Теоретическое обоснование и разработка аспирационных систем пылеочистки воздуха на основе зернистых фильтров

Актуальность проблемы. В России горными и горностроительными предприятиями в 2002 году добыто и переработано более 94 млн. м3 строительного камня.

Применяемые на предприятиях дробильно-сортировочные установки и бетонно-растворные узлы являются источниками значительного загрязнения атмосферы производственной пылью, содержание которой в выбросах превышает 400 мг/м3. Загрязняет атмосферу и ухудшает условия труда работающих в основном мелкая пыль, способная продолжительное время находиться во взвешенном состоянии. Опыт показывает, что использование в системах аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов существующих средств очистки воздуха от пыли в неизменном виде далеко не всегда эффективно. Так, работа электрофильтров неэкономична при очистке небольших объемов аспирационного воздуха рассматриваемых технологических комплексов и требует использования высококвалифицированного обслуживающего персонала. Рукавные фильтры имеют малую механическую прочность рукавов и быстро выходят из строя при повышенной влажности воздуха и работе в зимний период. В существующих конструкциях зернистых фильтров не в полной мере реализуется механизм осаждения пыли, что снижает эффективность очистки воздуха, в частности, от мелких пылевых фракций.

Практика показывает, что зернистые фильтры могут успешно применяться в рассматриваемых условиях работы. Для них характерны невысокая стоимость очистки, достаточно высокие эксплуатационные показатели. Однако далеко не полностью изучена работа зернистых фильтров с фильтрующим слоем, сформированным из аспирационных пылевых частиц. Практически нет данных об использовании в системах аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов зернистых фильтров с жесткими фильтрующими элементами.

Перспективность использования зернистых фильтров определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований, а также необходимость теоретического обоснования и разработки аспирационных систем пылеочистки воздуха на основе этих аппаратов.

Цель работы: установление закономерностей осаждения пыли для разработки аспирационных систем пылеочистки воздуха на основе зернистых фильтров, позволяющих снизить загрязнение атмосферы производственной пылью, повысить безопасность и улучшить условия труда работающих на горных и горно-строительных предприятиях.

Идея работы заключается в повышении эффективности пылеочистки в зернистых фильтрах путем стабилизации и равномерной подачи запыленного воздуха по всей площади фильтрующего слоя, формирования фильтрующих слоев из аспирационных пылевых частиц и использования для очистки запыленного воздуха жестких фильтрующих пластин.

Методы исследований. В работе используются методы математического моделирования, лабораторных и экспериментальных исследований, а также статистического анализа на основе компьютерных методов расчета.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Процессы осаждения пыли в зернистых фильтрах с неравномерным. потоком запыленного воздуха возможно адекватно описывать с помощью теоретической многофакторной модели, отражающей стабилизацию и осаждение пыли с учетом толщины слоя стабилизации и коэффициента захвата частиц пыли его зернами.

2. Степень неравномерности потока запыленного воздуха в зернистых фильтрах целесообразно оценивать с помощью коэффициента неравномерности потока, существенно влияющего на эффективность очистки воздуха и отражающего работу фильтрующего слоя в режимах стабилизации запыленного воздуха и осаждения пылевых частиц.

3. Механизм очистки аспирационного воздуха от пыли с использованием зернистых фильтров с фильтрующим слоем из аспирационных пылевых частиц включает в себя выделение пылевых частиц из аспирационного воздуха, подачу их в фильтрующий слой и удаление из него вместе с осажденной пылью, а устойчивая работа аппаратов обеспечивается равенством количества осаждаемых пылевых частиц и необходимых для формирования фильтрующего слоя в единицу времени и определяется плотностью и концентрацией пыли в аспирационном воздухе, количеством воздуха, подаваемого в камеру осаждения, объемом фильтрующего слоя и временем его работы в режиме очистки воздуха, а также степенью выделения пылевых частиц заданной крупности из пыле-воздушного потока.

4. Значимость связей между параметрами фильтрации и эффективностью очистки воздуха зернистыми фильтрами устанавливается вероятностно-статистическим подходом на основе метода главных компонент и многомерного регрессионного анализа.

5. Эффективность очистки воздуха от пыли и величина гидравлического сопротивления зернистых фильтров с жесткими фильтрующими элементами определяются крупностью фильтрующих зерен, скоростью фильтрации и толщиной фильтрующего элемента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена:

• использованием фундаментальных законов аэромеханики при разработке теоретических основ очистки воздуха от пыли в зернистых фильтрах;

• большим объемом лабораторных и промышленных экспериментов по исследованию процесса очистки воздуха от пыли в зернистых фильтрах;

• результатами статистического анализа экспериментальных исследований по осаждению пыли в зернистых фильтрах;

• хорошей сходимостью лабораторных и экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, с результатами работ других авторов (погрешность 15%).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что использование многофакторной модели очистки воздуха от пыли в зернистых фильтрах обеспечивает оценку эффективности осаждения пыли при неравномерном потоке запыленного воздуха, поступающего на очистку, и соответствует практическому применению зернистых фильтров.

2. Выявлена существенная роль степени неравномерности потока запыленного воздуха, поступающего на очистку, на эффективность осаждения пыли зернистыми фильтрами.

3. Доказано, что степень неравномерности потока запыленного воздуха перед поверхностью фильтрующего слоя определяется на основе медианной оценки распределения скорости воздуха и ее граничных величин перед входом в фильтрующий слой, приведенных к скорости фильтрации.

4. Установлены закономерности формирования фильтрующего слоя из аспирационных пылевых частиц, поступающих на очистку, и устойчивой работы зернистых фильтров с фильтрующим слоем из аспирационных пылевых частиц.

5. Определено, что основными параметрами при расчете эффективности очистки воздуха от пыли и гидравлического сопротивления зернистых фильтров с жесткими фильтрующими элементами являются крупность зерен, скорость фильтрации и толщина фильтрующего слоя. Научное значение диссертации состоит в разработке теоретического обоснования и создании методической и технической базы аспирацион-ных систем пылеочистки на основе зернистых фильтров для решения проблемы снижения загрязнения атмосферы производственной пылью, повышение безопасности и улучшения условий труда работающих на горных и горно-строительных предприятиях. Практическая ценность работы:

• Разработаны способ очистки воздуха от пыли и средства стабилизации пылевоздушного потока в зернистых фильтрах на основе равномерного распределения запыленного воздуха по площади фильтрующего слоя.

• Разработаны способ очистки воздуха от пыли и системы пылеочистки на основе зернистых фильтров с насыпным слоем и жестким фильтрующим элементом.

• Разработаны способ очистки воздуха от пыли и центробежно-фильтрационный пылеуловитель с фильтрующим слоем из аспираци-онных пылевых частиц.

• Разработана методика расчета систем аспирации, состоящих из укрытий, трубопроводов и систем пылеочистки на основе зернистых фильтров, применительно к условиям работы дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов горных и горно-строительных предприятий.

• Разработаны и внедрены системы аспирации, обеспечившие уменьшение пылевых выбросов в атмосферу и улучшение условий труда работающих на ряде предприятий Байкальского региона.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на конференциях и совещаниях: Всесоюзном научно-техническом совещании «Способы борьбы с пылью на горных предприятиях Севера и профилактика пневмокониозов» (г. Якутск, 1983 г.), Международном симпозиуме «Проблемы открытой разработки глубоких карьеров» (г. Мирный, 1991 г.) — Международной конференции по экологии Сибири «СибЭко-93» (г. Иркутск, 1993 г.), Международной конференции «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды» (Иркутск, 1996 г.), Международной научно-практической конференции «Человек-среда-вселенная» (г. Иркутск, 2001 г.), П Международном конгрессе «Безопасность и охрана труда -2002» в рамках Международной выставки «Безопасность и охрана труда-2002» (г. Москва, 2002 г.), 7-ой Международной конференции по защите окружающей среды и обогащению полезных ископаемых (г. Острава, Чехия, 2003 г.), семинарах кафедры аэрологии и охраны труда Московского государственного горного университета (г. Москва 2002, 2003 гг.), научно-практических конференциях института ИРГИРЕДМЕТ (г. Иркутск, 1985, 1987, 1989 гг.), ежегодных научно-технических конференциях Иркутского государственного технического университета.

Реализация выполненной работы. Основные результаты работы использованы в промышленности в виде:

• опытного образца насыпного зернистого фильтра с неподвижным фильтрующим слоем в условиях работы системы аспирации дробиль-но-сортировочного оборудования карьера «Перевал»;

• опытного образца пылеуловителя с фильтрующим слоем из аспираци-онных пылевых частиц в условиях работы системы аспирации узла дробления ОАО «Долерит»;

• опытной системы пылеочистки, включающей в себя циклон и жесткий зернистый фильтр с жестким фильтрующим элементом, в условиях работы системы аспирации бетонно-растворного узла Черемховского горно-строительного предприятия.

Публикации. Основные результаты научных исследований представлены в 33 публикациях, в том числе 1 монографии, 7 статьях в ведущих научных журналах, 2 авторских свидетельствах и 1 решении о выдаче патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и приложений, включает 27 таблиц и 77 рисунковбиблиографический список содержит 129 наименований.

Выводы.

1. Разработана методология проектирования систем аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов с очисткой воздуха в системах пылеочистки на основе зернистых фильтров.

2. Определено количество подаваемого на очистку запыленного воздуха при работе систем аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов горных и горно-строительных предприятий, что позволяет производить обоснованный расчет основных параметров разработанных систем пылеочистки воздуха.

3. Обоснованы компоновочные схемы систем аспирации ДСУ и БРУ, обеспечивающие минимальные затраты на проведение монтажа, технического обслуживания и ремонта укрытий, воздуховодов и систем пылеочистки воздуха на основе зернистых фильтров.

4. Разработана методика расчета систем пылеочистки на основе зернистых фильтров, позволяющая научно обоснованно определять и принимать основные параметры пылеулавливания при выполнении проектно-конструкторских работ.

5. Приведена методика определения экономической эффективности от использования разработанных систем аспирации, включающая в себя экономию от снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов на пылеулавливание, предотвращения ущерба, наносимого природе, улучшения труда работающих, использования на производстве уловленной пыли и дающая основу для расчета технико-экономических показателей работы систем аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов.

6. Экономический эффект от применения системы аспирации на бетонно-растворном узле Черемховского завода ЖБИ за счет снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов составил 9009 руб/год, а от предотвращения ущерба, наносимого природе — 6800 руб/ год. Экономический эффект от улучшения условий труда, в том числе от уменьшения пылевых выбросов в атмосферу за счет уменьшения числа общих заболеваний, на предприятии «Долерит» равен 43 750 руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Применяемые на горных и горно-строительных предприятиях дро-бильно-сортировочные установки и бетонно-растворные узлы являются источниками значительного загрязнения атмосферы производственной пылью. Решение проблем снижения выбросов в атмосферу при работе систем аспирации таких технологических комплексов целесообразно осуществлять с помощью фильтрации на основе зернистых фильтров с модифицированными параметрами очистки воздуха от пыли.

2. На очистку в зернистые фильтры запыленный воздух подается с различной скоростью по площади фильтрующего слоя. При равномерном потоке очищаемого воздуха основными факторами, определяющими эффективность осаждения пыли, являются толщина слоя, размеры зерен фильтрующего материала и скорость фильтрации. Доказано, что при работе зернистых фильтров с неравномерным потоком запыленного воздуха значимость размера зерен и скорости фильтрации уменьшается. Здесь основным определяющим фактором пылеочистки становится коэффициент неравномерности, отражающий неравномерность потока подаваемого на очистку запыленного воздуха.

3. Количественно коэффициент неравномерности потока может быть получен с помощью медианных показателей статистического распределения экспериментальных данных или через граничные скорости воздуха перед входом в фильтрующий слой, приведенные к скорости фильтрации.

4. Степень влияния коэффициента неравномерности потока на процесс осаждения пыли устанавливается с помощью метода главных компонент, позволяющего на основе анализа взаимосвязей различных факторов пылеочистки получать количественные оценки их параметров.

5. Предложенная теоретическая модель очистки воздуха от пыли отражает процессы стабилизации запыленного воздуха и осаждения пыли в фильтрующем слое зернистых фильтров с неравномерным потоком запыленного воздуха.

6. Для повышения эффективности работы зернистых фильтров поток запыленного воздуха, подвергающийся очистке, необходимо первоначально стабилизировать, а затем подавать в фильтрующий слой равномерно по всей его площади со скоростью, отличающейся от скорости фильтрации не более чем в 0,8−1,2 раза.

7. Формирование фильтрующего слоя насыпных зернистых фильтров из пылевых частиц аспирационного воздуха должно обеспечивать эффективную работу зернистых фильтров в области мелких фракций пыли. Механизм работы рассматриваемых зернистых фильтров включает в себя выделение пылевых частиц из аспирационного воздуха, подачу их в фильтрующий слой и удаление фильтрующего слоя из зернистого фильтра вместе с осажденной пылью.

8. Теоретической основой устойчивой работы зернистых фильтров с фильтрующим слоем из аспирационных пылевых частиц является равенство количества пылевых частиц, осаждаемых в аппарате и необходимых для формирования фильтрующего слоя в единицу времени. Основными факторами, определяющими механизм формирования фильтрующей среды зернистых фильтров из аспирационных пылевых частиц, являются плотность и концентрация пыли в аспирационном воздухе, количество воздуха, поступающего в камеру осаждения, объем фильтрующего слоя и время его работы в режиме очистки воздуха, а также степень выделения пылевых частиц заданной крупности из пылевоздушного потока.

9. В системах аспирации рассматриваемых технологических комплексов предпочтительнее использовать системы пылеочистки на основе зернистых фильтров, работающих с небольшими концентрациями пыли в очищаемом воздухе, для чего их необходимо комплектовать циклонами. Это дает возможность разработки конструкций аппаратов с простой системой регенерации и применения технологии очистки воздуха в зернистых фильтрах с формированием фильтрующего слоя из аспирационных пылевых частиц.

10. В системах аспирации дробильно-сортировочных установок и бе-тонно-растворных узлов возможно применение зернистых фильтров с жесткими фильтрующими элементами. Рациональными параметрами, обеспечивающими стабильную очистку воздуха от пыли в таких фильтрах, являются скорость фильтрации, равная 0,35−0,6 м/с, крупность фильтрующих зерен фракций 0,6−1,0 мм и толщина, равная 30−40 кратному размеру фракций зерен.

11. Метод расчета систем аспирации дробильно-сортировочных установок и бетонно-растворных узлов, состоящих их укрытий мест пылеобра-зования, сети трубопроводов и систем пылеочистки воздуха на основе зернистых фильтров, апробирован на карьере «Перевал», ОАО «Долерит» и Черемховском горно-строительном предприятии. Системы аспирации, испытанные на этих предприятиях обеспечивают снижение суточных выбросов в атмосферу с 49−220 кг до 30−40 кг и улучшение условий труда работающих.

12. В перспективе — совершенствование работы зернистых фильтров возможно за счет разработки конструкций воздуховодов для транспортирования и стабилизации запыленного воздуха, совершенствования технологии применения аспирационных пылевых частиц при формировании фильтрующего слоя, в частности его обработка связующими материалами для повышения скорости фильтрации и увеличения пропускной способности аппаратов.

13. Экономический эффект от применения системы аспирации на бе-тонно-растворном узле Черемховского горно-строительного предприятия за счет снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов составил 9009 руб/год, а предотвращенный ущерб, наносимый окружающей среде — 6800 руб/год (в ценах 2002 г.). Экономический эффект от улучшения условий труда работающих, в том числе от уменьшения пылевых выбросов в атмосферу в ОАО «Долерит» равен 43 750 руб/год.