Обоснование структуры и параметров рециркуляционного фильтра для деревообрабатывающих производств на основе энергосберегающей очистки воздуха

Актуальность темы

.

Рециркуляционные рукавные фильтры (РРФ) являются основным оборудованием, определяющим эффективность работы аспирационных пневмотранс-портных систем с рециркуляцией воздуха в цех (АСПТС РВ). Применение РРФ вместо циклонов, осуществляющих выброс отработавшего воздуха в атмосферу, обеспечивает значительное сокращение пылевых выбросов круглогодично и уменьшение теплопотерь в цехах в холодный период года. Большинство РРФ, применяемых в настоящее время в АСПТС РВ деревообрабатывающих предприятий России, характеризуются следующим: имеют одну ступень очистки загрязненного воздуха, одпосекционное исполнение с креплением рукавов на трубной решетке внутри корпуса фильтра, а также регенерацию рабочей ткани фильтра путем механического встряхивания его рукавов и работают в режиме «под давлением».

Одна ступень очистки воздуха в фильтровальных рукавах обеспечивает сравнительно низкий коэффициент очистки г| = 0,999 и высокий коэффициент проскока пыли через фильтр е = 0,001.

Это не позволяет по санитарным нормам уменьшить производительность систем приточной Lnp и общеобменной вытяжной £выт вентиляции до минимально допустимого значения Lnp = £выт = 0,1 Lacl (где LAсуммарная производительность вентиляторов АСПТС РВ в цехе) и очищать воздух с концентрацией пыли в нем более С = 1800 мг/м3.

Таким образом, одна ступень очистки загрязненного воздуха в фильтре не позволяет очищать воздух от древесной шлифовальной пыли цехов белого шлифования и шлифования фанеры с концентрацией пыли в очищаемом воздухе С = 3000 мг/м3 и является значительным препятствием для максимального снижения затрат тепла на нагрев приточного воздуха, подаваемого в цеха в холодный период года.

При отыскании и замене в описанном РРФ неисправного рукава необходимо останавливать вентилятор фильтра и подключенное к фильтру деревообрабатывающее оборудование, что приводит к снижению полезной отдачи от использования фильтра. Такая конструкция фильтра вызывает также большие эксплуатационные затраты: приходится демонтировать некоторую часть рукавов, для того чтобы обеспечить доступ — через инспекционную дверь корпуса — к креплениям неисправного рукава.

Для осуществления регенерации рабочей ткани фильтра путем механического встряхивания его рукавов также требуется выключить вентилятор фильтра и остановить подключенное к фильтру деревообрабатывающее оборудование. Режим работы фильтров «под давлением» предусматривает установку перед фильтрами пылевых вентиляторов. Однако вентиляторы, установленные в АСПТС РВ перед фильтрами, являются очагами ценообразования и повышают пожароопаспоеть фильтров при их работе на взрывоопасной древесной шлифовальной пыли. Это не позволяет использовать режим работы фильтров «под давлением» для очистки воздуха от древесной шлифовальной пыли.

Применяемый в некоторых РРФ способ регенерации рукавов импульсной продувкой требует наличия дорогостоящей станции подготовки сжатого воздуха до 10-го класса по ГОСТ 17 433–80. При отсутствии указанной станции подготовки сжатого воздуха на поверхности фильтровальных рукавов выпадает конденсат, который увлажняет фильтровальную ткань и способствует налипанию на ткани пыли, что ухудшает качество регенерации ткани, увеличивает сопротивление фильтра, энергозатраты па очистку и уменьшает полезную отдачу от использования фильтра.

Разработка эффективного РРФ для работы на открытых площадках деревообрабатывающих производств с обоснованием метода регенерации фильтровальной ткани, рациональных параметров и конструкции является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы — повышение эксплуатационной эффективности очистки воздуха от древесной пыли путем обоснования структуры и параметров рециркуляционного фильтра для деревообрабатывающих производств на основе энергосберегающей очистки воздуха.

Объекты исследований: процессы очистки воздуха от древесной шлифовальной пыли, регенерации фильтровальной ткани обратной посекционной продувкой рукавов очищенным воздухом и опытный промышленный образец рециркуляционного фильтра с трехступенчатой очисткой воздуха.

Научная новизна работы. Разработаны: математическая модель энергосберегающей эффективности очистки воздуха в РРФ, позволяющая при заданной концентрации пыли в очищаемом воздухе обосновать необходимое число ступеней очисткиматематическая модель продолжительности режима фильтрации между периодами регенерации фильтрующих рукавов с учетом факторов формирования пылевого слоя на рукавахматематическая модель параметра сопротивления слоя древесной пыли с учетом динамической вязкости воздуха, коэффициента фильтрации слоя пыли и его уплотнения от перепада давленийметоды исследования расхода фильтровальной ткани с учетом конструкции каркаса, диаметра рукавов и числа рукавных секций, расхода энергоносителя в РРФ с учетом способа продувки рукавов очищенным воздухом, эксплуатационных затрат на обслуживание системы управления клапанами рукавных секций с учетом ее типа, системы обнаружения и замены неисправных рукавовнаучно-обоснованные рекомендации по обеспечению пожаровзрывобезопасности РРФ, позволяющие получить максималыш возможное снижение расхода энергоносителя п системах приточной * и вытяжной вентиляции цеха, при очистке воздуха в РРФ, обосновать структуру и параметры РРФ с энергосберегающей трехступенчатой очисткой воздуха в одном корпусе и сниженными эксплуатационными затратами на обслуживание для цеха белого шлифования.

Научная новизна рукавного фильтра с трехступенчатой очисткой воздуха от механических примесей, имеющего электропневматическую и электромеханическую системы управления клапанами подтверждена двумя патентами на изобретения № 2 173 207 и № 2 202 401. •г Значимость для теории и практики.

Для теории имеют значение:

— математическая модель энергосберегающей эффективности очистки воздуха в РРФ, позволяющая при заданной концентрации пыли в очищаемом воздухе перед фильтром обосновать необходимое число ступеней очистки;

— математическая модель продолжительности режима фильтрации между периодами регенерации фильтрующих рукавов с учетом факторов формирования пылевого слоя на рукавах;

— математическая модель параметра сопротивления слоя древесной пыли с ^ учетом динамической вязкости воздуха, коэффициента фильтрации слоя пыли и его уплотнения от перепада давлений;

— аэродинамический расчет РРФ с трехступенчатой очисткой воздуха, позволяющий определить сопротивление фильтра в расчетном режиме;

— характеристические кривые изменения производительности и давления технологического вентилятора в трех режимах работы РРФ (фильтрации, регенерации, ремонта) для двух способов обратной посекционной продувки рукавов очищенным воздухом с рабочими зонами запыления фильтровальных перегородок, позволяющие определять значения производительности и давления вептилятора в расчетном режиме определения мощности двигателя вентилятора.

Для практики имеют значение:

— рекомендации для повышения технического уровня и эффективности работы РРФ (снижения расхода энергоносителя в системах приточной и вытяжной вентиляции цеха, очистки воздуха в РРФ, эксплуатационных затрат на обслуживание системы управления клапанами рукавных секций и системы обнаружения и замены неисправных рукавов, обеспечения взрывобезо-пасности РРФ);

— энергосберегающая очистка воздуха в РРФ, созданная на основе применения принципиально новых методов и технических средств;

— технические решения, защищенные тремя патентами на изобретения, и созданный на их основе опытный промышленный образец РРФ с трехступенчатой очисткой воздуха в одном корпусеположительные результаты заводских испытаний фильтра.

Научные положения, выносимые па защиту.

1. Энергосберегающая расчетная эффективность очистки воздуха в РРФ, обеспечивающая при заданной концентрации пыли в очищаемом воздухе минимально допустимую по санитарным нормам производительность системы приточной вентиляции, позволяющая получить в системах приточной и вытяжной вентиляции минимальный расход энергоносителя и обосновать необходимое число ступеней очистки воздуха в РРФ.

2. Трехступенчатая очистка воздуха в РРФ (жалюзийная решетка, фильтрующие рукава, панель воздушных ячейковых карманных фильтров типа ФЯК) с эффективностью 99,9956%, основанной на энергосберегающей расчетной эффективности очистки воздуха 99,986%, полученной при концентрации пыли в очищаемом воздухе, равной 3000 мг / м3, позволяющая по сравнению с очисткой воздуха в циклонах получить для цеха белого шлифования максимально возможное десятикратное снижение расхода энергоносителя в системе приточной вентиляции и уменьшение пылевых выбросов в атмосферу в 480 раз.

3. Энергосберегающий способ регенерации фильтрующих рукавов обратной посекционной продувкой очищенным воздухом, обеспечивающий по сравнению с зависимым от технологического вентилятора способом регенерации рукавов, уменьшение производительности, давления вентилятора в расчетном режиме и частоты вращения рабочего колеса за счет устранения пропускания продувочного воздуха через вентилятор, позволяющий снизить расход энергоносителя на очистку воздуха в РРФ на 25%.

4. Электромеханическая система управления клапанами регенерации фильтрующих рукавов обратной посекционной продувкой очищенным воздухом посредством однооборотного кулачкового вала с редукторным приводом, основанная на подвижном размещении на толкателях шаровых опор с верхним и нижним тарельчатыми клапанами и пружин сжатия между ними, на создании кулачков с внутренним вогнутым рабочим профилем, имеющим зоны разрыва и подъема толкателя в исходное положение, на угловом смещении кулачков на валу, обеспечивающая заданный алгоритм последовательной регенерации рукавных секций без применения электросхемы, позволяющая по сравнению с электропневматической системой управления клапанами снизить стоимость системы и эксплуатационные затраты на ее обслуживание.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-техническом совете ЗАО «Институт ПРОЕКТГАЗООЧИСТКА» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), на техническом совете ОАО «Приозерский мебельно-деревообрабатывающий комбинат» (г. При-озерск), на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии (1999;2004 гг.), на международной конференции «Воздух' 2004» (Научно-технические, социальные и экономические проблемы воздушной среды, Санкт-Петербург 10 июня 2004 года).

Реализация работы. Основные результаты внедрены на АО «Ташкент-мебель» и применены в учебном процессе кафедры теории механизмов, деталей машин и подъемно-транспортных устройств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по курсу «Пневмотранспорт деревообрабатывающих предприятий». Рабочая документация на опытный образец промышленного рециркуляционного фильтра передана ЗАО «ИНСТИТУТ ПРОЕКТГАЗООЧИСТКА» для проектирования серийного образца фильтра для деревообрабатывающих производств.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 19 статьях и 3-х патентах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка литературы и приложений. Общий объем работы 193 е., из них 149 с. машинописного текста, 57 рисунков, 33 таблицы, 125 с приложений.

Список литературы

включает 71 наименование.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Одним из путей повышения эффективности работы аспирационных пневмотраиспортиых систем с рециркуляцией воздуха (АСПТС РВ), обслуживающих деревообрабатывающие цеха, является широкое внедрение перспективных рециркуляционных рукавных фильтров (РРФ), имеющих высокий технический уровень.

2. Разработка эффективной технологической системы (ТС) очистки аспира-ционного воздуха для его рециркуляции в цех и совместной работы РРФ с приточной и общеобмепной вытяжной вентиляциями цеха на основе научно обоснованных методов (очистки воздуха, регенерации фильтровальных рукавов, выгрузки механических примесей, обнаружения и замены неисправных рукавов), а также теории энергосберегающей очистки аспирационного воздуха с обоснованием конструкции и рациональных параметров РРФ позволяет повысить полезную отдачу РРФ, т. е. повысить качество очищенного воздуха и снизить эксплуатационные затраты в цехах.

3. Эффективная ТС очистки аспирационного воздуха должна состоять из четырех технологических подсистем (ТПС):

— энергосберегающей очистки аспирационного воздуха от пыли, энергосберегающей регенерации рукавных секций, обнаружения и замены неисправных рукавов-ТПС 1;

— управления клапанами рукавных секцийТПС2;

— выгрузки из РРФ и централизованного сбора механических примесейТПСЗ;

— нагрева и подачи в цех наружного приточного воздуха и удаления из цеха загрязненного воздуха — ТПС4.

Оценка эффективности функционирования ТПС должна осуществляться по индивидуальным разработанным критериям.

4. Создание и исследование математической модели энергосберегающей эффективности очистки воздуха в РРФ позволили определить для цехов белого шлифования энергосберегающие значения коэффициента проскока пыли ед = 0,137 и эффективности очистки РРФ г|э о = 99,986%, позволяющие минимизировать расход энергоносителя в системах приточной и вытяжной общеобменной вентиляции цеха.

5. Разработанные варианты многоступенчатой энергосберегающей очистки воздуха в одном корпусе РРФ с использованием жалюзийных решеток (Пж.р = 0,462), фильтровальных рукавов (г|ф.р = 0,999) и панели воздушных ячейковых фильтров ФЯК (г|ФЯк = 0,918- 0,978) обеспечивают более качественные показатели, чем требуемые (г]тр = 0,99 986) и позволяют расширить область их применения:

— двухступенчатая очистка воздуха от древесной шлифовальной пыли (Пф.р = °'999' Пфяк = 0,918, г],.2 = 0,999 918, е,.2 = 0,82- при С, = 3000 мг/м3, С2 = 0,246 мг/м3);

— трехступенчатая очистка воздуха от древесной шлифовальной пыли (Пж.р = 0,462, Пф. р = 0,999, г) ФЯК = 0,918, г)1>2,з = 0,999 956, е, 2.3 = 0,44, при Q = 3000 мг/м3, С2 = 0,132 мг/м3);

— двухступенчатая очистка воздуха от угольной пыли в производстве древесного угля (т]ф.р = 0,999, гфяк = 0,978, ц12 = 0,999 978, e, t2 = 0,22- при Q = 3000 мг/м3, С2 = 0,066 мг/м3).

6. Энергосберегающая очистка воздуха в РРФ обеспечила значительное снижение концентрации пыли в очищенном воздухе, поступающем из РРФ в цех, что позволило довести производительность камер приточной Lnp и общеобменной вытяжной вентиляций LBbIX до минимально допустимого значения по санитарным нормам, равного Lnp = £Выт= [ОД ^acs] при высоком значении концентрации пыли в очищаемом воздухе, равной Q = 3000 мг/м3.

Это позволяет при очистке аспирационного воздуха от древесной шлифовальной пыли в РРФ получить:

— при замене циклонов типа УЦ-38 N 20−1 (2 000 мм) уменьшение пылевых выбросов в атмосферу в 480 раз, а также экономию затрат на нагревание, очистку и подачу приточного воздуха в цех в размере 90%;

— при замене рукавных фильтров с одноступенчатой очисткой воздуха уменьшение пылевых выбросов в атмосферу в 23,25 раза, а также экономию затрат на нагревание и подачу приточного воздуха в цех в размере 90%.

7. Для уменьшения расхода энергоносителя на очистку аспирационного воздуха в РРФ, выгрузку из РРФ и централизованный сбор пыли в ПТУ необходимо применить в РРФ не зависимый от технологического вентилятора метод обратной посекционной продувки рукавных секций очищенным воздухом, а транспортный трубопровод ПТУ выполнить с разворотом на 180° и шахматным расположением на нем шлюзовых разгрузителей РРФ.

8. Для устранения простоев РРФ и станочного оборудования при отыскании и замене неисправных рукавов и уменьшения при этом трудозатрат необходимо:

— РРФ выполнить 8-секционным с возможностью отключения каждой рукавной секции от коллекторов загрязненного, очищенного и продувочного воздуха;

— закрепить фильтровальные рукава открытыми концами на патрубках трубных решеток, расположенных в клапанных коробках рукавных секций, снабженных инспекционными люками;

— подключить клапанные коробки рукавных секций к датчику давления для обнаружения секции с неисправным рукавом;

— установить в рециркуляционном воздухопроводе РРФ тройник с управляемой заслонкой, обеспечивающей выброс воздуха из РРФ в атмосферу на период обнаружения и замены неисправного рукава.

9. Замена пневмоцилиндров в РРФ на электромеханическую систему управления клапанами рукавных секций в виде кулачкового распределительного вала позволяет отказаться от применения сжатого воздуха и его специальной обработки, исключить нагрев воздуха в камере обслуживания фильтра в холодный период года, а также упростить электросхему, что позволяет повысить эксплуатационную надежность системы управления клапанами, снизить эксплуатационные затраты на обслуживание фильтра и уменьшить себестоимость изготовления РРФ.

10. Для уменьшения расхода фильтровальной ткани на рукава, расхода продувочного воздуха и суммарной длины трубок на изготовление каркасов фильтровальных рукавов в РРФ рекомендуется применять вариант конструкции каркаса, выполненный из четырех колец с центральным стержнем, и диаметр фильтровальных рукавов cfp = 300 мм.

11. При очистке воздуха от взрывоопасной древесной шлифовальной пыли РРФ необходимо выполнить во взрывобезопасном исполнении.

12. Внедрение разработанной ТС в комплекте с РРФ и рекомендуемых рациональных параметров фильтра позволит по сравнению с базовым вариантом РРФ (финским фильтром типа МЕПУ с 85%-ной рециркуляцией очищенного воздуха в цех) уменьшить:

— количество пыли, выбрасываемое в атмосферу, в 21,9 раза;

— концентрацию пыли в очищенном воздухе, поступающем в цех через рециркуляционный воздухопровод при С — 1800 мг/м3 в 23 раза;

— потери давления в циклонах в 4,98 раза;

— производительность камеры приточного воздуха и связанные с пей энергозатраты на организованную подачу в цех приточного воздуха и его нагрев в 1,5 раза.