К определению фактических размеров частиц пыли выбросов стройиндустрии и строительства

К определению фактических размеров частиц пыли выбросов стройиндустрии и строительства

В настоящее время повышаются требования к экологической безопасности, в том числе, к сокращению опасного антропогенного на влияния атмосферный воздух. Производственная деятельность человека при все более возрастающем объеме производства сопровождается выбросом опасных загрязняющих веществ предприятиями промышленности и стройиндустрии в атмосферу и создает дополнительное неблагоприятное воздействие на экосистему в целом. При этом все более возрастают требования по обеспечению качества воздуха в жилой застройке урбанизированных территорий. Сокращение объема выбросов обеспыливающих систем аспирации является актуальной задачей, решение которой в первую очередь связано со снижением величины показателя проскока пыли через пылеулавливающие устройства обеспыливания.

Определение размеров частиц пыли, функциональной зависимости распределения диаметров (размеров) частиц находит все большее применение в различных теоретических исследованиях и практических разработках высокоэффективных пылеуловителей систем обеспыливания. Решению данной актуальной задаче посвящено значительное количество трудов, например, [1−4]. Описание методик проведения дисперсионного анализа пыли также широко представлены, например, в литературе [2, 4].

Определение геометрических параметров и характеристик частиц пыли различных веществ является важной и сложной проблемой. Данную проблему необходимо учитывать в решении вопросов повышения эффективности систем обеспыливания выбросов систем аспирации и технологической вентиляции стройиндустрии, других отраслей промышленного производства.

Одним из основных геометрических параметров является эффективный диаметр, эквивалентный размер d_pe, или гидравлический размер частиц пыли, как одной из основных характеристик влияющий на определение эффективности улавливания частиц пыли из потоков очищаемого газа систем обеспыливания систем аспирации. Необходимость точного определения геометрических параметров: эквивалентных размеров, гидравлической крупности [5], — является важной технической задачей, решение которой в большинстве случаев позволяет получить искомый результат.

Другим перспективным направлением является совершенствование и разработка новых конструкций центробежно-инерционных пылеуловителей. В статье [6] представлены системы пылеулавливания на основе аппаратов ВЗП с использованием результатов проведенного дисперсионного анализа пыли с высокими значениями ее содержания в подаваемом на очистку пылегазовом потоке, которые рекомендовано использовать на предприятиях стройиндустрии, и в том числе в системах обеспыливания для производства керамзита. Например, работы [7 — 8] были посвящены исследованию пылеулавливания и разработке новых пылеуловителей основе использования результатов проведенного дисперсионного анализа пыли. В работах [7 — 8] приведены основные результаты исследований дисперсного состава пыли керамзита, интегрального распределения размеров частиц пыли по эффективным диаметрам D(d_p). При этом было обосновано использование пылеуловителей, сочетающих инерционный принцип улавливания и метод мокрой очистки пылегазовых потоков пыли в системах обеспыливания выбросов производства керамзита.

При этом мелкие частицы пыли твердых веществ, особенно фракций РМ_2,5 и РМ₁₀, имеют значительное влияние на рассеивание, стратификации в атмосфере выбросов предприятий стройиндустрии. В работах [9, 10] отмечена важность учета фракций РМ_2,5 и РМ₁₀. В статье [9] указано на актуальность и пути сокращения выбросов в том числе дисперсных частиц мелких фракций РМ_2,5 и РМ₁₀ численного моделирования пылеулавливания и рассеивания их в атмосфере. В статье [10] представлены результаты основных показателей мелкодисперсных частиц РМ_2,5 и РМ₁₀ в выбросах пыли асбестоцемента и учета данных фракций пыли при моделировании рассеивания в атмосфере.

Следует также отметить интерес к анализу содержания фракций мелкодисперсных частиц пыли, например, РМ₁₀ в выбросах в атмосферу промышленных предприятий, и автотранспорта. В работе [11] отмечено, что инвентаризация выбросов объектов промышленности и строительства может служить основой для разработки программ управления качеством воздуха. При этом использовался критерий как ПДК для твердых частицы (С _{ПДК ТЧ}), так и С _{ПДК РМ10}. Эта статья представляет обобщение проведенной инвентаризации выбросов пыли РМ10 в столице Индии Дели.

Анализ ограниченного объемом статьи даже незначительного количества литературных источников показывает на необходимость учета содержания фракций мелкодисперсных частиц пыли, например, РМ_2,5, РМ₁₀, адсорбирующих на своей поверхности, в том числе токсичные вещества, содержащихся в выбросах систем аспирации и вентиляции стройиндустрии. Расчеты на рассеивание в атмосфере фракций мелкодисперсных частиц пыли, РМ_2,5, РМ₁₀ в настоящее время не производятся, так как существующие модели расчета (например, ОНД-86) не позволяют получать адекватные результаты. Кроме того существуют известные проблемы мониторинга фракций частиц пыли РМ_{2,5 и} РМ₁₀, например, в жилой застройке. Получаемые в результате измерений значения концентраций фракций частиц пыли РМ_{2,5 и} РМ₁₀ при мониторинге не могут быть воспроизведены с высокой степенью достоверности, так как представляют собой вероятностные величины различных по физико-химическим свойствам видов пыли предприятий, расположенных в том или ином районе города, города, или региона. При этом наиболее целесообразным видится нормирование содержания фракций частиц пыли РМ_{2,5 и} РМ₁₀ в выбросах систем аспирации и технологической вентиляции стройиндустрии в атмосферный воздух [12].

При этом известным подходом к определению эффективных диаметров, или эквивалентных размеров с использованием результатов проведенного комплексного дисперсионного анализа пыли.

В нашем исследовании использовалась методика, подробно изложенная в работе [6]. Известным подходом к определению эффективных диаметров, или эквивалентных размеров частиц пыли d_pe является экспериментальное изучение дисперсного состава пыли, зернистого материала с использованием лабораторной установки [13].

Диаметр частицы произвольной, отличающейся от шара формы, принято характеризовать величиной частиц пыли с некоторым эквивалентным диаметром частиц пыли d_pe. Соответствующая величине d_pe скорость витания частиц пыли в газе u_p является важными при разработке и выборе пылеулавливающих устройств для систем аспирации на предприятиях стройиндустрии, производства строительных материалов других отраслях промышленности и т. п. Кроме того, при проведении различных технологических процессов в фильтрующем, взвешенном слое частиц зернистого материала (сушка, экстракция, аэроклассификация (сепарация) и пылеулавливание) является важным выбор «рабочих» скорость движения агента (газовой фазы), числа псевдоожижения w_p, также зависящих от скорости витания частиц пыли u_p. Скорость витания стоксовых частиц пыли в газе является, в том числе функцией диаметра частиц пыли в форме шара d_p

(1).

где g — ускорение силы тяжести м/с²;

d_р - диаметр частицы, м.

— кинематическая вязкость газа, м²/с;

_p— плотность частицы, кг/м³.

В работе [1] было введено понятие величины, имеющей размерность времени, и указано, что она является одной из самых важных при описании процесса оседания частиц.

(2).

где d_р - диаметр частицы, м.

Эффективная величина горизонтальной проекции площади поперечного сечения частицы S_эф и соответствующий ей размер диаметра частицы пыли d_pe являются вероятностными величинами, так как частицы произвольной, отличающей от шара формы, располагаются на поверхности пластины (ленты) в стохастическом, произвольном положении при исследовании под микроскопом. Получаемые при экспериментальном исследовании результаты эффективных диаметров d_p, или эквивалентных диаметров частицы пыли d_pe на установке [13] по методике литературы [6] в полней мере не исключает влияния такого случайного, произвольного положении частицы пыли на ленте (пластине). Это объясняется распределением частицы пыли на исследуемой поверхности собственно в зависимости скорости осаждения u_s в газе, или скорости витания u_p. Скорости осаждения u_s и витания u_p принципе не являются тождественными параметрами, однако, как правило, отличаются по величинам незначительно [3, 4].

В соответствии с рекомендациями литературы, например [1, 2, 5], предлагается определять эквивалентные величины диаметров частицы пыли d_pe.

Теоретическая оценка величины горизонтальной проекции площади поперечного сечения частицы значительно затруднена и связана c целым рядом параметров. Одним таких факторов, влияющих на эффективное, или действующее значение горизонтальной проекции площади поперечного сечения частицы S_эф является пульсационная, периодическая составляющая движениявращения частицы. Так, например, в работе [14] указано, что скорости частицы (или газа, обеспечивающего витание частиц в газе) определяются, в том числе, частотой лагранжевых пульсаций , которые будут влиять собственно на частоту вращения самих частиц пропорциональную параметру, углу сдвига фазы () и коэффициента увлечения частиц пульсирующим потоком среды _p. Величину можно определять по формуле (2). Коэффициент _p может определяться по формуле [14].

(3).

С учетом и значением из формулы (2).

Для частицы с индексом инерционности, в стационарном установившемся режиме движения уравнения для угла сдвига фазы и среды, и параметра увлечения частиц пульсирующим потоком среды _p примут вид.

• (4)
• (5)

При этом осредненная степень увлечения, а также скорость и путь частицы в практических расчетах на основе рекомендаций [14] определяются по формулам.

(6).

• (7)
• (8)

где некоторая начальная скорость частицы, которая в случае полного увлечения частицы становится равной скорости газа .

На основании свойств произвольного, пульсационного вращательноциклического характера движения витающей в газе частицы [14].

(9).

где в данном случае u_p скорости витания частицы в газе, а пульсационная составляющая.

Фактическое, или гидравлически действующее значение величины S_эф при витании и вращении ее в газе может быть оценено в первом приближении на основе использования свойств функции гармонических колебаний, или частоты вращения частицы, имеющей значительные величины.

(10).

где в данном случае — максимальное значение площади поперечного сечения частицы в горизонтальной проекции, определяемое при дисперсионном анализе.

С учетом, и значений, ,, из системы уравнений (1−10) возможно определение величин эквивалентных диаметров частицы пыли d_pe, эффективной площади горизонтальной проекции поперечного сечения частицы S_эф .

Выводы

• 1. Величину эквивалентного диаметра частицы, или гидравлического размера пыли d_pe определять при дисперсионном анализе и возможно оценивать аналитически с учетом определенных экспериментально значений,. При этом значения, и, определяются из решения системы уравнений (1−10).
• 2. Величина фактической площади горизонтальной проекции поперечного сечения частицы S_эф всегда меньше некоторого значения площади поперечного сечения частицы максимальной величины, определяемой при дисперсионном анализе. Такое свойство частиц пыли требует учета при разработке новых конструкций пылеуловителей.

• 1. Фукс, Н. А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 352 с.
• 2. Коузов, П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов. Л.: Химия, 1987. 264 с.
• 3. Азаров, В. Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий: автореф. дис. … д-р техн. наук наук: 05.26.01. Ростов-на-Дону, 2004, 48 с.
• 4. Азаров, В.Н., Сергина, Н. М. Методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли с применением персонального компьютера (ПК) / В. Н. Азаров, Н. М. Сергина: Волгогр. гос. арх.-строит. акад. Волгоград, 2002. Деп. в ВИНИТИ 15.07.2002 № 1332−80 002. 7 с.
• 5. Strelets K. I., Kitain M. B., Petrochenko M. V. Welding Spark Parameters Determination for Cyclone Removal Calculation //Advanced Materials Research. 2014. V. 941. Pp. 2098;2103.
• 6. Сергина, Н. М., Семенова, Е. А., Кисленко, Т. А. Система обеспыливания для производства керамзита // Инженерный вестник Дона, 2013. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4y2013/2013.
• 7. Кошкарев, С.А., Кисленко, Т.А. О применении аппарата пылеулавливания с комбинированной схемой сепарации пыли из пылегазового потока в производстве керамзита // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 11. С. 47−49.
• 8. Азаров, В.Н., Кошкарев, С.А., Соломахина, Л. Я. К экспериментальной оценке эффективности аппарата мокрой очистки в системах обеспыливания выбросов от печей обжига керамзита // Инженерный вестник Дона, 2014. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2572.
• 9. Бахтин, Н. И., Янюшкин, В. В. Ольшевский, Д. В. Математическое моделирование пылеулавливания в технологических системах, уменьшающих выбросы дисперсных частиц в атмосферу // Инженерный вестник Дона, 2008. URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n2y2008/58.
• 10. Азаров, В.Н., Кошкарев, С.А., Николенко, М.А., Бурханова, Р. А. Исследование основных показателей выбросов пыли асбестоцемента в атмосферный воздух для оценки их влияния на качество жизни работающих // Инженерный вестник Дона, 2014. URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n3y2014/2539.
• 11. Gargava P. et al. Speciated PM 10 Emission Inventory for Delhi, India //Aerosol and Air Quality Research. 2014. V. 14. Pp. 1515−1526.
• 12. Маринин, Н. А. Исследование дисперсного состава пыли в инженерно-экологических системах и выбросах в атмосферу предприятий стройиндустрии: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.19. Волгоград, 2014. 20 с.
• 13. Патент № 135 806, Россия, U1 МПК G01N 15/00. Устройство для определения дисперсного состава пыли. Азаров, В. Н., Кошкарев, С.А., и др. Заявка № 2 013 121 082/28 Приоритет от 07.05.2013. Бюллетень № 35 20.12.2013.
• 14. Медников, Е. П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: «Наука», 1981. 176 с.