CC BY
15ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 20.09.13. Ред. рег. № 1774
The article has entered in publishing office 20.09.13 . Ed. reg. No. 1774
УДК: 628.511.1:666.913
АНАЛИЗ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ НА ГИПСОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
А.Б. Гробов, А.А. Топчиев, Ю.А. Старцев
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Ул. Академическая, 1, г. Волгоград, 400074, Россия Тел.: (8442) 96-98-26, факс (8442) 97-49-33, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 25.09.13 Заключение совета экспертов: 30.09.13 Принято к публикации: 05.10.13
В данной статье был проведен анализ дисперсного состава пыли на гипсовом производстве. Получены результаты исследования дисперсного состава пыли как случайной функции. Была рассмотрена зависимость эффективной работы пылеуловителя со встречным закрученным потоком исходя из содержания гипсовой пыли в газовоздушной среде.
Ключевые слова: дисперсный состав пыли, система аспирации, случайная функция, пылеуловитель, ВЗП.
ANALYSIS OF DISPERSE STRUCTURE OF DUST ON GYPSUM PRODUCTION
A.B. Grobov, A.A. Topchiev, Y.A. Starcev
Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering 1 Academic St., Volgograd, 400074, Russia Tel.: (8442) 96-98-26, fax (8442) 97-49-33, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru
Referred: 25.09.13 Expertise: 30.09.13 Accepted: 05.10.13
In this article the analysis of disperse structure of dust at gypsum production has been carried out. Results of research of disperse dust content as stochastic function have been obtained. The dependence of effective work of dust collector with counter-current twisted flow taking into account gypsum dust content in the air environment was considered.
Keywords: disperse structure of dust, aspiration system, stochastic function, dust trap, VZP.
Алексей Борисович Гробов
Сведения об авторе: канд. техн. наук, сотрудник кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета.
Образование: Волгоградский инженерно-строительный институт по специальности «Теплога-зоснабжение и вентиляция» (2002).
Область научных интересов:
экология, обеспыливающая вентиляция, охрана труда
Публикации: 13, в том числе 1 патент.
J
Александр Александрович Топчиев
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Образование: Волгоградский гос. архитектурно-строительный университет по специальности «Морские нефтегазовые сооружения» (2013).
Область научных интересов: Экология, безопасность жизнедеятельности, обеспыливающие технологии.
Публикации: 2.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Сведения об авторе: зав. лабораторией Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета.
Образование: Волгоградский инженерно-строительный институт по специальности «Тепло-газоснабжение и вентиляция» (2008).
Область научных интересов: исследование дисперсного состава мелкой пыли и методов пылеулавливания на предприятиях строительной индустрии.
Публикации: 10, в том числе 1 патент.
■
Юрий Александрович Старцев
Введение
Вся технология по производству гипсового вяжущего материала представляет собой сложную систему автоматизированных процессов по переработке гипсового камня в готовый продукт, который широко используется в строительстве. В гипсовой промышленности существуют различные схемы по переработке и получению гипсового вяжущего, но принцип, по которому они работают, практически у всех одинаковый. Гипсовый камень поступает на завод, далее его необходимо измельчить до нужной фракции с помощью различных дробилок. После того как необходимая фракция гипса получена, необходимо выпарить из всей этой массы лишнюю воду, для чего применяются варочные котлы или различные сушильные барабаны. В итоге готовое сырье поступает на склад хранения для дальнейшего его использования в производстве смесей и на линии гипсокартонных листов.
В настоящее время в теории и практике при оценке пылевой обстановки в рабочей зоне предприятий и условий качественной работы инженерно-экологических систем принят [1, 2, 3] детерминированный подход к измерению и описанию дисперсного состава пыли, который представляется в виде дифференциальных или интегральных кривых как содержание среднего числа частиц данного размера или их массы. Считается, что для целого ряда расчетов, в которых используются результаты анализа дисперсного состава, удобно аналитическое описание функций распределения частиц по их размерам. Например, наиболее часто используется интегральная функция распределения массы частиц по диаметрам или функция прохода О(^), т.е. доля частиц пыли, прошедших через сито с заданным размером ячеек йч, в общей массе просеиваемой пробы, выраженная в процентах. Причем в большинстве случаев для пыли, содержащейся в воздухе рабочих зон и инженерно-экологических системах, распределение частиц по размерам является усеченным логарифмически-нормальным, и с высокой степенью точности функция прохода может быть аппроксимирована двухзвенным сплайном [4] (рис. 1).
D(d 99
,), %
85
50
20 10
0.5
0.1
1
2
/ \ 3 г*
Í I -
У в
у
У
10
20 d,
мкм
Рис. 1. Интегральные функции распределения массы по диаметрам частиц для пыли, отобранной в воздухе рабочей зоны производства гипсового вяжущего на расстояниях от узла пересыпки [4]: 1 - 2,5 м; 2 - 1,5 м; 3 - 0,5 м Fig. 1. Integrated functions of weight distribution on particles
diameters for dust, which has been selected in air of working zone of silicate brick production at distances from overload area [4]: 1 - 2,5 m; 2 - 1,5 m; 3 - 0,5 m
Результаты экспериментальных исследований
Рассмотрим подробно дисперсный состав пыли в рабочей и обслуживаемой зоне предприятия. Так как реально невозможно получить две абсолютно идентичные пробы, то в каждом случае (пробе) получим конкретную реализацию дисперсного состава в виде интегральной функции распределения массы или числа частиц по диаметрам. Обследования, проведенные на предприятиях стройиндустрии, показали, что в результате изменений технологического процесса в ряде случаев колебания дисперсного состава пыли будут значительно выше, чем погрешность методов измерений.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
D(d), %
30 100
d, мкм
D(d), %
10 b
30 . 100 о, мкм
Рис. 2. Функции прохода для частиц пыли, образующейся при производстве гипсового вяжущего и отобранной в воздухе рабочей зоны на расстоянии 2,5 м от узла пересыпки [4]: а - при работающей системе аспирации и концентрации пыли 3 - 3,7 мг/м3; b - при неработающей системе аспирации и концентрации
пыли 6,2 - 18,7 мг/м3; 1-16 - номера проб Fig. 2. Passage functions for dust particles, which were formed at gypsum production and extracted from air of working zone at distance of 2,5 m from overload area [4]: a - at operating system of aspiration and concentration of dust 3 - 3,7 mg/m3; b - at idle system of aspiration and concentration of a dust 6,2 - 18,7 mg/m ;1-16 - numbers of samples
В качестве примера на рис. 2 [4] представлены результаты проведенного анализа дисперсного состава пыли в воздухе рабочей зоны производства гипсового вяжущего.
В этом случае разброс значений функции прохода следует отнести не к разряду ошибок, а к особенностям случайного процесса, который, в силу влияния различных технологических факторов (температура и скорость подачи топлива) и изменяющихся в определенных пределах параметров воздушной среды в
рабочей зоне (влажность и подвижность воздуха, и т.п.), определяет фракционный состав пыли. Поэтому представляется целесообразным рассматривать функции, описывающие дисперсный состав взвешенных частиц в рабочей зоне и в инженерно-экологических системах, не как детерминированные, а как случайные [4]. В соответствии с этим можно считать, что функция прохода - некоторая случайная функция Б(йч, ю), параметром которой принимается диаметр частицы йч, изменяющийся в интервале А = [4шп, йшах], а ю - это элементарное событие, т.е. эколого-технологические условия, при которых происходит отбор пробы. В каждом конкретном случае измерений (ю) Б является уже не случайной, а детерминированной функцией параметра йч, которую можно назвать траекторией или реализацией случайной функции Б(йч, ю). Например, кривые, представленные на рис. 2 [4], являются реализациями некоторой случайной функции Б(йч, ю).
Пусть Б(йч, ю) - случайная функция, которая зависит от размера частиц 5 е А и ю-вектора эколого-технологических характеристик происходящего явления - выбивания из оборудования, осаждения, распространения пыли и т.д. Тогда определим дисперсный состав пыли как случайную функцию Б(йч, ю), йч е А, являющуюся отображением Б: О ^ Я, зависящую от размера частиц йч, где О - пространство элементарных событий, выражающихся в конкретном проявлении экологических, санитарно-гигиенических, технологических факторов. Если рассматривать элементарное событие ю е О, то есть эколого-технологические условия отбора пробы и проведение анализа, то в этом случае Б является случайной функцией параметра йч, которую можно назвать траекторией случайной функции Б(йч, ю), йч е А или его реализацией. Тогда при любом фиксированном значении параметра йч е А, случайная функция Б(йч, ю), йч е А, является случайной величиной, называемой сечением случайной функции [4].
Следует отметить, что использование термина «случайный процесс» вместо понятия «случайная функция» некорректно, поскольку параметр йч нельзя интерпретировать как время. Вместе с тем, во многих случаях для исследования случайных функций Б(йч, ю) в полной мере применим аппарат теории случайных процессов, в частности - «марковских» [5]. При любом фиксированном значении параметра йч е А случайная функция Б(йч, ю) уже является случайной величиной, называемой сечением случайной функции. Так, для частиц размером йч = 2,5 мкм (рис. 2, Ь) эта случайная величина принимает значения от 2,4 до 6%.
На рис. 3 [4] представлены функции плотности распределения значений Б(йч) в сечениях случайной функции прохода Б(йч, ю) для пыли, содержащейся в воздухе рабочей зоны при производстве гипсового вяжущего, при наиболее характерных размерах час-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
a
тиц. Для этого, например, для размера йч = 2,5 мкм определяли значение Б(ёч = 2,5 мкм) у всех 16 кривых и строили гистограмму, где по оси абсцисс откладывается Б(ёч), а по оси ординат - относительные частоты.
Í
35 25 15
%
1
4|
3
2
10
f , %
40
70
Dfd), %
100
35
25
15
1 'I 2
iL
ft
ti 4 5.
V
10
40
70 D(d4), % 100
Рис. 3. Функции плотности распределения значений D(d„) в сечениях случайной функции прохода D(d„, ш) для пыли, содержащейся в воздухе рабочей зоны при производстве гипсового вяжущего [4]: а - при работающей системе аспирации и концентрации пыли 3 - 3,7 мг/м3; b - при неработающей системе аспирации и концентрации пыли 6,2 - 18,7 мг/м3 для: 1 - Сч = 2,5 мкм; 2 - Сч = 5 мкм, 3 - сСч = 10 мкм, 4 - сСч = 20 мкм, 5 - сСч = 40 мкм [4] Fig. 3. Functions of density of values □(dj distribution in sections of stochastic function of passage D(<C„, ш) for dust containing in air of working zone at gypsum production [4]:
a - at operating system of aspiration and concentration of dust 3 - 3,7 mg/m3; b - at idle system of aspiration and concentration of dust 6,2 - 18,7 mg/m3 for: 1 - сСч = 2,5 |jm;
2 - Сч = 5 jim, 3 - Сч = 10 jim, 4 - С = 20 jim, 5 - С = 40 jim [4]
Построенные по этой гистограмме функции плотности распределения значений Б(ёч = 2,5 мкм) в сечениях случайной функции прохода Б(ёч, ю) представлены на рис. 3 (кривая 1). Аналогично построены функции плотности распределения для Б(ёч = 5 мкм) (кривая 2), Б(ёч = 10 мкм) (кривая 3), Б(ёч = 20 мкм) (кривая 4), Б(ёч = 40 мкм) (кривая 5) [5]. Случайная функция прохода Б(<йч, ю) характеризуется рядом параметров. Например, вероятностным коридором можно характеризовать неопределенность параметров функции распределения фракци-
онного состава. В случае одиночной пробы фракционного состава пыли величина вероятностного коридора определяется доверительным интервалом математического ожидания функции распределения, которая аппроксимирует экспериментальное распределение фракционных масс пыли.
Вероятностный дисперсный состав пыли и различные размеры частиц зависят от показателей технологического процесса, которые могут изменяться в определенных пределах: температурных, скорости подачи сырья и топлива, влажности и т. п.
Рассмотрим, например, пылеуловитель, который имеет эффективность 100% для частиц пыли более 20 мкм и 0% для частиц менее 20 мкм. В соответствии с данными рис. 1 и 2, математическое ожидание массы частиц размером не более 20 мкм составит 4%, следовательно, математическое ожидание эффективности пылеуловителя - 96%. Однако если математическое ожидание массы частиц не более 20 мкм - 6-7%, эффективность пылеуловителя снизится до 93-94%, а при математическом ожидании массы таких частиц около 10%, эффективность составит около 90%.
Таким образом, очевидно, что эффективность процесса пылеулавливания зависит не только от проектных характеристик аппарата, но и от вероятностного распределения значений в сечениях функции прохода Б^ч) дисперсного состава пыли в поступающем на очистку газе.
Рассмотрим в качестве примера дисперсный состав пыли в системе аспирации производства гипсовых вяжущих. Система аспирации обслуживает три источника выделения пыли - гипсоварочный котел, мельницу, охладитель. В качестве первой ступени очистки в системе аспирации используется батарея из двух циклонов, в качестве второй ступени используется электрофильтр.
Измерение дисперсного состава проводилось в пяти точках: от гипсоварочного котла, от мельницы, до батареи циклонов (объединенный поток от трех источников выделения пыли), после батареи циклонов, после электрофильтра. В каждой точке было проведено по 16 замеров дисперсного состава пыли.
Вследствие скачков в техническом процессе (сброс от мельницы регулируется автоматически; количество пыли, поступающей от котла, зависит от уровня его заполнения) дисперсный состав пыли описывается случайной функцией прохода Б^^) массы частиц пыли по диаметрам. Например, в местном отсосе от гипсоварочного котла пыль размером не более 10 мкм составляет от 1до 9%. На рис. 4 представлены функции плотности распределения значений Б(ёч) в сечениях случайной функции прохода для гипсовой пыли при йч = 10 мкм. Данные функции позволяют оценить случайные функции прохода в различных точках.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 4. Функции плотности распределения значений в сечениях случайной функции прохода для гипсовой пыли линии производства гипсовых вяжущих, отобранной в системе аспирации от гипсоварочного котла: 1 - 10 мкм, 2 - 20 мкм, 3 - 40 мкм, 4 - 80 мкм Fig. 4. Functions of density of D(d4) values distribution in sections of stochastic function of passage for gypsum dust of gypsum production line extracted from aspiration system of gypsum boiler: 1 - 10 |jm, 2 - 20 |jm, 3 - 40 |jm, 4 - 80 |jm
На основании обработки результатов замеров и получения средних значений получим средние интегральные функции распределения массы Б(йч) частиц по диаметрам для каждой из пяти точек системы.
Применим дифференцированный подход к описанию мелких и крупных фракций пыли в инженерных экологических системах, например, для точек до батареи циклонов и после батареи циклонов на линии производства гипсовых вяжущих. Особо следует подчеркнуть, что для мелких фракций (при рассмотрении их отдельно) верхняя и нижняя огибающие функции прохода очень близки к друг другу (практически сливаются), что позволяет сделать вывод о том, что частицы мелкой фракции пыли в этой системе подчиняются стабильному распределению, а распределение массы частиц всей пыли определяется массовой долей частиц крупной фракции.
Заключение
Следовательно, говорить о суммарной эффективности пылеуловителя можно только на основании знания состава пыли в воздухе, поступающем на очистку. Поскольку дисперсный состав пыли является случайной функцией, то и суммарная эффективность пылеуловителя будет случайной величиной.
Список литературы
Spisok literatury
1. Азаров В.Н., Барсуков О.К., Круглов А.Г. О нормировании качества воздуха рабочей зоны // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. 2009. № 16. С. 162-165.
2. Азаров В.Н., Есина Е.Ю. О дисперсном составе пыли в системах обеспыливающей вентиляции строительных производств // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. 2008. № 11. С. 119-122.
3. Азаров В.Н. Снижение пылевых выбросов гипсового производства в атмосферу // Экология урбанизированных территорий. 2007. № 4. С. 53-57.
4. Азаров В.Н., Кузнецова Н.С., Тетерева Е.Ю. О вероятностном подходе к определению расчетной эффективности инженерно-экологических систем строительных производств // Экология урбанизированных территорий. 2010. № 3. С. 101-103.
5. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий: авто-реф. дис. ... д-ра техн. наук. Ростов-на-Дону. 2004.
1. Аzarov V.N., Barsukov O.K., Kruglov А^. O normirovanii kacestva vozduha rabocej zony // Vestnik Volgogr. gos. arh.-stroit. un-ta. Ser.: Stroitel'stvo i arhitektura. 2009. № 16. S. 162-165.
2. Аzarov V.N., Esina E.Û. O dispersnom sostave pyli v sistemah obespylivaûsej ventilâcii stroitel'nyh proizvodstv // Vestnik Volgogr. gos. arh.-stroit. un-ta. Ser.: Stroitel'stvo i arhitektura. 2008. № ii. S. i 19-122.
3. Аzarov V.N. Snizenie pylevyh vybrosov gipsovogo proizvodstva v atmosferu // Èkologiâ urbanizirovannyh territorij. 2007. № 4. S. 53-57.
4. Аzarov V.N., Kuznecova N.S., Tetereva E.Û. O veroâtnostnom podhode k opredeleniû rascetnoj èffektivnosti inzenerno-èkologiceskih sistem stroitel'nyh proizvodstv // Èkologiâ urbanizirovannyh territorij. 2010. № 3. S. 101-103.
5. Аzarov V.N. Kompleksnaâ ocenka pylevoj obstanovki i razrabotka mer po snizeniû zapylennosti vozdusnoj sredy promyslennyh predpriâtij: avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk. Rostov-na-Donu. 2004.
Транслитерация по ISO 9:1995
— TATA —
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
