Обеспыливание воздуха в промышленности: методы и средства


        НАУЧНАЯ МЫСЛЬ

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ



В.Т. САМСО^В





                ОБЕСПЫЛИВАНИЕ ВОЗДУХА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ





            МЕТОДЫ И СРЕДСТВА





МОНОГРАФИЯ





znanium.com

Москва ИНФРА-М 2023

УДК 628.511
ББК 38.762.2
      C17



      Автор:
      Владимир Тихонович Самсонов — кандидат технических наук, доцент





    Самсонов В.Т.                                                       
C17 Обеспыливание воздуха в промышленности: методы и сред-              
    ства : монография / В.Т. Самсонов. --- Москва : ИНФРА-М,            
    2023. --- 234 с. --- (Научная мысль). --- DOI 10.12737/17334.       
    ISBN 978-5-16-011283-1 (print)                                      
    ISBN 978-5-16-103459-0 (online)                                     
    Обоснована физико-математическая модель процесса сепарации          
    пыли, в том числе осаждения пыли в пылеотделителях разных конструк- 
    ций. На ее основе созданы инженерные методы: расчета эффективности  
    осаждения пыли в аппаратах, оптимизации расчетных параметров пыле-  
    отделителей, стендовых испытаний аппаратов, контроля дисперсности   
    пыли в воздушных потоках.                                           
    Рассмотрены процессы пылеобразования при перегрузке сыпучих         
    материалов, процессы формирования дисперсного состава пыли в турбу- 
    лентных потоках; обоснованы законы распределения аэродинамических   
    размеров частиц взвешенной пыли и граничных параметров аппаратов;   
    выполнено статистическое и физическое моделирование процессов ор-   
    ганизованной и неорганизованной сепарации пыли; предложены уни-     
    версальный критерий для сравнения пылеотделителей и методика опре-  
    деления оптимальных значений режимных параметров. Разработаны       
    оригинальные конструкции эффективных пылеотделителей и приборов     
    для определения свойств пыли, а также конструкции элементов центра- 
    лизованного удаления гибких производственных отходов, стружки и пыли
    из цехов. Во всех разделах приведены подробные примеры расчетов.    
    Для широкого круга научных и проектных работников, занимающихся     
    решением различных задач в области обеспыливающей вентиляции        
    и очистки выбросов от пыли. Книга будет полезна студентам строитель-
    ных, химико-технологических и других специальностей.                

УДК 628.511
ББК 38.762.2






ISBN 978-5-16-011283-1 (print)
ISBN 978-5-16-103459-0 (online)

© Самсонов В.Т., 2016

Предисловие

   Повышение эффективности общественного производства на основе ускорения темпов научно-технического прогресса и интенсификации является объективным условием развития общества. Наряду с совершенствованием средств и методов производства, повышающих производительность общественного труда, научно-технический прогресс предусматривает создание благоприятных условий в производственных помещениях, исключение загрязнения атмосферы населённых мест и возможности нанесения ущерба окружающей природной среде.
   Однако прогресс в области обеспечения чистоты производственной и окружающей воздушной среды осуществляется медленнее, чем в области технологий. Не всегда удается разработать и внедрить малоотходные энергосберегающие технологические процессы с замкнутыми производственными циклами, исключающие или резко снижающие выброс вредных веществ в окружающую среду. В настоящее время в атмосферу выбрасывается недопустимо большое количество вредных веществ, в том числе производственной пыли. Например, всего в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 250 млн. т пыли, 200 млн. т оксида углерода, 20 млрд. т диоксида углерода, 150 млн. т диоксида серы и др. [1].
   Загрязнение производственной и окружающей среды в свою очередь является серьезным препятствием на пути интенсивного ведения технологических процессов. Вследствие того, что производственная и внешняя воздушная среда на предприятиях тесно связаны между собой средствами механической и естественной вентиляции, загрязнение атмосферы неизбежно сказывается на увеличении содержания вредных веществ в воздухе цехов.
   В разных отраслях промышленности постоянно увеличивается количество и интенсивность технологических процессов, связанных с приготовлением, применением, добычей и переработкой измельченных материалов, а также процессов, в ходе которых образуется и выделяется в воздух большое количество мелких твердых частиц. В связи с этим пыль стала одним из основных загрязнителей воздушной производственной среды и атмосферного воздуха. Растёт многообразие видов пыли, различающихся свойствами частиц и токсичностью, зачастую трудно улавливаемых и осаждаемых из воздушных потоков. Увеличивается загрязнение пылью производственной и окружающей среды, неблагоприятно сказывающееся на здоровье работающих и жителей прилегающих к предприятиям жилых районов.
   Следует отметить, что современная медицина считает вызываемые пылью заболевания (пневмокониозы) в развившейся стадии неизлечимыми, так как не знает радикальных методов лечения.

3

   В соответствии с Федеральным законном № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» при размещении, проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструируемых предприятий, сооружений и других объектов, внедрении новых технологических процессов и оборудования должны быть обеспечены нормативы вредных воздействий на атмосферный воздух. При этом должны предусматриваться улавливание, утилизация, обезвреживание вредных веществ или полное исключение выбросов, а также выполнение других требований по охране атмосферного воздуха с тем, чтобы совокупность выбросов не привела к превышению нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. В свете сказанного возрастает роль технических средств аспирации технологического оборудования и обеспыливания вентиляционных и производственных выбросов в атмосферу [2].
   Основным требованием, предъявляемым к средствам удаления и осаждения пыли, является обеспечение максимальной эффективности при минимальных энергетических затратах. Однако, как показывают результаты производственных обследований, далеко не всегда эти средства обеспечивают требуемую действующими нормативами эффективность и экономичность. Одной из причин этого является недостаточно качественные методики проектирования и недостоверные исходные данные.
   При проектировании технических средств обеспыливания промышленных выбросов в атмосферу необходимо рассчитывать эффективность того или иного аппарата с учетом конкретных условий его эксплуатации и определять, достаточна ли эта эффективность для выполнения атмосфероохранных нормативов. Очистка выбросов - это одно из средств достижения предельно допустимых выбросов (ПДВ). Необходимая степень очистки устанавливается из условия обеспечения ПДВ и поэтому является величиной, изменяющейся в зависимости от интенсивности процесса рассеяния пыли в атмосфере, расположения выбросных и воздухоприемных сооружении приточной вентиляции относительно границ циркуляционных зон, от количества и характеристик источников выбросов и т. п.
   Необходимая степень очистки выброса из одиночного источника П н ₁ равна:
П н1 =(1- пдв/м),
где M - массовый расход пыли в выбрасываемом воздухе, мг/с.
   Если выбранный пылеотделитель не обеспечивает необходимую степень очистки, целесообразно предусмотреть применение второй ступени очистки, требуемая эффективность которой будет равна:
П н 2 =(1 - пдв/ [М (1 -П Ф1)]).

4

   Расчеты должны выполняться с учетом как свойств пыли и очищаемого воздуха, так и характеристик аппарата. Но не всегда в проектной практике придается должное значение определению таких свойств пыли, как ее дисперсность, слипаемость, форма частиц, парусность, абразивность, хотя от этих свойств зависят эффективность, надежность и долговечность действия любого пылеотделителя. Знание этих характеристик пыли является необходимым элементарным требованием при проектировании пылезадерживающих устройств. Тем не менее, при выборе пылеотделителя для конкретных условий эксплуатации часто ориентируются на полученную в лабораториях или однократно измеренную в производственных условиях общую эффективность и при этом не принимают во внимание свойства пыли, при которых эта эффективность получена.
   Необходимо также учитывать характеристики пылеотделителя, то есть эффективность осаждения частиц пыли различной крупности при разном количестве и свойствах обеспыливаемого воздуха (так называемые фракционные эффективности). Эти характеристики должны быть определены путем стендовых испытаний разработчиками конструкции каждого пылеотделителя и включены в паспорт или в соответствующий метод расчета. В действительности, такие данные (не в полном объеме) получены для единичных конструкций пылеотдели-телей.
   Проектные работники должны рассчитывать не только общую эффективность пылеотделителя, но и определять оптимальные значения режимных параметров, соответствующие минимуму затрат на обеспыливание воздуха (при обеспечении требуемой степени очистки), и выбирать на этой основе наилучший вариант. К сожалению, ни одна из существующих методик не позволяет с достаточной для практики точностью прогнозировать эффективность пылезадерживающих аппаратов и оптимизировать режимные параметры их работы. Связано это с тем, что опубликованные аналитические зависимости из-за принятых упрощений приближённы, в них не учитывается влияние случайных факторов, они не в полной мере отражают физические закономерности процесса в широком диапазоне входящих в них величин.
   Из-за отсутствия объективных критериев технико-экономического сравнения проектировщики выбирают тот или иной пылеотделитель исходя из установившихся традиций или отдавая предпочтение более известной фирме, разработавшей аппарат.
   Например, автор работы [18] считает, что рассчитать эффективность пылеотделителей невозможно, поэтому «... более надёжной основой для правильного выбора оборудования является практика эксплуатации. Используя на проектируемом объекте пылеуловители, применение которых в идентичных условиях уже дало хороший эффект, можно быть уверенным в успехе».

5

   По мнению ряда авторов, сложившаяся практика проектирования средств обеспыливания воздуха является приближённой, зачастую приводящей к существенным ошибкам, как правило, в сторону завышения эффективности и экономичности проектируемых аппаратов. Многочисленные обследования действующих установок, выполненные наладочными и контролирующими организациями, показывают, что большинство пылеотделителей имеют эффективность существенно ниже проектных значений. Например, из тысячи восьмисот обследованных специализированными организациями обеспыливающих установок каждая пятая действовала неэффективно [3]. Поэтому создание более совершенных методов прогнозирования эффективности и экономичности средств обеспыливания выбросов является весьма актуальной задачей.
   Характеристики пылевыделяющего и пылезадерживающего оборудования могут быть получены преимущественно экспериментальным путём, например на физических моделях. Однако методы физического моделирования применяются очень редко. Между тем исследования методом моделирования не громоздки, достаточно точны, сравнительно дёшевы и позволяют изучить многие варианты в короткий срок.
   В книге рассматриваются вопросы, решение которых в современной литературе отсутствует или представлено неполно. Обоснована физико-математическая модель процесса сепарирования пыли (разделения пыли на две части: мелкую и крупную, осаждённую и вынесенную из аппарата). На её основе созданы инженерные методы: расчета эффективности осаждения пыли в пылеотделителях, стендовых испытаний аппаратов и контроля свойств пыли в воздушных потоках.
   Предложен универсальный критерий оптимизации, позволяющий объективно сравнивать пылеотделители между собой и находить оптимальные значения режимных параметров по минимуму приведенных затрат. Представлены разработанные автором оригинальные конструкции эффективных пылеотделителей и универсальных приборов для определения свойств пыли, а также конструкции элементов аспирационных и пневмотранспортных сетей. Разработана методика моделирования процессов пылевыделения и выполнены экспериментальные исследования на моделях промышленных объектов.
   Книга адресована широкому кругу научных и проектных работников, занимающихся решением различных задач в области промышленной вентиляции и очистки вентиляционных выбросов от пыли, и может быть полезна студентам строительных, химико-технологических и других специальностей вузов.

Глава 1.
Физико-математическая модель процесса взвешивания и осаждения пыли

1.1. Сепарация взвешенных частиц пыли

   Многие технологические процессы сопровождаются выделением пыли из оборудования, часто пылевидное состояние твердого вещества является конечным продуктом технологических процессов (пылевидное топливо, цемент и т.п.). Легко переходя во взвешенное состояние, пыль становится вредным фактором, особенно с санитарно-гигиенической точки зрения. В отличие от дымов, образующихся в процессе неполного сгорания, возгонки, химических реакций, пыль образуется в результате механических разрушений твердого вещества. Следовательно, процесс образования пыли идет по линии измельчения - от крупных частиц к мелким, процесс образования дымов - наоборот, по линии укрупнения частиц в результате коагуляции.
   В общем случае пыль представляет собой аэродисперсную систему с газообразной средой и твердой фазой, обладающую свойством сохранять своё состояние более или менее продолжительное время. Промышленная пыль большей частью состоит из частиц разного размера и различной плотности и значительно отличающихся по своей форме. Например, пыль литейных цехов состоит из частиц кварцевого песка, глины, угля и других веществ. Если частицы песка и глины имеют форму, близкую к шарообразной, то частицы угля чаще имеют пластинчатую форму. Часто форма частиц по мере измельчения материала изменяется.
   Разделение полидисперсной смеси взвешенных в воздушных потоках твердых частиц на две фракции разной крупности (сепарация) сопровождает все естественные, в том числе природные, и искусственно организованные процессы, в ходе которых в силу тех или иных причин происходит взвешивание или осаждение мелких частиц.
   Все процессы обеспыливающей вентиляции - это сепарационные процессы. Сепарация с той или иной интенсивностью осуществляется при аспирации технологического оборудования, вентилировании запыленных помещений, при обеспыливании воздуха в пылеотделите-лях, рассеивании запыленных выбросов в атмосфере. Эти процессы по своей природе аналогичны процессам, протекающим в ряде специальных промышленных аппаратов: в центрифугах, классификаторах, обогатительных машинах. Для всех этих случаев закономерности процесса жидкостной сепарации являются общими, поэтому результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных применительно к какому-либо одному конкретному случаю, в той или иной мере могут быть использованы для расчетов других устройств и аппа

7

ратов (при соответствующем уточнении действующих факторов и экспериментальных констант).
   Неорганизованные (или естественные) сепарационные процессы осуществляются, например, при аспирации пылящего оборудования: удаляется обычно мелкая пыль, более крупная пыль или пылящий измельченный материал оседают в технологическом оборудовании. Если в некотором запыленном пространстве сравнительно больших размеров, например, в бункере при его загрузке сыпучими материалами, осуществляется стационарный процесс пылеобразования, то на каждом уровне, отличающемся расстоянием от нижней границы этого пространства, дисперсный состав пыли будет иной: внизу пыль крупнее, вверху - мельче. Здесь также происходит естественная сепарация пыли, то есть расслоение пыли по крупности. Естественная сепарация пыли наблюдается в запыленных производственных помещениях, в природных водных и воздушных потоках.
   В пылеотделителях различных конструкций осуществляется организованная сепарация. В них процесс организуется таким образом, чтобы осаждаемая в аппарате фракция пыли была бы по возможности больше, а доля выносимой из аппарата пыли была бы соответственно меньше. В классификаторах стремятся разделять взвешенные частицы по заданным границам таким образом, чтобы границы разделения были максимально четкими. Сюда можно отнести процессы разделения пыли на фракции при дисперсионном анализе с помощью таких приборов, как стационарные центробежные сепараторы типа Bahco фирмы NEU, многокаскадные импакторы, центрифуги и др.
   В разных отраслях промышленности широко применяют классификаторы, предназначенные для получения фракций заданной крупности путем сепарации измельченных материалов. В этих аппаратах сепарация также специально организуется для достижения определенного результата. Во всех этих случаях знание закономерностей процесса сепарации необходимо для разработки методов управления процессом с целью достижения оптимальных результатов.
   Предлагались различные модели таких процессов. Например, модели, основанные на решении дифференциального уравнения Колмогорова - Фоккера - Планка [4], и так называемые равновесные модели, в которых приравнивались массовые и поверхностные силы, действующие на частицу в силовом поле, и другие. Но ни одна из известных моделей не описывает с достаточной для практических приложений полнотой процессы, происходящие в пылеотделителях, и не подтверждается экспериментами. Неоднократно выполнявшиеся экспериментальные проверки расчетных формул (Сыркин, Стаирман и др.) выявили большое расхождение вычисленных и опытных значений. Подробный анализ детерминированных моделей, показавший их бесперспективность, дан в работе [5].

8

   В работе [6] указывается, что большое расхождение вычисленных и опытных значений эффективности пылеотделителей в значительной степени обусловлено тем, что движение частиц пыли происходит в сильно турбулизированных потоках воздуха. Особенности поведения частиц в турбулентной среде в детерминированных моделях процесса осаждения пыли не учитываются. Например, если взять в качестве наименьшего циклонного аппарата циклон диаметром 10 см и принять скорость потока на входе равной 10 м/с, то число Рейнольдса Re равно 6600, то есть течение воздуха в циклоне характеризуется высокой турбулентностью и не учитывать это нельзя.
   Оценивая состояние теоретических исследований процесса осаждения пыли в циклонах, многие авторы отмечали, что расчеты циклонных аппаратов не подтверждаются практической работой их в промышленных условиях. Поэтому основным методом изучения и совершенствования пылеотделителей в настоящее время являются экспериментальные испытания моделей в стандартных условиях, сравнение результатов этих испытаний и выбор наилучших из них.

1.2. Комплексный подход к построению модели сепарационного процесса

   Современное технико-экономическое исследование предусматривает системный подход к изучению технических и экономических явлений. Понятие «система» - одно из основных в кибернетике. Кибернетику можно определить как науку, изучающую системы любой природы, которые способны воспринимать хранить и перерабатывать информацию для целей управления [7]. Поскольку методы кибернетики применимы к любым системам, они могут быть применены и к техническим системам обеспыливающей вентиляции и, в частности, к аспирационным системам. (В общем случае под технической системой понимается совокупность осуществляющихся физических или физикохимических процессов и технических средств для их реализации; система включает в себя собственно технологический процесс, аппарат, в котором он осуществляется, средства контроля, управления и связи между ними).
   Исследовать всю аспирационную систему целиком от источников пылеобразования до выброса в атмосферу невозможно, целесообразно выполнить декомпозицию (разбиение) на отдельные подсистемы. Нижней гранью декомпозиции объекта на подсистемы служит кибернетическая модель “черного ящика” (рис. 1.1). Под «чёрным ящиком» понимается объект (или некоторая его часть - подсистема) для которого можно установить лишь входные, выходные и режимные переменные и отыскать уравнение их взаимосвязи. Иначе - «черный ящик» - это такая система, дальнейшую декомпозицию которой в данной постановке задачи выполнять нецелесообразно, так как внутрен

9

нее устройство этой системы неизвестно, но можно исследовать входы X и выходы Y.

Рис. 1.1. Схематическое изображение модели “чёрного ящика”

    К таким подсистемам можно отнести источник пылеобразования (например, струю падающего в бункер сыпучего материала), местный отсос или укрытие, сеть воздуховодов, пылеотделитель. К примеру, в циклоне происходит столкновение частиц пыли между собой и со стенками, оседание на стенки и обратный отрыв, коагуляция и разрыв конгломератов и т.п. Изучить все эти явления в деталях невозможно. Но, изучая входы и выходы, например, расход воздуха и свойства пыли на входе в циклон и на выходе из него (в выхлопной трубе или в бункере), можно определить суммарные характеристики процессов, происходящих в циклоне.
    При системном анализе важно определить, к какому классу относится данная система: к детерминированным или стохастическим системам. Для детерминированной системы ее развитие (движение) полностью обусловлено и не подвержено случайностям. Большинство авторов, исследовавших процессы осаждения пыли в пылеотделителях, рассматривали их как детерминированные системы, но нет ни одного случая экспериментального подтверждения этих моделей. Между тем в промышленной вентиляции практически нет вентиляционных процессов, не подверженных влиянию случайных факторов. Во всех перечисленных подсистемах аспирационных и вентиляционных систем огромное влияние оказывают случайные факторы, основными из которых является турбулентность воздушных малоскоростных потоков. Обусловлено это самой природой турбулентных течений. По этой причине детерминированные модели вентиляционных процессов, как правило, не подтверждаются экспериментами.
    В вероятностных (стохастических) системах наряду с необходимостью действует случайность. В них изменение фактора Xi на величину ДХᵢ вызывает изменение выхода Yj на величину AYj- + б {Yj-},

10