стекло, наряду с металлом и бетоном, является наиболее распространенным видом конструкционных материалов, который широко используется в строительной отрасли, машиностроении, приборостроении, транспортном строительстве, химической и пищевой промышленности [47].
Производство стекла и продукции из него является одной из наиболее развитых отраслей промышленности. Техногенная особенность его технологии состоит в последовательном осуществлении ряда экологически опасных по составу и объему выбросов процессов измельчения, просева, сушки ряда сыпучих материалов, подготовки на их основе шихты и ее термической переработки в стекловарочных печах. В ходе этих процессов образуется значительное количество пылей и газов, локализация и отвод которых от источников образования в атмосферу осуществляется системами местной вытяжной вентиляции. Для очистки выбросов в атмосферу последние оснащаются установками газопылеулавливания, которые в большинстве своем осуществляют лишь селективное пылеулавливание, с последующим рассеиванием газовых компонентов выбросов в атмосфере. | 1.
Тенденция к увеличению производства стекла и стекольной продукции, а также возросшие требования к санитарно-гигиеническим условиям внутрицеховой атмосферы и воздушного бассейна прилегающих городских территорий, вызывают необходимость изучения механизмов влияния технологических и эксплуатационных факторов формирования выбросов стекольных производств на эффективность работы систем вентиляции и газопылеочистки.
Анализ состояния качества воздушной среды производственных помещений в районах размещения стекольных производств показывает, что санитарно-гигиенические условия труда и степень защиты атмосферы от загрязнений в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям. Концентрации газов и пыли, как в воздухе рабочей зоны, так и на промплощадках предприятий значительно превышают предельно допустимые. Одной из определяющих причин такого положения является несоответствие функционально-технологических характеристик применяемого газопылеулавливающего оборудования локализующей вентиляции особенностям выделения и составу вредных выбросов данных производств.
Согласно результатам обследования, в состав выбросов стекольных производств, помимо пылей, входят также оксиды серы, азота, углерода. Тем самым, данные выбросы следует рассматривать как неоднородные многокомпонентные смеси, газообразные составляющие которых по концентрации и степени воздействия следует отнести к целевым компонентам при проектировании и устройстве систем газоочистки. Из оценки функциональных возможностей газоочистного оборудования для очистки таких выбросов наиболее перспективными представляются мокрые методы, реализуемые в интенсивных аппаратах с самоорошением очищаемого потока. Такие аппараты (циклоннопенные, пенновихревые, вихреинжекционные) позволяют осуществлять комплексную очистку многокомпонентных выбросов, посредством варьирования режимных параметров очистки в зависимости от свойств извлекаемых компонентов. Применительно к условиям стекольного производства это дает возможность учесть специфические особенности реализации процессов очистки, обусловленные наличием в выбросах компонентов с выраженными коррозионными свойствами и высокой токсичностью.
Совершенствование систем мокрой газоочистки тесно связано с изучением закономерностей массообменных процессов в зависимости от условий формирования межфазной поверхности контакта очищаемой и нейтрализуемой сред и свойств жидкой поглотительной среды. I.
При этом выделяются два доминирующих фактора — гидродинамические особенности перемешивания фаз контактирующих сред в зоне контакта и сорбционные свойства поглотительного раствора. Первый влияет на развитие величины^ контактной поверхности, условия межфазного обмена, интенсивность смены контактирующих сред в объеме газожидкостной системы. Вторым определяется скорость и степень извлечения целевого компонента из газовой фазы, то есть — эффективность работы пыле и газоулавливающего оборудования.
Повышение степени развития контактной поверхности газожидкостной системы, в первую очередь, может быть достигнуто за счет конструктивных особенностей оформления контактного узла и варьирования скорости потока очищаемого газа в зоне его взаимодействия с жидкостью.
В свою очередь, эффект улавливания целевого компонента определяется степенью соответствия свойств поглотителя реализуемым режимным условиям извлечения целевого компонента.
Цель работы состоит в совершенствовании мокрой комплексной очистки пыле-газовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств посредством повышения степени селективного поглощения твердофазных и газовых компонентов в эффективном режиме капельного и пенного контакта очищаемого потока с оптимизированным поглотителем.
В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:
— теоретическое обоснование аппаратурно-режимной модели контакта и вида поглотителя, оптимизированных из условия возможности комплексного извлечения твердофазных и газообразных компонентов неоднородного выброса;
— экспериментальное исследование закономерностей извлечения твердофазных и газообразных компонентов неоднородного выброса в режимах его контакта с жидким поглотителем, оптимизированных из условия эффективности их селективного извлечения;
— определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных гидродинамических условий формирования функционально эффективной структуры контактной поверхности для селективного извлечения твердофазных и газообразных компонентов, как стадий процесса комплексной очистки;
— совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения твердофазных и газовых компонентов в последовательно реализуемых режимах капельного и пенного контакта фаз, как стадий процесса комплексной очистки неоднородных (пылегазовых) выбросов стекловарочных цехов;
— определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы пылегазоочистной установки для оптимизированного осуществления последовательно реализуемых стадий поглощения твердофазных и газовых компонентов выбросов в капельном и пенном режимах его контакта с жидкими поглотителями;
— обобщение результатов исследований в форме инженерных решений, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации предприятий стекольной промышленности посредством эффективной комплексной очистки их выбросов от неоднородных загрязняющих компонентов.
Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса комплексной очистки выбросов стекловарочных печей стекольных производств от твердодисперсных (пылевых) и кислых газовых примесей посредством оптимизационного подбора режимов контакта и поглотителей этих компонентов.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность научных положений и выводов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных автором экспериментальных результатов и теоретических исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.
Научная новизна работы:
— теоретически обоснована перспективность использования несмешиваемых жидкостей (воды и трибутилфосфата) в качестве эффективных поглотителей соответственно твердофазных и кислых газовых примесей при комплексной очистке неоднородных (пылегазовых) выбросов стекловарочных цехов стекольных производств;
— предложены математические модели для описания процесса поглощения в пе-нодинамическом слое твердофазных и газовых примесей соответственно посредством контакта с капельной поверхностью воды и трибутилфосфата, формируемом в режиме вихревой инжекции- ;
— экспериментально исследованы и обобщены закономерности поглощения твердофазных компонентов (на примере кварцевой пыли) при капельном контакте с водой и газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;
— экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенных математических моделей в процессах поглощения твердофазных компо нентов и кислых газов соответственно, при последовательно осуществляемом капельном и пенодинамическом контакте очищаемого потока с водой и трибутилфос-фатом;
— получены экспериментальные зависимости, характеризующие энергоэффективные режимно-технологические условия улавливания твердофазных компонентов и газовых примесей водой и поглотительным раствором трибутилфосфата, соответственно в режимах капельного распыления и вихреинжекционного пенообразования;
— установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта улавливания твердофазных компонентов водой и кислых газовых примесей поглотительным раствором трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах посредством варьирования удельного объема распыляемой в очищаемом потоке воды и начального уровня поглотительного раствора Ь0 трибутилфосфата;
— сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного оформления процесса комплексной очистки пылегазовых (неоднородных) выбросов стекловарочных цехов применительно к схеме последовательного поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом посредством вихревой инжекции.
Практическая значимость работы:
— разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с использованием в качестве поглотителя твердодисперсных компонентов — воды и кислых газовых примесей — трибутилфосфата;
— установлена область режимно-технологических параметров эффективной очистки выбросов стекловарочных цехов стекольных производств в вихреинжекционных пенных скрубберах от кислых газовых примесей поглотительным раствором трибутилфосфата;
— определены режимно-технологические параметры эффективного поглощения твердофазных (пылевых) компонентов выбросов стекловарочных цехов в условиях капельного контакта с орошаемой водой;
— разработаны методические основы расчета режимных параметров процесса комплексной очистки выбросов стекловарочных цехов в установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя твердофазных компонентов воды, а кислых газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) -трибутилфосфата;
— разработана и принята к использованию схема аппаратурного исполнения установок вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с использованием воды и трибутилфосфата в качестве поглотителя, соответственно твердых и газовых компонентов и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ очистки газов» — по заявке № 114 183/15. 2006 г.
Реализация результатов работы:
— разработаны и переданы к использованию ЗАО «Камышинский стеклотарный завод» конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию установок вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных выбросов от стекловарочных печей;
— прошла испытания и передана для внедрения ЗАО «Камышинский стеклотарный завод» опытно-промышленная модулированная установка для очистки вентиля-ционно-технологических выбросов от стекловарочных печей;
— НПО «Волгоградхимпроект» переданы рекомендации по применению технологии комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов в вихреинжекционных пенных скрубберах по схеме последовательного поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата- |.
— материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ и БЖДвТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальностям «Теплогазо-снабжение и вентиляция» и «Инженерная защита окружающей среды» .
На защиту выносятся:
— теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей поглощения твердофазных компонентов (на примере кварцевой пыли) капельно распыляемой водой и кислых газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством его вихревой инжекции закрученным потоком очищаемого газа;
— математические модели описания процессов поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и кислых газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом в режиме вихревой инжекции;
— экспериментальные зависимости, характеризующие эффективные режимно-технологические условия улавливания твердофазных компонентов и газовых примесей при последовательно осуществляемом капельном и пенодинамическом контакте очищаемого, потока соответственно с водой и трибутилфосфатом в вихреинжекционных пенных скрубберах;
— унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств посредством контакта твердофазных компонентов соответственно с ка-пельно распыляемой водой и газовых примесей с трибутилфосфатом в режиме вих-реинжекционного пенообразования;
— методика расчета энергетически эффективных режимных параметров комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов в вихреинжекционных пенных скрубберах, последовательно реализующих контакт очищаемого потока с капельно распыляемой водой и трибутилфосфатом в пеноди-намическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2004, 2007 г. г.), «Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России» (Кисловодск, 2005 г.), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2004;2007 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах. > Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и приложений общим объемом 132 страницы, содержит 22 рисунка и 12 таблиц.
Выводы по главе 4.
1. Установлено, что для совершенствования технико-экономических показателей газоочистного оборудования процессов комплексной очистки неоднородных многокомпонентных выбросов от термоагрегатов (сушильных барабанов и стекловарочных печей) стекольных производств, принцип унификации элементной базы газоочистной установки в виде блочно-модульных агрегатов является наиболее перспективным.
2. Из обобщения технико-экономических показателей определяющих эффект обеспыливания капельной дисперсией и абсорбции в пенодинамическом слое трибу-тилфосфата сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления установок комплексной пылегазоочистки на основе вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации их элементной базы.
3. Обоснована целесообразность выбора в качестве технологического критерия оптимизации процесса комплексной газоочистки степени поглощения целевых компонентов при задаваемом расходе (через скорость и), величине удельного орошения q очищаемого потока и начальном уровне /г0 поглотителя в газоочистном аппарате с ограничением по величине гидравлических потерь.
4. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования воднокапельной дисперсии в качестве поглотителя пылевых частиц и трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов при комплексной очистке выбросов от термоагрегатов (сушильных барабанов и стекловарочных печей) стекольных производств.
5. Согласно предложенной структурной схемы унифицированной компоновки разработана технологическая схема и аппаратурное исполнение газоочистных установок на. основе вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки пылегазовых выбросов стекольных производств с поглощением твердофазных пылевых частиц капельной дисперсией распыляемой воды и газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы совершенствования систем комплексной очистки пылегазовых выбросов стекольных производств.
На основании приведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:
1. Теоретически обоснована перспективность использования несмешиваемых жидкостей (воды и трибутилфосфата) в качестве эффективных поглотителей соответственно твердофазных и кислых газовых примесей при комплексной очистке неоднородных (пылегазовых) выбросов стекловарочных цехов стекольных производств.
2. Предложены математические модели для описания процесса поглощения в пенодинамическом слое твердофазных и газовых примесей соответственно посредством контакта с капельной поверхностью воды и трибутилфосфата, формируемом в режиме вихревой инжекции.
3. Экспериментально исследованы и обобщены закономерности поглощения твердофазных компонентов (на примере кварцевой пыли) при капельном контакте с водой и газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа.
4. Экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенных математических моделей в процессах поглощения твердофазных компонентов и кислых газов соответственно, при последовательно осуществляемом капельном и пенодинамическом контакте очищаемого потока с водой и трибутил-фосфатом.
5. Получены экспериментальные зависимости, характеризующие энергоэффективные режимно-технологические условия улавливания твердофазных компонентов и газовых примесей водой и поглотительным раствором трибутилфосфата| соответственно в режимах капельного распыления и вихреинжекционного пенообразования.
6. Установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта улавливания твердофазных компонентов водой и кислых газовых примесей поглотительным раство ром трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах посредством варьирования удельного объема распыляемой в очищаемом потоке воды и начального уровня поглотительного раствора Ь0 трибутилфосфата.
7. Разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с использованием в качестве • поглотителя твердодисперсных компонентов — воды и кислых газовых примесей — трибутилфосфата.
8. Определены режимно-технологические параметры эффективного поглощения твердофазных (пылевых) компонентов выбросов стекловарочных цехов в условиях капельного контакта с орошаемой водой.
9. Разработана и принята к использованию схема аппаратурного исполнения установок вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с использованием воды и трибутилфосфата в качестве поглотителя, соответственно твердых и газовых компонентов.
