Высокоэффективный электроциклонный сепаратор для очистки вентиляционных выбросов деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств

Протекающие миллиарды лет геологические процессы привели к созданию уникальной и сбалансированной газовой оболочки на планете Земля. Газовая оболочка, содержащая смесь газов, паров, а также микроскопических частиц различного происхождения, представляет атмосферный воздух. Твердые, жидкие или газообразные вещества, изменяющие естественный состав атмосферы [64] и неблагоприятно влияющие на живые организмы, принято называть загрязняющими или вредными веществами. Атмосферный воздух никогда не бывает физически и химически чистым [106], но он не должен быть и загрязненным вредными для живых организмов веществами.

Развитие человечества привело к всепланетарному влиянию на окружающий мир, причем это влияние как позитивное, связанное с углублением научных знаний, так и отрицательное, обусловленное усилением техногенного воздействия. Поэтому в настоящее время актуальны слова русского ученого В. И. Вернадского: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого» [17].

Преобразования окружающего мира, вызванные техническим прогрессом, привели к резкому ухудшению состояния окружающей средызагрязнению атмосферы, водоёмов и почвы твёрдыми, жидкими и газообразными отходами. Антропогенная деятельность приводит к уже заметным глобальным изменениям климата на планете. В последнее время воздействие загрязнителей на отдельные экосистемы и биосферу в целом достигло критических масштабов и продолжает увеличиваться. Небывалое развитие промышленного производства своим отрицательным воздействием на атмосферный воздух сопоставимо с естественными планетарными процессами. Технократическое воздействие человечества на окружающую среду приводит к нарушению хрупкого баланса флоры и фауны, эрозийному воздействию на инженерные конструкции, памятники культуры и искусства. Несмотря на то, что общее количество атмосферного воздуха оценивается в 6−1015 т, что составляет около 1,2 млн. т на каждого жителя планеты [95], в промышленных городах вследствие негативных антропогенных воздействий может ощущаться недостаток чистого воздуха или неблагоприятное воздействие отдельных его ингредиентов на здоровье человека.

Существует два пути попадания частиц в атмосферный воздух: естественный, связанный с геологическими и атмосферными процессами, ростом растений, выпадением космической пыли и техногенный, обусловленный промышленной и хозяйственной деятельностью человека [2, 10, 35, 54, 59]. Современное состояние техники и технологии не позволяет полностью исключить попадания твердых веществ микроскопических размеров в атмосферный воздух [10, 48, 62, 100, 101].

Загрязнение атмосферного воздуха промышленными выбросами потребовало принятия законов о чистоте воздуха во всех странах мира, что было подчеркнуто на конференции ООН «Человек и его окружающая среда», состоявшейся в Стокгольме в июне 1972 г. [65]. В настоящее время практически все промышленно развитые страны приняли законы по вопросам загрязнения атмосферного воздуха [76].

Гигиенисты в результате научных исследований установили нормативы чистого воздуха [24, 26, 49, 106]. Санитарная оценка воздуха выражает.

3 3 концентрацию загрязняющих веществ в мг на 1 м воздуха (мг/м) [26,49, 70]. Такое выражение концентрации удобно тем, что приемлемо для любого агрегатного состояния примесей: газов, капельножидкого состояния, твердых веществ, а также позволяет легко подсчитать дозу вредного вещества, вводимого в организм при дыхании человека. Состояние бассейна воздушной среды оценивается концентрациями загрязняющих веществ, т. е. их содержанием в единице объёма или массы и регламентируется предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и предельно допустимыми выбросами (ПДВ) [3, 70]. Сравнение нормативов качества атмосферного воздуха в странах СНГ и Европейского Содружества (ЕС) приведено в.

Таблица В. 1. Нормативы качества атмосферного.

Период оседания Страна Нормативы качества, мг/м3.

20 мин СНГ ЕС 0,5 0,375.

1 час СНГ ЕС 0,4 0,3.

1 сутки СНГ ЕС 0,16 0,15.

1 год СНГ ЕС 0,15 0,08 табл.В. 1 [98].

Размер твердых частиц, попадающих в атмосферу, чрезвычайно широк и достигает величин от тысячных долей микрометра (частицы в два — три молекулярных диаметра) до тысяч микрометров (частицы образованные при шлифовании древесностружечных плит, очистке дымовых газов содорегенерационных котлов, открытых карьерных работах, измельчении твердых пород руды и др.). Частицы диаметром более 100 мкм оседают так быстро, что практически не обнаруживаются в атмосферном воздухе [48, 62, 100].

Твердые частицы промышленного происхождения, выпадая из атмосферного воздуха, осаждаются на растениях, что приводит к таким отрицательным явлениям как повышение температуры листа, нарушение его транспирации и газообмена, проникновению отдельных частиц во внутреннее пространство клетки растения с последующим взаимодействием, одновременному воздействию всего комплекса загрязняющих веществ, осевших на растение, возникновению индивидуального комплексного порогового уровня начала воздействия [1, 10, 29, 35, 58, 59, 63,79, 90, 91, 105].

Атмосферный воздух, загрязненный твердыми микрочастицами, оказывает влияние не только на растения, оказавшиеся в зоне их осаждения, но и на человека, использующего его для дыхания [34, 55, 64, 104]. Вдыхаемые с запыленным воздухом частицы оседают на различных участках дыхательной системы человека в зависимости от их аэродинамических и коагуляци-онных свойств. Кроме того, осаждение частиц зависит от индивидуальных геометрических и временных характеристик потока в дыхательном аппарате человека. Осаждение монодисперсных аэрозолей в воздухоносных путях человека, при ингаляции через нос, показано на рис.В.1 [55], где данные по оси абсцисс характеризуют медианный диаметр частиц, при интенсивности дыхания 30 л/мин, а данные по оси ординат — их осаждение в дыхательных путях человека. Наклонная линия на рис.В.1 соответствует данным группы Международной комиссии по радиологической защите [55].

Рис.В. 1. Осаждение монодисперсных аэрозолей в верхних дыхательных путях человека при ингаляции через нос.

Анализируя осаждение частиц на полой бронхиальной модели человека, можно увидеть локализацию очень похожую на расположение мест возникновения первичного рака бронхов этих участков дыхательных путей [55]. Трахеобронхиальное осаждение частиц в полой бронхиальной модели тесно связано с описанными случаями рака и показано на рис.В.2 выделенными областями. л г г о 1-о к е- 5.

60 50 40 30 20 10 0.

Правая верхняя.

Правая средняя.

ДОЛЯ БРОНХОВ.

Правая нижняя гтттП.

Левая верхняя.

Левая нижняя вв.

Г^ II) в О н «^ ^ № ^ О — & «О 1- № 2 5 н «^ «» «- ^"тГ^ой'оо — •члчгчооб'оо — —.

Г- 1Л 40 О — с Гг ГО О — 04 3 Гг, А АЛТГАЛ.

Рис.В.2. Доля осевших в полой бронхиальной модели частиц медианным диаметром, мкм.

Более отчетливо, чем глобальные последствия загрязнения атмосферы, выступают его локальные проявления в населенных пунктах и их окрестностях. Несмотря на перемещение масс атмосферного воздуха, способствующее рассеянию очагов загрязнения, большие города и промышленные узлы с повышенной температурой их воздуха и воздушными местными конвективными потоками приобретают в известной мере свою атмосферу и свой климат. В них происходит снижение на 20.30% скорости ветра и увеличение на 5. .20% числа дней со штилевой погодой [9].

Бесспорно отрицательное влияние твердых микрочастиц образующихся в процессе производства в качестве отходов выбрасываемых в атмосферу принудительно через трубы, аспирационные и вентиляционные системы и осаждаемые из атмосферного воздуха на растения, и вдыхаемые человеком. Это приводит к необходимости более высокой степени очистки технологических выбросов, в том числе деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производств.

Внимание к проблеме охраны окружающей среды вызвано прежде всего тем, что технологические процессы производственной деятельности человечества неразрывно связаны с потреблением природных ресурсов и разнообразными выбросами в окружающую среду. Совокупность всех воздействий на окружающую среду ведет к формированию новой экологической ситуации, требующей всестороннего изучения и активных действий по предотвращению возможных отрицательных природных изменений.

Практическая реализация конкретных мер по охране окружающей среды определяется инженерно-техническими мероприятиями и решениями, которые принимаются на основе использования достижений науки, возможностей технологии и всестороннего технико-экономического анализа. Различают три основных направления решения задачи снижения отрицательных воздействий производств на окружающую среду, которые одновременно являются ступенями экологизации производства: оснащение действующих производств очистными сооружениями при сохранении основной технологии производстваусовершенствование технологических производствразработка новых малоотходных и энергосберегающих технологических процессов.

В связи с большим загрязнением биосферы приняты ограничения на выброс вредных веществ промышленными предприятиями путем установления предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов (ПДВ) [3, 49, 70].

Для защиты окружающей среды в непосредственной близости от предприятий получили широкое распространение и зарекомендовали себя эффективными и долговечными в работе при исходной простоте конструкции циклонные сепарационные устройства [46, 48, 84, 96]. Циклонные сепараторы характеризуются широкой гаммой изменений не только геометрических и режимных параметров, но и принципиальным отличием, как отдельных узлов, так и конструкции в целом [41, 47, 67, 84]. Повысить эффективность очистки запыленного потока газа в циклонных сепараторах можно оптимизировав их геометрические и режимные характеристики при исследованиях их аэродинамики и полного коэффициента пылеулавливания. Основным недостатком даже оптимизированных циклонных сепараторов является низкий коэффициент улавливания частиц пыли диаметром меньше 10 мкм [84, 97, 102].

Большими возможностями по увеличению степени улавливания частиц пыли диаметром меньше 10 мкм, обладают электрические фильтрующие устройства, работа которых основана на принципах электронно-ионной технологии (ЭИТ) [4]. На этих принципах разработаны электрифицированные циклоны, в которых совместно используются центробежные и электрические силы, действующие на движущийся закрученный запыленный поток.

В настоящей работе предложено усовершенствовать конструкцию электрифицированного циклона путем введения дополнительного узла, использующего принцип ЭИТ — ионизатора. Ионизатор позволяет предварительно зарядить частицы запыленного газового потока перед входом в электроциклон и тем самым повысить эффективность очистки воздуха. Наличие ионизатора и электроциклона позволяет использовать электронно-ионную технологию для увеличения эффективности очистки запыленного воздуха за счет повышения степени улавливания, главным образом, мелкодисперсной фракции пыли.

Полученные в работе результаты могут использоваться на любой ступени экологизации производства различных по технологическому назначению промышленных предприятий, причем как на уже действующих, так и на вновь строящихся и проектируемых.

ВЫВОДЫ.

1. Использование электронно-ионной технологии в электроциклонном сепараторе при очистке выбросов деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств позволяет уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду и получить значительный экономический эффект (табл.4.3).

2. Экологическое воздействие пылевых выбросов деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств, очищенных электроциклоном, на 68% меньше аналогичного воздействия выбросов пыли инерционного циклона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Использование для очистки запыленного газового потока оптимизированного электроциклона с ионизатором позволяет интенсифицировать улавливание твердых частиц диаметром меньше 10 мкм и является одним из наиболее перспективных направлений совершенствования промышленных пылеулавливающих аппаратов.

Цель настоящей работы состояла в экспериментальной оптимизации инерционного противоточного осевого циклонного сепаратора с тангенциальным вводом запыленного потока газа и дальнейшим повышением коэффициента пылеулавливания с использованием электронно-ионной технологии.

Основным результатом выполненной работы следует считать создание, экспериментальное исследование и промышленную реализацию высокоэффективного комбинированного воздухоочистительного электроциклонного сепаратора с предварительной зарядкой твердых частиц двухфазного потока в ионизаторе, обладающего возможностью повышенной степени пылеулавливания мелкодисперсных фракций характерных для выбросов деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств. В работе определены его экологические, пылеулавливающие, электрические и аэродинамические характеристики.

Результаты выполненной работы сводятся к следующему:

1. Выполнены лабораторные исследования фракционного состава и электрофизических параметров наиболее характерных выбросов деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производства — древесно-шлифовальной пыли и продуктов уноса испарителя содорегенерацион-ного котла.

2. Проведен анализ конструкций существующих пылеулавливающих аппаратов, в частности, противоточных осевых инерционных и электрифицированных циклонных сепараторов с тангенциальным вводом запыленного потока газа, их режимных и эксплуатационных характеристик. Установлено, что с точки зрения задачи разработки сепараторов для очистки выбросов деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств наиболее предпочтительны цилиндрические аппараты с тангенциальным вводом, однако, и они имеют сравнительно низкую степень улавливания частиц диаметром меньше 10 мкм.

3. Для разработки рекомендаций по повышению пылеулавливания циклонных сепараторов выполнен экспериментально-аналитический анализ их аэродинамики и эффективности очистки при варьировании основных геометрических и режимных характеристик. В результате разработаны рекомендации по выбору оптимальных с точки зрения эффективности очистки запыленных потоков газа, значений длины циклонной камеры, диаметра и длины погружной части выхлопного канала, площади входа и входной скорости газового потока.

4. На основе оптимизированного по режимным и геометрическим характеристикам инерционного циклонного сепаратора разработана конструкция электроциклонного сепаратора с применением узлов электронно-ионной технологии, обеспечивающих предварительную зарядку газопылевого потока и повышение эффективности улавливания твердых частиц диаметром меньше 10 мкм.

5. Для разработанных конструкций ионизатора и электроциклона выполнен математический расчет напряженности электрического поля при отсутствии тока короны и во время униполярного коронного разряда.

6. Выполнен расчет зарядки частицы при ее движении через ионизатор. Рассчитано увеличение силы действующей на движущуюся частицу в пылевой камере электроциклона (во время коронного разряда) по сравнению с инерционным циклоном. На основании полученных данных показана возможность и перспективность применения метода предварительной зарядки твердых частиц двухфазного потока при очистке запыленных газов в деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

7. Выполнено экспериментальное исследование влияния основных геометрических и режимных характеристик электрифицированного циклона с предварительной ионизацией на его сепарационную способность. Установлено, что коэффициент пылеулавливания в электрическом поле циклона для фракций до 2 мкм — на 80%- от 2 до 5 мкм на 60%- от 5 до 10 мкм на 50% выше по сравнению даже с оптимизированным инерционным пылеуловителем.

8. На основе экспериментальных и теоретических данных полученных в работе, разработана схема расчета электроциклонных устройств с предварительной ионизацией двухфазного потока и рекомендации по их проектированию, что дает возможность более широкого их использования в промышленности.

9. Определено уменьшение относительной токсичной массы и возможное уменьшение техногенной нагрузки на окружающую среду при использовании в деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности разработанного электроциклонного сепаратора.

10. На основании выполненных исследований разработана и внедрена в эксплуатацию установка очистки сварочных газов на ПО «Севмаш-предприятие» г. Северодвинска. Годовой экономический эффект от внедрения сорок миллионов рублей (в ценах 1997 г.).