CC BY
26
Д.В. Иванов, Г.И. Коршунов, О.В. Черемысына, С.З. Эль-Салим
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ГАЗООЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Создание эффективной схемы очистки воздуха от выбросов, содержащих вредные примеси, актуально как на уровне отдельных промышленных предприятий, так их групп и на уровне трансграничного переноса. Вместе с тем, несмотря на постоянное возрастание загрязнений атмосферы и включение этой проблемы в состав приоритетных, созданию новых эффективных технологий не уделяется необходимого внимания. Предложенная и развиваемая концепция «Природа-техногеника» [1,2] предусматривает создание технологии управляемой газоочистки. Необходимые для этого технические средства включают как физико-химические процессы очистки загрязняющих веществ (ЗВ), так автоматизированные подсистемы управления этими процессами. Постановка и решение задачи выбора технологии газоочистки и реализации управляемых процессов очистки от ЗВ содержит инновационную составляющую.
Рассмотрим промышленное предприятие, в атмосферных выбросах которого содержатся ЗВ на примере диоксида серы 802. Известны методы газоочистки - сухая, полусухая, мокрая, а также целый ряд сорбентов, реализующих физические и физико-химические процессы очистки. Соответствующие технологии известны и применяются для построения пассивных (сменных) фильтров и локальных автоматизированных систем газоочистки.
Принципиальная новизна процесса газоочистки, предложенной в составе замкнутой системы управления «Природа-
техногеника» (ЗСУПТ) состоит в том, что должно быть автоматически и в реальном времени найдено и измерено максимальное значение концентрации ЗВ в факеле выброса, и на его основе синтезировано оптимальное управление этим процессом [3].
Такой подход обеспечивает объективный, с точки зрения окружающей природы, контроль, динамический мониторинг и непосредственно сам процесс газоочистки, возможность учета влияния нескольких источников и переход к трансграничным моделям состояния атмосферы.
Критерий оптимального управления включает инвариантность процесса выпуска основного продукта предприятия к процессу газоочистки, устойчивость системы регулирования при заданных значениях предельно-допустимых концентраций (ПДК) ЗВ. В статье рассмотрены варианты сорбционного метода, принципы организации управляемых процессов очистки, формирование и выбор аппаратных и программных средств автоматизации.
Для очистки выбросов от 802 рассмотрим два вида сорбентов, применяемых в технологии очистки - известняковую муку и железомарганцевые конкреции (ЖМК).
Известное применение известняковой муки основывается на химической реакции СаСОз +802 = Са80з + СО2
Очистной агрегат на основе пнев-мотранспортной установки был предложен одним из авторов [3]. Питающим шнеком известняковая мука непрерывно подается в смесительную камеру. При работе питающего шнека перед камерой создается пылевая пробка, препятствующая проникновению сжатого воздуха в зону работы питающего шнека. В смесительную камеру через симметрично расположенные сопла поступает сжатый воздух, за счет чего происходит интенсивная аэрация муки и образуется пыле-воздушная смесь. Пылевоздушная смесь подается в пневмопровод диаметром 50 мм и далее в рабочую камеру. В рабочей камере воздух резко теряет свою кинетическую энергию, происходит отделение муки от воз-
духа и известняковая мука вступает в реакцию с диоксидом серы.
Исходные вещества вступают в химическое взаимодействие в строго определенных мольных соотношениях, определяемых стехиометрическими коэффициентами, и в результате реакции образуются продукты, количество которых поддается расчету. Динамические характеристики и передаточная функция очистного агрегата как звена ЗСУПТ определяется наличием интегрирующего звена - шнека и инерционного звена первого порядка
Ж =_кз_
р(1 + Тр)'
где кз = к Xк2, кц, к2 - коэффициенты передачи интегратора и инерционного звена, Т - постоянная времени инерционного звена.
Одним из перспективных материалов, позволяющим эффективно очищать воздух
от вредных примесей, являются железомар-ганцевые конкреции (ЖМК) природного происхождения. В состав ЖМК входят Мп02, Бе203, А1203 и окислы ряда других металлов, обладающие как высокой сорбци-онной способностью, так и высокой каталитической активностью. Фазовый состав ЖМК представлен минералами: тодорокит, вернадит, в подчиненном количестве пиролюзит, псиломелан, рансьеит. Железо содержится в основном в виде гидрогетита Ре0(0Ы) и двойных силикатов с алюминием типа ферригидрита Ре5А12(А12816022)(0Н)2. Проведенные электронно-микроскопические исследования позволили оценить распределение составляющих элементов, как по поверхности, так и по объему образцов ЖМК. На рисунке 1 приведен рентгенофлуорес-центный спектр с выделенного участка поверхности гранулы ЖМК.
Рис. 1. Рентгенофлуоресцентный спектр и количественный состав участка поверхности гранулы ЖМК
Железо и марганец, входящие в состав ЖМК в виде минералов и окислов, определяют их высокую сорбционную способность по отношению к парам и газам, относящимся к токсичным веществам [4].
Высокая пористость и активная поверхность ЖМК подтверждают сорбционную способность фильтров, в основе которых лежит данный материал. Результаты лабораторных экспериментов, проведенных по очистки воздуха от примесей паров и газов разного химического состава, приведены в таблице 1. В экспериментах очищаемый воздух заражался примесями активных окислителей и парами компонент ракетных топлив в кон-
центрациях во много раз превышающих предельно допустимые значения. Модель лабораторной установки, с помощью которой проведены эксперименты, представлена на рисунке 2. На рисунке также показаны потоки паровоздушной смеси (ПВС), проходящие через аналитические модули и динамический фильтр. Исследования проведены с веществами, имеющими различную токсичность и сорбционную способность: тетраоксидом азота, несимметричным диметилгидразином, пропиленгликоль динитратом, оксидом углерода, сернистым ангидридом и сероводородом [5].
Таблица 1
Примесь Концентрация примеси (мг/м3) Масса сорбента, (мг) Расход ПВС (м3/час) Концентрация примеси после очистки (мг/м3) Время до проскока (час)
Тетраоксид азота Ы204 140 5 1,2 (20 л/мин) 0,05 - 0,25 4,4
НДМГ 50 5 0,6 (10 л/мин) 0,01 - 0,05 3,4
ПГДН 50 5 0,6 (10 л/мин) 0,01 - 0,05 3,4
Угарный газ СО 260 10 1,2 (20 л/мин) 0,5 - 1,0 1,5
Сернистый ангидрид 802 130 5 1 (17 л/мин) 0,05 - 0,1 2,6
Сероводород Ы28 90 10 0,6 (10 л/мин) 0,5 - 1,0 5,2
Модельный эксперимент по очистке паровоздушной смеси (ПВС) с помощью ЖМК
Данные таблицы 1 показывают, что применяемый сорбент позволяет очищать воздух от указанных примесей в воздухе при пропускании через стационарно установленный фильтр, то есть в динамическом режиме работы.
Аналитический контроль осуществлялся помощью газоаналитических модулей, построенных на основе полупроводниковых датчиков с чувствительностью от 10-3 мг/м3 по сернистому ангидриду с относительной погрешностью определения ±15 %. Видно, что при пропускании ПВС с примесью сернистого ангидрида (С0 = 130 мг/м3) через фильтр с ЖМК (насыпная масса 5 мг), за 2,6 часа поглощено 338 мг примеси 802 до уровня менее 0,2 мг/м3 (за концентрацию проскока принято значение, превышающее
концентрацию по сернистому ангидриду 0,125 мг/м3).
Для определения полной динамической обменной емкости эксперимент проводился до установления равновесной концентрации, соответствующей С0 = 97,5 мг/м3.
Лабораторная установка (рисунок 2) состоит из газовой камеры, в которой расположен генератор 802, выдающего концентрацию 97,5 мг/м3, проточной камеры-фильтра с ЖМК, на концах которой установлены газоаналитические модули 1 и 2, и побудителя расхода, подсоединенного к выходу камеры, позволяющего создать поток ПВС с расходом в диапазоне от 1 до 40 дм3/мин. Камера фильтр и аналитические модули размещены в термостате, поддерживающего температуру с точностью ±1оС.
Воздушный клапан
Аналитический Аналитический
—модуль 1 модуль 2
Рис. 2. Модель лабораторной экспериментальной установки
4
Газовая камера
Аналит. Модуль
Камера-фильтр
V
-1 1 Аналит.
^^^^^Модуль
Блок сопряжения и управления
Воздушный фильтр
Побудитель расхода
▼
Сброс
Рис. 3. Блок-схема лабораторной установки
Управление, отображение и хранение информации осуществляется с помощью центрального процессора, интерфейсной линии и ПК. Блок-схема лабораторной установки приведена на рисунке 3. Динамическая емкость ЖМК относительно сорбции примесей сернистого ангидрида определена по измерениям концентрации на выходе камеры-фильтра через равные интервалы времени в течение суток. Исходная концентрация поддерживалась на уровне 97,5 мг/м3, расход ПВС - 5 л/мин (0,3 м3/час), диаметр камеры фильтра - 5 мм, длина - 50 мм, масса ЖМК - 43 мг, лабораторная установка тер-мостатирована при температуре 25 оС в течение всего эксперимента. На рисунке 4 приведена зависимость концентрации 802 на выходе камеры-фильтра от времени. Зная расход, определим объем ПВС, прошедший через фильтр за время эксперимента: У=0'1;, за полное время эксперимента, равное 1440 минутам. Пропускаемый объем составляет 7,2 м3, соответственно масса сернистого ангидрида, прошедшего через фильтр в течение эксперимента составляет 936 мг.
Расчет динамической емкости до проскока проводится следующим образом:
1. Задается концентрация по сернистому ангидриду выше значений ПДК в п раз, например, Спроскока = 10 мг/м3;
2. С(У) по результатам эксперимента аппроксимируется сигмоидальной функцией
C (V) = C0 +-
a
'0 ■ V-V0
1 + e b
уравнением:
C (V) = 0,4211 + -
96,35
1 + e
V-5,760 0,097
(1)
(2)
где V - текущий объем ПВС, связанный с временем пропускания ПВС через камеру-фильтр соотношением V=Qt;
3. Экспериментально определяется объем, при котором концентрация после фильтра превосходит 10 мг/м3: V = 5,7 м3;
4. Масса SO2 до проскока (10 мг/м3) рав-
C10
на: m(SO2) = J C (V)dt или, переходя к C min
времени сорбции при постоянном расходе
C10
ПВС Q: m(SO2) = Q x JC(V)dt;
C min
5. По результатам эксперимента m(SO2) = 169,11 мг;
6. Динамическая емкость до проскока 10 мг/м3 для ЖМК массой 43 мг составляет:
^^ ,Лмгч m(SO2) 169,11 _ кг ДЕ(С = 10—) = ——2— =-— = 3,93 —
тЖМК 43 кг
м
7. Соответственно полная динамическая емкость ЖМК массой 43 мг составляет:
ПДЕ(С = 10—) =
мг. m(SO2) 398,45
кг
м
m„
= 9,26 43 кг
Рис. 4. Зависимость концентрации 802 на выходе фильтра от пропускаемого объема
В уравнении (1) коэффициент а соответствует равновесной концентрации на выходе камеры-фильтра, Ь - минимальный объем ПВС, участвующий в реакции, У0 - объем, соответствующий превышению пороговой концентрации, в данном случае 10 мг/м3. Скорость изменения концентрации примеси сернистого ангидрида в ПВС после сорбции на ЖМК приведена на рисунке 5 и составляет 0,0015 мг/м3 в минуту.
Проведенные эксперименты показали, что сорбенты на основе ЖМК обладают высокой емкостью по соединениям серы. Расчеты показывают, что динамическая емкость до проскока (10 мг/м3) ЖМК составляет 3,93 кг сернистого ангидрида на 1 кг сорбента при времени сорбции 18,5 часов и полная динамическая емкость - 9,26 кг сернистого ангидрида на 1 кг сорбента при времени
сорбции 24 часа.
Проведенные эксперименты по определению динамической емкости ЖМК по отношению к сернистому ангидриду позволяют построить схему автоматического управления с применением газоаналитических модулей, выполненных на основе полупроводниковых газочувствительных датчиков. Действительно, зная скорость изменения концентрации после пропускания ПВС через ЖМК, можно определить время, необходимое для смены камеры-фильтра, чтобы концентрация примеси сернистого ангидрида в ПВС не превышала ПДК, либо заданного значения. По нормам GAS ПДКраз SO2 составляет 1 мг/м3, соответственно время превышения данной концентрации на 0,043 мг/м3 составляет 30 минут.
1,4 -
1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0,0 --0,2 -
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Рис. 5. Скорость заполнения камеры-фильтра в течение времени пропускания ПВС через ЖМК
1 1 3
§ со
со § |
О ■О ;
Время пропускания ПВС через камеру-фильтр, мин
Данные показатели показывают возможность оптимального применения ЖМК в качестве фильтрующего материала в динамическом режиме очистки ПВС от примесей сернистого ангидрида. Технически управляемый фильтр предполагается строить в виде сменных блоков-кассет, устанавливае-
мых в очистных агрегатах предприятий. Автоматическая смена кассеты выполняется управляющим устройством при превышении заданного порога очистки, который устанавливается в соответствии с зависимостью, представленной на рисунке 4.
Полученные результаты по опытной экс-
плуатации агрегата на основе пневмотранс-портной установки известняковой муки и результаты лабораторных исследований же-лезомарганцевых конкреций, являются основой для моделирования газоочистных агрегатов в составе ЗСУПТ. Формирование и выбор технических средств подсистемы га-
зоочистки, как составной части ЗСУПТ включает оценку и анализ динамических характеристик процесса газоочистки, моделирование процесса, разработку алгоритма газоочистки, выбор вида управляющих воздействий, выбор аппаратных и программных средств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Solnitsev R.I. The simulation of «Nature-technogenic» system // IEHS'98. ISA - SPb. Russian sect. / SPb. SUAI, 1998. P. 8-10.
2. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Шаба-лов А.А. Моделирование замкнутой системы управления «Природа-техногеника». Информационно-управляющие системы, 2008. № 2. С. 3641.
3. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Груди-
нин В.П. Способ снижения загрязняющих атмосферу вредных веществ посредством замкнутой системы управления. Патент РФ на изобретение
№ 2351975 с приоритетом от 11.06.2006.
4. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Чистяков А.А., Жадовский И.Т. Кинетика сорбции катионов стронция железомарганцевыми конкрециями. «Известия вузов. Химия и хим. технология». 2008. Т. 51. № 3, С. 40-45.
5. Черемисина О.В., Клещенко Р.В., Эль-Салим С.З. Применение полупроводниковых адсорбционных датчиков для решения задач газового анализа на объектах ВМФ. «Химическая безопасность». 2008. № 3. С. 67-71.
С.В. Новиков
ИННОВАЦИОННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ СЕПАРАЦИИ РУД И ЛОМА ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Использование металлов - важнейшая характеристика развивающихся цивилизаций. Потребление цветных металлов определяет качественный уровень промышленного развития государства и непрерывно увеличивается. Получению готовых металлов в процессе металлургической переработки предшествуют технологические переделы горных работ и обогащения руды. Недостатки используемых в настоящее время технологий обогащения полезных ископаемых не устранимы в принципе и требуют поиска принципиально новых технологий, основанных на новых научно-технических достижениях. Радиометрическая сепарация в технологии предварительного обогащения твердых полезных ископаемых позволяет усовершенствовать традиционную технологию
обогащения добытой руды за счет вовлечения в переработку большего количества горной массы, добытой на месторождении, а также сохранных отвалов руд с низким содержанием ценного компонента. Инновационная технология с применением радиометрической сепарации основана на природной неравномерности распределения металлов в отдельных кусках руды. Средние содержание ценного компонента в товарной руде обычно в 1,5 3 раза выше, чем в некондиционной руде и породах, при этом объемы последних больше в 5 10 раз. Как правило, руда на 40 60 % состоит из кусков с отвальным содержанием ценного компонента, с другой стороны в отвальных породах кондиционное содержание имеют 20 25 % кусков, которые могут быть выделены в то-
